En bioquímica , una vía metabólica es una serie ligada de reacciones químicas que ocurren dentro de una célula . Los reactivos , productos e intermedios de una reacción enzimática se conocen como metabolitos , que son modificados por una secuencia de reacciones químicas catalizadas por enzimas . [1] : 26 En la mayoría de los casos de una vía metabólica, el producto de una enzima actúa como sustrato de la siguiente. Sin embargo, los productos secundarios se consideran desechos y se eliminan de la celda. [2]Estas enzimas a menudo requieren minerales dietéticos, vitaminas y otros cofactores para funcionar.
Diferentes vías metabólicas funcionan según la posición dentro de una célula eucariota y la importancia de la vía en el compartimento dado de la célula. [3] Por ejemplo, la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa tienen lugar en la membrana mitocondrial. [4] : 73, 74 & 109 En contraste, la glucólisis , la vía de las pentosas fosfato y la biosíntesis de ácidos grasos ocurren en el citosol de una célula. [5] : 441–442
Hay dos tipos de vías metabólicas que se caracterizan por su capacidad para sintetizar moléculas con la utilización de energía ( vía anabólica ) o descomponer moléculas complejas y liberar energía en el proceso ( vía catabólica ). [6] Las dos vías se complementan en el sentido de que la energía liberada por una es utilizada por la otra. El proceso de degradación de una vía catabólica proporciona la energía necesaria para realizar la biosíntesis de una vía anabólica. [6] Además de las dos vías metabólicas distintas, está la vía anfibólica, que puede ser catabólica o anabólica según la necesidad o la disponibilidad de energía. [7]
Se requieren vías para el mantenimiento de la homeostasis dentro de un organismo y el flujo de metabolitos a través de una vía se regula según las necesidades de la célula y la disponibilidad del sustrato. El producto final de una vía puede usarse inmediatamente, iniciar otra vía metabólica o almacenarse para su uso posterior. El metabolismo de una célula consiste en una elaborada red de vías interconectadas que permiten la síntesis y descomposición de moléculas (anabolismo y catabolismo).
Descripción general
Cada vía metabólica consta de una serie de reacciones bioquímicas que están conectadas por sus intermediarios: los productos de una reacción son los sustratos de las reacciones posteriores, y así sucesivamente. A menudo se considera que las vías metabólicas fluyen en una dirección. Aunque todas las reacciones químicas son técnicamente reversibles, las condiciones en la celda son a menudo tales que es termodinámicamente más favorable que el flujo proceda en una dirección de la reacción. [8] Por ejemplo, una vía puede ser responsable de la síntesis de un aminoácido en particular, pero la degradación de ese aminoácido puede ocurrir a través de una vía separada y distinta. Un ejemplo de excepción a esta "regla" es el metabolismo de la glucosa . La glucólisis da como resultado la degradación de la glucosa, pero varias reacciones en la vía de la glucólisis son reversibles y participan en la resíntesis de glucosa ( gluconeogénesis ).
- La glucólisis fue la primera vía metabólica descubierta:
- Cuando la glucosa entra en una célula, es fosforilada inmediatamente por el ATP a glucosa 6-fosfato en el primer paso irreversible.
- En momentos de exceso de fuentes de energía de lípidos o proteínas , ciertas reacciones en la vía de la glucólisis pueden producirse a la inversa para producir glucosa 6-fosfato , que luego se utiliza para el almacenamiento como glucógeno o almidón .
- Las vías metabólicas a menudo están reguladas por inhibición por retroalimentación .
- Algunas vías metabólicas fluyen en un "ciclo" en el que cada componente del ciclo es un sustrato para la reacción posterior en el ciclo, como en el ciclo de Krebs (ver más abajo).
- Las vías anabólicas y catabólicas en eucariotas a menudo ocurren de forma independiente entre sí, separadas físicamente por compartimentación dentro de orgánulos o separadas bioquímicamente por el requerimiento de diferentes enzimas y cofactores.
Principales vías metabólicas
Vía catabólica (catabolismo)
Una vía catabólica es una serie de reacciones que producen una liberación neta de energía en forma de enlace fosfato de alta energía formado con los portadores de energía difosfato de adenosina (ADP) y difosfato de guanosina (GDP) para producir trifosfato de adenosina (ATP) y guanosina trifosfato (GTP), respectivamente. [4] : 91–93 La reacción neta es, por lo tanto, termodinámicamente favorable, ya que da como resultado una menor energía libre para los productos finales. [9] : 578–579 Una vía catabólica es un sistema exergónico que produce energía química en forma de ATP, GTP, NADH, NADPH, FADH2, etc. a partir de fuentes que contienen energía como carbohidratos, grasas y proteínas. Los productos finales suelen ser dióxido de carbono, agua y amoníaco. Junto con una reacción endergónica de anabolismo, la célula puede sintetizar nuevas macromoléculas utilizando los precursores originales de la vía anabólica. [10] Un ejemplo de una reacción acoplada es la fosforilación de fructosa-6-fosfato para formar el intermedio fructosa-1,6-bisfosfato por la enzima fosfofructoquinasa acompañada por la hidrólisis de ATP en la vía de la glucólisis . La reacción química resultante dentro de la vía metabólica es altamente termodinámicamente favorable y, como resultado, irreversible en la célula. [5] : 74–478
Respiración celular
Un conjunto básico de vías catabólicas que producen energía se produce dentro de todos los organismos vivos de alguna forma. Estas vías transfieren la energía liberada por la descomposición de los nutrientes en ATP y otras moléculas pequeñas que se utilizan para generar energía (por ejemplo , GTP , NADPH , FADH ). Todas las células pueden realizar respiración anaeróbica por glucólisis . Además, la mayoría de los organismos pueden realizar una respiración aeróbica más eficiente a través del ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa . Además , las plantas , las algas y las cianobacterias pueden utilizar la luz solar para sintetizar anabólicamente compuestos a partir de materia no viva mediante la fotosíntesis .
Vía anabólica (anabolismo)
A diferencia de las vías catabólicas, las vías anabólicas requieren un aporte de energía para construir macromoléculas como polipéptidos, ácidos nucleicos, proteínas, polisacáridos y lípidos. La reacción aislada del anabolismo es desfavorable en una célula debido a una Energía Libre de Gibbs positiva (+ Δ G ). Por tanto, es necesaria una entrada de energía química a través de un acoplamiento con una reacción exergónica . [1] : 25–27 La reacción acoplada de la vía catabólica afecta la termodinámica de la reacción al reducir la energía de activación general de una vía anabólica y permitir que la reacción tenga lugar. [1] : 25 De lo contrario, una reacción endergónica no es espontánea.
Una vía anabólica es una vía biosintética, lo que significa que combina moléculas más pequeñas para formar moléculas más grandes y complejas. [9] : 570 Un ejemplo es la vía inversa de la glucólisis, también conocida como gluconeogénesis , que se produce en el hígado y, a veces, en el riñón para mantener la concentración adecuada de glucosa en la sangre y suministrar al cerebro y los tejidos musculares la cantidad adecuada de glucosa. Aunque la gluconeogénesis es similar a la vía inversa de la glucólisis, contiene tres enzimas distintas de la glucólisis que permiten que la vía se produzca de forma espontánea. [11] Un ejemplo de la vía de la gluconeogénesis se ilustra en la imagen titulada " Mecanismo de gluconeogénesis ".
Vía anfibólica
Una vía anfibólica es aquella que puede ser catabólica o anabólica según la disponibilidad o la necesidad de energía. [9] : 570 La moneda de la energía en una célula biológica es el trifosfato de adenosina (ATP) , que almacena su energía en los enlaces fosfoanhídridos . La energía se utiliza para realizar la biosíntesis, facilitar el movimiento y regular el transporte activo dentro de la célula. [9] : 571 Ejemplos de vías anfibólicas son el ciclo del ácido cítrico y el ciclo del glioxilato. Estos conjuntos de reacciones químicas contienen vías de producción y utilización de energía. [5] : 572 A la derecha hay una ilustración de las propiedades anfibólicas del ciclo del TCA.
La vía de derivación del glioxilato es una alternativa al ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) , ya que redirige la vía del TCA para evitar la oxidación total de los compuestos de carbono y para preservar las fuentes de carbono de alta energía como fuentes de energía futuras. Esta vía ocurre solo en plantas y bacterias y ocurre en ausencia de moléculas de glucosa. [12]
Regulación
El flujo de toda la vía está regulado por los pasos que determinan la velocidad. [1] : 577–578 Estos son los pasos más lentos en una red de reacciones. El paso que limita la velocidad ocurre cerca del comienzo de la vía y está regulado por la inhibición por retroalimentación, que en última instancia controla la velocidad general de la vía. [13] La vía metabólica en la célula está regulada por modificaciones covalentes o no covalentes. Una modificación covalente implica la adición o eliminación de un enlace químico, mientras que una modificación no covalente (también conocida como regulación alostérica) es la unión del regulador a la enzima a través de enlaces de hidrógeno , interacciones electrostáticas y fuerzas de Van Der Waals . [14]
La tasa de recambio en una vía metabólica, también conocida como flujo metabólico , se regula según el modelo de reacción estequiométrica, la tasa de utilización de metabolitos y el ritmo de translocación de moléculas a través de la bicapa lipídica . [15] Los métodos de regulación se basan en experimentos que involucran marcado con 13C , que luego se analiza mediante composiciones de masas derivadas de resonancia magnética nuclear (RMN) o cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS) . Las técnicas antes mencionadas sintetizan una interpretación estadística de la distribución de masa en los aminoácidos proteinogénicos a las actividades catalíticas de las enzimas en una célula. [15] : 178
Ver también
- Metabolismo
- Red metabólica
- Modelado de redes metabólicas
- Ingeniería metabólica
Referencias
- ^ a b c d David L. Nelson; Cox, Michael M. (2008). Principios de bioquímica de Lehninger (5ª ed.). Nueva York: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-7108-1.
- ^ Alison, Snape (2014). Bioquímica y biología molecular . Papachristodoulou, Despo K., Elliott, William H., Elliott, Daphne C. (Quinta ed.). Oxford. ISBN 9780199609499. OCLC 862091499 .
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- ^ Choffnes, Eileen R .; Relman, David A .; Leslie reza (2011). Resumen del taller de ciencia y aplicaciones de la biología sintética y de sistemas . Washington, DC: Prensa de las Academias Nacionales. pag. 135. ISBN 978-0-309-21939-6.
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- ^ a b Weckwerth, Wolfram, ed. (2006). Métodos y protocolos de metabolómica . Totowa, Nueva Jersey: Humana Press. pag. 177. ISBN 1597452440.
enlaces externos
- Mapa completo de vías metabólicas
- Mapa general de BRENDA
- BioCyc: modelos de redes metabólicas para miles de organismos secuenciados
- KEGG: Enciclopedia de genes y genomas de Kioto
- Reactome, una base de datos de reacciones, vías y procesos biológicos
- MetaCyc: una base de datos de vías metabólicas dilucidadas experimentalmente (más de 2200 vías de más de 2500 organismos).
- MetaboMAPS: una plataforma para compartir rutas y visualización de datos sobre rutas metabólicas
- La base de datos de Pathway Localization (PathLocdb)
- DAVID: Visualice genes en mapas de vías.
- Wikipathways: caminos para las personas
- ConsensusPathDB
- metpath : gráfico metabólico interactivo integrado
Diagrama de la vía metabólica |
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Metabolismo del glucuronato Interconversión pentosa Metabolismo del inositol Metabolismo de la celulosa y la sacarosa Metabolismo del almidón y el glucógeno Otro metabolismo del azúcar Vía pentosa fosfato Glucólisis y gluconeogénesis Metabolismo de los amino azúcares Síntesis de pequeños aminoácidos Síntesis de aminoácidos ramificados Biosíntesis de purinas Metabolismo de la histidina Síntesis de aminoácidos aromáticos Descarboxilación de piruvato Fermentación Metabolismo de los ácidos grasos Ciclo de la urea Síntesis de grupos de aminoácidos aspartato Metabolismo de porfirinas y corrinoides Ciclo del ácido cítrico Síntesis de grupos de aminoácidos glutamato Biosíntesis de pirimidina Todas las etiquetas de ruta en esta imagen son enlaces, simplemente haga clic para acceder al artículo. Una versión etiquetada de alta resolución de esta imagen está disponible aquí. |