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Vista simplificada del metabolismo celular
Estructura del trifosfato de adenosina (ATP), un intermedio central en el metabolismo energético

Metabolismo ( / m ə t æ b ə l ɪ z ə m / , desde griego : μεταβολή Metabole , "cambio") es el conjunto de la vida -sustaining reacciones químicas en organismos . Los tres propósitos principales del metabolismo son: la conversión de alimentos en energía para ejecutar procesos celulares; la conversión de alimentos / combustible en componentes básicos para proteínas , lípidos , ácidos nucleicos y algunos carbohidratos ; y la eliminación dedesechos metabólicos . Estas enzimas reacciones catalizada permiten a los organismos crecer y reproducirse, mantener sus estructuras y responder a su medio ambiente. La palabra metabolismo también puede referirse a la suma de todas las reacciones químicas que ocurren en los organismos vivos, incluida la digestión y el transporte de sustancias hacia y entre diferentes células, en cuyo caso el conjunto de reacciones descritas anteriormente dentro de las células se denomina metabolismo intermedio o intermedio. metabolismo. En diversas enfermedades, como la diabetes tipo II , el síndrome metabólico y el cáncer , se altera el metabolismo normal. [1]

Las reacciones metabólicas pueden clasificarse como catabólicas : la descomposición de compuestos (por ejemplo, la descomposición de glucosa en piruvato mediante la respiración celular ); o anabólico : la formación ( síntesis ) de compuestos (como proteínas, carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos). Por lo general, el catabolismo libera energía y el anabolismo consume energía.

Las reacciones químicas del metabolismo se organizan en vías metabólicas , en las que una sustancia química se transforma a través de una serie de pasos en otra sustancia química, cada paso es facilitado por una enzima específica . Las enzimas son cruciales para el metabolismo porque permiten que los organismos impulsen reacciones deseables que requieren energía que no ocurrirán por sí mismos, al acoplarlas a reacciones espontáneas que liberan energía. Las enzimas actúan como catalizadores (permiten que una reacción se desarrolle más rápidamente) y también permiten la regulación de la velocidad de una reacción metabólica, por ejemplo, en respuesta a cambios en el entorno de la célula o paraseñales de otras células.

El sistema metabólico de un organismo en particular determina qué sustancias encontrará nutritivas y cuáles venenosas . Por ejemplo, algunos procariotas usan sulfuro de hidrógeno como nutriente, pero este gas es venenoso para los animales. [2] La tasa metabólica basal de un organismo es la medida de la cantidad de energía consumida por todas estas reacciones químicas.

Una característica sorprendente del metabolismo es la similitud de las vías metabólicas básicas entre especies muy diferentes. [3] Por ejemplo, el conjunto de ácidos carboxílicos más conocidos como intermediarios en el ciclo del ácido cítrico están presentes en todos los organismos conocidos, encontrándose en especies tan diversas como la bacteria unicelular Escherichia coli y organismos multicelulares enormes como los elefantes . [4] Estas similitudes en las vías metabólicas probablemente se deban a su aparición temprana en la historia evolutiva , y su retención probablemente se deba a su eficacia . [5] [6]El metabolismo de las células cancerosas es diferente del metabolismo de las células normales, y estas diferencias se pueden utilizar para encontrar dianas de intervención terapéutica en el cáncer. [7]

Bioquímicos clave [ editar ]

Estructura de un lípido de triacilglicerol
Este es un diagrama que muestra un gran conjunto de vías metabólicas humanas.

La mayoría de las estructuras que componen los animales, las plantas y los microbios están formadas por cuatro clases básicas de moléculas : aminoácidos , carbohidratos , ácidos nucleicos y lípidos (a menudo llamados grasas ). Como estas moléculas son vitales para la vida, las reacciones metabólicas se centran en producir estas moléculas durante la construcción de células y tejidos, o en descomponerlas y utilizarlas como fuente de energía, mediante su digestión. Estos bioquímicos se pueden unir para formar polímeros como el ADN y las proteínas , macromoléculas esenciales de la vida. [8]

Aminoácidos y proteínas [ editar ]

Las proteínas están formadas por aminoácidos dispuestos en una cadena lineal unidos por enlaces peptídicos . Muchas proteínas son enzimas que catalizan las reacciones químicas del metabolismo. Otras proteínas tienen funciones estructurales o mecánicas, como las que forman el citoesqueleto , un sistema de andamiaje que mantiene la forma celular. [9] Las proteínas también son importantes en la señalización celular , las respuestas inmunitarias , la adhesión celular , el transporte activo a través de las membranas y el ciclo celular . [10]Los aminoácidos también contribuyen al metabolismo energético celular al proporcionar una fuente de carbono para entrar en el ciclo del ácido cítrico (ciclo del ácido tricarboxílico ), [11] especialmente cuando una fuente primaria de energía, como la glucosa , es escasa o cuando las células sufren estrés metabólico. . [12]

Lípidos [ editar ]

Los lípidos son el grupo de bioquímicos más diverso. Sus principales usos estructurales son como parte de membranas biológicas tanto internas como externas, como la membrana celular , o como fuente de energía. [10] Los lípidos se definen normalmente como moléculas biológicas hidrófobas o anfipáticas , pero se disuelven en disolventes orgánicos como alcohol , benceno o cloroformo . [13] Las grasas son un gran grupo de compuestos que contienen ácidos grasos y glicerol ; una molécula de glicerol unida a tres ácidos grasoslos ésteres se denominan triacilglicéridos . [14] Existen varias variaciones en esta estructura básica, incluidas las columnas vertebrales como la esfingosina en la esfingomielina y los grupos hidrófilos como el fosfato como en los fosfolípidos . Los esteroides como el esterol son otra clase importante de lípidos. [15]

Carbohidratos [ editar ]

La glucosa puede existir tanto en forma de cadena lineal como de anillo.

Los carbohidratos son aldehídos o cetonas , con muchos grupos hidroxilo unidos, que pueden existir como cadenas lineales o anillos. Los carbohidratos son las moléculas biológicas más abundantes y cumplen numerosas funciones, como el almacenamiento y transporte de energía ( almidón , glucógeno ) y componentes estructurales ( celulosa en plantas, quitina en animales). [10] Las unidades básicas de carbohidratos se denominan monosacáridos e incluyen galactosa , fructosa y, lo más importante, glucosa.. Los monosacáridos se pueden unir para formar polisacáridos de formas casi ilimitadas. [dieciséis]

Nucleótidos [ editar ]

Los dos ácidos nucleicos, ADN y ARN , son polímeros de nucleótidos . Cada nucleótido está compuesto por un fosfato unido a un grupo de azúcar ribosa o desoxirribosa que está unido a una base nitrogenada . Los ácidos nucleicos son fundamentales para el almacenamiento y uso de la información genética y su interpretación a través de los procesos de transcripción y biosíntesis de proteínas . [10] Esta información está protegida por mecanismos de reparación del ADN y se propaga mediante la replicación del ADN . Muchos virus tienen un genoma de ARN , como el VIH, que utiliza la transcripción inversa para crear una plantilla de ADN a partir de su genoma de ARN viral. [17] El ARN en las ribozimas , como los espliceosomas y los ribosomas, es similar a las enzimas, ya que puede catalizar reacciones químicas. Los nucleósidos individuales se fabrican uniendo una base nucleotídica a un azúcar ribosa . Estas bases son anillos heterocíclicos que contienen nitrógeno, clasificados como purinas o pirimidinas . Los nucleótidos también actúan como coenzimas en reacciones de transferencia de grupos metabólicos. [18]

Coenzimas [ editar ]

Estructura de la coenzima acetil-CoA . El grupo acetilo transferible está unido al átomo de azufre en el extremo izquierdo.

El metabolismo implica una amplia gama de reacciones químicas, pero la mayoría se incluyen en algunos tipos básicos de reacciones que implican la transferencia de grupos funcionales de átomos y sus enlaces dentro de las moléculas. [19] Esta química común permite que las células utilicen un pequeño conjunto de intermediarios metabólicos para transportar grupos químicos entre diferentes reacciones. [18] Estos intermediarios de transferencia de grupos se denominan coenzimas . Cada clase de reacciones de transferencia de grupo es llevada a cabo por una coenzima particular, que es el sustrato de un conjunto de enzimas que la producen y un conjunto de enzimas que la consumen. Por lo tanto, estas coenzimas se fabrican, consumen y luego reciclan continuamente. [20]

Una coenzima central es el trifosfato de adenosina (ATP), la moneda de energía universal de las células. Este nucleótido se utiliza para transferir energía química entre diferentes reacciones químicas. Solo hay una pequeña cantidad de ATP en las células, pero como se regenera continuamente, el cuerpo humano puede usar aproximadamente su propio peso en ATP por día. [20] El ATP actúa como un puente entre el catabolismo y el anabolismo . El catabolismo descompone las moléculas y el anabolismo las une. Las reacciones catabólicas generan ATP y las reacciones anabólicas lo consumen. También sirve como portador de grupos fosfato en reacciones de fosforilación . [21]

Una vitamina es un compuesto orgánico necesario en pequeñas cantidades que no se puede producir en las células. En la nutrición humana , la mayoría de las vitaminas funcionan como coenzimas después de la modificación; por ejemplo, todas las vitaminas solubles en agua se fosforilan o se acoplan a nucleótidos cuando se usan en células. [22] El dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD + ), un derivado de la vitamina B 3 ( niacina ), es una coenzima importante que actúa como aceptor de hidrógeno. Cientos de tipos separados de deshidrogenasas eliminan electrones de sus sustratos y reducen el NAD +en NADH. Esta forma reducida de la coenzima es entonces un sustrato para cualquiera de las reductasas en la célula que necesitan reducir sus sustratos. [23] El dinucleótido de nicotinamida y adenina existe en dos formas relacionadas en la célula, NADH y NADPH. La forma NAD + / NADH es más importante en reacciones catabólicas, mientras que NADP + / NADPH se usa en reacciones anabólicas. [24]

La estructura de la hemoglobina que contiene hierro . Las subunidades de proteínas están en rojo y azul, y los grupos hemo que contienen hierro en verde. Desde PDB : 1GZX .

Minerales y cofactores [ editar ]

Los elementos inorgánicos juegan un papel fundamental en el metabolismo; algunos son abundantes (por ejemplo, sodio y potasio ) mientras que otros funcionan en concentraciones mínimas. Aproximadamente el 99% del peso corporal de un ser humano está compuesto por los elementos carbono , nitrógeno , calcio , sodio , cloro , potasio , hidrógeno , fósforo , oxígeno y azufre . Los compuestos orgánicos (proteínas, lípidos y carbohidratos) contienen la mayor parte del carbono y nitrógeno; la mayor parte del oxígeno y el hidrógeno está presente en forma de agua. [25]

Los abundantes elementos inorgánicos actúan como electrolitos . Los iones más importantes son sodio , potasio , calcio , magnesio , cloruro , fosfato y el ión orgánico bicarbonato . El mantenimiento de gradientes de iones precisos a través de las membranas celulares mantiene la presión osmótica y el pH . [26] Los iones también son críticos para la función nerviosa y muscular , ya que los potenciales de acción en estos tejidos son producidos por el intercambio de electrolitos entre losel líquido extracelular y el líquido celular, el citosol . [27] Los electrolitos entran y salen de las células a través de proteínas en la membrana celular llamadas canales iónicos . Por ejemplo, la contracción muscular depende de la circulación de calcio, sodio y potasio a través de los canales iónicos en la membrana celular y los túbulos T . [28]

Los metales de transición suelen estar presentes como oligoelementos en los organismos, siendo el zinc y el hierro los más abundantes. [29] Estos metales se utilizan en algunas proteínas como cofactores y son esenciales para la actividad de enzimas como la catalasa y las proteínas transportadoras de oxígeno como la hemoglobina. [30] Los cofactores metálicos están unidos estrechamente a sitios específicos en las proteínas; aunque los cofactores enzimáticos pueden modificarse durante la catálisis, siempre vuelven a su estado original al final de la reacción catalizada. Los micronutrientes metálicos son absorbidos por los organismos mediante transportadores específicos y se unen a proteínas de almacenamiento como la ferritina.o metalotioneína cuando no esté en uso. [31] [32]

Catabolismo [ editar ]

El catabolismo es el conjunto de procesos metabólicos que descomponen moléculas grandes. Estos incluyen descomponer y oxidar las moléculas de los alimentos. El propósito de las reacciones catabólicas es proporcionar la energía y los componentes necesarios para las reacciones anabólicas que forman moléculas. [33] La naturaleza exacta de estas reacciones catabólicas difiere de un organismo a otro, y los organismos pueden clasificarse según sus fuentes de energía y carbono (sus grupos nutricionales primarios ), como se muestra en la siguiente tabla. Los organótrofos utilizan moléculas orgánicas como fuente de energía , mientras que los litótrofos utilizan sustratos inorgánicos y los fotótrofos capturan la luz solar como energía química . [34]Sin embargo, todas estas diferentes formas de metabolismo dependen de reacciones redox que implican la transferencia de electrones de moléculas donantes reducidas como moléculas orgánicas , agua, amoniaco , sulfuro de hidrógeno o iones ferrosos a moléculas aceptoras como oxígeno , nitrato o sulfato . En los animales, estas reacciones involucran moléculas orgánicas complejas que se descomponen en moléculas más simples, como dióxido de carbono y agua. En organismos fotosintéticos , como plantas y cianobacterias., estas reacciones de transferencia de electrones no liberan energía, pero se utilizan como una forma de almacenar la energía absorbida de la luz solar. [35]

El conjunto más común de reacciones catabólicas en animales se puede dividir en tres etapas principales. En la primera etapa, las moléculas orgánicas grandes, como proteínas , polisacáridos o lípidos , se digieren en sus componentes más pequeños fuera de las células. A continuación, estas moléculas más pequeñas son absorbidas por las células y convertidas en moléculas más pequeñas, generalmente acetil coenzima A (acetil-CoA), que libera algo de energía. Finalmente, el grupo acetilo de la CoA se oxida a agua y dióxido de carbono en el ciclo del ácido cítrico y la cadena de transporte de electrones , liberando la energía que se almacena al reducir la coenzima nicotinamida adenina dinucleótido (NAD +) en NADH. [33]

Digestión [ editar ]

Las células no pueden procesar directamente las macromoléculas. Las macromoléculas deben dividirse en unidades más pequeñas antes de que puedan usarse en el metabolismo celular. Se estaban utilizando diferentes clases de enzimas para digerir estos polímeros. Estas enzimas digestivas incluyen proteasas que digieren proteínas en aminoácidos, así como glucósidos hidrolasas que digieren polisacáridos en azúcares simples conocidos como monosacáridos [37].

Los microbios simplemente secretan enzimas digestivas en su entorno, [38] [39] mientras que los animales solo secretan estas enzimas a partir de células especializadas en sus intestinos , incluidos el estómago y el páncreas , y las glándulas salivales . [40] Los aminoácidos o azúcares liberados por estas enzimas extracelulares son luego bombeados a las células mediante proteínas de transporte activas . [41] [42]

Un esquema simplificado del catabolismo de proteínas , carbohidratos y grasas.

Energía de compuestos orgánicos [ editar ]

El catabolismo de los carbohidratos es la descomposición de los carbohidratos en unidades más pequeñas. Los carbohidratos generalmente se introducen en las células una vez que se han digerido en monosacáridos . [43] Una vez dentro, la ruta principal de degradación es la glucólisis , donde azúcares como la glucosa y la fructosa se convierten en piruvato y se genera algo de ATP. [44] El piruvato es un intermediario en varias vías metabólicas, pero la mayoría se convierte en acetil-CoA a través de la glucólisis aeróbica (con oxígeno) y se alimenta al ciclo del ácido cítrico.. Aunque se genera algo más de ATP en el ciclo del ácido cítrico, el producto más importante es el NADH, que se elabora a partir de NAD + a medida que se oxida la acetil-CoA. Esta oxidación libera dióxido de carbono como producto de desecho. En condiciones anaeróbicas, la glucólisis produce lactato , a través de la enzima lactato deshidrogenasa re-oxidando NADH a NAD + para su reutilización en glucólisis. [45] Una ruta alternativa para la descomposición de la glucosa es la ruta de las pentosas fosfato , que reduce la coenzima NADPH y produce pentosa azúcares como la ribosa , el componente de azúcar de los ácidos nucleicos .

Las grasas se catabolizan por hidrólisis a ácidos grasos libres y glicerol. El glicerol entra en la glucólisis y los ácidos grasos se descomponen por beta oxidación para liberar acetil-CoA, que luego se alimenta al ciclo del ácido cítrico. Los ácidos grasos liberan más energía tras la oxidación que los carbohidratos porque los carbohidratos contienen más oxígeno en sus estructuras. Algunas bacterias también descomponen los esteroides en un proceso similar a la oxidación beta, y este proceso de descomposición implica la liberación de cantidades significativas de acetil-CoA, propionil-CoA y piruvato, que la célula puede usar para obtener energía. M. tuberculosis también puede crecer en el colesterol lipídico.como única fuente de carbono, y los genes implicados en la (s) vía (s) de uso del colesterol se han validado como importantes durante varias etapas del ciclo de vida de la infección de M. tuberculosis . [46]

Los aminoácidos se utilizan para sintetizar proteínas y otras biomoléculas, o se oxidan a urea y dióxido de carbono como fuente de energía. [47] La vía de oxidación comienza con la eliminación del grupo amino por una transaminasa . El grupo amino se introduce en el ciclo de la urea , dejando un esqueleto de carbono desaminado en forma de cetoácido . Varios de estos cetoácidos son intermedios en el ciclo del ácido cítrico, por ejemplo, la desaminación del glutamato forma α- cetoglutarato . [48] Los aminoácidos glucogénicos también se pueden convertir en glucosa a través de la gluconeogénesis.(se discute más adelante). [49]

Transformaciones de energía [ editar ]

Fosforilación oxidativa [ editar ]

En la fosforilación oxidativa, los electrones eliminados de las moléculas orgánicas en áreas como el ciclo del ácido protagonista se transfieren al oxígeno y la energía liberada se usa para producir ATP. Esto se hace en eucariotas por una serie de proteínas en las membranas de las mitocondrias llamadas cadena de transporte de electrones . En los procariotas , estas proteínas se encuentran en la membrana interna de la célula . [50] Estas proteínas utilizan la energía liberada al pasar electrones de moléculas reducidas como NADH al oxígeno para bombear protones a través de una membrana. [51]

Mecanismo de la ATP sintasa . El ATP se muestra en rojo, el ADP y el fosfato en rosa y la subunidad del tallo giratorio en negro.

Bombear protones fuera de las mitocondrias crea una diferencia de concentración de protones a través de la membrana y genera un gradiente electroquímico . [52] Esta fuerza hace que los protones regresen a la mitocondria a través de la base de una enzima llamada ATP sintasa . El flujo de protones hace que la subunidad del tallo gire, lo que hace que el sitio activo del dominio de la sintasa cambie de forma y fosforile el difosfato de adenosina  , convirtiéndolo en ATP. [20]

Energía de compuestos inorgánicos [ editar ]

La quimiolitotrofia es un tipo de metabolismo que se encuentra en los procariotas donde la energía se obtiene de la oxidación de compuestos inorgánicos . Estos organismos pueden utilizar hidrógeno , [53] compuestos reducidos de azufre (como sulfuro , sulfuro de hidrógeno y tiosulfato ), [2] hierro ferroso (FeII) [54] o amoníaco [55] como fuentes de poder reductor y obtienen energía del oxidación de estos compuestos con aceptores de electrones como oxígeno o nitrito . [56]Estos procesos microbianos son importantes en los ciclos biogeoquímicos globales como la acetogénesis , la nitrificación y la desnitrificación y son críticos para la fertilidad del suelo . [57] [58]

Energía de la luz [ editar ]

La energía de la luz solar es captada por plantas , cianobacterias , bacterias púrpuras , bacterias verdes de azufre y algunos protistas . Este proceso a menudo se combina con la conversión de dióxido de carbono en compuestos orgánicos, como parte de la fotosíntesis, que se analiza a continuación. Sin embargo, los sistemas de captura de energía y fijación de carbono pueden operar por separado en procariotas, ya que las bacterias violetas y las bacterias de azufre verde pueden utilizar la luz solar como fuente de energía, mientras se cambia entre la fijación de carbono y la fermentación de compuestos orgánicos. [59] [60]

En muchos organismos, la captura de energía solar es similar en principio a la fosforilación oxidativa, ya que implica el almacenamiento de energía como un gradiente de concentración de protones. Esta fuerza motriz del protón impulsa la síntesis de ATP [61]. Los electrones necesarios para impulsar esta cadena de transporte de electrones provienen de proteínas recolectoras de luz llamadas centros de reacción fotosintéticos . Los centros de reacción se clasifican en dos tipos según la naturaleza del pigmento fotosintético presente, y la mayoría de las bacterias fotosintéticas solo tienen un tipo, mientras que las plantas y las cianobacterias tienen dos. [62]

En plantas, algas y cianobacterias, el fotosistema II utiliza energía luminosa para eliminar electrones del agua, liberando oxígeno como producto de desecho. Luego, los electrones fluyen hacia el complejo citocromo b6f , que usa su energía para bombear protones a través de la membrana tilacoide en el cloroplasto . [35] Estos protones retroceden a través de la membrana a medida que impulsan la ATP sintasa, como antes. Los electrones luego fluyen a través del fotosistema I y luego pueden usarse para reducir la coenzima NADP +. [63] fEstas cooenzimas pueden usarse en el ciclo de Calvin , que se analiza a continuación, o reciclarse para una mayor generación de ATP.

Anabolismo [ editar ]

El anabolismo es el conjunto de procesos metabólicos constructivos donde la energía liberada por el catabolismo se utiliza para sintetizar moléculas complejas. En general, las moléculas complejas que componen las estructuras celulares se construyen paso a paso a partir de precursores pequeños y simples. El anabolismo involucra tres etapas básicas. En primer lugar, la producción de precursores como aminoácidos , monosacáridos , isoprenoides y nucleótidos , en segundo lugar, su activación en formas reactivas utilizando energía del ATP, y en tercer lugar, el ensamblaje de estos precursores en moléculas complejas como proteínas , polisacáridos , lípidos y ácidos nucleicos. . [64]

El anabolismo en los organismos puede ser diferente según la fuente de moléculas construidas en sus células. Los autótrofos , como las plantas, pueden construir moléculas orgánicas complejas en las células, como los polisacáridos y las proteínas, a partir de moléculas simples como el dióxido de carbono y el agua. Los heterótrofos , por otro lado, requieren una fuente de sustancias más complejas, como monosacáridos y aminoácidos, para producir estas moléculas complejas. Los organismos pueden clasificarse además por la fuente última de su energía: los fotoautótrofos y fotoheterótrofos obtienen energía de la luz, mientras que los quimioautótrofos y quimioheterótrofos obtienen energía de reacciones de oxidación inorgánica. [64]

Fijación de carbono [ editar ]

Células vegetales (delimitadas por paredes moradas) llenas de cloroplastos (verde), que son el sitio de la fotosíntesis.

La fotosíntesis es la síntesis de carbohidratos a partir de la luz solar y el dióxido de carbono (CO 2 ). En las plantas, las cianobacterias y las algas, la fotosíntesis oxigenada divide el agua, produciendo oxígeno como producto de desecho. Este proceso utiliza el ATP y NADPH producidos por los centros de reacción fotosintéticos , como se describió anteriormente, para convertir CO 2 en glicerato 3-fosfato , que luego se puede convertir en glucosa. Esta reacción de fijación de carbono la lleva a cabo la enzima RuBisCO como parte del ciclo de Calvin-Benson . [65] Tres tipos de fotosíntesis se producen en las plantas, C3 fijación de carbono , fijación C4 carbonoy fotosíntesis CAM . Estos difieren por la ruta que toma el dióxido de carbono hacia el ciclo de Calvin, con las plantas C3 fijando CO 2 directamente, mientras que la fotosíntesis C4 y CAM incorporan primero el CO 2 en otros compuestos, como adaptaciones para lidiar con la luz solar intensa y las condiciones secas. [66]

En los procariotas fotosintéticos, los mecanismos de fijación de carbono son más diversos. Aquí, el dióxido de carbono se puede fijar mediante el ciclo de Calvin-Benson, un ciclo del ácido cítrico inverso , [67] o la carboxilación de acetil-CoA. [68] [69] Los quimioautótrofos procarióticos también fijan el CO 2 a través del ciclo de Calvin-Benson, pero utilizan la energía de los compuestos inorgánicos para impulsar la reacción. [70]

Carbohidratos y glicanos [ editar ]

En el anabolismo de carbohidratos, los ácidos orgánicos simples pueden convertirse en monosacáridos como la glucosa y luego usarse para ensamblar polisacáridos como el almidón . La generación de glucosa a partir de compuestos como piruvato , lactato , glicerol , glicerato 3-fosfato y aminoácidos se denomina gluconeogénesis . La gluconeogénesis convierte el piruvato en glucosa-6-fosfato a través de una serie de intermedios, muchos de los cuales se comparten con la glucólisis . [44] Sin embargo, esta vía no es simplementeLa glucólisis se realiza a la inversa, ya que varios pasos son catalizados por enzimas no glucolíticas. Esto es importante ya que permite que la formación y descomposición de la glucosa se regule por separado y evita que ambas vías se ejecuten simultáneamente en un ciclo inútil . [71] [72]

Aunque la grasa es una forma común de almacenar energía, en vertebrados como los humanos los ácidos grasos de estos depósitos no se pueden convertir en glucosa a través de la gluconeogénesis, ya que estos organismos no pueden convertir la acetil-CoA en piruvato ; las plantas tienen, pero los animales no, la maquinaria enzimática necesaria. [73] Como resultado, después de una inanición prolongada, los vertebrados necesitan producir cuerpos cetónicos a partir de ácidos grasos para reemplazar la glucosa en tejidos como el cerebro que no pueden metabolizar los ácidos grasos. [74] En otros organismos como plantas y bacterias, este problema metabólico se resuelve mediante el ciclo del glioxilato , que evita elpaso de descarboxilación en el ciclo del ácido cítrico y permite la transformación de acetil-CoA en oxaloacetato , donde se puede utilizar para la producción de glucosa. [73] [75] Aparte de la grasa, la glucosa se almacena en la mayoría de los tejidos, como un recurso energético disponible dentro del tejido a través de la glucogénesis, que generalmente se usaba para mantener el nivel de glucosa en sangre. [76]

Los polisacáridos y glicanos se obtienen mediante la adición secuencial de monosacáridos por glicosiltransferasa de un donante de azúcar-fosfato reactivo, como uridina difosfato de glucosa (UDP-Glc), a un grupo hidroxilo aceptor en el polisacárido en crecimiento. Como cualquiera de los grupos hidroxilo del anillo del sustrato puede ser aceptores, los polisacáridos producidos pueden tener estructuras lineales o ramificadas. [77] Los polisacáridos producidos pueden tener funciones estructurales o metabólicas por sí mismos, o ser transferidos a lípidos y proteínas por enzimas llamadas oligosacariltransferasas . [78] [79]

Ácidos grasos, isoprenoides y esterol [ editar ]

Se muestra una versión simplificada de la vía de síntesis de esteroides con los intermedios pirofosfato de isopentenilo (IPP), pirofosfato de dimetilalilo (DMAPP), pirofosfato de geranilo (GPP) y escualeno . Algunos intermedios se omiten para mayor claridad.

Los ácidos grasos están formados por ácidos grasos sintasas que polimerizan y luego reducen las unidades de acetil-CoA. Las cadenas de acilo en los ácidos grasos se prolongan mediante un ciclo de reacciones que agregan el grupo acilo, lo reducen a un alcohol, lo deshidratan a un grupo alqueno y luego lo reducen nuevamente a un grupo alcano . Las enzimas de la biosíntesis de ácidos grasos se dividen en dos grupos: en los animales y los hongos, todas estas reacciones de la sintasa de ácidos grasos se llevan a cabo mediante una única proteína multifuncional de tipo I, [80] mientras que en los plástidos de las plantas y las bacterias las enzimas de tipo II independientes realizan cada paso. en el camino. [81] [82]

Los terpenos e isoprenoides son una gran clase de lípidos que incluyen los carotenoides y forman la clase más grande de productos naturales vegetales . [83] Estos compuestos se obtienen mediante el ensamblaje y modificación de unidades de isopreno donadas a partir de los precursores reactivos pirofosfato de isopentenilo y pirofosfato de dimetilalilo . [84] Estos precursores se pueden fabricar de diferentes formas. En animales y arqueas, la vía del mevalonato produce estos compuestos a partir de acetil-CoA, [85] mientras que en plantas y bacterias, la vía del no mevalonato utiliza piruvato ygliceraldehído 3-fosfato como sustratos. [84] [86] Una reacción importante que utiliza estos donantes de isopreno activados es la biosíntesis de esteroles . Aquí, las unidades de isopreno se unen para producir escualeno y luego se pliegan y forman un conjunto de anillos para producir lanosterol . [87] El lanosterol se puede convertir en otros esterol como colesterol y ergosterol . [87] [88]

Proteínas [ editar ]

Los organismos varían en su capacidad para sintetizar los 20 aminoácidos comunes. La mayoría de las bacterias y plantas pueden sintetizar los veinte, pero los mamíferos solo pueden sintetizar once aminoácidos no esenciales, por lo que nueve aminoácidos esenciales deben obtenerse de los alimentos. [10] Algunos parásitos simples , como la bacteria Mycoplasma pneumoniae , carecen de toda la síntesis de aminoácidos y toman sus aminoácidos directamente de sus huéspedes. [89] Todos los aminoácidos se sintetizan a partir de intermedios en la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico o la vía de las pentosas fosfato. El nitrógeno es proporcionado por glutamato y glutamina.. La síntesis de aminoácidos no sensoriales depende de la formación del alfa-cetoácido apropiado, que luego se transamina para formar un aminoácido. [90]

Los aminoácidos se convierten en proteínas al unirse en una cadena de enlaces peptídicos . Cada proteína diferente tiene una secuencia única de residuos de aminoácidos: esta es su estructura primaria . Así como las letras del alfabeto pueden combinarse para formar una variedad casi infinita de palabras, los aminoácidos pueden unirse en diferentes secuencias para formar una gran variedad de proteínas. Las proteínas están hechas de aminoácidos que se activan al unirse a una molécula de ARN de transferencia a través de un enlace éster . Este precursor de aminoacil-tRNA se produce en una reacción dependiente de ATP llevada a cabo por una aminoacil tRNA sintetasa . [91]Este aminoacil-tRNA es entonces un sustrato para el ribosoma , que une el aminoácido en la cadena de proteínas en elongación, utilizando la información de secuencia en un RNA mensajero . [92]

Síntesis y recuperación de nucleótidos [ editar ]

Los nucleótidos están hechos de aminoácidos, dióxido de carbono y ácido fórmico en vías que requieren grandes cantidades de energía metabólica. [93] En consecuencia, la mayoría de los organismos tienen sistemas eficientes para salvar nucleótidos preformados. [93] [94] Las purinas se sintetizan como nucleósidos (bases unidas a la ribosa ). [95] Tanto la adenina como la guanina se fabrican a partir del nucleósido precursor monofosfato de inosina , que se sintetiza utilizando átomos de los aminoácidos glicina , glutamina y ácido aspártico , así como formiato.transferido de la coenzima tetrahidrofolato . Las pirimidinas , por otro lado, se sintetizan a partir de la base orotato , que se forma a partir de glutamina y aspartato. [96]

Xenobióticos y metabolismo redox [ editar ]

Todos los organismos están constantemente expuestos a compuestos que no pueden usar como alimentos y serían dañinos si se acumularan en las células, ya que no tienen función metabólica. Estos compuestos potencialmente dañinos se denominan xenobióticos . [97] Los xenobióticos, como las drogas sintéticas , los venenos naturales y los antibióticos, se desintoxican mediante un conjunto de enzimas que metabolizan los xenobióticos. En los seres humanos, estos incluyen citocromo P450 oxidasas , [98] UDP-glucuronosiltransferasas , [99] y glutatión S- transferasas . [100]Este sistema de enzimas actúa en tres etapas para oxidar primero el xenobiótico (fase I) y luego conjugar los grupos solubles en agua en la molécula (fase II). El xenobiótico soluble en agua modificado se puede bombear fuera de las células y en organismos multicelulares se puede metabolizar aún más antes de ser excretado (fase III). En ecología , estas reacciones son particularmente importantes en la biodegradación microbiana de contaminantes y la biorremediación de tierras contaminadas y derrames de petróleo. [101] Muchas de estas reacciones microbianas se comparten con organismos multicelulares, pero debido a la increíble diversidad de tipos de microbios, estos organismos son capaces de lidiar con una gama mucho más amplia de xenobióticos que los organismos multicelulares y pueden degradar inclusocontaminantes orgánicos persistentes como los compuestos organoclorados . [102]

Un problema relacionado para los organismos aeróbicos es el estrés oxidativo . [103] Aquí, los procesos que incluyen la fosforilación oxidativa y la formación de enlaces disulfuro durante el plegamiento de proteínas producen especies reactivas de oxígeno como el peróxido de hidrógeno . [104] Estos oxidantes dañinos son eliminados por metabolitos antioxidantes como el glutatión y enzimas como las catalasas y las peroxidasas . [105] [106]

Termodinámica de organismos vivos [ editar ]

Los organismos vivos deben obedecer las leyes de la termodinámica , que describen la transferencia de calor y trabajo . La segunda ley de la termodinámica establece que en cualquier sistema cerrado , la cantidad de entropía (desorden) no puede disminuir. Aunque la asombrosa complejidad de los organismos vivos parece contradecir esta ley, la vida es posible ya que todos los organismos son sistemas abiertos que intercambian materia y energía con su entorno. Así, los sistemas vivos no están en equilibrio , sino que son sistemas disipativos que mantienen su estado de alta complejidad provocando un mayor aumento de la entropía de sus entornos. [107]El metabolismo de una célula logra esto acoplando los procesos espontáneos del catabolismo a los procesos no espontáneos del anabolismo. En términos termodinámicos , el metabolismo mantiene el orden creando desorden. [108]

Regulación y control [ editar ]

Como los entornos de la mayoría de los organismos cambian constantemente, las reacciones del metabolismo deben regularse con precisión para mantener un conjunto constante de condiciones dentro de las células, una condición llamada homeostasis . [109] [110] La regulación metabólica también permite que los organismos respondan a las señales e interactúen activamente con sus entornos. [111] Dos conceptos estrechamente relacionados son importantes para comprender cómo se controlan las vías metabólicas. En primer lugar, la regulación de una enzima en una vía es cómo su actividad aumenta y disminuye en respuesta a las señales. En segundo lugar, el controlque ejerce esta enzima es el efecto que estos cambios en su actividad tienen sobre la velocidad general de la vía (el flujo a través de la vía). [112] Por ejemplo, una enzima puede mostrar grandes cambios en la actividad ( es decir , está muy regulada) pero si estos cambios tienen poco efecto sobre el flujo de una vía metabólica, entonces esta enzima no participa en el control de la vía. [113]

Efecto de la insulina sobre la captación y el metabolismo de la glucosa. La insulina se une a su receptor (1), que a su vez inicia muchas cascadas de activación de proteínas (2). Estos incluyen: translocación del transportador Glut-4 a la membrana plasmática y afluencia de glucosa (3), síntesis de glucógeno (4), glucólisis (5) y síntesis de ácidos grasos (6).

Existen múltiples niveles de regulación metabólica. En la regulación intrínseca, la vía metabólica se autorregula para responder a cambios en los niveles de sustratos o productos; por ejemplo, una disminución en la cantidad de producto puede aumentar el flujo a través de la vía para compensar. [112] Este tipo de regulación a menudo implica la regulación alostérica de las actividades de múltiples enzimas en la vía. [114] El control extrínseco implica que una célula de un organismo multicelular cambie su metabolismo en respuesta a las señales de otras células. Estas señales suelen estar en forma de mensajeros solubles en agua, como hormonas y factores de crecimiento, y son detectadas por receptores específicos.en la superficie celular. [115] Estas señales son luego transmitidas dentro de la célula por sistemas de segundos mensajeros que a menudo involucran la fosforilación de proteínas. [116]

Un ejemplo muy bien conocido de control extrínseco es la regulación del metabolismo de la glucosa por la hormona insulina . [117] La insulina se produce en respuesta a aumentos en los niveles de glucosa en sangre . La unión de la hormona a los receptores de insulina en las células activa una cascada de proteína quinasas que hacen que las células absorban glucosa y la conviertan en moléculas de almacenamiento como ácidos grasos y glucógeno . [118] El metabolismo del glucógeno está controlado por la actividad de la fosforilasa , la enzima que degrada el glucógeno y la glucógeno sintasa., la enzima que lo produce. Estas enzimas están reguladas de forma recíproca, con la fosforilación inhibiendo la glucógeno sintasa, pero activando la fosforilasa. La insulina provoca la síntesis de glucógeno activando las proteínas fosfatasas y produciendo una disminución en la fosforilación de estas enzimas. [119]

Evolución [ editar ]

Árbol evolutivo que muestra la ascendencia común de organismos de los tres dominios de la vida. Las bacterias son de color azul, eucariotas rojo y arqueas verde. Las posiciones relativas de algunos de los filos incluidos se muestran alrededor del árbol.

Las vías centrales del metabolismo descritas anteriormente, como la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico, están presentes en los tres dominios de los seres vivos y estuvieron presentes en el último ancestro común universal . [4] [120] Esta célula ancestral universal era procariota y probablemente un metanógeno que tenía un extenso metabolismo de aminoácidos, nucleótidos, carbohidratos y lípidos. [121] [122] La retención de estas antiguas vías durante la evolución posterior.puede ser el resultado de que estas reacciones hayan sido una solución óptima a sus problemas metabólicos particulares, con vías como la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico que producen sus productos finales de manera altamente eficiente y en un número mínimo de pasos. [5] [6] Las primeras vías del metabolismo basado en enzimas pueden haber sido parte del metabolismo de los nucleótidos de purina , mientras que las vías metabólicas anteriores eran parte del antiguo mundo del ARN . [123]

Se han propuesto muchos modelos para describir los mecanismos por los que evolucionan nuevas vías metabólicas. Estos incluyen la adición secuencial de nuevas enzimas a una ruta ancestral corta, la duplicación y luego la divergencia de rutas completas, así como el reclutamiento de enzimas preexistentes y su ensamblaje en una ruta de reacción novedosa. [124] La importancia relativa de estos mecanismos no está clara, pero los estudios genómicos han demostrado que es probable que las enzimas en una vía tengan una ascendencia compartida, lo que sugiere que muchas vías han evolucionado paso a paso con funciones novedosas creadas a partir de -Pasos existentes en el camino. [125]Un modelo alternativo proviene de estudios que rastrean la evolución de las estructuras de las proteínas en las redes metabólicas, esto ha sugerido que las enzimas se reclutan de manera generalizada, tomando prestadas enzimas para realizar funciones similares en diferentes vías metabólicas (evidente en la base de datos MANET ) [126] Estos procesos de reclutamiento dan como resultado un mosaico enzimático evolutivo. [127] Una tercera posibilidad es que algunas partes del metabolismo puedan existir como "módulos" que se pueden reutilizar en diferentes vías y realizar funciones similares en diferentes moléculas. [128]

Además de la evolución de nuevas vías metabólicas, la evolución también puede provocar la pérdida de funciones metabólicas. Por ejemplo, en algunos parásitos se pierden procesos metabólicos que no son esenciales para la supervivencia y, en cambio, los aminoácidos, nucleótidos y carbohidratos preformados pueden eliminarse del huésped . [129] Se observan capacidades metabólicas reducidas similares en organismos endosimbióticos . [130]

Investigación y manipulación [ editar ]

Red metabólica del ciclo del ácido cítrico de Arabidopsis thaliana . Las enzimas y metabolitos se muestran como cuadrados rojos y las interacciones entre ellos como líneas negras.

Clásicamente, el metabolismo se estudia mediante un enfoque reduccionista que se centra en una única vía metabólica. Particularmente valioso es el uso de trazadores radiactivos a nivel de todo el organismo, los tejidos y las células, que definen las rutas desde los precursores hasta los productos finales mediante la identificación de productos y productos intermedios marcados radiactivamente. [131] Las enzimas que catalizan estas reacciones químicas pueden luego purificarse e investigarse su cinética y respuestas a los inhibidores . Un enfoque paralelo consiste en identificar las moléculas pequeñas en una célula o tejido; el conjunto completo de estas moléculas se llama metaboloma. En general, estos estudios ofrecen una buena visión de la estructura y función de las vías metabólicas simples, pero son inadecuados cuando se aplican a sistemas más complejos, como el metabolismo de una célula completa. [132]

Una idea de la complejidad de las redes metabólicas en las células que contienen miles de enzimas diferentes viene dada por la figura que muestra las interacciones entre solo 43 proteínas y 40 metabolitos a la derecha: las secuencias de genomas proporcionan listas que contienen hasta 26.500 genes. [133] Sin embargo, ahora es posible utilizar estos datos genómicos para reconstruir redes completas de reacciones bioquímicas y producir modelos matemáticos más holísticos que puedan explicar y predecir su comportamiento. [134] Estos modelos son especialmente poderosos cuando se utilizan para integrar la ruta y los datos de metabolitos obtenidos a través de métodos clásicos con datos sobre la expresión génica de proteómica yEstudios de microarrays de ADN . [135] Usando estas técnicas, ahora se ha producido un modelo de metabolismo humano, que guiará el descubrimiento futuro de fármacos y la investigación bioquímica. [136] Estos modelos se utilizan ahora en el análisis de redes , para clasificar las enfermedades humanas en grupos que comparten proteínas o metabolitos comunes. [137] [138]

Las redes metabólicas bacterianas son un ejemplo sorprendente de organización de pajarita [139] [140] [141] , una arquitectura capaz de introducir una amplia gama de nutrientes y producir una gran variedad de productos y macromoléculas complejas utilizando relativamente pocas monedas intermedias comunes.

Una de las principales aplicaciones tecnológicas de esta información es la ingeniería metabólica . Aquí, organismos como levaduras , plantas o bacterias se modifican genéticamente para hacerlos más útiles en biotecnología y ayudar a la producción de fármacos como antibióticos o productos químicos industriales como el 1,3-propanodiol y el ácido shikímico . [142] Estas modificaciones genéticas suelen tener como objetivo reducir la cantidad de energía utilizada para producir el producto, aumentar los rendimientos y reducir la producción de desechos. [143]

Historia [ editar ]

El término metabolismo se deriva del francés "métabolisme" o del griego antiguo μεταβολή - "Metabole" para "un cambio" que deriva de μεταβάλλ - "Metaballein" significa "Cambiar" [144]

El metabolismo de Aristóteles como modelo de flujo abierto

Filosofía griega [ editar ]

Las partes de los animales, de Aristóteles , presenta suficientes detalles de sus puntos de vista sobre el metabolismo para poder hacer un modelo de flujo abierto. Él creía que en cada etapa del proceso, los materiales de los alimentos se transformaban, liberando calor como el elemento clásico del fuego y excretando los materiales residuales en forma de orina, bilis o heces. [145]

Medicina islámica [ editar ]

Ibn al-Nafis describió el metabolismo en su trabajo de 1260 d.C. titulado Al-Risalah al-Kamiliyyah fil Siera al-Nabawiyyah (El Tratado de Kamil sobre la biografía del Profeta) que incluía la siguiente frase: "Tanto el cuerpo como sus partes están en un estado continuo de disolución y nutrición, por lo que inevitablemente están sufriendo un cambio permanente ". [146]

Aplicación del método científico [ editar ]

La historia del estudio científico del metabolismo abarca varios siglos y ha pasado de examinar animales completos en los primeros estudios a examinar reacciones metabólicas individuales en la bioquímica moderna. Los primeros experimentos controlados del metabolismo humano fueron publicados por Santorio Santorio en 1614 en su libro Ars de statica medicina . [147] Describió cómo se pesaba antes y después de comer, dormir , trabajar, tener relaciones sexuales, ayunar, beber y excretar. Descubrió que la mayor parte de la comida que ingirió se perdió a través de lo que llamó " transpiración insensible ".

Santorio Santorio in his steelyard balance, de Ars de statica medicina , publicado por primera vez en 1614

En estos primeros estudios, no se habían identificado los mecanismos de estos procesos metabólicos y se pensaba que una fuerza vital animaba el tejido vivo. [148] En el siglo XIX, al estudiar la fermentación del azúcar en alcohol por la levadura , Louis Pasteur concluyó que la fermentación era catalizada por sustancias dentro de las células de la levadura que llamó "fermentos". Escribió que "la fermentación alcohólica es un acto relacionado con la vida y organización de las células de la levadura, no con la muerte o putrefacción de las células". [149] Este descubrimiento, junto con la publicación por Friedrich Wöhler en 1828 de un artículo sobre la síntesis química deurea , [150] y se destaca por ser el primer compuesto orgánico preparado a partir de precursores totalmente inorgánicos. Esto demostró que los compuestos orgánicos y las reacciones químicas que se encuentran en las células no eran diferentes en principio a cualquier otra parte de la química.

Fue el descubrimiento de las enzimas a principios del siglo XX por Eduard Buchner lo que separó el estudio de las reacciones químicas del metabolismo del estudio biológico de las células y marcó los inicios de la bioquímica . [151] La masa de conocimiento bioquímico creció rápidamente a lo largo del siglo XX. Uno de los más prolíficos de estos bioquímicos modernos fue Hans Krebs, quien hizo enormes contribuciones al estudio del metabolismo. [152] Descubrió el ciclo de la urea y más tarde, trabajando con Hans Kornberg , el ciclo del ácido cítrico y el ciclo del glioxilato. [153] [75]La investigación bioquímica moderna se ha beneficiado enormemente del desarrollo de nuevas técnicas como la cromatografía , la difracción de rayos X , la espectroscopia de RMN , el marcaje radioisotópico , la microscopía electrónica y las simulaciones de dinámica molecular . Estas técnicas han permitido el descubrimiento y análisis detallado de muchas moléculas y vías metabólicas en las células.

Ver también [ editar ]

  • Metabolismo antropogénico
  • Antimetabolito
  • Tasa metabólica basal
  • Calorimetría  - Medición del estado termodinámico
  • Microcalorimetría isotérmica
  • Errores innatos del metabolismo
  • Hipótesis del mundo hierro-azufre  - Escenario hipotético para el origen de la vida, una teoría del "metabolismo primero" del origen de la vida
  • Trastorno metabólico
  • Microfisiometria
  • Grupos nutricionales primarios
  • Respirometría  : estimación de las tasas metabólicas midiendo la producción de calor
  • Stream metabolismo
  • Metabolismo del azufre
  • Efecto térmico de los alimentos
  • Metabolismo urbano
  • Metabolismo del agua
  • Metabolismo de desbordamiento
  • Reactome  - Base de datos de vías biológicas
  • KEGG

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Lectura adicional [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

Información general

  • Metabolismo (biología) en la Encyclopædia Britannica
  • La bioquímica del metabolismo
  • Sparknotes SAT bioquímica Descripción general de la bioquímica. Nivel escolar.
  • MIT Biology Hypertextbook Guía de biología molecular a nivel de pregrado.

Metabolismo humano

  • Temas de Bioquímica Médica Guía de las vías metabólicas humanas. Nivel escolar.
  • THE Medical Biochemistry Page Recurso completo sobre el metabolismo humano.

Bases de datos

  • Diagrama de flujo de las vías metabólicas en ExPASy
  • Tabla de vías metabólicas IUBMB-Nicholson
  • SuperCYP: Base de datos para el metabolismo del citocromo de fármacos

Vías metabólicas

  • Vía de referencia del metabolismo
  • El ciclo del nitrógeno y la fijación de nitrógeno en la Wayback Machine (índice de archivo)