Metabolismo Anabolismo
Diferentes organismos necesitan sintetizar diferentes tipos de moléculas complejas. Los autótrofos, como las plantas, pueden utilizar moléculas pequeñas y simples, como el dióxido de carbono y el agua, para sintetizar moléculas orgánicas complejas, como los polisacáridos y las proteínas. Los heterótrofos requieren fuentes de sustancias más complejas, como azúcares simples y aminoácidos, para producir las correspondientes moléculas complejas. Según las diferentes fuentes de energía obtenidas, los organismos también se pueden dividir en fotoautótrofos y fotoheterótrofos, así como quimioautótrofos y quimioautótrofos obtenidos a partir de procesos de oxidación o energía inorgánica. Las células vegetales (rodeadas de paredes celulares de color púrpura) están llenas de cloroplastos (verdes), que son las "fábricas" de la fotosíntesis.
La fotosíntesis es un proceso que utiliza la luz solar, dióxido de carbono (CO2) y agua para sintetizar azúcares y liberar oxígeno. Este proceso utiliza ATP y NADPH producidos por el centro de reacción fotosintética para convertir CO2 en 3-fosfoglicerato y continúa convirtiendo el 3-fosfoglicerato en glucosa requerida por los organismos, por lo que este proceso se llama fijación de carbono. La fijación de carbono es catalizada por la enzima RuBisCO como parte del ciclo de Calvin-Benson. La fotosíntesis de las plantas se puede dividir en tres tipos: fijación de carbono C3, fijación de carbono C4 y fotosíntesis CAM. La diferencia entre estas especies fotosintéticas es la forma en que el dióxido de carbono ingresa al ciclo de Calvin: las plantas C3 pueden fijar directamente dióxido de carbono; los tipos C4 y CAM primero combinan CO2 con otros compuestos, lo cual es una adaptación a ambientes secos y con mucha luz.
En los procariotas fotosintéticos, el mecanismo de fijación de carbono es simplemente más diferente. Por ejemplo, el dióxido de carbono se puede fijar mediante el ciclo de Calvin-Benson (ciclo del ácido transcítrico) [o carboxilación de acetil-CoA]. Además, las bacterias autótrofas procarióticas también pueden fijar CO2 mediante el ciclo de Calvin-Benson, pero utilizan energía de compuestos inorgánicos para impulsar la reacción. En el anabolismo del azúcar, los ácidos orgánicos simples se pueden convertir en azúcares simples (como la glucosa), que luego se polimerizan para formar polisacáridos (como el almidón). El proceso de producción de glucosa a partir de compuestos que incluyen piruvato, ácido láctico, glicerol, 3-fosfoglicerato y aminoácidos se llama gluconeogénesis. La gluconeogénesis convierte el piruvato en glucosa-6-fosfato a través de una serie de intermediarios, muchos de los cuales pueden compartirse con la glucólisis. Sin embargo, la gluconeogénesis no es una simple reacción inversa de la glucólisis y muchos de los pasos son catalizados por enzimas que no desempeñan ningún papel en la glucólisis. De esta forma, se puede regular la síntesis y descomposición de la glucosa por separado, evitando que estas dos vías entren en un ciclo ineficaz.
Aunque la grasa es una forma común de almacenar energía, en vertebrados como los humanos, los ácidos grasos almacenados no se pueden convertir en glucosa a través de la gluconeogénesis porque estos organismos no pueden convertir el acetil-CoA en piruvato (las plantas tienen las enzimas necesarias que los animales no tienen). Por lo tanto, después de una inanición prolongada, los vertebrados necesitan producir cuerpos cetónicos a partir de ácidos grasos en lugar de glucosa en sus tejidos, ya que los tejidos como el cerebro no pueden metabolizar los ácidos grasos. En otros organismos, como plantas y bacterias, la reacción de descarboxilación en el ciclo del ácido cítrico se puede omitir debido al ciclo del glioxilato, permitiendo que el acetil-CoA se convierta en oxaloacetato para la producción de glucosa, solucionando así este problema metabólico en los vertebrados. problemas.
Los polisacáridos y polisacáridos se sintetizan mediante la adición gradual de monosacáridos. El proceso de adición de monosacáridos es la transferencia de grupos de azúcar desde un donante de azúcar-fosfato activado (como glucosa-uridina difosfato) a un grupo hidroxilo (ubicado en la cadena de polisacárido que se alarga) como aceptor. Debido a que cualquier grupo hidroxilo en el anillo de azúcar puede servir como aceptor, la cadena de polisacárido puede ser una estructura de cadena lineal o contener múltiples ramificaciones. Estos polisacáridos producidos pueden tener por sí mismos funciones estructurales o metabólicas, o pueden transferirse a lípidos y proteínas (es decir, glicosilados) mediante la acción de transferasas de cadenas de oligosacáridos.
Ácidos grasos, terpenos y esteroides
Diagrama simplificado de las rutas metabólicas de los esteroides. Estos incluyen los intermedios pirofosfato de isopentenilo (IPP), pirofosfato de dimetilalilo (DMAPP), pirofosfato de geranilo (GPP) y escualeno. Se omitieron algunos intermedios. El producto es lanosterol.
La síntesis de ácidos grasos es un proceso de polimerización y reducción de acetil-CoA. La cadena acetilo de un ácido graso se extiende a través de un ciclo de reacción que implica agregar un grupo acetilo, reducirlo a etanol y continuar el proceso de reducción a un alcano. Las enzimas que desempeñan un papel en la biosíntesis de ácidos grasos se pueden dividir en dos categorías: en animales y hongos, todas las reacciones de síntesis de ácidos grasos se completan mediante una única enzima multifuncional, la ácido graso sintasa tipo I, en plastidios vegetales y bacterias, hay muchas diferentes; enzimas que catalizan cada reacción por separado, y estas enzimas se denominan colectivamente sintasas de ácidos grasos tipo I.
Los terpenos y compuestos isoprenoides (incluidos los carotenoides) son una gran familia de lípidos que constituyen la mayor clase de compuestos naturales en las plantas. Estos compuestos se polimerizan y modifican con unidades de isopreno proporcionadas por los precursores reactivos pirofosfato de isopentenilo y pirofosfato de dialilo. [Estos dos precursores se pueden sintetizar utilizando diferentes métodos. Los animales y las arqueas producen estos dos compuestos a partir de acetil-CoA utilizando la vía del metilfosfonato; las plantas y las bacterias producen estos dos compuestos a través de la vía del ácido no metilúrico utilizando piruvato y gliceraldehído-3-fosfato como sustratos. Otra reacción importante que utiliza estos donantes de isopreno activados es la biosíntesis de esteroides. Las unidades de isopreno se unen para formar escualeno, que luego se pliega para obtener lanosterol mediante una reacción de ciclación continua iniciada por protones. El lanosterol se puede convertir continuamente en otros esteroides como el colesterol y el ergosterol.
Proteína
La capacidad de biosintetizar los 20 aminoácidos básicos varía de un organismo a otro. La mayoría de las bacterias y plantas pueden sintetizar estos 20 aminoácidos, mientras que los mamíferos sólo pueden sintetizar 10 aminoácidos no esenciales. Por tanto, la única forma que tienen los mamíferos, incluidos los humanos, de obtener aminoácidos esenciales es ingiriendo alimentos ricos en ellos. Todos los aminoácidos pueden producirse a partir de intermediarios en la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico o el ciclo de las pentosas fosfato. Entre ellos, el nitrógeno necesario para el proceso de síntesis lo aportan el glutamato y la glutamina. La síntesis de aminoácidos requiere la formación de α-cetoácidos apropiados, que luego se transaminan para formar aminoácidos.
Los aminoácidos se unen entre sí mediante enlaces peptídicos para formar proteínas. Cada proteína tiene su propia secuencia de aminoácidos única (también llamada estructura primaria). Así como se pueden ordenar y combinar más de 20 letras para formar decenas de miles de palabras, se pueden conectar diferentes aminoácidos para formar una gran cantidad de tipos de proteínas. Los aminoácidos se activan uniéndose a las correspondientes moléculas de ARN de transferencia (ARNt), formando aminoacil-ARNt, que luego pueden unirse entre sí. Este precursor de aminoacil-ARNt se sintetiza mediante una reacción dependiente de ATP (que une el ARNt al aminoácido correcto), que es catalizada por la aminoacil-ARNt sintetasa. [Luego, guiado por la información de la secuencia en el ARN mensajero, la molécula de aminoacil-ARNt con el aminoácido correcto se puede unir a la posición correspondiente del ribosoma, y el aminoácido se puede conectar a la cadena proteica en extensión bajo la acción de el ribosoma.
Nucleótidos
Los nucleótidos se sintetizan a partir de aminoácidos, dióxido de carbono y ácido fórmico. Debido a que su vía de síntesis requiere una gran cantidad de energía metabólica, la mayoría de los organismos tienen sistemas eficaces de rescate de nucleótidos. Las purinas se sintetizan a partir de nucleósidos, que son azúcares ribosa unidos a bases. La adenina y la guanina se derivan del monofosfato de inosina (monofosfato de inosina), una molécula de nucleósido precursora, que se compone de átomos de glicina, glutamina y glutamina, y la coenzima tetrahidrógeno sintetizada transfiriendo el grupo ácido fórmico del ácido fólico. La pirimidina se sintetiza a partir de la base orotato, que se convierte a partir de glutamina y glutamina.
Metabolismo xenobiótico y metabolismo redox
Si todos los organismos continúan ingiriendo sustancias no alimentarias sin las vías metabólicas correspondientes, estas sustancias se acumularán en las células, causando daño. Estas sustancias que están presentes en el organismo y pueden causar daños se denominan xenobióticos. Los xenobióticos incluyen drogas sintéticas, venenos naturales y antibióticos. Afortunadamente, pueden ser desintoxicados mediante una serie de enzimas metabolizadoras de xenobióticos. En el cuerpo humano, la citocromo P450 oxidasa, la UDP-glucuronosiltransferasa y la glutatión S-transferasa pertenecen a este tipo de enzima. La función de este sistema enzimático tiene tres etapas: primero, oxida la biomasa heterogénea, luego une grupos solubles en agua a las moléculas del material y finalmente transporta la biomasa heterogénea modificada que contiene los grupos solubles en agua fuera de la célula (en el caso de células multicelulares). organismos, puede metabolizarse y excretarse aún más).
En ecología, estas reacciones juegan un papel extremadamente importante en la degradación microbiana de contaminantes y la biorremediación de suelos contaminados (especialmente la contaminación por petróleo). Muchas de estas reacciones microbianas también existen en organismos multicelulares, pero debido a la diversidad de especies microbianas, pueden metabolizar una gama mucho más amplia de sustancias que los organismos multicelulares e incluso pueden degradar contaminantes orgánicos persistentes, incluidos los organoclorados.
Los organismos aeróbicos también sufren estrés oxidativo. Entre ellos, es necesario abordar las especies reactivas de oxígeno (como el peróxido de hidrógeno) generadas por la fosforilación oxidativa y la formación de enlaces disulfuro durante el plegamiento de proteínas. [Estas sustancias activas oxidativas que pueden dañar el organismo son eliminadas por metabolitos antioxidantes (como el glutatión) y enzimas relacionadas (como la catalasa y la peroxidasa de rábano picante).
Termodinámica de los organismos vivos
Los organismos biológicos también deben cumplir las leyes de la termodinámica (que describe la relación de transferencia entre trabajo y calor). La segunda ley de la termodinámica establece que en cualquier sistema cerrado la entropía siempre tiende a aumentar. Aunque la alta complejidad de los seres vivos parece violar esta ley, los seres vivos en realidad son sistemas abiertos que pueden intercambiar materia y energía con el entorno que los rodea, por lo tanto, los sistemas vivos no se encuentran en un estado de equilibrio, sino que mantienen su alta complejidad y estructuras disipativas; que aumentan la entropía del entorno circundante. [El metabolismo en las células mantiene la complejidad al acoplar los procesos espontáneos del catabolismo con los procesos involuntarios del anabolismo. Explicado en términos de termodinámica, el metabolismo en realidad mantiene el orden creando desorden.
Mecanismo regulador
Debido a que el ambiente externo de un organismo cambia constantemente, las reacciones metabólicas deben regularse con precisión para mantener la estabilidad de varios componentes dentro de la célula, es decir, el equilibrio de el cuerpo. La regulación metabólica también permite a los organismos responder a señales externas e interactuar con el entorno que los rodea. Entre ellos, dos conceptos estrechamente relacionados son muy importantes para comprender el mecanismo regulador de las vías metabólicas: primero, la regulación de una enzima en una vía metabólica es cómo su actividad enzimática aumenta o disminuye según las señales; segundo, el papel de control que desempeña esta; La enzima es El impacto de los cambios en su actividad en la tasa general de las vías metabólicas (flujo de la vía). Por ejemplo, la actividad de una enzima puede cambiar mucho (es decir, está altamente regulada), pero si estos cambios tienen sólo un pequeño efecto en el flujo de su vía metabólica, entonces la enzima no puede controlar esta vía.
La regulación metabólica se puede dividir en múltiples niveles. En la autorregulación, una vía metabólica puede regularse a sí misma en respuesta a cambios en los niveles de sustrato o producto; por ejemplo, una disminución en la cantidad de producto puede provocar un aumento en el flujo de la vía de modo que se compense la cantidad de producto. Este tipo de regulación implica la modulación alostérica de las actividades de múltiples enzimas en la vía. En los organismos multicelulares, las células responden a señales de otras células y modifican su propio metabolismo, que es una regulación externa. Estas señales suelen ser transportadas por moléculas solubles ("mensajeros"), como hormonas y factores de crecimiento, que pueden unirse específicamente a moléculas receptoras específicas en la superficie celular. Después de unirse al receptor, la señal se transmite al interior de la célula a través de un sistema de segundo mensajero, que suele implicar la fosforilación de la proteína.
El metabolismo de la glucosa regulado por la insulina es un ejemplo bien estudiado de regulación externa. [El cuerpo sintetiza insulina en respuesta a aumentos en los niveles de azúcar en sangre. La insulina se une al receptor de insulina en la superficie celular y luego activa una serie de cascadas de proteína quinasa que permiten a las células absorber glucosa y convertirla en moléculas de almacenamiento de energía, como ácidos grasos y glucógeno. El metabolismo del glucógeno está controlado por la fosforilasa y la glucógeno sintasa. Los primeros pueden degradar el glucógeno y los segundos pueden sintetizar glucógeno. Estas enzimas se regulan entre sí: la fosforilación inhibe la actividad de la glucógeno sintasa pero activa la actividad de la fosforilasa. La insulina reduce la fosforilación de la proteína fosfatasa activando la proteína fosfatasa, sintetizando así glucógeno.
Desarrollo
El árbol filogenético muestra que todos los organismos de los tres dominios biológicos tienen el mismo ancestro. Las bacterias son azules, los eucariotas son rojos y las arqueas son verdes. Las posiciones relativas de algunos filos también se trazan alrededor del árbol filogenético.
Como se mencionó anteriormente, las vías centrales del metabolismo, como la glucólisis y el ciclo del ácido tricarboxílico, existen en todos los organismos en los tres dominios, y también existieron en el "último * * ancestro común". [* * *Las células homólogas son procariotas, probablemente metanógenas, que metabolizan ampliamente aminoácidos, azúcares y lípidos. La razón por la que estas antiguas vías metabólicas no han evolucionado más puede deberse a que las reacciones en las vías ya son soluciones optimizadas para problemas metabólicos específicos, logrando una alta eficiencia en unos pocos pasos. Las primeras vías metabólicas basadas en enzimas (que ahora pueden ser parte del metabolismo de los nucleótidos de purina) y las anteriores formaban parte del mundo primitivo del ARN.
Los investigadores han propuesto varios modelos para describir cómo evolucionan las nuevas vías metabólicas: por ejemplo, añadiendo nuevas enzimas a una vía original más corta, o duplicando y luego divergiendo una vía completa y sustituyendo una enzima existente y sus complejos. hacia nuevas vías de reacción. No está claro cuál de estos mecanismos evolutivos es más importante, pero los estudios genómicos sugieren que las enzimas en la misma vía pueden tener un "ancestro" idéntico, lo que sugiere que muchas vías explotan los pasos de reacción existentes, adquiridos a través de la evolución gradual de nuevas características. Otro modelo razonable proviene del estudio de la evolución de la estructura de las proteínas en las redes metabólicas. Los resultados sugieren que las enzimas son universales y que la misma enzima puede usarse en diferentes vías metabólicas y desempeñar funciones similares. Estos procesos de utilización conducen a una evolución en la que las enzimas se unen de forma similar a una disposición en mosaico. Una tercera posibilidad es que ciertas partes del metabolismo puedan existir en forma de "módulos", que pueden usarse de diferentes maneras para realizar funciones similares en diferentes moléculas.
Aunque evolucionan nuevas vías metabólicas, la evolución también puede conducir a la reducción o pérdida de funciones metabólicas. Por ejemplo, algunos parásitos han perdido procesos metabólicos que no son críticos para la supervivencia y, en cambio, obtienen aminoácidos, nucleótidos y azúcares directamente del huésped. En algunos endófitos se ha observado una degradación similar de la capacidad metabólica.
Investigación y análisis relacionados
Red metabólica del ciclo de los ácidos tricarboxílicos en Arabidopsis thaliana. Las enzimas y los metabolitos están representados por cuadrados rojos y sus interacciones están representadas por líneas negras.
El método clásico de investigación del metabolismo es el método de reducción, es decir, el estudio de una única vía metabólica. Los radiotrazadores son un método de investigación muy útil que sigue los procesos metabólicos mediante la localización de productos intermedios y productos marcados radiactivamente, lo que permite el estudio del metabolismo a diferentes niveles en todo el organismo, tejido o célula. Posteriormente, se purificaron las enzimas que catalizaban estas reacciones químicas y se identificaron sus propiedades cinéticas y sus correspondientes inhibidores. Otro enfoque de investigación es identificar pequeñas moléculas relacionadas con el metabolismo en células o tejidos, todas las cuales se denominan metaboloma. En conjunto, estos estudios proporcionan la estructura estructural y la función de una única vía metabólica; sin embargo, estos métodos no pueden aplicarse eficazmente a sistemas más complejos, como todos los metabolismos en una célula intacta;
La complejidad de la red metabólica intracelular (que contiene miles de enzimas diferentes) es extremadamente alta como se muestra en la figura de la derecha (la figura solo contiene interacciones entre 43 proteínas y 40 metabolitos). Sin embargo, los datos genómicos se pueden utilizar para construir una red completa de reacciones químicas metabólicas y generar un modelo matemático más completo para explicar y predecir diversos comportamientos metabólicos. En particular, la integración de datos sobre rutas metabólicas y metabolitos obtenidos de métodos de investigación clásicos, así como datos obtenidos de estudios de proteómica y microarrays de ADN, en estos modelos matemáticos puede mejorar enormemente estos modelos matemáticos. Utilizando todas estas técnicas, se propone un modelo metabólico humano que proporcionará orientación para futuras investigaciones farmacéuticas y bioquímicas.
Una de las principales aplicaciones técnicas de la información metabólica es la ingeniería metabólica. En la ingeniería metabólica, organismos como levaduras, plantas y bacterias se transforman mediante ingeniería genética en herramientas eficaces en biotecnología para la producción de medicamentos, incluidos antibióticos, o productos químicos industriales como el 1,3-propanodiol y el ácido shikímico. [[Estas transformaciones a menudo ayudan a reducir el consumo de energía en la síntesis de productos, aumentar los rendimientos y reducir la generación de residuos.