Metabolismo
Definición
Metabolismo ( / m ə t æ b ə l ɪ z ə m / , del griego: μεταβολή Metabole, "cambio") es el conjunto de transformaciones químicas que sostienen la vida dentro de las células de los organismos. Los tres propósitos principales del metabolismo son la conversión de alimentos / combustible en energía para ejecutar procesos celulares, la conversión de alimentos / combustible en bloques de construcción para proteínas, lípidos, ácidos nucleicos y algunos carbohidratos, y la eliminación de desechos nitrogenados. Estas reacciones catalizadas por enzimas permiten a los organismos crecer y reproducirse, mantener sus estructuras y responder a sus entornos. 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 dentro de las células se denomina metabolismo intermedio o intermedio .
El metabolismo generalmente se divide en dos categorías: catabolismo, la descomposición de la materia orgánica, por ejemplo, la descomposición de la glucosa en piruvato, la respiración celular y el anabolismo, la acumulación de componentes de las células, como las proteínas y los ácidos nucleicos. Por lo general, la descomposición libera energía y la acumulación consume energía.
Las reacciones químicas del metabolismo se organizan en vías metabólicas, en las que una sustancia química se transforma mediante una serie de pasos en otra sustancia química, mediante una secuencia de enzimas. Las enzimas son cruciales para el metabolismo porque permiten que los organismos conduzcan reacciones deseables que requieren energía que no ocurrirá por sí mismas, uniéndolos a reacciones espontáneas que liberan energía. Las enzimas actúan como catalizadores que permiten que las reacciones avancen más rápidamente. Las enzimas también permiten la regulación de las vías metabólicas en respuesta a cambios en el entorno de la célula o a señales de otras células.
El sistema metabólico de un organismo particular determina qué sustancias encontrará nutritivas y cuáles venenosas. Por ejemplo, algunos procariotas usan sulfuro de hidrógeno como un nutriente, sin embargo, este gas es venenoso para los animales. La velocidad del metabolismo, la tasa metabólica, influye en la cantidad de alimento que requerirá un organismo, y también afecta la forma en que puede obtener ese alimento.
Una característica sorprendente del metabolismo es la similitud de las vías y componentes metabólicos básicos entre incluso especies muy diferentes. Por ejemplo, el conjunto de ácidos carboxílicos mejor conocidos como intermedios 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 enormes organismos multicelulares como los elefantes. Estas sorprendentes similitudes en las vías metabólicas se deben probablemente a su temprana aparición en la historia evolutiva y su retención debido a su eficacia.
Bioquímicos clave
La mayoría de las estructuras que componen los animales, plantas y microbios están hechas de tres clases básicas de moléculas: aminoácidos, carbohidratos y lípidos (a menudo llamados grasas). Como estas moléculas son vitales para la vida, las reacciones metabólicas se centran en la fabricación de estas moléculas durante la construcción de las células y los tejidos, o descomponiéndolas y utilizándolas como fuente de energía, mediante su digestión. Estos productos bioquímicos se pueden unir para hacer polímeros como ADN y proteínas, macromoléculas esenciales de la vida.
| Tipo de molécula | Nombre de las formas monómeras | Nombre de formas de polímeros | Ejemplos de formas de polímeros |
|---|---|---|---|
| Aminoácidos | Aminoácidos | Proteínas (hechas de polipéptidos) | Proteínas fibrosas y proteínas globulares |
| Hidratos de carbono | Monosacáridos | Polisacáridos | Almidón, glucógeno y celulosa |
| Ácidos nucleicos | Nucleótidos | Polinucleótidos | ADN y ARN |
Aminoácidos y proteínas
Las proteínas están hechas de aminoácidos dispuestos en una cadena lineal unidos por enlaces peptídicos. Muchas proteínas son enzimas que catalizan las reacciones químicas en el metabolismo. Otras proteínas tienen funciones estructurales o mecánicas, como las que forman el citoesqueleto, un sistema de andamios que mantiene la forma de la célula. Las proteínas también son importantes en la señalización celular, la respuesta inmune, la adhesión celular, el transporte activo a través de las membranas y el ciclo celular. Los aminoácidos también contribuyen al metabolismo de la energía celular al proporcionar una fuente de carbono para ingresar en el ciclo del ácido cítrico (ciclo del ácido tricarboxílico), especialmente cuando una fuente primaria de energía, como la glucosa, es escasa o cuando las células experimentan estrés metabólico.
Lípidos
Los lípidos son el grupo más diverso de productos bioquímicos. Sus principales usos estructurales son como parte de las membranas biológicas internas y externas, como la membrana celular, o como fuente de energía. Los lípidos generalmente se definen como moléculas biológicas hidrófobas o anfipáticas, pero se disolverán en solventes orgánicos como el benceno o el cloroformo. Las grasas son un gran grupo de compuestos que contienen ácidos grasos y glicerol; una molécula de glicerol unida a tres ésteres de ácidos grasos se llama triacilglicérido. Existen varias variaciones en esta estructura básica, que incluyen estructuras vertebrales alternativas como la esfingosina en los esfingolípidos y grupos hidrófilos como el fosfato y los fosfolípidos. Los esteroides como el colesterol son otra clase importante de lípidos.
Hidratos de carbono
Los carbohidratos son aldehídos o cetonas, con muchos grupos hidroxilo unidos, que pueden existir como cadenas o anillos rectos. 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 las plantas, quitina en los animales). Las unidades básicas de carbohidratos se llaman monosacáridos e incluyen galactosa, fructosa y, lo que es más importante, glucosa. Los monosacáridos se pueden unir entre sí para formar polisacáridos de forma casi ilimitada.
Nucleótidos
Los dos ácidos nucleicos, ADN y ARN, son polímeros de nucleótidos. Cada nucleótido está compuesto por un fosfato unido a un grupo de ribosa o desoxirribosesugar 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. Esta información está protegida por mecanismos de reparación del ADN y se propaga a través de la replicación del ADN. Muchos virus tienen un genoma de ARN, como el VIH, que usa la transcripción inversa para crear una plantilla de ADN a partir de su genoma de ARN viral. El ARN en las ribozimas, como los spliceosomas y los ribosomas, es similar a las enzimas, ya que puede catalizar reacciones químicas. Los nucleósidos individuales se obtienen uniendo una base nitrogenada a un azúcar de 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.
Coenzimas
El metabolismo involucra una amplia gama de reacciones químicas, pero la mayoría cae bajo unos pocos tipos básicos de reacciones que implican la transferencia de grupos funcionales de átomos y sus enlaces dentro de las moléculas. Esta química común permite que las células utilicen un pequeño conjunto de intermedios metabólicos para transportar grupos químicos entre diferentes reacciones. Estos intermedios de transferencia grupal se llaman coenzimas. Cada clase de reacciones de transferencia grupal se lleva a cabo mediante una coenzima particular, que es el sustrato de un conjunto de enzimas que la producen, y un conjunto de enzimas que la consumen. Estas coenzimas se fabrican, consumen y reciclan continuamente.
Una coenzima central es el trifosfato de adenosina (ATP), la moneda de energía universal de las células. Este nucleótido se usa para transferir energía química entre diferentes reacciones químicas. Solo hay una pequeña cantidad de ATP en las células, pero a medida que se regenera continuamente, el cuerpo humano puede usar su propio peso en ATP por día. ATP actúa como un puente entre el catabolismo y el anabolismo. El catabolismo descompone las moléculas y el anabolismo las reúne. Las reacciones catabólicas generan ATP y las reacciones anabólicas lo consumen. También sirve como un transportador de grupos fosfato en reacciones de fosforilación.
Una vitamina es un compuesto orgánico que se necesita 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 hidrosolubles se fosforilan o se acoplan a nucleótidos cuando se usan en las células. Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD), un derivado de la vitamina B 3 (niacina), es una coenzima importante que actúa como un aceptor de hidrógeno. Cientos de tipos separados de deshidrogenasas eliminan los electrones de sus sustratos y reducen el NAD a NADH. Esta forma reducida de la coenzima es entonces un sustrato para cualquiera de las reductasas en la célula que necesitan reducir sus sustratos. Nicotinamide adenine dinucleotide existe en dos formas relacionadas en la célula, NADH y NADPH. La forma NAD / NADH es más importante en las reacciones catabólicas, mientras que NADP / NADPH se usa en reacciones anabólicas.
Minerales y cofactores
Los elementos inorgánicos desempeñan papeles críticos en el metabolismo; algunos son abundantes (por ejemplo, sodio y potasio) mientras que otros funcionan a concentraciones mínimas. Alrededor del 99% de la masa de un mamífero 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 mayoría del carbono y el nitrógeno; la mayor parte del oxígeno y el hidrógeno están presentes en forma de agua.
Los abundantes elementos inorgánicos actúan como electrolitos iónicos. Los iones más importantes son sodio, potasio, calcio, magnesio, cloruro, fosfato y el ion bicarbonato orgánico. El mantenimiento de gradientes de iones precisos a través de las membranas celulares mantiene la presión osmótica y el pH. Los iones también son críticos para la función nerviosa y muscular, ya que los potenciales de acción en estos tejidos se producen por el intercambio de electrolitos entre el fluido extracelular y el fluido de la célula, el citosol. 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 del movimiento de calcio, sodio y potasio a través de canales iónicos en la membrana celular y túbulos T.
Los metales de transición están generalmente presentes como oligoelementos en los organismos, siendo el zinc y el hierro los más abundantes. Estos metales se usan 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. Los cofactores metálicos están estrechamente ligados 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 en organismos por transportadores específicos y se unen a proteínas de almacenamiento como ferritina o metalotioneína cuando no se usan.
Catabolismo
El catabolismo es el conjunto de procesos metabólicos que descomponen las moléculas grandes. Estos incluyen descomponer y oxidar moléculas de alimentos. El objetivo de las reacciones catabólicas es proporcionar la energía y los componentes necesarios para las reacciones anabólicas que forman moléculas. La naturaleza exacta de estas reacciones catabólicas varía de un organismo a otro, y los organismos se pueden clasificar en función de sus fuentes de energía y carbono (sus grupos nutricionales primarios), como se muestra en la tabla a continuación. Las moléculas orgánicas se utilizan como fuente de energía por los organotrofos, mientras que los litotrofos utilizan sustratos inorgánicos y los fotótrofos capturan la luz solar como energía química. Sin embargo, todas estas formas diferentes de metabolismo dependen de reacciones redox que implican la transferencia de electrones de moléculas donantes reducidas, como moléculas orgánicas, agua, amoníaco, sulfuro de hidrógeno o iones ferrosos a moléculas aceptoras tales como oxígeno, nitrato o sulfato. En los animales, estas reacciones involucran moléculas orgánicas complejas que se descomponen en moléculas más simples, como el dióxido de carbono y el agua. En organismos fotosintéticos, como las plantas y las cianobacterias, estas reacciones de transferencia de electrones no liberan energía, sino que se utilizan como una forma de almacenar la energía absorbida por la luz solar.
| Fuente de energía | luz de sol | foto- | -troph | ||
| Moléculas preformadas | quimioterapia | ||||
| Donador de electrones | compuesto orgánico | organo- | |||
| compuesto inorgánico | litografía | ||||
| Fuente de carbono | compuesto orgánico | hetero- | |||
| compuesto inorgánico | auto- | ||||
El conjunto más común de reacciones catabólicas en animales se puede separar 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 la acetil coenzima A (acetil-CoA), que libera algo de energía. Finalmente, el grupo acetilo del CoA se oxida en 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.
Digestión
Las macromoléculas como el almidón, la celulosa o las proteínas no pueden absorberse rápidamente por las células y deben romperse en sus unidades más pequeñas antes de que puedan usarse en el metabolismo celular. Varias clases comunes de enzimas digieren estos polímeros. Estas enzimas digestivas incluyen proteasas que digieren proteínas en aminoácidos, así como glicósido hidrolasas que digieren polisacáridos en azúcares simples conocidos como monosacáridos.
Los microbios simplemente secretan enzimas digestivas en su entorno, mientras que los animales solo secretan estas enzimas a partir de células especializadas en sus entrañas, incluyendo el estómago y el páncreas, y las glándulas salivales. Los aminoácidos o azúcares liberados por estas enzimas extracelulares son luego bombeados a las células por las proteínas de transporte activo.
Energía de compuestos orgánicos
El catabolismo de carbohidratos es la descomposición de los carbohidratos en unidades más pequeñas. Los carbohidratos generalmente se toman en las células una vez que se han digerido en monosacáridos. Una vez dentro, la principal ruta de degradación es la glucólisis, donde azúcares como la glucosa y la fructosa se convierten en piruvato y se genera algo de ATP. 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 en el ciclo del ácido cítrico. Aunque se genera más ATP en el ciclo del ácido cítrico, el producto más importante es el NADH, que está hecho de NAD ya que el acetil-CoA se oxida. Esta oxidación libera dióxido de carbono como producto de desecho. En condiciones anaeróbicas, la glucólisis produce lactato, a través de la enzima lactato deshidrogenasa que reoxida NADH a NAD + para su reutilización en la glucólisis. Una ruta alternativa para la descomposición de la glucosa es la vía de la pentosa fosfato, que reduce la coenzima NADPH y produce pentosas azúcares como la ribosa, el componente azucarado 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 en el 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. Los esteroides también se descomponen por algunas bacterias en un proceso similar a la beta-oxidación, y este proceso de descomposición implica la liberación de cantidades significativas de acetil-CoA, propionil-CoA y piruvato, que pueden ser utilizados por la célula como fuente de 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 de colesterol se han validado como importantes durante varias etapas del ciclo de vida de infección de M. tuberculosis .
Los aminoácidos se utilizan para sintetizar proteínas y otras biomoléculas u oxidarse a urea y dióxido de carbono como fuente de energía. La ruta de oxidación comienza con la eliminación del grupo amino por una transaminasa. El grupo amino se alimenta al ciclo de la urea, dejando un esqueleto de carbono desaminado en forma de un cetoácido. Varios de estos cetoácidos son intermedios en el ciclo del ácido cítrico, por ejemplo, la desaminación del glutamato forma α-cetoglutarato. Los aminoácidos glucogénicos también se pueden convertir en glucosa, a través de la gluconeogénesis (discutido a continuación).
Transformaciones de energía
Fosforilación oxidativa
En la fosforilación oxidativa, los electrones eliminados de las moléculas orgánicas en áreas tales como el ciclo de ácido protagonista se transfieren al oxígeno y la energía liberada se usa para producir ATP. Esto se realiza en eucariotas por una serie de proteínas en las membranas de la mitocondria llamada cadena de transporte de electrones. En procariotas, estas proteínas se encuentran en la membrana interna de la célula. Estas proteínas usan la energía liberada al pasar electrones desde moléculas reducidas como NADH al oxígeno para bombear protones a través de una membrana.
El bombeo de protones desde la mitocondria crea una diferencia de concentración de protones a través de la membrana y genera un gradiente electroquímico. Esta fuerza impulsa a los protones 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, haciendo que el sitio activo del dominio sintasa cambie de forma y fosforile el difosfato de adenosina, convirtiéndolo en ATP.
Energía de compuestos inorgánicos
La quimiolitotrofia es un tipo de metabolismo que se encuentra en procariotas, donde la energía se obtiene de la oxidación de compuestos inorgánicos. Estos organismos pueden usar hidrógeno, compuestos reducidos de azufre (como sulfuro, sulfuro de hidrógeno y tiosulfato), hierro ferroso (FeII) o amoníaco como fuentes de energía reductora y obtienen energía de la oxidación de estos compuestos con aceptores de electrones como oxígeno o nitrito . Estos procesos microbianos son importantes en los ciclos biogeoquímicos globales tales como la acetogénesis, la nitrificación y la desnitrificación y son críticos para la fertilidad del suelo.
Energía de la luz
La energía de la luz solar la capturan las plantas, las cianobacterias, las bacterias moradas, las bacterias verdes de azufre y algunos protistas. Este proceso a menudo se combina con la conversión del 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 moradas y verdes pueden usar la luz solar como fuente de energía, mientras cambian entre la fijación de carbono y la fermentación de compuestos orgánicos.
En muchos organismos, la captura de energía solar es, en principio, similar a la fosforilación oxidativa, ya que implica el almacenamiento de energía como un gradiente de concentración de protones. Esta fuerza motriz del protón conduce la síntesis de ATP. Los electrones necesarios para conducir esta cadena de transporte de electrones provienen de proteínas recolectoras de luz llamadas centros de reacción fotosintéticos o rodopsinas. Los centros de reacción se clasifican en dos tipos, según el tipo de pigmento fotosintético presente, y la mayoría de las bacterias fotosintéticas solo tienen un tipo, mientras que las plantas y las cianobacterias tienen dos.
En plantas, algas y cianobacterias, el fotosistema II usa energía de la luz para eliminar los electrones del agua, liberando oxígeno como un producto de desecho. Los electrones luego fluyen al complejo del citocromo b6f, que usa su energía para bombear protones a través de la membrana del tilacoide en el cloroplasto. Estos protones retroceden a través de la membrana mientras conducen la ATP sintasa, como antes. Los electrones luego fluyen a través del fotosistema I y luego pueden usarse para reducir la coenzima NADP, para usar en el ciclo de Calvin, que se analiza a continuación, o reciclarse para generar más ATP.
Anabolismo
El anabolismo es el conjunto de procesos metabólicos constructivos en los que 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 implica tres etapas básicas. Primero, 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 .
Los organismos difieren según el número de moléculas construidas en sus células. Autótrofos como las plantas pueden construir moléculas orgánicas complejas en células como polisacáridos y proteínas a partir de moléculas simples como el dióxido de carbono y el agua. Heterotrophs, por otro lado, requieren una fuente de sustancias más complejas, como monosacáridos y aminoácidos, para producir estas moléculas complejas. Los organismos se pueden clasificar además por la fuente máxima de su energía: los fotoautótrofos y los fotoheterótrofos obtienen energía de la luz, mientras que los quimioautótrofos y los quimioheterótrofos obtienen energía de las reacciones de oxidación inorgánica.
Fijacion de carbon
La fotosíntesis es la síntesis de carbohidratos de la luz solar y el dióxido de carbono (CO 2 ). En plantas, cianobacterias y algas, la fotosíntesis oxigénica divide el agua, con oxígeno producido como producto de desecho. Este proceso utiliza el ATP y el NADPH producidos por los centros de reacción fotosintéticos, como se describió anteriormente, para convertir el CO 2 en glicerato 3-fosfato, que luego puede convertirse en glucosa. Esta reacción de fijación de carbono se lleva a cabo mediante la enzima RuBisCO como parte del ciclo de Calvin - Benson. Se producen tres tipos de fotosíntesis en plantas, fijación de carbono C3, fijación de carbono C4 y fotosíntesis de CAM. Estos difieren por la ruta que el dióxido de carbono lleva al ciclo de Calvin, con plantas C3 fijación de CO 2 directamente, mientras que C4 y CAM fotosíntesis incorporan el CO2 en otros compuestos primero, como adaptaciones para lidiar con la luz solar intensa y las condiciones secas.
En procariotas fotosintéticos, los mecanismos de fijación de carbono son más diversos. Aquí, el dióxido de carbono puede ser fijado por el ciclo de Calvin-Benson, un ciclo de ácido cítrico invertido o la carboxilación de acetil-CoA. Quimioautótrofos procariotas también fijan CO 2 a través de la Calvin - ciclo Benson, pero el uso de la energía a partir de compuestos inorgánicos para conducir la reacción.
Carbohidratos y glicanos
En el anabolismo de carbohidratos, los ácidos orgánicos simples se pueden convertir en monosacáridos como la glucosa y luego se usan para ensamblar polisacáridos, como el almidón. La generación de glucosa a partir de compuestos como piruvato, lactato, glicerol, glicerato 3-fosfato y aminoácidos se llama gluconeogénesis. La gluconeogénesis convierte el piruvato en glucosa-6-fosfato a través de una serie de compuestos intermedios, muchos de los cuales se comparten con la glucólisis. Sin embargo, esta vía no es simplemente una glicólisis que se ejecuta en reversa, ya que varios pasos son catalizados por enzimas no glicolíticas. Esto es importante ya que permite que la formación y la descomposición de la glucosa se regulen por separado, y evita que ambas rutas se ejecuten simultáneamente en un ciclo fútil.
Aunque la grasa es una forma común de almacenar energía, en vertebrados como los humanos, los ácidos grasos en estas tiendas 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 lo hacen, pero los animales no tienen la maquinaria enzimática necesaria. Como resultado, después de la inanición a largo plazo, los vertebrados necesitan producir cuerpos cetónicos a partir de ácidos grasos para reemplazar la glucosa en tejidos como el cerebro que no puede metabolizar los ácidos grasos. En otros organismos, como plantas y bacterias, este problema metabólico se resuelve utilizando el ciclo de glioxilato, que evita el paso de descarboxilación en el ciclo del ácido cítrico y permite la transformación de acetil CoA en oxalacetato, donde puede usarse para la producción de glucosa .
Los polisacáridos y glicanos se preparan mediante la adición secuencial de monosacáridos por la glicosiltransferasa de un donador de azúcar-fosfato reactivo tal como uridina-difosfato de glucosa (UDP-glucosa) a un grupo hidroxilo aceptor en el polisacárido en crecimiento. Como cualquiera de los grupos hidroxilo en el anillo del sustrato puede ser aceptores, los polisacáridos producidos pueden tener estructuras lineales o ramificadas. Los polisacáridos producidos pueden tener funciones estructurales o metabólicas en sí mismos, o ser transferidos a los lípidos y las proteínas por enzimas llamadas oligosacariltransferasas.
Ácidos grasos, isoprenoides y esteroides
Los ácidos grasos se preparan mediante sintasas de ácidos grasos que polimerizan y luego reducen las unidades de acetil-CoA. Las cadenas de acilo en los ácidos grasos se extienden por 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 animales y hongos, todas estas reacciones de ácidos grasos sintasa se llevan a cabo por una sola proteína multifuncional de tipo I, mientras que en plantas plastidios y bacterias se separan las enzimas de tipo II en cada paso de la vía .
Los terpenos e isoprenoides son una gran clase de lípidos que incluyen los carotenoides y forman la clase más grande de productos naturales de plantas. Estos compuestos se fabrican mediante el ensamblaje y la modificación de unidades de isopreno donadas a partir de los precursores reactivos isopentenil pirofosfato y dimetilalil pirofosfato. Estos precursores se pueden hacer de diferentes maneras. En animales y arqueas, la ruta del mevalonato produce estos compuestos a partir de acetil-CoA, mientras que en plantas y bacterias la vía no mevalonato usa piruvato y gliceraldehído 3-fosfato como sustratos. Una reacción importante que utiliza estos donantes de isopreno activados es la biosíntesis de esteroides. Aquí, las unidades de isopreno se unen para formar escualeno y luego se pliegan y forman un conjunto de anillos para formar lanosterol.
Proteínas
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 deben obtenerse nueve aminoácidos esenciales de los alimentos. Algunos parásitos simples, como la bacteria Mycoplasma pneumoniae , carecen de toda la síntesis de aminoácidos y toman sus aminoácidos directamente de sus huéspedes. Todos los aminoácidos se sintetizan a partir de compuestos intermedios en la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico o la ruta de la pentosa fosfato. El nitrógeno es proporcionado por glutamato y glutamina. La síntesis de aminoácidos depende de la formación del alfa-cetoácido apropiado, que luego se transamina para formar un aminoácido.
Los aminoácidos se convierten en proteínas uniéndose en una cadena de enlaces peptídicos. Cada proteína diferente tiene una secuencia única de residuos de aminoácidos: esta es su estructura primaria. Del mismo modo que las letras del alfabeto se pueden combinar para formar una variedad casi infinita de palabras, los aminoácidos se pueden unir en secuencias variables para formar una gran variedad de proteínas. Las proteínas están hechas de aminoácidos que se han activado por unión 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. Este aminoacil-tRNA es entonces un sustrato para el ribosoma, que se une al aminoácido en la cadena de proteína que se alarga, utilizando la información de secuencia en un ARN mensajero.
Síntesis de nucleótidos y salvamento
Los nucleótidos están hechos de aminoácidos, dióxido de carbono y ácido fórmico en vías que requieren grandes cantidades de energía metabólica. En consecuencia, la mayoría de los organismos tienen sistemas eficientes para salvar nucleótidos preformados. Las purinas se sintetizan como nucleósidos (bases unidas a la ribosa). Tanto la adenina como la guanina están hechas del precursor nucleósido inosinomonofosfato, que se sintetiza utilizando átomos de los aminoácidos glicina, glutamina y ácido aspártico, así como el formiato transferido de la coenzima tetrahidrofolato. Las pirimidinas, por otro lado, se sintetizan a partir del orotato base, que se forma a partir de glutamina y aspartato.
Xenobióticos y metabolismo redox
Todos los organismos están constantemente expuestos a compuestos que no pueden usar como alimentos y serían perjudiciales si se acumularan en las células, ya que no tienen función metabólica. Estos compuestos potencialmente dañinos se llaman xenobióticos. Los xenobióticos como las drogas sintéticas, los venenos naturales y los antibióticos se desintoxican mediante un conjunto de enzimas metabolizadoras de xenobióticos. En humanos, estos incluyen oxidasas del citocromo P450, UDP-glucuronosiltransferasas y glutatión S-transferases. Este sistema de enzimas actúa en tres etapas para oxidar primero el xenobiótico (fase I) y luego conjugar grupos solubles en agua sobre la molécula (fase II). El xenobiótico soluble en agua modificado puede luego ser bombeado fuera de las células y en organismos multicelulares puede ser metabolizado 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 terrenos contaminados y derrames de petróleo. Muchas de estas reacciones microbianas se comparten con organismos multicelulares, pero debido a la increíble diversidad de tipos de microbios, estos organismos pueden tratar con una gama mucho más amplia de xenobióticos que los organismos multicelulares, y pueden degradar incluso los contaminantes orgánicos persistentes, como los compuestos organoclorados.
Un problema relacionado para los organismos aeróbicos es el estrés oxidativo. Aquí, los procesos que incluyen la fosforilación oxidativa y la formación de enlaces disulfuro durante el plegamiento de proteínas producen especies de oxígeno reactivas tales como el peróxido de hidrógeno. Estos oxidantes dañinos son eliminados por metabolitos antioxidantes como el glutatión y enzimas como catalasas y peroxidasas.
Termodinámica de organismos vivos
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 sorprendente 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. Por lo tanto, los sistemas vivos no están en equilibrio, sino que son sistemas disipativos que mantienen su estado de alta complejidad al provocar un aumento mayor en la entropía de sus entornos. El metabolismo de una célula logra esto mediante el acoplamiento de los procesos espontáneos de catabolismo a los procesos no espontáneos de anabolismo. En términos termodinámicos, el metabolismo mantiene el orden creando desorden.
Regulación y control
Como los ambientes de la mayoría de los organismos cambian constantemente, las reacciones del metabolismo deben estar finamente reguladas para mantener un conjunto constante de condiciones dentro de las células, una condición llamada homeostasis. La regulación metabólica también permite a los organismos responder a señales e interactuar activamente con sus entornos. Dos conceptos estrechamente vinculados 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 control ejercido por esta enzima es el efecto que estos cambios en su actividad tienen sobre la tasa global de la ruta (el flujo a través de la ruta). Por ejemplo, una enzima puede mostrar grandes cambios en la actividad ( es decir, está altamente regulado) pero si estos cambios tienen poco efecto sobre el flujo de una ruta metabólica, entonces esta enzima no está involucrada en el control de la vía.
Hay múltiples niveles de regulación metabólica. En la regulación intrínseca, la ruta metabólica se autorregula para responder a los 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 ruta para compensar. Este tipo de regulación a menudo implica la regulación alostérica de las actividades de múltiples enzimas en la vía. El control extrínseco implica una célula en un organismo multicelular que cambia su metabolismo en respuesta a las señales de otras células. Estas señales son usualmente en forma de mensajeros solubles tales como hormonas y factores de crecimiento y son detectadas por receptores específicos en la superficie de la célula. Estas señales se transmiten dentro de la célula mediante sistemas de segundo mensajero que a menudo implican la fosforilación de proteínas.
Un ejemplo muy bien entendido de control extrínseco es la regulación del metabolismo de la glucosa por la hormona insulina. 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 proteínas quinasas que hacen que las células absorban la glucosa y la conviertan en moléculas de almacenamiento como los ácidos grasos y el glucógeno. El metabolismo del glucógeno está controlado por la actividad de la fosforilasa, la enzima que descompone el glucógeno y la glucógeno sintasa, la enzima que lo produce. Estas enzimas están reguladas de manera recíproca, con la fosforilación inhibiendo la glucógeno sintasa, pero activando la fosforilasa. La insulina causa la síntesis de glucógeno activando la proteína fosfatasas y produciendo una disminución en la fosforilación de estas enzimas.
Evolución
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. Esta célula ancestral universal era procariota y probablemente un metanogeno que tenia metabolismo extenso de aminoacidos, nucleotidos, carbohidratos y lipidos. La retención de estas vías antiguas durante la evolución posterior puede ser el resultado de estas reacciones como una solución óptima a sus problemas metabólicos particulares, con vías como la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico produciendo sus productos finales de manera altamente eficiente y en un número mínimo de pasos . Las primeras vías del metabolismo basado en enzimas pueden haber sido parte del metabolismo de los nucleótidos de las purinas, mientras que las rutas metabólicas anteriores formaban parte del antiguo mundo del ARN.
Se han propuesto muchos modelos para describir los mecanismos por los cuales evolucionan nuevas vías metabólicas. Estos incluyen la adición secuencial de nuevas enzimas a una vía ancestral corta, la duplicación y luego la divergencia de vías completas, así como el reclutamiento de enzimas preexistentes y su ensamblaje en una nueva vía de reacción. La importancia relativa de estos mecanismos no está clara, pero los estudios genómicos han demostrado que es probable que las enzimas de una vía tengan un ancestro compartido, lo que sugiere que muchas vías han evolucionado paso a paso con nuevas funciones creadas a partir de pasos preexistentes. en el camino. 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 son reclutadas de forma generalizada, tomar prestado enzimas para realizar funciones similares en diferentes vías metabólicas (evidente en la base de datos MANET) Estos procesos de reclutamiento resultan en un mosaico enzimático evolutivo. Una tercera posibilidad es que algunas partes del metabolismo puedan existir como "módulos" que pueden reutilizarse en diferentes vías y realizar funciones similares en diferentes moléculas.
Además de la evolución de las nuevas rutas metabólicas, la evolución también puede causar la pérdida de las funciones metabólicas. Por ejemplo, en algunos parásitos, los procesos metabólicos que no son esenciales para la supervivencia se pierden y los aminoácidos preformados, los nucleótidos y los carbohidratos pueden ser eliminados del hospedador. Se observan capacidades metabólicas reducidas similares en organismos endosimbióticos.
Investigación y manipulación
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 en todo el organismo, los tejidos y los niveles celulares, que definen las rutas desde los precursores hasta los productos finales mediante la identificación de productos intermedios y productos marcados radiactivamente. Las enzimas que catalizan estas reacciones químicas pueden purificarse y analizarse su cinética y respuestas a los inhibidores. Un enfoque paralelo es 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 la función de las vías metabólicas simples, pero son inadecuados cuando se aplican a sistemas más complejos, como el metabolismo de una célula completa.
Una idea de la complejidad de las redes metabólicas en 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 45,000 genes. 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. Estos modelos son especialmente poderosos cuando se utilizan para integrar la vía y los datos de metabolitos obtenidos a través de métodos clásicos con datos sobre la expresión génica de estudios proteómicos y de microarrays de ADN. Usando estas técnicas, ahora se ha producido un modelo de metabolismo humano que guiará el descubrimiento de fármacos en el futuro y la investigación bioquímica.
Las redes metabólicas bacterianas son un ejemplo notable de organización de pajarita, una arquitectura capaz de ingresar una amplia gama de nutrientes y producir una gran variedad de productos y macromoléculas complejas utilizando relativamente pocas monedas comunes intermedias.
Una aplicación tecnológica importante de esta información es la ingeniería metabólica. Aquí, los organismos como la levadura, las plantas o las bacterias se modifican genéticamente para que sean más útiles en biotecnología y ayudan a la producción de medicamentos como antibióticos o productos químicos industriales como el 1,3-propanodiol y el ácido shikímico. Estas modificaciones genéticas generalmente apuntan a reducir la cantidad de energía utilizada para producir el producto, aumentar los rendimientos y reducir la producción de desechos.
Historia
El término metabolismo se deriva del griego Μεταβολισμός - "Metabolismos" para "cambio" o "derrocamiento".
Las partes de animales de Aristóteles establece suficientes detalles de sus puntos de vista sobre el metabolismo para que se pueda hacer un modelo de flujo abierto. Él creía que en cada etapa del proceso, los materiales de los alimentos se transformaban, con el calor liberado como el elemento clásico del fuego y los materiales residuales que se excretaban como la orina, la bilis o las heces.
Ibn al-Nafis describió el metabolismo en su trabajo de 1260 AD 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 alimentación, por lo que inevitablemente están experimentando un cambio permanente ". La historia del estudio científico del metabolismo abarca varios siglos y ha pasado del examen de animales completos en los primeros estudios al examen de las reacciones metabólicas individuales en la bioquímica moderna. Los primeros experimentos controlados en metabolismo humano fueron publicados por Santorio Santorio en 1614 en su libro Ars de statica medicina. Describió cómo se pesaba antes y después de comer, dormir, trabajar, tener sexo, ayunar, beber y excretar. Descubrió que la mayor parte de la comida que ingirió se perdió por lo que denominó "transpiración insensible".
En estos primeros estudios, los mecanismos de estos procesos metabólicos no habían sido identificados y se pensaba que una fuerza vital animaba el tejido vivo. En el siglo XIX, cuando estudiaba la fermentación del azúcar en alcohol por la levadura, Louis Pasteur llegó a la conclusión de que la fermentación era catalizada por sustancias dentro de las células de levadura a las que llamaba "fermentos". Escribió que "la fermentación alcohólica es un acto correlacionado con la vida y la organización de las células de levadura, no con la muerte o la putrefacción de las células". Este descubrimiento, junto con la publicación de Friedrich Wöhler en 1828 de un documento sobre la síntesis química de urea, y se destaca por ser el primer compuesto orgánico preparado a partir de precursores totalmente inorgánicos.
Fue el descubrimiento de las enzimas a principios del siglo 20 por Eduard Buchner que separó el estudio de las reacciones químicas del metabolismo del estudio biológico de las células, y marcó los inicios de la bioquímica. La masa del conocimiento bioquímico creció rápidamente a lo largo del siglo XX. Uno de los bioquímicos modernos más prolíficos fue Hans Krebs, quien hizo grandes contribuciones al estudio del metabolismo. Descubrió el ciclo de la urea y más tarde, trabajando con Hans Kornberg, el ciclo del ácido cítrico y el ciclo del glioxilato. La investigación bioquímica moderna ha sido ampliamente ayudada por el desarrollo de nuevas técnicas tales como la cromatografía, la difracción de rayos X, la espectroscopía de RMN, el etiquetado radioisotópico, el microscopio electrónico y las simulaciones de dinámica molecular.