Metabolismo

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El metabolismo , o metabolismo , son reacciones químicas que sustentan la vida en un organismo vivo . Estos procesos permiten que los organismos crezcan y se reproduzcan, mantengan sus estructuras y respondan a los estímulos ambientales.

El metabolismo se suele dividir en 2 etapas: catabolismo y anabolismo . Durante el catabolismo , las sustancias orgánicas complejas se degradan a otras más simples, generalmente liberando energía, y en el anabolismo  , las sustancias más complejas se sintetizan a partir de las más simples con gasto de energía.

Una serie de reacciones químicas del metabolismo se denominan vías metabólicas. En ellos, con la participación de enzimas , algunas moléculas biológicamente significativas se convierten secuencialmente en otras.

Las enzimas juegan un papel importante en los procesos metabólicos porque:

• actuar como catalizadores biológicos y reducir la energía de activación de una reacción química;
• permitir la regulación de las vías metabólicas en respuesta a cambios en el entorno de la célula o señales de otras células.

Las características del metabolismo afectan si una molécula en particular es adecuada para que el cuerpo la use como fuente de energía. Por ejemplo, algunos procariotas utilizan sulfuro de hidrógeno como fuente de energía, pero este gas es venenoso para los animales [1] . La tasa metabólica también afecta la cantidad de alimentos que necesita el cuerpo.

Aspectos evolutivos del metabolismo

Las principales rutas metabólicas y sus componentes son los mismos para muchas especies, lo que indica la unidad del origen de todos los seres vivos [2] . Por ejemplo, algunos ácidos carboxílicos , que son intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos , están presentes en todos los organismos, desde las bacterias hasta los organismos eucariotas multicelulares [3] . Es probable que las similitudes en el metabolismo se deban a la alta eficiencia de las vías metabólicas, así como a su aparición temprana en la historia evolutiva [4] [5] .

Moléculas biológicas

Las sustancias orgánicas que componen todos los seres vivos (animales, plantas, hongos y microorganismos) son principalmente aminoácidos , carbohidratos , lípidos (a menudo llamados grasas ) y ácidos nucleicos. Dado que estas moléculas son esenciales para la vida, las reacciones metabólicas se centran en producir estas moléculas cuando se construyen células y tejidos o se descomponen para usarlas como fuente de energía. Muchas reacciones bioquímicas importantes se unen para producir ADN y proteínas .

tipo de molécula	Nombre de la forma de monómero	Nombre de la forma de polímero	Ejemplos de formas poliméricas
Aminoácidos	Aminoácidos	Proteínas ( polipéptidos )	Proteínas fibrilares y proteínas globulares
carbohidratos	Monosacáridos	polisacáridos	Almidón , glucógeno , celulosa
Ácidos nucleicos	nucleótidos	polinucleótidos	ADN y ARN

Aminoácidos y proteínas

Las proteínas son biopolímeros y consisten en residuos de aminoácidos conectados por enlaces peptídicos . Algunas proteínas son enzimas y catalizan reacciones químicas. Otras proteínas realizan una función estructural o mecánica (por ejemplo, forman el citoesqueleto ) [6] . Las proteínas también desempeñan un papel importante en la señalización celular, las respuestas inmunitarias, la agregación celular , el transporte activo a través de las membranas y la regulación del ciclo celular [7] . 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) [8] , especialmente cuando una fuente de energía primaria como la glucosa es insuficiente o cuando las células están bajo estrés metabólico [9] .

Lípidos

Los lípidos son el grupo más diverso de sustancias bioquímicas. Forman parte de membranas biológicas, como las membranas plasmáticas , son componentes de coenzimas y fuentes de energía. [7] Los lípidos son polímeros de ácidos grasos que contienen una larga cadena hidrocarbonada no polar con una pequeña región polar que contiene oxígeno. Los lípidos son moléculas biológicas hidrófobas o anfifílicas , solubles en disolventes orgánicos como el benceno o el cloroformo [10] . Las grasas  son un gran grupo de compuestos que incluyen ácidos grasos y glicerol . Una molécula de alcohol trihídrico de glicerol, que forma tres enlaces éster con tres moléculas de ácidos grasos, se denomina triglicérido [11] . Junto con los residuos de ácidos grasos, los lípidos complejos pueden incluir, por ejemplo, esfingosina ( esfingolípidos ), grupos hidrófilos de fosfatos (en fosfolípidos ). Los esteroides , como el colesterol , son otra gran clase de lípidos [12] .

Carbohidratos

Los azúcares pueden existir en forma de anillo o lineal como aldehídos o cetonas , y tienen múltiples grupos hidroxilo . Los carbohidratos son las moléculas biológicas más comunes. Los carbohidratos realizan las siguientes funciones: almacenamiento y transporte de energía ( almidón , glucógeno ), estructurales ( celulosa vegetal , quitina en hongos y animales) [7] . Los monómeros de azúcar más comunes son las hexosas glucosa , fructosa y galactosa . Los monosacáridos forman parte de polisacáridos lineales o ramificados más complejos [13] .

Nucleótidos

Las moléculas poliméricas de ADN y ARN son largas cadenas no ramificadas de nucleótidos. Los ácidos nucleicos cumplen la función de almacenar e implementar la información genética, las cuales se llevan a cabo durante los procesos de replicación , transcripción , traducción y biosíntesis de proteínas [7] . La información codificada en los ácidos nucleicos está protegida de los cambios por los sistemas de reparación y se multiplica por la replicación del ADN .

Algunos virus tienen un genoma que contiene ARN . Por ejemplo, el virus de la inmunodeficiencia humana utiliza la transcripción inversa para crear una plantilla de ADN a partir de su propio genoma que contiene ARN [14] . Algunas moléculas de ARN tienen propiedades catalíticas ( ribozimas ) y forman parte de los spliceosomas y ribosomas .

Los nucleósidos  son productos de la adición de bases nitrogenadas al azúcar ribosa . Ejemplos de bases nitrogenadas son compuestos heterocíclicos que contienen nitrógeno  , derivados de purinas y pirimidinas . Algunos nucleótidos también actúan como coenzimas en reacciones de transferencia de grupos funcionales [15] .

Coenzimas

El metabolismo incluye una amplia gama de reacciones químicas, la mayoría de las cuales pertenecen a varios tipos básicos de reacciones de transferencia de grupos funcionales [16] . Las coenzimas se utilizan para transferir grupos funcionales entre enzimas que catalizan reacciones químicas [15] . Cada clase de reacciones químicas de transferencia de grupos funcionales es catalizada por enzimas individuales y sus cofactores [17] .

El trifosfato de adenosina (ATP) es una de las coenzimas centrales, una fuente universal de energía celular. Este nucleótido se utiliza para transferir energía química almacenada en enlaces macroérgicos entre varias reacciones químicas. Hay una pequeña cantidad de ATP en las células, que se regenera constantemente a partir de ADP y AMP. El cuerpo humano consume una masa de ATP por día, igual a la masa de su propio cuerpo [17] . El ATP actúa como enlace entre el catabolismo y el anabolismo: las reacciones catabólicas forman ATP, las reacciones anabólicas consumen energía. El ATP también actúa como donante de grupos fosfato en las reacciones de fosforilación .

Las vitaminas  son sustancias orgánicas de bajo peso molecular que se necesitan en pequeñas cantidades y, por ejemplo, en los humanos, la mayoría de las vitaminas no se sintetizan, sino que se obtienen con los alimentos o a través de la microflora del tracto gastrointestinal. En el cuerpo humano, la mayoría de las vitaminas son cofactores enzimáticos. La mayoría de las vitaminas adquieren actividad biológica en forma alterada, por ejemplo, todas las vitaminas hidrosolubles en las células son fosforiladas o combinadas con nucleótidos [18] . El dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADH) es un derivado de la vitamina B3 ( niacina ) y es una importante coenzima aceptora de hidrógeno . Cientos de diferentes enzimas deshidrogenasas toman electrones de las moléculas de sustrato y los transfieren a moléculas NAD + , reduciéndolas a NADH. La forma oxidada de la coenzima es un sustrato para varias reductasas en la célula [19] . NAD existe en la célula en dos formas relacionadas, NADH y NADPH. NAD + /NADH es más importante para las reacciones catabólicas, mientras que NADP + /NADPH se usa más comúnmente en las reacciones anabólicas.

Sustancias inorgánicas y cofactores

Los elementos inorgánicos juegan un papel importante en el metabolismo. Alrededor del 99% de la masa de un mamífero consiste en carbono , nitrógeno , calcio , sodio , magnesio , cloro , potasio , hidrógeno , fósforo , oxígeno y azufre [20] . Los compuestos orgánicos biológicamente significativos (proteínas, grasas, carbohidratos y ácidos nucleicos) contienen grandes cantidades de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo [20] .

Muchos compuestos inorgánicos son electrolitos iónicos . Los iones más importantes para el organismo son el sodio , el potasio , el calcio , el magnesio , los cloruros , los fosfatos y los bicarbonatos . El equilibrio de estos iones dentro de la célula y en el medio extracelular determina la presión osmótica y el pH [21] . Las concentraciones de iones también juegan un papel importante en el funcionamiento de las células nerviosas y musculares . El potencial de acción en los tejidos excitables se produce durante el intercambio de iones entre el líquido extracelular y el citoplasma [22] . Los electrolitos entran y salen de la célula a través de canales iónicos en la membrana plasmática. Por ejemplo, durante la contracción muscular , los iones de calcio, sodio y potasio se mueven en la membrana plasmática, el citoplasma y los túbulos T [23] .

Los metales de transición en el cuerpo son oligoelementos , los más comunes son el zinc y el hierro [24] [25] . Estos metales son utilizados por algunas proteínas (por ejemplo, las enzimas como cofactores ) y son importantes para regular la actividad de las enzimas y las proteínas de transporte [26] . Los cofactores enzimáticos suelen estar fuertemente asociados con una proteína específica, pero pueden modificarse durante la catálisis y, una vez finalizada la catálisis, siempre vuelven a su estado original (no se consumen). Los metales traza son absorbidos por el cuerpo con la ayuda de proteínas transportadoras especiales y no se encuentran en el cuerpo en estado libre, ya que están asociados con proteínas transportadoras específicas (por ejemplo, ferritina o metalotioneínas ) [27] [28] .

Clasificación de organismos por tipo de metabolismo

Todos los organismos vivos se pueden dividir en ocho grupos principales según el uso: fuente de energía, fuente de carbono y donante de electrones (sustrato oxidado) [29] .

1. Como fuente de energía, los organismos vivos pueden utilizar: la energía de la luz ( foto- ) o la energía de los enlaces químicos ( quimio- ). Además, el término paratrofo se utiliza para describir organismos parásitos que utilizan los recursos energéticos de la célula huésped .
2. Además de una fuente de energía, los organismos vivos también requieren un donante de electrones, una sustancia oxidada de la que se desprende un electrón, que se utiliza para la síntesis de materia orgánica. Como donante de electrones (reductor), los organismos vivos pueden utilizar: sustancias inorgánicas ( lito- ) o sustancias orgánicas ( organo- ).
3. Los organismos vivos utilizan dióxido de carbono ( auto- ) o materia orgánica ( hetero- ) como fuente de carbono. En ocasiones, los términos autótrofo y heterótrofo se utilizan en relación con otros elementos que forman parte de moléculas biológicas en forma reducida (por ejemplo , nitrógeno , azufre ). En este caso, los organismos “autótrofos nitrogenados” son especies que utilizan compuestos inorgánicos oxidados como fuente de nitrógeno (por ejemplo, las plantas; pueden reducir los nitratos ). Y los "heterótrofos en nitrógeno" son organismos que no pueden llevar a cabo la reducción de formas oxidadas de nitrógeno y utilizan compuestos orgánicos como fuente (por ejemplo, animales para los que los aminoácidos sirven como fuente de nitrógeno ).

El nombre del tipo de metabolismo se forma añadiendo las raíces correspondientes y añadiendo -troph- al final de la raíz . La tabla muestra los posibles tipos de metabolismo con ejemplos [30] :

Fuente de energía	donante de electrones	fuente de carbono	tipo de metabolismo	Ejemplos
Foto de la luz del sol-	Sustancias organicas -organo-	Materia orgánica - heterótrofo	Foto organo heterótrofos	Bacterias moradas no sulfurosas , halobacterias , algunas cianobacterias .
		Carbono inorgánico** - autótrofo	Foto organo autótrofos	Un tipo raro de metabolismo asociado con la oxidación de sustancias no digeribles. Característica de algunas bacterias moradas .
	Sustancias inorgánicas -lito- *	Materia orgánica - heterótrofo	Fotolito heterótrofos _	Algunas cianobacterias , bacterias moradas y verdes , también son heliobacterias .
		Carbono inorgánico** - autótrofo	Fotolito autótrofos _	Plantas superiores , Algas , Cianobacterias , Bacterias moradas del azufre , Bacterias verdes .
La energía de los enlaces químicos Chemo-	Sustancias organicas -organo-	Materia orgánica - heterótrofo	Heterótrofos quimio organo	Animales , Hongos , La mayoría de los microorganismos son descomponedores .
		Carbono inorgánico** - autótrofo	Autotrofos de quimio organos	Bacterias especializadas en la oxidación de sustancias difíciles de digerir, como los metilotrofos facultativos que oxidan el ácido fórmico .
	Sustancias inorgánicas -lito- *	Materia orgánica - heterótrofo	Quimiolitoheterótrofos _ _	Arqueas formadoras de metano, bacterias del hidrógeno .
		Carbono inorgánico** - autótrofo	Quimiolitoautótrofos _ _	Bacterias del hierro, bacterias del hidrógeno , bacterias nitrificantes , bacterias del azufre .

• Algunos autores usan -hidro- cuando el agua es el donante de electrones

1. CO 2 , CO, HCHO, CH 3 OH, CH 4 HCOO - y grupo metilo "inorgánico" -CH 3 unido a través de un átomo de oxígeno, nitrógeno o azufre a otros grupos metilo (de uno a tres) o a un esqueleto policarbonado [31 ] .

La clasificación fue desarrollada por un grupo de autores ( A. Lvov , K. van Niel , FJ Ryan, E. Tatem ) y aprobada en el 11° simposio en el Cold Spring Harbor Laboratory e inicialmente sirvió para describir los tipos de nutrición de los microorganismos . Sin embargo, ahora también se usa para describir el metabolismo de otros organismos [32] .

Es obvio a partir de la tabla que las capacidades metabólicas de los procariotas son mucho más diversas en comparación con los eucariotas, que se caracterizan por tipos de metabolismo fotolitoautotrófico y quimioorganoheterótrofo.

Cabe señalar que determinados tipos de microorganismos pueden, dependiendo de las condiciones ambientales (iluminación, disponibilidad de sustancias orgánicas, etc.) y del estado fisiológico, llevar a cabo metabolismos de varios tipos. Esta combinación de varios tipos de metabolismo se describe como mixotrofia .

Al aplicar esta clasificación a organismos multicelulares, es importante entender que dentro de un organismo puede haber células que difieren en el tipo de metabolismo. Por lo tanto, las células de los órganos fotosintéticos superficiales de las plantas multicelulares se caracterizan por un tipo de metabolismo fotolitoautotrófico, mientras que las células de los órganos subterráneos se describen como quimioorganoheterótrofas. Al igual que en el caso de los microorganismos, el tipo de metabolismo de las células de un organismo multicelular puede cambiar cuando cambian las condiciones ambientales, la etapa de desarrollo y el estado fisiológico. Así, por ejemplo, en la oscuridad y en la etapa de germinación de la semilla , las células de las plantas superiores realizan un metabolismo de tipo quimioorganoheterótrofo.

Catabolismo

El catabolismo es un proceso metabólico en el que se descomponen moléculas orgánicas relativamente grandes de azúcares, grasas y aminoácidos. Durante el catabolismo, se forman moléculas orgánicas más simples que son necesarias para las reacciones de anabolismo (biosíntesis). A menudo, es durante las reacciones de catabolismo que el cuerpo moviliza energía al convertir la energía de los enlaces químicos de las moléculas orgánicas obtenidas durante la digestión de los alimentos en formas accesibles: en forma de ATP, coenzimas reducidas y un potencial electroquímico transmembrana. El término catabolismo no es sinónimo de "metabolismo energético": en muchos organismos (por ejemplo, los fotótrofos), los principales procesos de almacenamiento de energía no están directamente relacionados con la descomposición de las moléculas orgánicas. La clasificación de los organismos según el tipo de metabolismo puede basarse en la fuente de energía, lo cual se refleja en el apartado anterior. Los quimiotrofos utilizan la energía de los enlaces químicos y los fotótrofos consumen la energía de la luz solar. Sin embargo, todas estas diferentes formas de metabolismo dependen de reacciones redox , que implican la transferencia de electrones desde moléculas donadoras reducidas como moléculas orgánicas , agua , amoníaco , sulfuro de hidrógeno , a moléculas aceptoras como oxígeno , nitrato o sulfato [33] . En los animales, estas reacciones implican la descomposición de moléculas orgánicas complejas en otras más simples, como dióxido de carbono y agua. En los organismos fotosintéticos , plantas y cianobacterias, las reacciones de transferencia de electrones no liberan energía, pero se utilizan como una forma de almacenar la energía absorbida de la luz solar [34] .

El catabolismo en los animales se puede dividir en tres etapas principales. En primer lugar, las moléculas orgánicas grandes, como las proteínas , los polisacáridos y los lípidos , se descomponen en componentes más pequeños fuera de las células. Luego, estas pequeñas moléculas ingresan a las células y se convierten en moléculas aún más pequeñas, como la acetil-CoA. A su vez, el grupo acetilo de la coenzima A se oxida a agua y dióxido de carbono en el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria , liberando energía en el proceso, que se almacena en forma de ATP.

Digestión

Las macromoléculas como el almidón, la celulosa o las proteínas deben descomponerse en unidades más pequeñas antes de que las células puedan utilizarlas. Varias clases de enzimas están involucradas en la degradación: proteasas , que descomponen las proteínas en péptidos y aminoácidos, glucosidasas , que descomponen los polisacáridos en oligosacáridos y monosacáridos.

Los microorganismos secretan enzimas hidrolíticas en el espacio que los rodea [35] [36] , a diferencia de los animales, que secretan tales enzimas solo de células glandulares especializadas [37] . Los aminoácidos y monosacáridos, formados como resultado de la actividad de las enzimas extracelulares, luego ingresan a las células mediante el transporte activo [38] [39] .

Ganando energía

En el curso del catabolismo de los carbohidratos, los azúcares complejos se descomponen en monosacáridos , que son absorbidos por las células [40] . Una vez dentro, los azúcares (como la glucosa y la fructosa ) se convierten en piruvato durante la glucólisis y se produce algo de ATP [41] . El ácido pirúvico (piruvato) es un intermediario en varias rutas metabólicas. La vía principal del metabolismo del piruvato es la conversión a acetil-CoA y la posterior entrada en el ciclo del ácido tricarboxílico . Al mismo tiempo, parte de la energía se almacena en el ciclo de Krebs en forma de ATP, y también se reponen moléculas de NADH y FAD. El proceso de glucólisis y el ciclo del ácido tricarboxílico produce dióxido de carbono , que es un subproducto de la vida. En condiciones anaeróbicas, como resultado de la glucólisis a partir del piruvato con la participación de la enzima lactato deshidrogenasa , se forma lactato y el NADH se oxida a NAD + , que se reutiliza en las reacciones de glucólisis. También existe una ruta alternativa del metabolismo de los monosacáridos: la ruta de las pentosas fosfato , durante cuyas reacciones se almacena energía en forma de coenzima NADPH reducida y se forman pentosas , por ejemplo , ribosa , necesarias para la síntesis de ácidos nucleicos.

Las grasas en la primera etapa del catabolismo se hidrolizan en ácidos grasos libres y glicerol . Los ácidos grasos se descomponen en el proceso de beta-oxidación con la formación de acetil-CoA, que a su vez se cataboliza aún más en el ciclo de Krebs, o pasa a la síntesis de nuevos ácidos grasos. Los ácidos grasos liberan más energía que los carbohidratos, ya que las grasas contienen más átomos de hidrógeno en su estructura.

Los aminoácidos se utilizan para sintetizar proteínas y otras biomoléculas, o se oxidan a urea , dióxido de carbono y sirven como fuente de energía [42] . La vía oxidativa del catabolismo de los aminoácidos comienza con la eliminación del grupo amino por parte de las enzimas transaminasas . Los grupos amino se utilizan en el ciclo de la urea ; Los aminoácidos desprovistos de grupos amino se denominan cetoácidos . Algunos cetoácidos son intermedios en el ciclo de Krebs. Por ejemplo, la desaminación del glutamato produce ácido alfa-cetoglutárico [43] . Los aminoácidos glucogénicos también se pueden convertir en glucosa en reacciones de gluconeogénesis [44] .

Transformaciones de energía

Fosforilación oxidativa

En la fosforilación oxidativa, los electrones extraídos de las moléculas de los alimentos en las vías metabólicas (por ejemplo, en el ciclo de Krebs) se transfieren al oxígeno y la energía liberada se utiliza para sintetizar ATP. En eucariotas, este proceso se lleva a cabo con la participación de una serie de proteínas fijadas en las membranas mitocondriales, denominada cadena respiratoria de transporte de electrones . En procariotas , estas proteínas están presentes en la membrana interna de la pared celular [45] . Las proteínas de la cadena de transporte de electrones utilizan la energía obtenida al transferir electrones de moléculas reducidas (p. ej., NADH) al oxígeno para bombear protones a través de la membrana [46] .

Al bombear protones, se crea una diferencia en las concentraciones de iones de hidrógeno y aparece un gradiente electroquímico [47] . Esta fuerza devuelve los protones a la mitocondria a través de la base de la ATP sintasa . El flujo de protones hace que el anillo de las subunidades c de la enzima gire, como resultado de lo cual el sitio activo de la sintasa cambia de forma y fosforila el difosfato de adenosina , convirtiéndolo en ATP [17] .

Energía a partir de compuestos inorgánicos

Los quimiolitotrofos se denominan procariotas que tienen un tipo especial de metabolismo en el que se genera energía como resultado de la oxidación de compuestos inorgánicos. Los quimiolitotrofos pueden oxidar hidrógeno molecular [48] , compuestos de azufre (por ejemplo , sulfuros , sulfuro de hidrógeno y tiosulfatos inorgánicos ) [1] , óxido de hierro (II) [49] o amoníaco [50] . En este caso, la energía procedente de la oxidación de estos compuestos se genera con la ayuda de aceptores de electrones, como el oxígeno o los nitritos [51] . Los procesos de obtención de energía a partir de sustancias inorgánicas juegan un papel importante en ciclos biogeoquímicos como la acetogénesis , la nitrificación y la desnitrificación [52] [53] .

Energía de la luz solar

La energía de la luz solar es absorbida por las plantas , las cianobacterias , las bacterias moradas, las bacterias verdes del azufre y algunos protozoos . Este proceso a menudo se combina con la conversión de dióxido de carbono en compuestos orgánicos como parte del proceso de fotosíntesis (ver más abajo). Los sistemas de captura de energía y fijación de carbono en algunos procariotas pueden funcionar por separado (por ejemplo, en bacterias de azufre púrpura y verde) [54] [55] .

En muchos organismos, la absorción de energía solar es en principio similar a la fosforilación oxidativa, ya que la energía se almacena en forma de gradiente de concentración de protones y la fuerza impulsora de los protones conduce a la síntesis de ATP [17] . Los electrones necesarios para esta cadena de transporte provienen de proteínas captadoras de luz llamadas centros de reacción fotosintéticos ( las rodopsinas son un ejemplo ). Según el tipo de pigmentos fotosintéticos, se clasifican dos tipos de centros de reacción; actualmente, la mayoría de las bacterias fotosintéticas tienen un solo tipo, mientras que las plantas y las cianobacterias tienen dos [56] .

En plantas, algas y cianobacterias, el fotosistema II utiliza la energía de la luz para eliminar electrones del agua, liberando oxígeno molecular como subproducto de la reacción. Luego, los electrones ingresan al complejo citocromo b6f, que usa energía para bombear protones a través de la membrana tilacoide en los cloroplastos [7] . Bajo la acción de un gradiente electroquímico, los protones retroceden a través de la membrana y activan la ATP sintasa. Luego, los electrones pasan a través del fotosistema I y pueden usarse para reducir la coenzima NADP + , para usarse en el ciclo de Calvin , o reciclarse para formar moléculas de ATP adicionales [57] .

Anabolismo

El anabolismo  es un conjunto de procesos metabólicos de biosíntesis de moléculas complejas con gasto de energía. Las moléculas complejas que componen las estructuras celulares se sintetizan secuencialmente a partir de precursores más simples. El anabolismo implica tres pasos principales, cada uno catalizado por una enzima especializada. En el primer paso, se sintetizan moléculas precursoras, como aminoácidos , monosacáridos , terpenoides y nucleótidos . En la segunda etapa, los precursores se convierten en formas activadas con el gasto de energía ATP. En el tercer paso, los monómeros activados se combinan en moléculas más complejas, como proteínas , polisacáridos , lípidos y ácidos nucleicos .

No todos los organismos vivos pueden sintetizar todas las moléculas biológicamente activas. Los autótrofos (por ejemplo, las plantas) pueden sintetizar moléculas orgánicas complejas a partir de sustancias inorgánicas simples de bajo peso molecular como el dióxido de carbono y el agua. Los heterótrofos necesitan una fuente de sustancias más complejas, como monosacáridos y aminoácidos, para crear moléculas más complejas. Los organismos se clasifican según sus principales fuentes de energía: los fotoautótrofos y los fotoheterótrofos obtienen su energía de la luz solar, mientras que los quimioautótrofos y los quimioheterótrofos obtienen su energía de las reacciones de oxidación inorgánica.

Secuestro de carbono

La fotosíntesis es el proceso de biosíntesis de azúcares a partir de dióxido de carbono, en el que se absorbe la energía necesaria de la luz solar. En las plantas , las cianobacterias y las algas, la fotólisis del agua se produce durante la fotosíntesis del oxígeno, mientras que el oxígeno se libera como subproducto. Para convertir el CO 2 en 3-fosfoglicerato , se utiliza la energía de ATP y NADP almacenada en los fotosistemas. La reacción de secuestro de carbono la lleva a cabo la enzima ribulosa bisfosfato carboxilasa y forma parte del ciclo de Calvin [58] . En las plantas, se clasifican tres tipos de fotosíntesis: la vía de los tres carbonos, la vía de los cuatro carbonos ( C4 ) y la fotosíntesis CAM . Los tres tipos de fotosíntesis difieren en la forma en que se captura el dióxido de carbono y entra en el ciclo de Calvin; en las plantas C3, la unión del CO 2 ocurre directamente en el ciclo de Calvin, mientras que en las plantas C4 y CAM , el CO 2 se incorpora preliminarmente a otros compuestos. Varias formas de fotosíntesis son adaptaciones a la luz solar intensa y las condiciones secas [59] .

En los procariotas fotosintéticos , los mecanismos de fijación de carbono son más diversos. El dióxido de carbono se puede fijar en el ciclo de Calvin, en el ciclo de Krebs inverso [60] o en reacciones de carboxilación de acetil-CoA [61] [62] . Procariotas: los quimioautótrofos también se unen al CO 2 a través del ciclo de Calvin, pero para la reacción usan energía de compuestos inorgánicos [63] .

Carbohidratos y glicanos

En el proceso de anabolismo del azúcar, los ácidos orgánicos simples pueden convertirse en monosacáridos , como la glucosa , y luego usarse para sintetizar polisacáridos , como el almidón . La formación de glucosa a partir de compuestos como piruvato , lactato , glicerol , 3-fosfoglicerato y aminoácidos se denomina gluconeogénesis . Durante la gluconeogénesis, el piruvato se convierte en glucosa-6-fosfato a través de varios intermediarios, muchos de los cuales también se forman durante la glucólisis [41] . Sin embargo, la gluconeogénesis no es solo glucólisis inversa , ya que varias reacciones químicas son catalizadas por enzimas especiales, lo que permite regular de forma independiente la formación y descomposición de la glucosa [64] [65] .

Muchos organismos almacenan nutrientes en forma de lípidos y grasas, pero los vertebrados no tienen las enzimas que catalizan la conversión de acetil-CoA (un producto del metabolismo de los ácidos grasos) en piruvato (un sustrato de la gluconeogénesis) [66] . Después de una inanición prolongada, los vertebrados comienzan a sintetizar cuerpos cetónicos a partir de ácidos grasos, que pueden reemplazar la glucosa en tejidos como el cerebro [67] . En plantas y bacterias, este problema metabólico se resuelve utilizando el ciclo del glioxilato , que pasa por alto el paso de descarboxilación en el ciclo del ácido cítrico y permite la conversión de acetil-CoA en oxalacetato y su posterior uso para la síntesis de glucosa [66] [68] . Además de la grasa, la glucosa se almacena en la mayoría de los tejidos como un recurso energético disponible en los tejidos a través de la glucogénesis, que normalmente se utiliza para mantener los niveles de glucosa en sangre [69] .

Los polisacáridos y los glicanos se forman mediante la adición secuencial de monosacáridos por la glicosiltransferasa de un donante de azúcar-fosfato reactivo, como la glucosa uridina difosfato (UDP-Glc), a un grupo hidroxilo aceptor en el polisacárido naciente. Dado que cualquiera de los grupos hidroxilo en el anillo del sustrato puede ser aceptor, los polisacáridos resultantes pueden tener estructuras lineales o ramificadas [70] . Los polisacáridos realizan funciones estructurales y metabólicas y también pueden acoplarse a lípidos (glucolípidos) y proteínas (glucoproteínas) a través de enzimas oligosacáridos transferasas [71] [72] .

Ácidos grasos, isoprenoides y esteroides

Los ácidos grasos están formados por ácidos grasos sintasas a partir de acetil-CoA. El esqueleto de carbono de los ácidos grasos se alarga en un ciclo de reacciones en el que primero se agrega un grupo acetilo, luego el grupo carbonilo se reduce a un grupo hidroxilo, luego ocurre la deshidratación y la subsiguiente reducción. Las enzimas de la biosíntesis de ácidos grasos se clasifican en dos grupos: en animales y hongos, todas las reacciones de síntesis de ácidos grasos se llevan a cabo por una única proteína multifuncional de tipo I [73] ; en plastidios vegetales y bacterias, cada etapa es catalizada por proteínas de tipo II independientes . enzimas [74] [75] .

Los terpenos y los terpenoides son la clase más numerosa de productos naturales de origen vegetal [76] . Los representantes de este grupo de sustancias son derivados del isopreno y se forman a partir de precursores activados de pirofosfato de isopentilo y pirofosfato de dimetilalilo , que, a su vez, se forman en diversas reacciones metabólicas [77] . En animales y arqueas, el pirofosfato de isopentilo y el pirofosfato de dimetilalilo se sintetizan a partir de acetil-CoA en la vía del mevalonato [78] , mientras que en plantas y bacterias, el piruvato y el gliceraldehído-3-fosfato son los sustratos de la vía del no mevalonato [77] [ 79] . En las reacciones biosintéticas de esteroides, las moléculas de isopreno se combinan para formar escualenos , que luego forman estructuras cíclicas para formar lanosterol [80] . El lanosterol se puede convertir en otros esteroides como el colesterol y el ergosterol [80] [81] .

Ardillas

Los organismos difieren en su capacidad para sintetizar los 20 aminoácidos comunes. La mayoría de las bacterias y plantas pueden sintetizar los 20, pero los mamíferos pueden sintetizar solo 10 aminoácidos no esenciales [7] . Así, en el caso de los mamíferos, los 9 aminoácidos esenciales deben obtenerse de los alimentos. Algunos parásitos simples, como la bacteria Mycoplasma pneumoniae , no sintetizan todos los aminoácidos y los obtienen directamente de sus huéspedes [82] . Todos los aminoácidos se sintetizan a partir de intermediarios de la glucólisis , el ciclo del ácido cítrico o la ruta de las pentosas monofosfato. La transferencia de grupos amino de aminoácidos a alfa-cetoácidos se denomina transaminación. Los donantes de grupos amino son el glutamato y la glutamina [83] . La síntesis de aminoácidos menores depende de la formación del alfa-cetoácido correspondiente, que luego se somete a transaminación para formar un aminoácido [84] .

Los aminoácidos unidos por enlaces peptídicos forman proteínas. Cada proteína tiene una secuencia única de residuos de aminoácidos ( estructura primaria de la proteína ). Así como las letras del alfabeto se pueden combinar para formar casi infinitas variaciones de palabras, los aminoácidos se pueden unir en una secuencia u otra para formar una variedad de proteínas. Las proteínas están formadas por aminoácidos que se han activado al unirse a una molécula de ARN de transferencia a través de un enlace éter. La enzima aminoacil-tRNA sintetasa cataliza la adición de aminoácidos al tRNA dependiente de ATP mediante enlaces éster, con la formación de aminoacil-tRNA [85] . Los aminoacil-tRNA son sustratos para los ribosomas , que combinan aminoácidos en largas cadenas polipeptídicas utilizando una plantilla de mRNA [86] .

Nucleótidos

Los nucleótidos se forman a partir de aminoácidos, dióxido de carbono y ácido fórmico en una cadena de reacciones que requieren una gran cantidad de energía [87] [88] . Es por eso que la mayoría de los organismos tienen sistemas de almacenamiento eficientes para nucleótidos y bases nitrogenadas previamente sintetizados [87] [89] . Las purinas se sintetizan como nucleósidos (principalmente asociados con la ribosa ). La adenina y la guanina se forman a partir del monofosfato de inosina , que se sintetiza a partir de la glicina , la glutamina y el aspartato con la participación del metenil tetrahidrofolato . Las pirimidinas se sintetizan a partir del orotato , que se forma a partir de la glutamina y el aspartato [90] .

Xenobióticos y metabolismo oxidativo

Todos los organismos están constantemente expuestos a compuestos cuya acumulación puede ser perjudicial para las células. Estos compuestos extraños potencialmente peligrosos se denominan xenobióticos [91] . Los xenobióticos, como las drogas sintéticas y los venenos naturales , son desintoxicados por enzimas especializadas. En humanos, tales enzimas están representadas, por ejemplo, por citocromo oxidasas [92] , glucuroniltransferasa [93] y glutatión S-transferasa [94] . Este sistema de enzimas opera en tres etapas: en la primera etapa, los xenobióticos se oxidan, luego los grupos solubles en agua se conjugan en moléculas y luego los xenobióticos solubles en agua modificados pueden eliminarse de las células y metabolizarse antes de ser excretados. Las reacciones descritas juegan un papel importante en la degradación microbiana de los contaminantes y la biorremediación de la tierra contaminada y los derrames de petróleo [95] . Muchas de estas reacciones tienen lugar con la participación de organismos multicelulares, sin embargo, debido a la increíble diversidad, los microorganismos hacen frente a una gama mucho más amplia de xenobióticos que los organismos multicelulares, e incluso son capaces de destruir contaminantes orgánicos persistentes , como los compuestos organoclorados [96]. ] .

Un problema relacionado para los organismos aeróbicos es el estrés oxidativo [97] . En el proceso de fosforilación oxidativa y la formación de enlaces disulfuro durante el plegamiento de proteínas , se forman especies reactivas de oxígeno , por ejemplo, peróxido de hidrógeno [98] . Estos oxidantes dañinos son eliminados por antioxidantes como el glutatión y las enzimas catalasa y peroxidasas [99] [100] .

Termodinámica de los organismos vivos

Los organismos vivos obedecen a los principios de la termodinámica , que describen la transformación del calor y el trabajo . La segunda ley de la termodinámica establece que en cualquier sistema aislado, la entropía no disminuye. Si bien la increíble complejidad de los organismos vivos parece contradecir esta ley, la vida es posible porque todos los organismos son sistemas abiertos que intercambian materia y energía con su entorno. Así, los sistemas vivos no se encuentran en equilibrio termodinámico , sino que, por el contrario, actúan como un sistema disipativo que mantiene su estado de organización compleja, provocando un mayor aumento de entropía por parte del medio [101] . En el metabolismo celular, esto se logra mediante una combinación de procesos espontáneos de catabolismo y procesos no espontáneos de anabolismo. En condiciones termodinámicas , el metabolismo mantiene el orden creando desorden [102] .

Regulación y control

La homeostasis se refiere a la constancia del ambiente interno del cuerpo. Dado que el entorno externo que rodea a la mayoría de los organismos cambia constantemente, para mantener las condiciones constantes dentro de las células, las reacciones metabólicas deben regularse con precisión [103] [104] . La regulación del metabolismo permite que los organismos respondan a las señales e interactúen activamente con el medio ambiente [105] . En el caso de una enzima, la regulación consiste en aumentar y disminuir su actividad en respuesta a señales. Por otro lado, la enzima ejerce cierto control sobre la ruta metabólica, que se define como el efecto de cambiar la actividad de la enzima en una ruta metabólica determinada [106] .

Hay varios niveles de regulación metabólica. En la ruta metabólica, la autorregulación ocurre a nivel del sustrato o producto; por ejemplo, una disminución en la cantidad de producto puede compensar el aumento en el flujo del sustrato de reacción a lo largo de una ruta dada [107] . Este tipo de regulación a menudo incluye la regulación alostérica de la actividad de ciertas enzimas en las vías metabólicas [108] . El control externo incluye una célula de un organismo multicelular que cambia su metabolismo en respuesta a las señales de otras células. Estas señales, generalmente en forma de mensajeros solubles como hormonas y factores de crecimiento , están determinadas por receptores específicos en la superficie celular [109] . Luego, estas señales se transmiten dentro de la célula por un sistema de segundos mensajeros , que a menudo se asocian con la fosforilación de proteínas [110] .

Un ejemplo bien estudiado de un control externo es la regulación del metabolismo de la glucosa por la insulina [111] . La insulina se produce en respuesta a un aumento en los niveles de glucosa en sangre . La hormona se une al receptor de insulina en la superficie celular, luego se activa una cascada de proteínas quinasas que aseguran la absorción de las moléculas de glucosa por las células y las convierten en moléculas de ácidos grasos y glucógeno [112] . 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 forma). Estas enzimas están interrelacionadas; la fosforilación es inhibida por la glucógeno sintasa pero activada por la fosforilasa. La insulina induce la síntesis de glucógeno al activar las proteínas fosfatasas y reduce la fosforilación de estas enzimas [113] .

Evolución

Las principales vías metabólicas descritas anteriormente, como la glucólisis y el ciclo de Krebs, están presentes en los tres dominios vivos y se encuentran en el último ancestro común universal [3] [114] . Este ancestro universal era un procariota y probablemente un metanógeno con metabolismo de aminoácidos, nucleótidos y carbohidratos [115] [116] . La persistencia de estas antiguas vías metabólicas a lo largo de la evolución puede ser el resultado de que estas respuestas sean óptimas para problemas metabólicos específicos. Así, los productos finales de la glucólisis y del ciclo de Krebs se forman con alta eficiencia y con un número mínimo de etapas [4] [5] . Las primeras rutas metabólicas basadas en enzimas pueden haber sido parte del metabolismo de los nucleótidos de purina con rutas metabólicas anteriores y formaban parte del antiguo mundo del ARN [117] .

Se han propuesto muchos modelos para describir los mecanismos por los cuales han evolucionado nuevas vías metabólicas. Estos incluyen la adición secuencial de nuevas enzimas a una ruta ancestral corta, la duplicación y luego la divergencia de todas las rutas, así como un conjunto de enzimas ya existentes y su ensamblaje en una nueva ruta de reacción [118] . La importancia relativa de estos mecanismos no está clara, sin embargo, los estudios genómicos han demostrado que las enzimas en la vía metabólica probablemente tengan un origen común, asumiendo que muchas vías han evolucionado paso a paso con nuevas funciones creadas a partir de pasos de vías preexistentes. [119] . Un modelo alternativo se basa en estudios que rastrean la evolución de la estructura de la proteína en las vías metabólicas; sugieren que las enzimas se ensamblaron para realizar funciones similares en diferentes vías metabólicas [120] . Estos procesos de ensamblaje condujeron a la evolución del mosaico enzimático [121] . Algunas partes del metabolismo pueden haber existido como "módulos" que podrían reutilizarse de diferentes maneras para realizar funciones similares [122] .

La evolución también puede conducir a la pérdida de funciones metabólicas. Por ejemplo, en algunos parásitos , los procesos metabólicos que no son esenciales para la supervivencia se pierden y se obtienen del huésped aminoácidos, nucleótidos y carbohidratos listos para usar [123] . Simplificaciones similares de las posibilidades metabólicas se observan en organismos endosimbióticos [124] .

Métodos de investigación

Clásicamente, el metabolismo se estudia con un enfoque simplificado que se centra en una sola vía metabólica. Especialmente valioso es el uso de átomos marcados a nivel de organismo, tejido y celular, que determinan las rutas desde los precursores hasta los productos finales mediante la identificación de intermediarios marcados radiactivamente [125] . Las enzimas que catalizan estas reacciones químicas pueden luego aislarse para estudiar su cinética y respuesta a los inhibidores . Un enfoque paralelo es identificar moléculas pequeñas en células o tejidos; el conjunto completo de estas moléculas se denomina metaboloma . En general, estos estudios dan una buena idea de la estructura y función de las rutas metabólicas simples, pero son insuficientes cuando se aplican a sistemas más complejos, como el metabolismo celular completo [126] .

La idea de la complejidad de las redes metabólicas en las células que contienen miles de enzimas diferentes se captura en la imagen de la derecha, que muestra interacciones entre solo 43 proteínas y 40 metabolitos, que están regulados por 45 000 genes [127] . Sin embargo, ahora es posible utilizar esos datos del genoma para recrear la red completa de reacciones bioquímicas y generar modelos matemáticos más coherentes que puedan explicar y predecir su comportamiento [128] . Estos modelos son particularmente potentes cuando se utilizan para integrar datos de rutas y metabolitos derivados de forma clásica con datos de expresión génica de estudios proteómicos y de micromatrices de ADN [129] . Utilizando estos métodos, actualmente se está creando un modelo de metabolismo humano que servirá como guía para futuros estudios bioquímicos y de fármacos [130] . Estos modelos se utilizan actualmente en análisis de redes para clasificar enfermedades humanas en grupos que difieren en proteínas o metabolitos comunes [131] [132] .

Un ejemplo sorprendente de redes metabólicas bacterianas es el dispositivo de pajarita [133] [134] [135] , cuya estructura permite la introducción de una amplia gama de nutrientes y la producción de una amplia variedad de productos y macromoléculas complejas utilizando relativamente pocos recursos comunes. intermedios.

La principal base tecnológica de esta información es la ingeniería metabólica . Aquí, organismos como levaduras , plantas o bacterias se modifican genéticamente para hacerlos más eficientes en biotecnología y ayudar en la producción de medicamentos como antibióticos o productos químicos industriales como 1,3-propanodiol y ácido shikímico [136] . Estas modificaciones genéticas generalmente tienen como objetivo reducir la cantidad de energía utilizada para producir productos, aumentar los rendimientos y reducir los desechos de producción [137] .

Historia

El término "metabolismo" fue introducido por primera vez en biología por Theodor Schwann en la década de 1840, pero no se usó mucho. El término se estableció en fisiología y penetró en la mayoría de los idiomas con la publicación y traducción del manual de fisiología de Foster en la década de 1870 [138] .

La historia del estudio del metabolismo abarca varios siglos. La investigación comenzó con el estudio de organismos animales, en la bioquímica moderna, se estudian las reacciones metabólicas individuales. El concepto de metabolismo aparece por primera vez en los trabajos de Ibn al-Nafis (1213-1288), quien escribió que "el cuerpo y sus partes están en un estado constante de descomposición y nutrición, por lo que inevitablemente sufre cambios constantes" [139] . Los primeros experimentos controlados sobre el metabolismo humano fueron publicados por Santorio Santorio en 1614 en el libro Ital.  Ars de statica medicina [140] . Describió cómo se pesaba antes y después de comer, dormir , trabajar, tener relaciones sexuales, ayunar, beber y orinar. Descubrió que la mayor parte de los alimentos que ingirió se perdieron en un proceso llamado "evaporación imperceptible".

En los primeros estudios no se descubrieron los mecanismos de las reacciones metabólicas y se creía que el tejido vivo está controlado por la fuerza viva [141] . En el siglo XIX , al estudiar la fermentación del alcohol de azúcar por la levadura , Louis Pasteur concluyó que la fermentación estaba catalizada por sustancias de las células de levadura, a las que llamó enzimas. Pasteur escribió que "la fermentación alcohólica, una acción asociada con la vida y organizada por las células de levadura, no está asociada con la muerte o descomposición de las células" [142] . Este descubrimiento, junto con la publicación de Friedrich Wöhler en 1828 sobre la síntesis química de la urea [143] , demostró que los compuestos orgánicos y las reacciones químicas que se encuentran en las células no difieren en principio, como cualquier otra rama de la química.

El descubrimiento de las enzimas a principios del siglo XX por Eduard Buchner separó el estudio de las reacciones metabólicas del estudio de las células y dio lugar al desarrollo de la bioquímica como ciencia [144] . Uno de los bioquímicos exitosos de principios del siglo XX fue Hans Adolf Krebs , quien hizo una gran contribución al estudio del metabolismo [145] . Krebs describió el ciclo de la urea y más tarde, trabajando con Hans Kornberg , el ciclo del ácido cítrico y el ciclo del glioxilato [68] [146] . En la investigación bioquímica moderna, se utilizan ampliamente nuevos métodos, como la cromatografía , el análisis de difracción de rayos X , la espectroscopia de RMN , la microscopía electrónica y el método de la dinámica molecular clásica . Estos métodos permiten el descubrimiento y estudio detallado de muchas moléculas y vías metabólicas en las células.

Véase también

• ley de klaiber
• Radiosíntesis
• Espen

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Metabolismo , catabolismo , anabolismo
General	camino metabólico red metabólica Principales grupos de nutrientes
intercambio de energía	Respiración aeróbica Glucólisis → Descarboxilación del piruvato → Ciclo del ácido cítrico → Fosforilación oxidativa ( Cadena de transporte de electrones + ATP sintasa ) Respiración anaerobica Aceptores de electrones distintos del oxígeno Fermentación Glucólisis → Fosforilación de sustrato ABE etanol Ácido láctico
Caminos de Concreto	Metabolismo de proteínas síntesis de proteínas catabolismo Metabolismo de los carbohidratos ( catabolismo y anabolismo ) Humano Glucólisis ⇄ Gluconeogénesis Glucogenólisis ⇄ Glucogénesis Vía pentosa fosfato Fructolisis galactolisis glicosilación ligado a N O-vinculado Inhumano Fotosíntesis fotosíntesis anoxigénica quimiosíntesis Fijacion de carbon metabolismo de la xilosa radiotrofismo Metabolismo de los lípidos ( lipólisis , lipogénesis ) Metabolismo de ácidos grasos Degradación de ácidos grasos ( beta-oxidación ) Biosíntesis de ácidos grasos Descansar Metabolismo de esteroides Metabolismo de los esfingolípidos Metabolismo de los eicosanoides Cetosis transporte inverso de colesterol Aminoácidos Síntesis de aminoácidos ciclo de la urea Metabolismo de nucleótidos Intercambio de purinas Utilización de nucleótidos Metabolismo de la pirimidina Descansar Metabolismo de metales metabolismo del hierro metabolismo del etanol