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Metabolismo

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Estructura del trifosfato de adenosina, un intermediario céntrico en el metabolismo energético.

Metabolismo (del griego metabolismos, μεταβολισμός, que significa "cambio", cambio[1]) es el conjunto de transformaciones que las substancias químicas sufren en el interior de los organismos vivos. El término "metabolismo celular" es usado en referencia al conjunto de todas las reacciones químicas que ocurren en las células. Estas reacciones son responsables por los procesos de síntesis y degradación de los nutrientes en la célula y constituyen la base de la vida, permitiendo el crecimiento y reproducción de las células, manteniendo sus estructuras y adequando respuestas a sus ambientes.

Las reacciones químicas del metabolismo están organizadas en vías metabólicas, que son secuencias de reacciones en que el producto de una reacción es utilizado como reagente en la reacción siguiente. Diferentes enzimas catalisam diferentes pasos de vías metabólicas, actuando de forma concentrada de modo a no interrumpir el flujo en esas vías. Las enzimas son vitales para el metabolismo porque permiten la realización de reacciones deseables pero termodinamicamente desfavorables, al acoplarlas la reacciones más favorables. Las enzimas regulan las vías metabólicas en respuesta la cambios en el ambiente celular o a señales de otras células.

El metabolismo es normalmente dividido en dos grupos: anabolismo y catabolismo . Reacciones anabólicas, o reacciones de síntesis, son reacciones químicas que producen nueva materia orgánica en los seres vivos. Se sintetizan nuevos compuestos (moléculas más complejas) a partir de moléculas simples (con consumo de ATP ). Reacciones catabólicas, o reacciones de decomposição/degradación, son reacciones químicas que producen grandes cantidades de energía libre (bajo la forma de ATP ) a partir de la decomposição o degradación de moléculas más complejas (materia orgánica). Cuando el catabolismo supera en actividad el anabolismo, el organismo pierde peso, lo que acontece en periodos de jejum o enfermedad ; pero si el anabolismo superar el catabolismo, el organismo crece o gana peso. Si ambos procesos están en equilibrio, el organismo se encuentra en equilibrio dinámico u homeostase .

El metabolismo es fundamentalmente estudiado por la Bioquímica , usando muchas veces también técnicas conectadas a la Biología Molecular y a la Genética.

Tabla de contenido

Características generales

El metabolismo de un organismo determina cuáles substancias son nutricionales y cuáles son tóxicas. Por ejemplo, algunos procariontes utilizan ácido sulfídrico como nutriente; este gas es sin embargo venenoso para animales.[2] La velocidad a que se procesa el metabolismo, determinada por la tasa metabólica, también influéncia la cantidad de alimento requerida por un organismo.

Una característica del metabolismo es la semejanza de vías metabólicas básicas entre especies muy diferentes. Por ejemplo, el conjunto de intermediarios reacionais encontrados en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos es encontrado de forma universal, en células tan diferentes como la bacteria Escherichia coli o el elefante.[3] Esta estructura metabólica semejante está probablemente asociada a la gran eficiencia de esas vías y en su antiguidade en la historia de la evolución.[4][5]

Historia

Santorio Santorio sentado en su silla-balancea. De Ars de statica medecina, publicado por primera vez en 1614.

La historia del estudio científico del metabolismo se extiende por cuatro siglos, habiendo evolucionado de la observación de organismos animales enteros hasta al estudio de reacciones metabólicas individuales en la Bioquímica moderna. Las primeras experiencias conducidas de forma controlada fueron publicadas por Santorio Santorio en 1614 en su libro Ars de statica medecina..[6] En este, Santorio describió como determinó su propio peso antes y tras comer, beber, dormir, trabajar, tener relaciones sexuales, jejuar y excretar . Él descubrió que la mayor parte de la comida ingerida era perdida en el que él denominó de "perspiração insensível".

En estos estudios precoces, los mecanismos de estos procesos metabólicos no eran conocidos; se pensaba que el tejido vivo era animado por una "fuerza vital".[7]

El siglo XIX, mientras estudiaba la fermentação del azúcar a alcohol por leveduras, Louis Pasteur concluyó que la fermentação era catalisada por substancias dentro de las células de levedura, a que él llamó de "levaduras". Pasteur escribió que "la fermentação alcoólica es un acto correlacionado con la vida y organización de las células de levedura, no con la muerte o putrefacção de las células." [8] Este descubrimiento, a par con la publicación de la síntesis química de la ureia por Friedrich Wöhler en 1828,[9] probó que los compuestos orgánicos y las reacciones químicas existentes en las células partilham el mismo principio que otra área de la Química.

El descubrimiento de las enzimas en el inicio del siglo XX, por Eduard Buchner, separó el estudio de las reacciones químicas del metabolismo del estudio biológico de las células, marcando el inicio de la Bioquímica como ciencia independiente.[10] La cantidad de conocimiento bioquímico creció rápidamente durante el inicio del siglo XX. Uno de los bioquímicos más prolíficos de esa época fue Hans Krebs, que hizo diversas contribuciones en el estudio del metabolismo.[11] Él descubrió el ciclo de la ureia y, más tarde, junto con Hans Kornberg, el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (también conocido por esta razón como ciclo de Krebs) y el ciclo del glioxilato.[12][13]

La investigación bioquímica moderna ha sido ayudada con la invención y desarrollo de diversas técnicas, como la cromatografia, la difracção de rayos X, la espectroscopia de resonancia magnética nuclear, la marcación isotópica, la microscopia electrónica y simulaciones de dinámica molecular. Estas técnicas permitieron el descubrimiento y análisis detallado de diversas moléculas y vías metabólicas en las células.

Substancias bioquímicas relevantes

Ver artículos principales: proteína, glícido, lípido, ácido nucleico, enzima.
Estructura de un triacilglicerol.

La mayoría de las estructuras que componen los seres vivos es fabricada a partir de tres clases básicas de moléculas: aminoácidos, glícidos y lípidos . Como estas moléculas son vitales, el metabolismo se concentra en el fabrico de estas, en la construcción de células y tejidos o en su degradación para uso como fuente de energía . Muchos compuestos bioquímicos pueden ser condensados formando polímeros, como el ADN y las proteínas. Estas macromoléculas son parte esencial de todos los organismos vivos.

Algunos de los polímeros más comunes están listados abajo:

Tipo de molécula Nombre de la forma monomérica Nombre de la forma polimérica Ejemplos de formas poliméricas
Aminoácidos Aminoácidos Proteínas (o polipéptidos ) Proteínas fibrilares y proteínas globulares
Glícidos Monossacarídeos Polissacarídeos Amido, glicogénio y celulose.
Ácidos nucleicos Nucleótidos Polinucleótidos ADN y ARN.

Aminoácidos y proteínas

Las proteínas son compuestas por aminoácidos dispuestos en una cadena lineal y conectados entre sí por conexiones peptídicas. Muchas proteínas son las enzimas que catalisam las reacciones químicas en el metabolismo. Otras proteínas tienen funciones estructurales o mecánicas, como el sistema de armação celular usado para mantener la forma de la célula, el citoesqueleto.[14]

Las proteínas desempeñan también papeles importantes en la sinalização celular, respuesta imunitária, adhesión celular, transporte activo a través de membranas y en el ciclo celular.[15]

Lípidos

Los lípidos son el grupo más diversificado de compuestos bioquímicos. Constituyen gran parte de las membranas biológicas, tales como la membrana celular; además de esta función estructural, también sirven como fuente de energía.[15] Los lípidos son normalmente definidos como moléculas biológicas hidrofóbicas o anfipáticas solúveis en solventes orgánicos como el benzeno o el clorofórmio.[16]

Las grasas son un grupo ensanchado de compuestos que incluye los ácidos gordos y el glicerol; una molécula de glicerol conectada a tres ácidos gordos por una conexión éster es un triacilglicerol.[17] Existen diversas variaciones de esta estructura básica, incluyendo la presencia de esfingosina en esfingolípidos y grupos hidrofílicos como el fosfato en los fosfolípidos.

Los esteróides, como el colesterol, son otro grupo significativo de lípidos sintetizados en células.[18]

Glícidos

Los glícidos son aldeídos o cetonas conteniendo diversos grupos funcionales hidroxilo. Los glícidos simples pueden existir en una forma lineal o en una forma cíclica. Son las moléculas biológicas más abundantes y poseen funciones muy diversificadas, como el almacenamiento y transporte de energía (bajo la forma de amido y glicogénio ) y construcción de elementos estructurales (como la celulose en plantas y la quitina en animales).[15]

Archivo:Glucose-Fisher-te lo-Haworth.png
Estructura de la glicose convertida de la proyección de Fisher (lineal) para a de Haworth (cíclica).

Los glícidos más simples son los monossacarídeos, que incluyen la galactose , la frutose y la glicose . Los monossacarídeos pueden formar polímeros designados polissacarídeos de formas muy diversas.[19]

Ácidos nucleicos

Los polímeros ADN y ARN son largas cadenas de nucleótidos. Estas macromoléculas son esenciales en el almacenamiento y uso de la información genética, a través de los procesos de transcripción y síntesis proteica.[15] Esta información es protegida por mecanismos de reparação del ADN y propagada a través de la replicación del ADN. Algunos virus tienen un genoma constituido por ARN (por ejemplo, el VIH), que usan transcripción reversa para sintetizar ADN a partir de ese ARN.[20]

El ARN de ribozimas (como el spliceossoma) presenta actividad enzimática tal como las enzimas proteicas, pues puede catalisar reacciones químicas.

Los nucleósidos son sintetizados a partir de la conexión de una base azotada a una ribose. Estas bases son anillos heterocíclicos conteniendo azoto, clasificados como purinas o pirimidinas . Los nucleótidos también actúan como coenzimas en reacciones de transferencia de grupos químicos.[21]

Coenzimas

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Estructura de la coenzima acetil-CoA. El grupo acetilo se encuentra conectado al átomo de enxofre , en la extremidad izquierda.

El metabolismo envuelve un vasto conjunto de reacciones químicas, pero la mayoría cae dentro de algunos tipos básicos de transferencias de grupos funcionales.[22] Esta química común permite a la células usen un conjunto relativamente pequeño de intermediarios metabólicos en el transporte de grupos químicos de una reacción para la siguiente.[21] Estos intermediarios de transferencia de grupos son las coenzimas. Cada clase de reacción de transferencia de grupos corresponde a una determinada coenzima, sirviendo de substrato para un conjunto de enzimas que la produce y que a consume. Así, las coenzimas son continuamente producidas, consumidas y entonces recicladas.[23]

La coenzima más céntrica es el trifosfato de adenosina (ATP), la moneda de cambio energético universal de las células. Este nucleótido es utilizado para transferir energía química entre diferentes reacciones químicas. Existe una pequeña cantidad de ATP permanentemente presente en las células, pero como es constantemente regenerado, el cuerpo humano es capaz de utilizar su peso en ATP por día.[23] El ATP actúa como un puente entre catabolismo y anabolismo , teniendo a s reacciones catabólicas como productoras de ATP y las anabólicas como consumidoras. También sirve como un transportista de grupos fosfato en reacciones de fosforilação .

Las vitaminas son compuestos orgánicos necesarios en pequeñas cantidades y que no pueden ser sintetizados por las células. En la nutrição humana, la mayoría de las vitaminas funciona como coenzimas después de sufrir una modificación química; por ejemplo, todas las vitaminas hidrossolúveis son fosforiladas o acopladas a nucleótidos aquando de su utilización intracelular.[24] El dinucleótido de nicotinamida-adenina (NADH), un derivado de la vitamina B3 (niacina), es una coenzima importante que actúa como aceitador de hidrogénio . Centenares de diferentes tipos de desidrogenases retiran electrões de sus substratos y reducen NAD+ la NADH. Esta forma reducida de la coenzima es entonces substrato para redutases celulares que necesiten de reducir sus substratos respectivos.[25] El dinucleótido de nicotinamida-adenina existe también bajo una forma fosfatada, NADPH. El par redox NAD+/NADH es más importante en reacciones catabólicas, mientras que el par NADP+/NADPH es usado en reacciones anabólicas.

Minerais y cofactores

Estructura de la hemoglobina (PDB 1GZX). Las subunidades de la proteínas se encuentran coloreadas a rojo y azul, encontrándose los grupos hemo la verde.

Cerca de 99% de la masa de mamíferos es constituida por los elementos carbono, azoto, hidrogénio, oxígeno, cálcio, magnesio, sódio, potássio, cloro y enxofre .[26] De estos, son considerados "inorgânicos" los metales, el enxofre y el cloro. Mientras que algunos de los elementos inorgânicos son abundantes en sistemas vivos (como el sódio y el potássio), otros se encuentran en cantidades vestigiais. Los compuestos orgánicos (proteínas, lípidos, glícidos) contienen la mayoría del carbono y azoto; la mayoría del oxígeno e hidrogénio se encuentra bajo la forma de agua .[26]

Los elementos inorgânicos más abundantes actúan como electrólitos. Los iões más importantes son el sódio, potássio, cálcio, magnesio, cloreto, fosfato y el ião orgánico bicarbonato. La existencia de gradientes iónicos a través de membranas celulares mantiene la presión osmótica y el pH.[27] Los iões son también vitales para nervios y músculos , pues los potenciales de acción usados en estos tejidos son producidos a través del cambio de electrólitos entre el fluido extracelular y el citoplasma.[28] Los electrólitos entran y salen de las células a través de proteínas transmembranares denominadas canales iónicos. Por ejemplo, la contracción muscular depende del movimiento de cálcio, sódio y potássio a través de canales iónicos en la membrana celular y túbulos-T.[29]

Los metales de transición son normalmente elementos vestigiais en organismos, siendo el zinc y el hierro los más abundantes.[30][31] Estos metales son usados por algunas proteínas como cofactores y son esenciales para la actividad de metaloenzimas como la catalase y proteínas de transporte de dioxigénio como la hemoglobina.[32] Tales metales actúan como cofactores quiere estando conectados directamente a la cadena polipeptídica, quiere estén integrados en moléculas orgánicas complejas que por su parte se encuentran conectadas a la cadena polipeptídica. Los cofactores sufren modificaciones durante la catálise enzimática pero vuelven siempre a su estado inicial en el fin de un ciclo catalítico. Los metales de transición son absorbidos por los organismos usando transportistas específicos y se conectan la proteínas de almacenamiento como la ferritina y la metalotioneína cuando no es necesaria su disponibilidad para intervenir en el metabolismo.[33][34]

Catabolismo

Ver artículos principales: catabolismo, digestão, fosforilação oxidativa.

El catabolismo es el conjunto de las reacciones metabólicas que liberan energía. Tales reacciones incluyen la degradación y oxidação de moléculas encontradas en alimentos, así como reacciones que captan la energía luminosa de la luz solar. Las reacciones catabólicas providenciam energía y componentes necesarios a la reacciones anabólicas. La naturaleza exacta de estas reacciones catabólicas difiere de organismo para organismo: organismos organotróficos usan moléculas orgánicas como fuente de energía, mientras litotróficos usan substratos inorgânicos y fototróficos captan energía solar, transformándola en energía química.

Todas estas diferentes formas de metabolismo dependen de reacciones redox que envuelven la transferencia de electrões de moléculas donantes reducidas, como moléculas orgánicas, agua, amoníaco, ácido sulfídrico ous iões ferrosos (Fe2+), para moléculas aceitadoras, como el dioxigénio (Lo2), el nitrato (EN El3−) o el sulfato (SO42-).[35] En animales, estas reacciones envuelven la degradación de moléculas orgánicas complejas la moléculas más simples, como dióxido de carbono (CO2) y agua (H2Lo). En organismos fotossintéticos, como las plantas y cianobactérias , estas reacciones de transferencia electrónica no liberan energía, siendo antes utilizadas como forma de almacenar energía absorbida de la luz solar.[36]

El conjunto de reacciones catabólicas más común en animales puede ser separado en tres etapas diferentes. En la primera etapa, moléculas orgánicas complejas como las proteínas, polissacarídeos o lípidos son degradados en sus componentes fuera de las células. En la etapa siguiente, estas moléculas de más pequeño tamaño son importadas por las células y convertidas la moléculas más pequeñas, normalmente el acetil-CoA, en un proceso que libera energía. En la última etapa, el grupo acetilo del acetil-CoA es oxidado el agua y dióxido de carbono, liberando energía que es almacenada a través de la reducción de la coenzima dinucleótido de nicotinamida-adenina, NAD+, la NADH.

Archivo:EsquemaCatabolismo.svg
Un esquema simplificado del catabolismo de proteínas , polissacarídeos y lípidos .

Digestão

Macromoléculas como el amido o las proteínas no pueden ser rápidamente asimilados por las células, teniendo que ser degradados en sus componentes de menor tamaño antes de poder ser utilizados en el metabolismo celular. La digestão de estos polímeros es hecha por diversas clases de enzimas . Estas enzimas digestivas incluyen las proteases, que digerem proteínas la aminoácidos, y glicosídeo hidrolases, que digerem polissacarídeos la monossacarídeos.

Los microorganismos excretam enzimas digestivas para el ambiente a su redor,[37][38] mientras que los animales segregam estas enzimas en células especializadas del sistema digestivo.[39] Los aminoácidos o azúcares liberados por estas enzimas extracelulares son entonces asimiladas por las células a través de proteínas específicas usando transporte activo.[40][41]

Energía de compuestos orgánicos

El catabolismo de glícidos consiste en la degradación de glícidos complejos en unidades de más pequeño tamaño. Los glícidos son normalmente asimilados por las células después de su digestão la monossacarídeos.[42] Después de entrada en la célula, la principal vía de degradación es la glicólise , en que azúcares como la glucose y la frutose son convertidos la piruvato , con la concominante formación de ATP .[43] El piruvato es un intermediáro de diversas vías metabólicas, pero la mayoría es convertida a acetil-CoA, que entra en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (ciclo de Krebs). Aunque haya más alguna formación de ATP en este ciclo, el producto principal de este es el NADH, resultante de la reducción del NAD+ cuando el acetil-CoA es oxidado. Esta oxidação libera dióxido de carbono. Una vía alternativa de degradación de la glicose es la Vía de las pentoses-fosfato, que reduce la coenzima NADPH y produce pentoses como la ribose, el azúcar componente de los ácidos nucleicos.

Las grasas son catabolizadas por hidrólise la ácidos gordos libres y glicerol . El glicerol entra en la glicólise y los ácidos gordos son degradados por beta-oxidação a acetil-CoA, que entra entonces en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Debido a su gran proporción de grupos metileno y por el hecho de los glícidos posean más oxígeno en sus estructuras químicas, los ácidos gordos liberan más energía que los glícidos cuando oxidados.

Los aminoácidos son utilizados en la síntesis de proteínas y otras biomoléculas, u oxidados la ureia y dióxido de carbono para obtención de energía.[44] La vía de oxidação comienza con la remoção del grupo amina por una transaminase, dejando un esqueleto de carbono bajo la forma de un cetoácido; el grupo amina es entonces metabolizado en el ciclo de la ureia. Varios cetoácidos obtenidos a través de la desaminação de aminoácidos son también intermediarios en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos: por ejemplo, la desaminação del glutamato forma α-cetoglutarato.[45] Los aminoácidos glucogénicos también pueden ser convertidos la glicose, a través de la gluconeogénese.[46]

Fosforilação oxidativa

Archivo:Atp synthase pt.png
Estructura de la ATP sintase. El canal de protões se encuentra la azul y la subunidade con actividad de sintase a rojo.

En la fosforilação oxidativa, los electrões obtenidos en la oxidação de moléculas en vías metabólicas como el ciclo de los ácidos tricarboxílicos son transferidos para el dioxigénio, y la energía liberada es usada en la síntesis de ATP. En eucariontes, este proceso es llevado a cabo por una serie de proteínas, la cadena de transporte electrónico, en las membranas mitocondriais. En procariontes, estas proteínas se encuentran en la membrana celular interna.[47] Estas proteínas utilizan la energía obtenida de la oxidação de NADH para bombear protões a través de la membrana.[48]

El transporte de protões para el exterior de la mitocôndria crea una diferencia de concentración de protões entre los dos compartimientos, generando un gradiente electroquímico.[49] La presencia de este gradiente fuerza los protões a regresar al interior de la mitocôndria a través de la ATP sintase. El flujo de protões provoca la rotación de la subunidade inferior, causando la fosforilação de difosfato de adenosina (ADP) la trifosfato de adenosina (ATP).[23]

Energía de compuestos inorgânicos

La quimiolitotrofia es un tipo de metabolismo encontrado en procariontes, en que la energía es obtenida a partir de la oxidação de compuestos inorgânicos. Estos organismos pueden usar hidrogénio,[50] compuestos reducidos de enxofre (como sulfuretos, ácido sulfídrico y tiossulfato ),[2] óxidos de hierro (II),[51] o amoníaco [52] como fuentes de agentes reductores, ganando energía a partir de la oxidação de estos compuestos con aceitadores de electrões como el oxígeno o el nitrito.[53] Estos procesos microbiológicos son importantes en ciclos biogeoquímicos como la acetogénese, la nitrificação y la desnitrificação y son de peso crítica para la fertilidade del suelo.[54][55]

Energía luminosa

La energía de la luz solar es captada por plantas, cianobactérias, algunos tipos de bacterias y de protistas . Este proceso está frecuentemente acoplado a la fijación de dióxido de carbono en compuestos orgánicos, un proceso integrante de la fotossíntese. Los sistemas de captura de energía y de fijación de carbono pueden trabajar separadamente en procariontes, como acontece con las bacterias púrpura y las bacterias verdes sulfurosas, que usan la luz solar como fuente de energía pero alternan su metabolismo entre la fijación de carbono y la fermentação de compuestos orgánicos.[56][57]

La captação de energía solar es un proceso semejante a la fosforilação oxidativa al punto en que ambos procesos envuelven el almacenamiento de energía bajo la forma de un gradiente de protões y esta fuerza motriz protónica lleva a la síntesis de ATP.[23] En el caso de la fotossíntese, los electrões necesarios para el funcionamiento de la cadena de transporte electrónico provêm de proteínas colectoras de luz denominadas centros reaccionais fotossintéticos. Estas estructuras se dividen en dos tipos dependiendo del pigmento fotossintético presente; la mayoría de las bacteria fotossintéticas posee sólo un tipo de centro, mientras las plantas y las cianobactérias poseen dos.[58]

En plantas, el fotossistema II usa energía luminosa para remover electrões del agua, liberando oxígeno en el proceso. los electrões fluyen entonces para el complejo del citocromo b6f, que usa su energía para bombear protões a través de las membranas de los tilacóides en los cloroplastos.[15] Estos protões regresan al interior de los tilacóides a través de la ATP sintase, en un proceso semejante al descrito en las mitocôndrias. Estos electrões pueden entonces fluir para el fotossistema I y pueden ser utilizados en la reducción de NADP+, en el ciclo de Calvin o reciclados para generar aún más ATP.[59]

Anabolismo

Ver artículos principales: anabolismo, fotossíntese, gluconeogénese.

El anabolismo es el conjunto de reacciones metabólicas de síntesis en que la energía liberada por el catabolismo es utilizada para construir moléculas complejas. En general, las moléculas complejas que constituyen estructuras celulares son construidas paso a paso a partir de precursores más simple. El anabolismo se divide en tres etapas fundamentales: primero, la síntesis de precursores como aminoácidos, monossacarídeos, isoprenóides y nucleótidos , después su activación la formas reactivas usando energía provinda del ATP y finalmente la construcción de moléculas complejas, tales como proteínas, polissacarídeos, lípidos y ácidos nucleicos, a partir de estos precursores activados.

Los organismos difieren entre sí en la cantidad de diferentes moléculas que consiguen sintetizar. Los seres autotróficos, como las plantas, pueden construir moléculas complejas (polissacarídeos y proteínas) a partir de moléculas muy simples como el dióxido de carbono y el agua. Los seres heterotróficos necesitan de fuentes alimentes para providenciar monossacarídeos y aminoácidos, para producir macromoléculas. Los organismos pueden aún ser clasificados según la fuente primaria de su energía: fotoautotróficos y foto-heterotróficos obtiene energía a partir de la luz solar, mientras que organismos quimioautotróficos y quimio-heterotróficos obtienen energía a partir de reacciones de oxidação.

Fijación de carbono

Células vegetais apresentando cloroplastos (a verde), que são os organelos em que ocorre a fotossíntese. La fotossíntese es el proceso en que ocurre síntesis de glicose a partir de la luz solar, dióxido de carbono y agua, habiendo producción concomitante de oxígeno. Este proceso utiliza ATP y NADPH producido por los centros reaccionais fotossintéticos para convertir CO2 en glicerol-3-fosfato, que puede ser entonces convertido la glicose. Esta reacción de fijación de carbono es catalisada por la enzima RuBisCO y es parte integrante del ciclo de Calvin.[60] Ocurren tres tipos de fotossíntese en plantas: fijación de carbono en plantas C3, fijación de carbono en plantas C4 y fotossíntese CAM. Estos tipos de fotossíntese difieren en la vía que el CO2 toma hasta al ciclo de Calvin: las plantas C3 fijan el CO2 directamente, mientras que las C4 y CAM lo incorporan noutros compuestos de forma a adaptar la condiciones de alta luminosidad y dessecação.[61] Algas y plantas aquáticas usan organelas llamadas pirenóides.

Los mecanismos de fijación de carbono en procariontes fotossintéticos son más diversificados. El CO2 puede ser fijado a través del ciclo de Calvin, de un ciclo de los ácidos tricarboxílicos inverso[62] o a través de la carboxilação del acetil-CoA.[63][64] Procariontes quimioautotróficos también utilizan el ciclo de Calvin para la fijación de carbono pero la energía usada en las reacciones provém de compuestos inorgânicos.[65]

Glícidos

En el anabolismo de glícidos , ácidos orgánicos simples pueden ser convertidos la monossacarídeos como la glicose, siendo entonces usados para sintetizar polissacarídeos como el amido. La producción de glicose a partir de compuestos como el piruvato, el lactato, el glicerol, el glicerol-3-fosfato y aminoácidos es designada gluconeogénese. En la gluconeogénese, el piruvato es convertido a glicose-6-fosfato usando diversos intermediarios, muchos de ellos comunes a la glicólise.[43] Sin embargo, esta vía no se resume a una inversão de la glicólise, pues diversos pasos son catalisados por enzimas no-glicolíticas. Este es un aspecto importante pues permite la regulación separada de la formación y de la degradación de la glicose, evitando que ambas veías funcionen en simultáneo en un ciclo fútil.[66][67]

Aunque la grasa sea un modo común de almacenamiento de energía, en vertebrados, como los humanos, los ácidos gordos no pueden ser convertidos la glicose a través de la gluconeogénese, pues estos organismos son incapaces de transformar acetil-CoA en piruvato.[68] Por esa razón, después de un largo jejum los vertebrados necesitan de producir cuerpos cetónicos a partir de ácidos gordos para sustituir la glicose en falta en tejidos y órganos que no consiguen metabolizar ácidos gordos, como el cerebro.[69] Noutros organismos, como plantas y bacterias, este problema metabólico es ultrapasado utilizando el ciclo del glioxilato, que evita el paso de descarboxilação en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos y permite la transformación de acetil-CoA la oxaloacetato , que puede ser entonces utilizado en la producción de glicose.[13][68]

Los polissacarídeos y los glicanos son sintetizados a través de la adición secuencial de monossacarídeos, catalisada por glicosiltransferases, de un donante de azúcar fosforilado como el difosfato de uridina-glicose (UDP-glicose) para un grupo hidroxilo aceitador en el polissacarídeo nascente. Como cualquier uno de los grupos hidroxilo de la estructura del substrato pueden ser aceitadores, los polissacarídeos pueden tener estructuras lineales o ramificadas.[70]

Los polissacarídeos pueden desempeñar funciones estructurales o metabólicas, pudiendo también ser transferidos para lípidos y proteínas por las enzimas oligossacariltransferases.[71][72]

Ácidos gordos, isoprenóides y esteróides

Archivo:Sterol synthesis pt.svg
Esquema simplificado de la vía de síntesis de esteróides, mostrando los intermediarios metabólicos pirofosfato de isopentenilo (IPP), pirofosfato de dimetilalilo (DMAPP), pirofosfato de geranilo (GPP) y esqualeno. Otros intermediarios fueron omitidos para mayor claridad.

Los ácidos gordos son sintetizados por las sintases de ácido gordo, que polimerizam y reducen unidades de acetil-CoA. Las cadenas acilo de los ácidos gordos son aumentadas a través de un ciclo de reacciones que añaden el grupo acilo, lo reducen a la forma alcohol, desidratam este a un grupo alceno, siendo este finalmente reducido a un grupo alcano. Las enzimas envueltas en la biossíntese de ácidos gordos se encuentran hendidas en dos grupos: en animales y fungos todas estas reacciones son catalisadas por una proteína multifuncional (tipo I),[73] mientras que en plantas y bacterias diferentes enzimas catalisam las diversas reacciones (tipo II).[74][75]

Los terpenos y los isoprenóides son una clase de lípidos, incluyendo los carotenóides, siendo la mayor clase de productos naturales vegetais.[76] Estos compuestos son sintetizados a través del montaje y modificación de unidades de isopreno donadas por las moléculas precursoras pirofosfato de isopentenilo y pirofosfato de dimetilalilo.[77] Estos precursores pueden ser obtenidos de diferentes formas. En animales y arqueas , la vía del mevalonato produce estos compuestos a partir del acetil-CoA,[78] mientras que plantas y bacterias existe una vía alternativa ( del no-mevalonato) que utiliza piruvato y 3-fosfato de gliceraldeído como substratos.[77][79]

Una reacción importante que utiliza estos donantes de isopreno es la síntesis de esteróides . En esta, las unidades de isopreno son unidas formando esqualeno; este es entonces convertido la lanosterol .[80] El lanosterol puede ser entonces convertido a otros esteróides, como el colesterol y el ergosterol.[80][81]

Proteínas

Diferentes organismos poseen diferentes capacidades de sintetizar los veinte aminoácidos más comunes. La mayoría de las bacterias y plantas consiguen sintetizar todos los veinte aminoácidos; los mamíferos consiguen sintetizar sólo diez, denominados no-esenciales por esta razón.[15] Así, los aminoácidos esenciales tienen que ser obtenidos a través de la alimentación. Todos los aminoácidos son sintetizados a partir de intermediarios de la glicólise, del ciclo de los ácidos tricarboxílicos o de la vía de las pentoses-fosfato; el azoto no existente en estos intermediarios es suministrado por el glutamato o por la glutamina . La síntesis de los aminoácidos depende de la formación del alfa-cetoácido pertinente, que sufre entonces transaminação para formar un aminoácido.[82]

Los aminoácidos son utilizados en la síntesis de proteínas, al sean conectados entre sí por conexiones peptídicas en una cadena lineal. Los aminoácidos pueden ser conectados en un número de combinaciones casi infinito, haciendo con que cada proteína haya una secuencia única de aminoácidos, denominada estructura primaria. Las proteínas son sintetizadas a partir de aminoácidos activados a través de una conexión éster a una molécula de ARN de transferencia (ARNt o tRNA). Estos aminoácidos activados, los aminoacil-tRNA, son sintetizados por la aminoacil-tRNA sintetase, en una reacción dependiente de la presencia de ATP.[83] Los ribossomas actúan entonces en el aminoacil-tRNA, agregándolo a la cadena polipeptídica nascente, según la información dada por el ARN mensajero.[84]

Síntesis de nucleótidos

Los nucleótidos son sintetizados a partir de aminoácidos, dióxido de carbono y ácido fórmico en vías metabólicas que requieren grandes cantidades de energía.[85] Las purinas son sintetizadas a partir de nucleósidos (bases conectadas a la ribose). Tanto la adenina como la guanina son sintetizadas a partir del precursor monofosfato de inosina , que por su parte es sintetizado usando átomos provenientes de los aminoácidos glicina, glutamina y aspartato , así como de formato transferido por la coenzima tetra-hidrofolato. Las pirimidinas son sintetizadas a partir de la base orotato, formada a partir de la glutamina y del aspartato.[86]

Metabolismo redox y de xenobióticos

Todos los organismos son constantemente expuestos a compuestos que no pueden ser utilizados en el metabolismo normal y que son potencialmente tóxicos se se acumulen en las células. Tales compuestos son designados xenobióticos.[87] Los xenobióticos, incluyendo substancias como drogas sintéticas, venenos y antibióticos , son desintoxicados usando un conjunto de enzimas específicas. En humanos, estas enzimas incluyen las citocromo P450 oxidases,[88] las UDP-glucuronosiltransferases[89] y las glutationo-S-transferases.[90]

Este sistema de enzimas actúa en tres fases. En la fase I, el xenobiótico es oxidado; en la fase II, existe conjugación de grupos hidrofílicos en el xenobiótico oxidado, de modo a hacerlo más hidrossolúvel; en la fase III, el xenobiótico modificado es expulso de las células, pudiendo sufrir más algún metabolismo en organismos multicelulares antes de su excreção. Estas reacciones son bastante importantes en términos ecológicos, expresamente en la biodegradação microbiana de agentes poluentes y biorremediação de tierras contaminadas y derrames de combustibles .[91]

Muchas de estas reacciones microbianas son idénticas a la existentes en organismos multicelulares. Sin embargo, y gracias a su enorme diversidad, los microorganismos consiguen desintoxicar una variedad superior de xenobióticos que los organismos multicelulares, consiguiendo inclusivamente degradar agentes poluentes orgánicos persistentes, como compuestos organoclorados.[92]

Un problema relacionado con lo de los xenobióticos se prende con la existencia de stress oxidativo en organismos aeróbios.[93] Los procesos asociados a la vida en aerobiose, como la fosforilação oxidativa y la formación de conexiones dissulfureto en proteínas, producen especies reactivas de oxígeno, como el peróxido de hidrogénio.[94] Estas especies dañinas son removidas por antioxidantes, como la glutationa, y enzimas, como la catalase y otras peroxidases.[95][96]

Termodinâmica de sistemas vivos

Los sistemas vivos tienen que obedecer a la leyes de la termodinâmica. La gran complejidad de los organismos aparentemente contradice la segunda ley de la termodinâmica, que enuncia que la entropia de un sistema cerrado tiende a aumentar; sin embargo, los sistemas vivos son sistemas abiertos que intercambian energía y masa con su exterior. Así, los organismos no se encuentran en equilibrio termodinâmico, siendo antes sistemas dissipativos, pues mantienen su orden al aumentar la entropia de su ambiente.[97] Lo metabolismo celular hace el acoplamiento entre el proceso espontâneo de catabolismo y el proceso no espontâneo de anabolismo para obtener este efecto. En términos termodinâmicos, el metabolismo mantiene la orden al crear desorden.[98]

Regulación y control

Ver artículo principal: homeostase

El ambiente de la mayoría de los organismos se encuentra en constante cambio, siendo necesaria una apretada regulación de las reacciones metabólicas de modo a mantener un conjunto de condiciones más o menos constante en las células, llamado homeostase.[99][100] La regulación metabólica permite a los organismos dar respuesta a estímulos del exterior, permitiendo la interacción con su ambiente.[101] Existen dos conceptos relacionados que son importantes para la compreensão de la forma como son reguladas vías metabólicas: en primer lugar, la regulación de una enzima en una vía se refiere al aumento o disminución de su actividad enzimática en respuesta a estímulos; el segundo concepto es lo controlo ejercido por esta enzima en la velocidad total de la vía por sufrir variaciones en su actividad enzimática, o sea, lo controlo del flujo de la vía metabólica.[102] Por ejemplo, una enzima puede sufrir grandes alteraciones en su actividad (o sea, ser muy regulada) pero si estos cambios no tengan un efecto significativo en el flujo de la vía metabólica, entonces esta enzima no está envuelta en el controlo de la vía.[103]

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Efecto de la insulina en la absorção y metabolismo de la glicose. La insulina se conecta a su receptor (1) que por su parte inicia diversas cascadas de sinalização (2) tales como la translocação del transportista Glut-4 para la membrana plasmática y entrada de glicose (3), síntesis de glicogénio (4), glicólise (5) y síntesis de ácidos gordos (6).

Existen diversos niveles de regulación metabólica. En la regulación intrínseca, la vía metabólica se regula a sí misma en respuesta la cambios en los niveles de substratos o productos; por ejemplo, una disminución en la cantidad de producto puede aumentar el flujo de la vía para compensar esa disminución.[102][104] Este tipo de regulación envuelve frecuentemente el uso de regulación alostérica de las diversas enzimas que participan en la vía metabólica. Lo controlo extrínseco corresponde al cambio del metabolismo de una célula en un organismo multicelular en respuesta a señales de otras células. Estas señales son normalmente moléculas mensajeras solúveis, como hormonas y factores de crecimiento, y son detectados por receptores específicos en la superficie de las células.[105] Tales señales son entonces transmitidos para el interior de la célula por sistemas de mensajeros secundarios que envuelven frecuentemente la fosforilação de proteínas.[106]

La regulación del metabolismo de la glicose por la insulina es un ejemplo bien conocido de controlo extrínseco.[107] La insulina es producida en respuesta a un aumento de la glicemia. La conexión de la hormona a receptores de insulina en la superficie de células activa una cascada de cinases que provoca la absorção de glicose por las células y su conversión la moléculas de almacenamiento, como el glicogénio y los ácidos gordos.[108] El metabolismo del glicogénio es controlado por la actividad de la glicogénio fosforilase, la enzima que hidrolisa el glicogénio, y por la glicogénio sintase, la enzima que lo sintetiza. Estas enzimas son reguladas de forma recíproca, en que la fosforilação activa la fosforilase e inibe la sintase. La insulina provoca la síntesis de glicogénio al activar fosfatases, produciendo un decréscimo en la fosforilação de estas enzimas.[109]

Evolución

Ver artículos principales: evolución, filogenia.
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El árbol filogenética, mostrando las relaciones entre organismos decurrentes de la evolución de las especies. La azul: bacterias; la verde: arqueas; a rojo: eucariotas. Son también mostradas las posiciones relativas de algunos filos.

Las vías metabólicas descritas arriba son comunes a los tres dominios de la vida (Eukarya, Archaea y Bacteria ), considerándose por eso que estaban también presentes en el más reciente antecesor común a los tres dominios.[3][110] Este antecesor era procariótico y probablemente metanogénico, poseyendo un extenso metabolismo de lípidos, aminoácidos, nucleótidos y glícidos.[111] La preservação de estas vías durante la evolución que se siguió podrá tener resultado del hecho de haber sido una solución optimizada para sus problemas metabólicos específicos, ocurriendo la producción de metabolitos de forma eficiente y con un número mínimo de pasos reaccionais.[4][5]

Diversos son las plantillas propuestas para la descripción de la evolución de nuevas vías metabólicas, incluyendo la adición secuencial de enzimas la cortas vías ancestrais, la duplicação y posterior divergencia evolutiva de vías metabólicas enteras y la inclusión de enzimas pre-existentes en una nueva vía reaccional.[112] No es clara la importancia relativa de estos mecanismos, pero diversos estudios genómicos sugieren que las enzimas de una dada veía metabólica poseen un antecesor común. Esta ancestralidade común implica que diversas vías habrán evolucionado paso a paso, con la creación de nuevas funciones a partir de pasos reaccionais pre-existentes.[113] Existe también la posibilidad de que partes del metabolismo existan como "módulos" que pueden ser reutilizados en diferentes vías y que desempeñan funciones semejantes en diferentes moléculas.[114]

La evolución de organismos puede llevar también a la pérdida de vías metabólicas. Por ejemplo, en algunos parásitos, procesos metabólicos que no son esenciales a su supervivencia son perdidos; el parásito absorbe entonces aminoácidos, nucleótidos y glícidos de su azafato.[115] Organismos endossimbióticos presentan también capacidades metabólicas similarmente reducidas.[116]

Métodos de estudio

Red metabólica del ciclo de los ácidos tricarboxílicos de Arabidopsis thaliana. Las enzimas y los metabolitos se encuentran representados con cuadrados rojos y sus interacciones con trazos negros.

El metabolismo es clásicamente estudiado usando una aproximación reducionista, focando una vía metabólica aisladamente. La marcación isotópica de precursores es de gran utilidad en estudios envolviendo organismos enteros, tejidos o células, pues permite rastrear el recorrido de esas moléculas hasta ser transformadas en el producto final, analizando intermediarios y productos marcados radioactivamente.[117] Las enzimas que catalisam estas reacciones pueden ser purificadas y analizadas del punto de vista de su actividad enzimática, midiendo parâmetros cinéticos y respuestas la inibidores. Otro tipo de investigación consiste en la identificación de metabolitos en una célula o tejido; el conjunto de metabolitos es por veces designado metaboloma. De una forma general, este tipo de estudios es adecuado para adquirirse una visión general de una vía metabólica simple, pero son limitados cuando aplicados a sistemas más complejos, como el metabolismo de una célula entera.[118]

ES posible tener una idea de la complejidad de la red metabólica existente en las células, que poseen típicamente miles de enzimas, analizando la figura al lado, que representa sólo 43 proteínas y 40 metabolitos. La sequenciação de genomas muestra que podrán existir hasta 45000 genes (que corresponderán a tantos otros polipéptidos).[119] ES, sin embargo, posible en la actualidad usar esta información genómica para reconstruir redes completas de reacciones bioquímicas y producir plantillas matemáticas holísticos que expliquen y prevean su comportamiento.[120] Tales plantillas son particularmente útiles cuando usados en la integración de datos obtenidos a través de métodos laboratoriais de análisis de expresión genética, como el uso de proteómica y microarrays .[121]

Una relevante aplicación tecnológica de esta información es la ingeniería metabólica, en que organismos como leveduras, plantas o bacterias son genéticamente modificados de modo a ser útiles en aplicaciones biotecnológicas, como la producción de medicamentos (por ejemplo, antibióticos) o reagentes químicos (como el propan-1,3-diol o el ácido xiquímico).[122]

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Bibliografia

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