4.10: Introducción al metabolismo celular

El metabolismo celular se refiere a las reacciones metabólicas vitales que ocurren dentro de una célula. Cuando la mayoría de la gente piensa en el ?metabolismo,? Lo asocian con la ?quema? o la descomposición de nutrientes. Sin embargo, en biología celular el metabolismo abarca el "catabolismo". que es la descomposición de las moléculas, y el "anabolismo". que es la síntesis de nuevos compuestos biológicos. Estos procesos proporcionan energía a las células y ayudan a construir sus componentes, respectivamente.

Este vídeo profundizará en los principales descubrimientos que han contribuido a nuestra comprensión del metabolismo celular. Continuaremos con un examen de las preguntas clave en el campo y algunas de las técnicas que se utilizan actualmente para estudiar las vías metabólicas.

Profundicemos en la rica historia del metabolismo celular.

Entre 1770 y 1805, cuatro químicos realizaron experimentos clave que ayudaron a explicar cómo las plantas producen "masa" para crecer. Su trabajo condujo a la reacción básica de la fotosíntesis, que estableció que con la luz solar, las plantas absorben dióxido de carbono y agua, y producen oxígeno y material orgánico. Más tarde, en la década de 1860, Julius von Sachs determinó que este material orgánico era almidón, que está compuesto por la glucosa de azúcar.

Entonces, las plantas producen azúcar. Pero, lo consumimos. Entonces, ¿qué le sucede al azúcar en nuestros cuerpos? Una posible respuesta llegó en la década de 1930, cuando Gustav Embden, Otto Meyerhof y Jacob Parnas describieron la glucólisis, la vía que descompone la glucosa en piruvato. Ahora sabemos que la glucólisis también produce trifosfato de adenosina o ATP.

La estructura del ATP fue determinada en 1935 en el laboratorio de Meyerhof por Karl Lohmann. Meyerhof y Lohmann propusieron que la ATP podría ?almacenar? que fue confirmada por Fritz Lipmann en 1941, quien identificó los enlaces ricos en energía en el ATP y proporcionó una teoría mediante la cual estos enlaces podrían aprovecharse durante la biosíntesis.

Paralelamente, Hans Krebs descubrió que la oxidación de la glucosa o piruvato podía ser estimulada por una serie de ácidos, todos los cuales forman parte de las reacciones cíclicas que forman el ciclo del ácido tricarboxílico, abreviado como ciclo TCA. Su mayor contribución fue observar que el oxaloacetato y el piruvato podían convertirse en citrato, lo que dio a esta serie de oxidación su forma cíclica.

En 1946, Lipmann y Nathan Kaplan dilucidaron aún más la reacción que convertía el piruvato en citrato con su descubrimiento de la coenzima A. Ahora sabemos que el piruvato interactúa con esta enzima para formar acetil-coenzima A, que inicia el ciclo del TCA.

Más tarde, entre las décadas de 1950 y 1970, los investigadores determinaron que los electrones liberados durante el ciclo del TCA podían ser "transportados" a los complejos de proteínas ubicados en las mitocondrias en una vía llamada cadena de transporte de electrones. Es importante destacar que en 1961 Peter Mitchell propuso que la transferencia de electrones entre estos complejos produce un "gradiente" de protones. lo que podría impulsar la producción de la mayor parte del ATP de una célula.

Tomados en conjunto, los descubrimientos de la fotosíntesis, la glucólisis, el ciclo del TCA y la cadena de transporte de electrones han formado la base sobre la que descansan los estudios actuales del metabolismo celular.

Aunque estos descubrimientos históricos han proporcionado una inmensa visión sobre las vías metabólicas, también han suscitado varias preguntas. Repasemos algunas de las que siguen sin respuesta.

En la actualidad, los investigadores están estudiando cómo las vías metabólicas se ven afectadas por factores estresantes ambientales como las toxinas o la radiación. En particular, hay interés en cómo estos factores dan lugar a la producción anormal de especies reactivas de oxígeno como los radicales libres, que poseen electrones desapareados en los átomos de oxígeno, lo que los hace altamente reactivos. Estas moléculas pueden dañar otros componentes celulares y provocar estrés oxidativo.

El estrés oxidativo se ha implicado en la senescencia y muerte celular, y también en el inicio y la progresión del cáncer. Por lo tanto, los biólogos celulares están interesados en determinar cómo estas especies reactivas afectan los procesos fisiológicos normales de una célula, como la división celular. Con esta información, pueden deducir aún más el papel de estas especies en eventos patológicos.

Por último, varios investigadores están interesados en los trastornos metabólicos, condiciones en las que se interrumpen reacciones metabólicas específicas. Entre ellas se encuentran enfermedades como la diabetes, en la que el cuerpo es incapaz de metabolizar el azúcar. Actualmente, los investigadores están tratando de identificar factores, como los genes o las señales ambientales, que contribuyen a estas enfermedades. Esto, en última instancia, les ayudará a desarrollar terapias más efectivas para los pacientes.

Ahora que ha escuchado algunas preguntas apremiantes en el campo del metabolismo celular, repasemos las técnicas experimentales que los científicos están utilizando para abordarlas.

El objetivo final de muchos procesos catabólicos en células vivas es generar ATP, que es la principal molécula de almacenamiento de energía utilizada por las células. Por lo tanto, técnicas como el ensayo de bioluminiscencia de ATP, que cuantifica el ATP en una muestra con la ayuda de una reacción de luminiscencia, pueden proporcionar información sobre las células. actividad metabólica.

Otros métodos se centran en vías metabólicas específicas. Por ejemplo, los investigadores pueden evaluar el metabolismo del glucógeno en su monómero glucosa. Una forma de hacerlo es procesar la glucosa derivada del glucógeno en productos que reaccionarán con las sondas de detección e inducirán un cambio de color o fluorescencia. De esta manera, los investigadores pueden calcular la cantidad de glucógeno que estaba presente originalmente en sus muestras.

Por el contrario, el metabolismo anormal se puede detectar midiendo las especies reactivas de oxígeno. Comúnmente, los investigadores usan una sonda que emite fluorescencia después de ser ?atacada? por un miembro de estas especies. Estos ensayos cuantifican directamente la cantidad de metabolitos reactivos de oxígeno y, por lo tanto, ayudan en la detección del estrés oxidativo.

Por último, los investigadores analizan el metabolismo a nivel del organismo mediante ? Perfiles metabólicos. Con la ayuda de métodos avanzados como la cromatografía líquida de alta resolución o HPLC, y la espectrometría de masas o MS, los científicos pueden cuantificar los metabolitos presentes en las muestras biológicas y determinar si ciertas vías metabólicas están estancadas o hiperactivas.

Con todas estas herramientas a su disposición, veamos cómo los científicos las están utilizando experimentalmente.

Algunos científicos están aplicando estos métodos para desarrollar nuevas formas de diagnosticar los trastornos metabólicos. Aquí, se desarrolló un protocolo para aislar células mononucleares de sangre periférica, o PBMC, de muestras de sangre de pacientes con el fin de evaluar su contenido de glucógeno. Mediante el uso de un ensayo de tinción específico del metabolismo del glucógeno, los investigadores obtuvieron información sobre la cantidad de glucógeno presente en estas muestras. En futuras aplicaciones, esta técnica podría ayudar a diagnosticar a pacientes con enfermedades metabólicas del glucógeno.

Otros investigadores están utilizando estas herramientas para estudiar el efecto del estrés ambiental en el metabolismo. En este experimento, los científicos midieron especies reactivas de oxígeno en embriones de pez cebra tratados con una sustancia química llamada rotenona, o después de un daño en sus colas. Esto se hizo con la ayuda de una sonda que emite fluorescencia roja cuando es atacada por especies reactivas de oxígeno. La evaluación posterior de embriones enteros reveló un aumento de la producción de estas moléculas en respuesta a lesiones y exposición a sustancias químicas, lo que sugiere un papel protector de estos metabolitos.

Por último, los biólogos celulares también están estudiando las características metabólicas de las células cancerosas. Aquí, los investigadores recolectaron el contenido de células de cáncer de colon humano y sometieron este extracto a un perfil metabólico utilizando HPLC y MS. Esto permitió a los investigadores identificar los metabolitos presentes en este tejido enfermo.

Acabas de ver el video introductorio de JoVE al metabolismo celular. Muchas vías complejas describen la actividad metabólica de las células, y ahora sabes cómo se descubrieron estas vías y cómo los investigadores todavía están tratando de descifrar los componentes desconocidos. Recuerda, el metabolismo es bueno, pero el exceso de cualquier cosa puede ser perjudicial. Como siempre, ¡gracias por mirar!