Introducción al metabolismo celular

An Introduction to Cell Metabolism

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Cell Biology

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JoVE Science Education Cell Biology

An Introduction to Cell Metabolism

4.3: The Transwell Migration Assay

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10:19 min

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April 30, 2023

Overview

En las células, moléculas críticas construidas ensamblando unidades individuales como los aminoácidos o nucleótidos, o desglosadas en componentes más pequeños. Respectivamente, las reacciones responsables de esto se conocen como anabólico y catabólico. Estas reacciones requieren o producen energía por lo general en forma de una “gran energía” molécula llamada ATP. Juntos, estos procesos constituyen “Metabolismo celular” y son características distintivas de las células sanas, vida.

Introducción de Zeus al metabolismo celular revisa brevemente la rica historia de este campo, desde los primeros estudios sobre fotosíntesis a descubrimientos más recientes relacionados con la producción de energía en todas las células. Esto es seguido por una discusión de algunas preguntas claves de los científicos que estudian el metabolismo y los métodos comunes que se aplican para responder a estas preguntas. Por último, exploraremos los investigadores actuales son estudiar alteraciones en el metabolismo que acompañan a trastornos metabólicos, u ocurren después de la exposición a factores de estrés ambientales.

Procedure

Metabolismo de la célula se refiere a las reacciones metabólicas vitales que ocurren dentro de una célula. Cuando la mayoría de la gente piensa de “metabolismo”, lo asocian con la “quema” o romper abajo de nutrientes. Sin embargo, en biología de la célula metabolismo abarca “catabolismo”, que es la ruptura hacia abajo de las moléculas y el “anabolismo”, que es la síntesis de nuevos compuestos biológicos. Estos procesos proporcionan a las células con energía y ayudar a construir sus componentes, respectivamente.

Este video será profundizar en los descubrimientos importantes que han contribuido a nuestra comprensión del metabolismo de la célula. Seguiremos esto para arriba con un examen de preguntas clave en el campo, y algunas de las técnicas actualmente utilizan para el estudio de rutas metabólicas.

Vamos a sumergirnos en la rica historia de metabolismo celular.

Entre 1770 y 1805, cuatro químicos realizaron experimentos claves que ayudaron a explicar cómo las plantas producen “masa” para crecer. Su trabajo condujo a la reacción básica de la fotosíntesis, que estableció que en luz del sol, las plantas toman agua y dióxido de carbono y producen oxígeno y materia orgánica. Más adelante en la década de 1860, Julius von Sachs determinó que este material orgánico era el almidón, que se compone de la glucosa del azúcar.

Por lo tanto, las plantas producen azúcar. Pero que consumimos. Así que ¿qué sucede con el azúcar en nuestro cuerpo? Una potencial respuesta llegó en la década de 1930, cuando Gustav Embden y Otto Meyerhof Jacob Parnas describieron la glucólisis, la vía que descompone la glucosa en piruvato. Ahora sabemos que la glicolisis produce trifosfato de adenosina o ATP.

Estructura del ATP se determinó en 1935 en el laboratorio de Meyerhof por Karl Lohmann. Meyerhof y Lohmann propusieron que el ATP podría “almacenar” energía, que fue confirmado por Fritz Lipmann en 1941, que identifica los enlaces ricos en energía en ATP y una teoría por la cual estos bonos podrían aprovecharse durante biosíntesis.

En paralelo, Hans Krebs encontraron que la oxidación de la glucosa o piruvato podría ser estimulada por una serie de ácidos, que son parte de las reacciones cíclicas formando el ciclo del ácido tricarboxílico, abreviado como el ciclo del TCA. Su gran aportación fue observando que el oxaloacetato y piruvato se podrían convertir a citrato, que dio a esta serie de oxidación su forma cíclica.

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

Más tarde, entre los años 1950 y 1970, los investigadores determinaron que electrones liberados durante el ciclo TCA pueden “llevarse” a complejos de proteínas en las mitocondrias en un camino llamado la cadena de transporte de electrones. Lo importante es que, en 1961 Peter Mitchell propuso que la transferencia de electrones entre estos complejos produce un protón “degradado”, que podría conducir a la producción de la mayoría de los ATP de la célula.

Tomados en conjunto, los descubrimientos de la fotosíntesis, glucólisis, el ciclo TCA y la cadena de transporte de electrones han formado la base sobre los estudios de hoy de descanso ahora de metabolismo celular.

Aunque estos descubrimientos históricos han proporcionado inmensa penetración en vías metabólicas, también han impulsado varias preguntas. Vamos a repasar algunas de las que siguen sin respuesta.

Hoy en día, los investigadores buscan en rutas metabólicas cómo son afectados por factores de estrés ambientales como toxinas o radiación. En particular, hay interés en cómo estos factores dan como resultado en la anormal producción de especies reactivas de oxígeno como los radicales libres, que poseen electrones no apareados en los átomos de oxígeno, lo que los hace altamente reactivos. Estas moléculas pueden dañar otros componentes celulares y dar lugar a estrés oxidativo.

El estrés oxidativo ha sido implicado en la muerte y la senescencia celular y también en la iniciación y progresión del cáncer. Por lo tanto, biólogos de la célula están interesados en determinar cómo afectan estas especies reactivas a procesos fisiológicos normales de la célula, como la división celular. Con esta información, además puede deducir el papel de estas especies en los eventos patológicos.

Por último, varios investigadores están interesados en trastornos metabólicos, las condiciones en que se interrumpen las reacciones metabólicas específicas. Estos incluyen enfermedades como la diabetes, donde el cuerpo es incapaz de metabolizar el azúcar. Los investigadores actualmente están tratando de identificar factores como genes o señales ambientales, que contribuyen a este tipo de enfermedades. Esto, en definitiva, les ayudará en el desarrollo de terapias más efectivas para los pacientes.

Ahora que has escuchado algunas preguntas urgentes en el campo del metabolismo celular, vamos a repasar las técnicas experimentales que los científicos utilizan para abordarlos.

El objetivo final de muchos procesos catabólicos en células vivas es generar ATP, que es la molécula de almacenamiento de energía primaria 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 la penetración en la actividad metabólica de las células.

Otros métodos se centran en vías metabólicas específicas. Por ejemplo, los investigadores pueden evaluar el metabolismo del glicógeno en la glucosa monómero. Una manera de hacer esto es procesar glucosa derivada del glucógeno en los productos que reaccionan con detección de sondas e inducir un cambio de color o fluorescencia. De esta manera, los investigadores pueden calcular cuánto glucógeno estaba originalmente presente en sus muestras.

Por el contrario, metabolismo anormal puede detectarse mediante la medición de especies reactivas de oxígeno. Comúnmente, los investigadores utilizan una punta de prueba que aparece después de ser “atacado” por un miembro de estas especies. Estos ensayos directamente cuantificar la cantidad de metabolitos reactivos del oxígeno y por lo tanto ayudan en la detección de estrés oxidativo.

Por último, investigadores analizan el metabolismo a nivel organismo por “Perfiles metabólicos”. Con la ayuda de métodos avanzados como HPLC y espectrometría de masas, cromatografía líquida de alto rendimiento o MS, los científicos pueden cuantificar metabolitos presentes en muestras biológicas y determinar si ciertas vías metabólicas están estancadas o hiperactiva.

Con todas estas herramientas a su disposición, vamos a ver cómo los científicos están poniendo para uso experimental.

Algunos científicos están aplicando estos métodos para desarrollar nuevas formas de diagnosticar trastornos metabólicos. Aquí, se desarrolló un protocolo para aislar las células mononucleares de sangre periférica o PBMCs, paciente de muestras de sangre para evaluar su contenido de glucógeno. Utilizando un ensayo de tinción específicas de metabolismo de glucógeno, los investigadores ganaron visión la cantidad de glucógeno presente en estas muestras. En el futuro 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 sobre el metabolismo. En este experimento, los científicos midieron especies reactivas de oxígeno en embriones de pez cebra tratada con una química llamada rotenona, o después de daño a su cola. Esto se hizo con la ayuda de una sonda que es roja cuando especies reactivas de oxígeno. Posterior evaluación de embriones enteros reveló aumento de la producción de estas moléculas en respuesta a la exposición química y lesiones, sugiriendo un papel protector de estos metabolitos.

Por último, biólogos de la célula también están estudiando las características metabólicas de las células cancerosas. Aquí, los investigadores recogen el contenido de células humanas de cáncer de colon y este extracto a metabólico perfilado mediante HPLC y MS. Esto permitió a los investigadores a identificar los metabolitos presentes en este tejido enfermo.

Sólo ha visto el video introductorio de Zeus al metabolismo celular. Muchas vías complejo describen la actividad metabólica de las células, y ahora usted sabe cómo fueron descubiertas estas vías, y cómo investigaciones están todavía tratando de descifrar los componentes desconocidos. Recuerde que metabolismo es bueno, pero el exceso de cualquier cosa puede ser perjudicial. ¡Como siempre, gracias por ver!

Transcript

Cell metabolism refers to the vital metabolic reactions that occur within a cell. When most people think of “metabolism,” they associate it with the “burning” or breaking down of nutrients. However, in cell biology metabolism encompasses “catabolism,” which is the breaking down of molecules, and “anabolism,” which is the synthesis of new biological compounds. These processes provide cells with energy, and help build their components, respectively.

This video will delve into the major discoveries that have contributed to our understanding of cell metabolism. We’ll follow this up with an examination of key questions in the field, and some of the techniques currently used to study metabolic pathways.

Let’s dive into the rich history of cellular metabolism.

Between 1770 and 1805, four chemists performed key experiments, which helped to explain how plants produce “mass” to grow. Their work led to the basic photosynthesis reaction, which established that in sunlight, plants take in carbon dioxide and water, and produce oxygen and organic material. Later in the 1860’s, Julius von Sachs determined that this organic material was starch, which is composed of the sugar glucose.

So, plants produce sugar. But, we consume it. So what happens to the sugar in our bodies? A potential answer came in the 1930’s, when Gustav Embden, Otto Meyerhof, and Jacob Parnas described glycolysis, the pathway that breaks down glucose into pyruvate. We now know that glycolysis also produces adenosine triphosphate or ATP.

ATP’s structure was determined in 1935 in Meyerhof’s laboratory by Karl Lohmann. Meyerhof and Lohmann proposed that ATP could “store” energy, which was confirmed by Fritz Lipmann in 1941, who identified the energy-rich bonds in ATP and provided a theory by which these bonds could be harnessed during biosynthesis.

In parallel, Hans Krebs found that the oxidation of glucose or pyruvate could be stimulated by a number of acids, all of which are a part of cyclic reactions forming the tricarboxylic acid cycle, abbreviated as the TCA cycle. His major contribution was noting that oxaloacetate and pyruvate could be converted to citrate, which gave this oxidation series its cyclical form.

In 1946, Lipmann and Nathan Kaplan further elucidated the reaction converting pyruvate to citrate with their discovery of coenzyme A. We now know that pyruvate interacts with this enzyme to form acetyl-coenzyme A, which launches the TCA cycle.

Later, between the 1950’s and 1970’s, researchers determined that electrons released during the TCA cycle could be “carried” to protein complexes located in mitochondria in a pathway called the electron transport chain. Importantly, in 1961 Peter Mitchell proposed that the transfer of electrons between these complexes produces a proton “gradient,” which could drive the production of the majority of a cell’s ATP.

Taken together, the discoveries of photosynthesis, glycolysis, the TCA cycle, and the electron transport chain have formed the foundation upon which today’s studies of cellular metabolism now rest.

Although these historical discoveries have provided immense insight into metabolic pathways, they have also spurred several questions. Let’s review some of those that remain unanswered.

Today, researchers are looking at how metabolic pathways are affected by environmental stressors like toxins or radiation. In particular, there is interest in how such factors result in the abnormal production of reactive oxygen species like free radicals, which possess unpaired electrons on oxygen atoms, making them highly reactive. These molecules can damage other cellular components and result in oxidative stress.

Oxidative stress has been implicated in cellular senescence and death, and also in the initiation and progression of cancer. Therefore, cell biologists are interested in determining how these reactive species affect a cell’s normal physiological processes, such as cell division. With this information, they can further deduce the role of these species in pathological events.

Finally, several researchers are interested in metabolic disorders—conditions in which specific metabolic reactions are disrupted. These include diseases like diabetes, where the body is unable to metabolize sugar. Researchers are currently trying to identify factors, such as genes or environmental cues, which contribute to such diseases. This will ultimately help them in developing more effective therapies for patients.

Now that you’ve heard a few pressing questions in the field of cellular metabolism, let’s review the experimental techniques scientists are using to address them.

The ultimate goal of many catabolic processes in live cells is to generate ATP, which is the primary energy storage molecule used by cells. Therefore, techniques like the ATP bioluminescence assay, which quantifies ATP in a sample with the help of a luminescence reaction, can provide insight into cells’ metabolic activity.

Other methods focus on specific metabolic pathways. For example, researchers can evaluate the metabolism of glycogen into its monomer glucose. One way to do this is to process glucose derived from glycogen into products that will react with detecting probes and induce a color change or fluorescence. In this way, researchers can calculate how much glycogen was originally present in their samples.

In contrast, abnormal metabolism can be detected by measuring reactive oxygen species. Commonly, researchers use a probe that fluoresces after being “attacked” by a member of these species. These assays directly quantify the amount of reactive oxygen metabolites, and therefore help in the detection of oxidative stress.

Finally, researchers analyze metabolism at the organismal level by “Metabolic Profiling.” With the help of advanced methods like high performance liquid chromatography or HPLC, and mass spectrometry or MS, scientists can quantify metabolites present in biological samples, and determine if certain metabolic pathways are stalled or overactive.

With all of these tools at their disposal, let’s see how scientists are putting them to experimental use.

Some scientists are applying these methods to develop new ways to diagnose metabolic disorders. Here, a protocol was developed to isolate peripheral blood mononuclear cells, or PBMCs, from patient blood samples in order to assess their glycogen content. By using a glycogen metabolism-specific staining assay, researchers gained insight into the amount of glycogen present in these samples. In future applications, this technique could help diagnose patients with glycogen metabolic diseases.

Other researchers are using these tools to study the effect of environmental stress on metabolism. In this experiment, scientists measured reactive oxygen species in zebrafish embryos treated with a chemical called rotenone, or following damage to their tails. This was done with the help of a probe that fluoresces red when targeted by reactive oxygen species. Subsequent assessment of whole embryos revealed increased production of these molecules in response to injury and chemical exposure, suggesting a protective role of these metabolites.

Finally, cell biologists are also studying the metabolic characteristics of cancer cells. Here, researchers collected the contents of human colon cancer cells, and subjected this extract to metabolic profiling using HPLC and MS. This allowed researchers to identify metabolites present in this diseased tissue.

You’ve just watched JoVE’s introductory video to cellular metabolism. Many complex pathways describe the metabolic activity of cells, and now you know how these pathways were discovered, and how researches are still trying to decipher the unknown components. Remember, metabolism is good, but excess of anything can be harmful. As always, thanks for watching!

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