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Une introduction au métabolisme cellulaire

An Introduction to Cell Metabolism

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Cell Biology

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An Introduction to Cell Metabolism

4.9: FM Dyes in Vesicle Recycling

4.13: An Introduction to Cell Death

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10:19 min

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April 30, 2023

Overview

Dans les cellules, molécules sont soit construits en réunissant des unités individuelles comme les acides aminés ou de nucléotides ou décomposés en éléments plus petits. Respectivement, les réactions responsables de ceci sont désignées comme anaboliques et cataboliques. Ces réactions nécessitent ou produisent de l’énergie habituellement sous la forme d’une molécule « haute énergie » appelée ATP. Ensemble, ces processus constituent « Cell Metabolism » et font la renommée de cellules vivantes en bonne santé.

Introduction de JoVE au métabolisme cellulaire examine brièvement la riche histoire de ce domaine, allant des premières études sur la photosynthèse aux plus récentes découvertes concernant la production d’énergie dans toutes les cellules. Elle est suivie d’une discussion de certaines questions clés posées par les scientifiques qui étudient le métabolisme et les méthodes communes qu’ils appliquent pour répondre à ces questions. Enfin, nous allons explorer comment actuels chercheurs sont étudie altérations du métabolisme qui accompagnent les troubles métaboliques, ou qui se produisent après une exposition à des facteurs de stress environnementaux.

Procedure

Métabolisme cellulaire se réfère aux réactions métaboliques vitales qui se produisent dans une cellule. Quand la plupart des gens pensent « métabolisme », ils associent le « brûler » ou de la rupture vers le bas des éléments nutritifs. Toutefois, en biologie cellulaire, métabolisme comprend « catabolisme », soit la rupture des molécules et « anabolisme », qui est la synthèse de nouveaux composés biologiques. Ces processus fournissent des cellules avec énergie et aident à construire leurs composantes, respectivement.

Cette vidéo va se plonger dans les grandes découvertes qui ont contribué à notre compréhension du métabolisme cellulaire. Nous allons suivre cela vers le haut avec un examen des questions clés dans le champ, et certaines des techniques actuellement utilisées pour l’étude des voies métaboliques.

Nous allons plonger dans la riche histoire du métabolisme cellulaire.

Entre 1770 et 1805, quatre chimistes effectué des expériences clés, qui a permis d’expliquer comment les plantes produisent « masse » à se développer. Leur travaux ont conduit à la réaction de la base de la photosynthèse, qui a établi qu’en plein soleil, plantes prennent dans l’eau et de dioxyde de carbone et produisent de l’oxygène et matières organiques. Plus tard dans les années 1860, Julius von Sachs a déterminé que cette matière organique était amidon, qui est composé du glucose sucre.

Ainsi, les plantes produisent du sucre. Mais, nous en consommons. Que se passe-t-il au sucre dans notre corps ? Une réponse potentielle est venu dans les années 1930, quand Gustav Embden, Otto Meyerhof et Jacob Parnas décrivent la glycolyse, la voie qui décompose le glucose en pyruvate. Nous savons maintenant que la glycolyse produit également de l’adénosine triphosphate ou ATP.

Structure de l’ATP a été déterminée en 1935 dans le laboratoire de Meyerhof par Karl Lohmann. Meyerhof et Lohmann proposent que ATP pourrait « stocker » l’énergie, qui a été confirmé par Fritz Lipmann en 1941, qui a identifié les liaisons riches en énergie ATP et fourni une théorie par laquelle ces obligations pourraient être exploitées au cours de la biosynthèse.

En parallèle, Hans Krebs a trouvé que l’oxydation du glucose ou du pyruvate peut être stimulée par un certain nombre d’acides, qui sont une partie des réactions cycliques, formant le cycle des acides tricarboxyliques, abrégé comme le cycle de Krebs. Sa contribution majeure était notant que le pyruvate et l’oxaloacétate pourraient être converties en citrate, qui a donné à cette série d’oxydation sa forme cyclique.

En 1946, Lipmann et Nathan Kaplan encore élucidé la réaction de conversion pyruvate au citrate avec leur découverte de la coenzyme a. Nous savons maintenant que pyruvate interagit avec cette enzyme pour former l’acétyl-coenzyme A, qui lance le cycle de Krebs.

Plus tard, entre les années 1950 et 1970, les chercheurs ont déterminé qu’électrons libérés pendant le cycle de Krebs « transportables » pour des complexes de protéine situées dans les mitochondries dans une voie appelée la chaîne de transport d’électrons. Ce qui est important, en 1961, Peter Mitchell a proposé que le transfert d’électrons entre ces complexes produit un proton « gradient » qui pourrait conduire à la production de la majorité de l’ATP de la cellule.

Pris ensemble, les découvertes de la photosynthèse, la glycolyse, le cycle de Krebs et la chaîne de transport d’électrons ont constitué la base sur des études qui aujourd’hui reste maintenant le métabolisme cellulaire.

Bien que ces découvertes historiques ont donné un immense aperçu des voies métaboliques, ils ont aussi stimulé plusieurs questions. Passons en revue certains de ceux qui restent sans réponse.

Aujourd’hui, les chercheurs se penchent à comment métaboliques sont affectés par des facteurs de stress environnementaux comme les toxines ou la radiothérapie. En particulier, il y a intérêt à comment ces facteurs se traduisent par la production anormale des espèces réactives de l’oxygène comme les radicaux libres, qui possèdent des électrons non appariés sur les atomes d’oxygène, ce qui les rend très réactives. Ces molécules peuvent endommager d’autres composants cellulaires et conduire à un stress oxydatif.

Le stress oxydatif a été impliqué dans la mort et de la sénescence cellulaire, ainsi que dans l’initiation et la progression du cancer. Par conséquent, les biologistes cellulaires sont intéressées pour déterminer comment ces espèces réactives affectent les processus physiologiques normaux de la cellule, comme la division cellulaire. Avec cette information, ils peuvent encore déduire le rôle de ces espèces dans des manifestations pathologiques.

Enfin, plusieurs chercheurs s’intéressent à des troubles métaboliques, des conditions dans lesquelles les réactions métaboliques spécifiques sont perturbées. Il s’agit de maladies comme le diabète, où le corps est incapable de métaboliser le sucre. Les chercheurs tentent actuellement d’identifier les facteurs, tels que les gènes ou les signaux environnementaux, qui contribuent à ces maladies. Cela les aidera dans le développement de thérapies plus efficaces pour les patients.

Maintenant que vous avez entendu parler de quelques problèmes pressants dans le domaine du métabolisme cellulaire, passons en revue les techniques expérimentales scientifiques utilisent pour y remédier.

Le but ultime de nombreux processus cataboliques dans des cellules vivantes est de générer de l’ATP, qui est la molécule de stockage d’énergie primaire utilisée par les cellules. Techniques telles que le test ATP bioluminescence, qui quantifie ATP dans un échantillon à l’aide d’une réaction de luminescence, peuvent donc, donnent un aperçu de l’activité métabolique des cellules.

Autres méthodes de se concentrent sur certaines voies métaboliques. Par exemple, les chercheurs peuvent évaluer le métabolisme du glycogène en son glucose monomère. Une façon de faire ceci est de traiter le glucose provenant de glycogène dans les produits qui réagissent avec les sondes de détection et induire un changement de couleur ou de la fluorescence. De cette façon, les chercheurs peuvent calculer combien glycogène était initialement présent dans leurs échantillons.

En revanche, le métabolisme anormal peut être détecté en mesurant des espèces réactives de l’oxygène. Généralement, les chercheurs utilisent une sonde qui émet une fluorescence après avoir été « attaqués » par un membre de ces espèces. Ces analyses directement quantifier la quantité de métabolites réactifs de l’oxygène et donc aident à la détection du stress oxydatif.

Enfin, les chercheurs analysent métabolisme au niveau organismique de « Profilage métabolique ». Avec l’aide de méthodes avancées telles que la chromatographie liquide haute performance ou HPLC et spectrométrie de masse ou MS, les scientifiques peuvent quantifier les métabolites présents dans les échantillons biologiques et déterminer si certaines voies métaboliques sont au point mort ou hyperactivité.

Avec tous ces outils à leur disposition, nous allons voir comment les scientifiques eux mettent à usage expérimental.

Certains scientifiques appliquent ces méthodes pour développer de nouvelles façons de diagnostiquer des troubles métaboliques. Ici, un protocole a été développé afin d’isoler les cellules mononucléaires du sang périphérique ou PBMC, provenant d’échantillons de sang de patients afin d’évaluer leur teneur en glycogène. En utilisant un test de coloration spécifique du métabolisme du glycogène, chercheurs acquis dans la quantité de glycogène présent dans ces échantillons. À l’avenir des applications, cette technique pourrait aider diagnostiquer les patients souffrant de maladies métaboliques de glycogène.

D’autres chercheurs utilisent ces outils pour étudier l’effet du stress environnemental sur le métabolisme. Dans cette expérience, les scientifiques mesuré les espèces réactives de l’oxygène dans des embryons de poisson-zèbre traités avec une roténone chimique appelée, ou suite à une avarie à la queue. Cela a été fait à l’aide d’une sonde qui émet une fluorescence rouge quand pris pour cible par des espèces réactives de l’oxygène. Évaluation ultérieure des embryons entiers a révélé une production accrue de ces molécules en réponse à l’exposition de blessures et de produit chimique, suggérant un rôle protecteur de ces métabolites.

Enfin, les biologistes cellulaires étudient également les caractéristiques métaboliques des cellules cancéreuses. Ici, les chercheurs ont recueilli le contenu des cellules humaines de cancer du côlon et cet extrait l’objet métabolique de profilage à l’aide de HPLC et MS. Cela a permis aux chercheurs d’identifier des métabolites présents dans ce tissu malade.

Vous avez juste regardé des vidéo d’introduction de JoVE au métabolisme cellulaire. Nombreuses voies complexes décrivent l’activité métabolique des cellules, et maintenant vous savez comment ces voies ont été découverts, et comment recherches sont encore à essayer de déchiffrer les composants inconnus. Rappelez-vous, le métabolisme est bon, mais l’excès de quoi que ce soit peut être nocif. Comme toujours, Merci pour regarder !

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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