Un'introduzione al metabolismo cellulare

Il metabolismo cellulare si riferisce alle reazioni metaboliche vitali che si verificano all'interno di una cellula. Quando la maggior parte delle persone pensa al "metabolismo", lo associa alla "combustione" o alla scomposizione dei nutrienti. Tuttavia, nella biologia cellulare il metabolismo comprende il "catabolismo", che è la scomposizione delle molecole, e l'"anabolismo", che è la sintesi di nuovi composti biologici. Questi processi forniscono energia alle cellule e aiutano a costruire i loro componenti, rispettivamente.

Questo video approfondisce le principali scoperte che hanno contribuito alla nostra comprensione del metabolismo cellulare. Seguiremo questo con un esame delle domande chiave sul campo e alcune delle tecniche attualmente utilizzate per studiare le vie metaboliche.

Immergiamoci nella ricca storia del metabolismo cellulare.

Tra il 1770 e il 1805, quattro chimici eseguirono esperimenti chiave, che aiutarono a spiegare come le piante producono "massa" per crescere. Il loro lavoro ha portato alla reazione di fotosintesi di base, che ha stabilito che alla luce solare, le piante assumono anidride carbonica e acqua e producono ossigeno e materiale organico. Più tardi nel 1860, Julius von Sachs determinò che questo materiale organico era amido, che è composto dal glucosio di zucchero.

Quindi, le piante producono zucchero. Ma lo consumiamo. Quindi cosa succede allo zucchero nei nostri corpi? Una potenziale risposta arrivò nel 1930, quando Gustav Embden, Otto Meyerhof e Jacob Parnas descrissero la glicolisi, la via che scompone il glucosio in piruvato. Ora sappiamo che la glicolisi produce anche adenosina trifosfato o ATP.

La struttura dell'ATP fu determinata nel 1935 nel laboratorio di Meyerhof da Karl Lohmann. Meyerhof e Lohmann proposero che l'ATP potesse "immagazzinare" energia, cosa confermata da Fritz Lipmann nel 1941, che identificò i legami ricchi di energia nell'ATP e fornì una teoria secondo cui questi legami potevano essere sfruttati durante la biosintesi.

Parallelamente, Hans Krebs ha scoperto che l'ossidazione del glucosio o del piruvato potrebbe essere stimolata da un certo numero di acidi, che fanno tutti parte delle reazioni cicliche che formano il ciclo dell'acido tricarbossilico, abbreviato come ciclo TCA. Il suo principale contributo è stato notare che l'ossalacetato e il piruvato potevano essere convertiti in citrato, il che ha dato a questa serie di ossidazione la sua forma ciclica.

Nel 1946, Lipmann e Nathan Kaplan chiarirono ulteriormente la reazione che converte il piruvato in citrato con la loro scoperta del coenzima A. Ora sappiamo che il piruvato interagisce con questo enzima per formare l'acetil-coenzima A, che avvia il ciclo TCA.

Più tardi, tra il 1950 e il 1970, i ricercatori hanno determinato che gli elettroni rilasciati durante il ciclo TCA potevano essere "trasportati" a complessi proteici situati nei mitocondri in un percorso chiamato catena di trasporto degli elettroni. È importante sottolineare che nel 1961 Peter Mitchell propose che il trasferimento di elettroni tra questi complessi produce un "gradiente" protonico, che potrebbe guidare la produzione della maggior parte dell'ATP di una cellula.

Nel loro insieme, le scoperte della fotosintesi, della glicolisi, del ciclo TCA e della catena di trasporto degli elettroni hanno costituito le basi su cui poggiano ora gli studi odierni sul metabolismo cellulare.

Sebbene queste scoperte storiche abbiano fornito un'immensa visione delle vie metaboliche, hanno anche stimolato diverse domande. Esaminiamo alcuni di quelli che rimangono senza risposta.

Oggi, i ricercatori stanno esaminando come le vie metaboliche sono influenzate da fattori di stress ambientali come tossine o radiazioni. In particolare, c'è interesse per il modo in cui tali fattori provocano la produzione anormale di specie reattive dell'ossigeno come i radicali liberi, che possiedono elettroni spaiati sugli atomi di ossigeno, rendendoli altamente reattivi. Queste molecole possono danneggiare altri componenti cellulari e provocare stress ossidativo.

Lo stress ossidativo è stato implicato nella senescenza cellulare e nella morte, e anche nell'inizio e nella progressione del cancro. Pertanto, i biologi cellulari sono interessati a determinare come queste specie reattive influenzano i normali processi fisiologici di una cellula, come la divisione cellulare. Con queste informazioni, possono dedurre ulteriormente il ruolo di queste specie negli eventi patologici.

Infine, diversi ricercatori sono interessati ai disturbi metabolici, condizioni in cui specifiche reazioni metaboliche vengono interrotte. Questi includono malattie come il diabete, in cui il corpo non è in grado di metabolizzare lo zucchero. I ricercatori stanno attualmente cercando di identificare fattori, come geni o segnali ambientali, che contribuiscono a tali malattie. Questo alla fine li aiuterà a sviluppare terapie più efficaci per i pazienti.

Ora che hai sentito alcune domande pressanti nel campo del metabolismo cellulare, esaminiamo le tecniche sperimentali che gli scienziati stanno usando per affrontarle.

L'obiettivo finale di molti processi catabolici nelle cellule vive è quello di generare ATP, che è la molecola primaria di accumulo di energia utilizzata dalle cellule. Pertanto, tecniche come il test di bioluminescenza ATP, che quantifica l'ATP in un campione con l'aiuto di una reazione di luminescenza, possono fornire informazioni sull'attività metabolica delle cellule.

Altri metodi si concentrano su specifiche vie metaboliche. Ad esempio, i ricercatori possono valutare il metabolismo del glicogeno nel suo glucosio monomero. Un modo per farlo è quello di trasformare il glucosio derivato dal glicogeno in prodotti che reagiranno con le sonde di rilevamento e indurranno un cambiamento di colore o fluorescenza. In questo modo, i ricercatori possono calcolare quanto glicogeno era originariamente presente nei loro campioni.

Al contrario, il metabolismo anormale può essere rilevato misurando le specie reattive dell'ossigeno. Comunemente, i ricercatori usano una sonda che fluoresce dopo essere stata "attaccata" da un membro di queste specie. Questi saggi quantificano direttamente la quantità di metaboliti reattivi dell'ossigeno e quindi aiutano nella rilevazione dello stress ossidativo.

Infine, i ricercatori analizzano il metabolismo a livello di organismo mediante "Metabolic Profiling". Con l'aiuto di metodi avanzati come la cromatografia liquida ad alte prestazioni o HPLC e la spettrometria di massa o MS, gli scienziati possono quantificare i metaboliti presenti nei campioni biologici e determinare se alcune vie metaboliche sono bloccate o iperattive.

Con tutti questi strumenti a loro disposizione, vediamo come gli scienziati li stanno mettendo a uso sperimentale.

Alcuni scienziati stanno applicando questi metodi per sviluppare nuovi modi per diagnosticare i disturbi metabolici. Qui, è stato sviluppato un protocollo per isolare le cellule mononucleate del sangue periferico, o PBMC, dai campioni di sangue dei pazienti al fine di valutare il loro contenuto di glicogeno. Utilizzando un test di colorazione specifico per il metabolismo del glicogeno, i ricercatori hanno acquisito informazioni sulla quantità di glicogeno presente in questi campioni. Nelle applicazioni future, questa tecnica potrebbe aiutare a diagnosticare i pazienti con malattie metaboliche del glicogeno.

Altri ricercatori stanno usando questi strumenti per studiare l'effetto dello stress ambientale sul metabolismo. In questo esperimento, gli scienziati hanno misurato le specie reattive dell'ossigeno negli embrioni di zebrafish trattati con una sostanza chimica chiamata rotenone, o in seguito a danni alla coda. Questo è stato fatto con l'aiuto di una sonda che fluoresce rosso quando presa di mira da specie reattive dell'ossigeno. La successiva valutazione di embrioni interi ha rivelato un aumento della produzione di queste molecole in risposta a lesioni ed esposizione chimica, suggerendo un ruolo protettivo di questi metaboliti.

Infine, i biologi cellulari stanno anche studiando le caratteristiche metaboliche delle cellule tumorali. Qui, i ricercatori hanno raccolto il contenuto delle cellule tumorali del colon umano e hanno sottoposto questo estratto alla profilazione metabolica utilizzando HPLC e SM. Ciò ha permesso ai ricercatori di identificare i metaboliti presenti in questo tessuto malato.

Hai appena visto il video introduttivo di JoVE al metabolismo cellulare. Molti percorsi complessi descrivono l'attività metabolica delle cellule, e ora sai come sono stati scoperti questi percorsi e come le ricerche stanno ancora cercando di decifrare i componenti sconosciuti. Ricorda, il metabolismo è buono, ma l'eccesso di qualsiasi cosa può essere dannoso. Come sempre, grazie per aver guardato!