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Advanced Biology

Un'introduzione al metabolismo cellulare

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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

Nelle cellule, le molecole critiche sono costruite unendo insieme singole unità come amminoacidi o nucleotidi, o scomposte in componenti più piccoli. Rispettivamente, le reazioni responsabili di questo sono indicate come anabolizzanti e cataboliche. Queste reazioni richiedono o producono energia tipicamente sotto forma di una molecola “ad alta energia” chiamata ATP. Insieme, questi processi costituiscono il “metabolismo cellulare” e sono segni distintivi di cellule sane e viventi.

L’introduzione di JoVE al metabolismo cellulare esamina brevemente la ricca storia di questo campo, che va dai primi studi sulla fotosintesi alle scoperte più recenti relative alla produzione di energia in tutte le cellule. Questo è seguito da una discussione di alcune domande chiave poste dagli scienziati che studiano il metabolismo e metodi comuni che applicano per rispondere a queste domande. Infine, esploreremo come gli attuali ricercatori stanno studiando le alterazioni del metabolismo che accompagnano i disturbi metabolici o che si verificano in seguito all’esposizione a fattori di stress ambientali.

Procedure

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!

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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