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Uma introdução ao metabolismo celular

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

Nas células, moléculas críticas são construídas unindo unidades individuais como aminoácidos ou nucleotídeos, ou divididas em componentes menores. Respectivamente, as reações responsáveis por isso são referidas como anabólicos e catabólicos. Essas reações requerem ou produzem energia tipicamente na forma de uma molécula de “alta energia” chamada ATP. Juntos, esses processos compõem o “Metabolismo Celular”, e são marcas de células saudáveis e vivas.

A introdução do JoVE ao metabolismo celular revisa brevemente a rica história deste campo, desde estudos iniciais sobre fotossíntese até descobertas mais recentes relacionadas à produção de energia em todas as células. Isso é seguido por uma discussão de algumas perguntas-chave feitas por cientistas que estudam o metabolismo, e métodos comuns que eles aplicam para responder a essas perguntas. Finalmente, vamos explorar como os pesquisadores atuais estão estudando alterações no metabolismo que acompanham distúrbios metabólicos, ou que ocorrem após a exposição a estressores ambientais.

Procedure

O metabolismo celular refere-se às reações metabólicas vitais que ocorrem dentro de uma célula. Quando a maioria das pessoas pensa em “metabolismo”, associam-no à “queima” ou quebra de nutrientes. No entanto, na biologia celular o metabolismo abrange o “catabolismo”, que é a quebra de moléculas, e o “anabbolismo”, que é a síntese de novos compostos biológicos. Esses processos fornecem energia às células e ajudam a construir seus componentes, respectivamente.

Este vídeo vai mergulhar nas principais descobertas que contribuíram para nossa compreensão do metabolismo celular. Vamos acompanhar isso com um exame de questões-chave no campo, e algumas das técnicas usadas atualmente para estudar vias metabólicas.

Vamos mergulhar na rica história do metabolismo celular.

Entre 1770 e 1805, quatro químicos realizaram experimentos-chave, que ajudaram a explicar como as plantas produzem “massa” para crescer. Seu trabalho levou à reação básica da fotossíntese, que estabeleceu que, à luz solar, as plantas absorvem dióxido de carbono e água, e produzem oxigênio e material orgânico. Mais tarde, na década de 1860, Julius von Sachs determinou que este material orgânico era amido, que é composto pela glicose de açúcar.

Então, as plantas produzem açúcar. Mas nós o consumimos. Então, o que acontece com o açúcar em nossos corpos? Uma resposta em potencial veio na década de 1930, quando Gustav Embden, Otto Meyerhof e Jacob Parnas descreveram a glicólise, o caminho que divide a glicose em piruvato. Sabemos agora que a glicólise também produz adenosina triphosfato ou ATP.

A estrutura da ATP foi determinada em 1935 no laboratório de Meyerhof por Karl Lohmann. Meyerhof e Lohmann propuseram que a ATP pudesse “armazenar” energia, o que foi confirmado por Fritz Lipmann em 1941, que identificou os títulos ricos em energia na ATP e forneceu uma teoria pela qual esses títulos poderiam ser aproveitados durante a biosíntese.

Em paralelo, Hans Krebs descobriu que a oxidação da glicose ou piruvato poderia ser estimulada por uma série de ácidos, todos eles fazem parte de reações cíclicas que formam o ciclo do ácido tricarboxílico, abreviado como o ciclo TCA. Sua maior contribuição foi notar que oxaloacetato e piruvato poderiam ser convertidos em citrato, o que deu a esta série de oxidação sua forma cíclica.

Em 1946, Lipmann e Nathan Kaplan elucidaram ainda mais a reação convertendo piruvato para citratar com sua descoberta da coenzima A. Sabemos agora que o piruvato interage com esta enzima para formar acetil-coenzima A, que lança o ciclo TCA.

Mais tarde, entre as décadas de 1950 e 1970, pesquisadores determinaram que elétrons liberados durante o ciclo TCA poderiam ser “transportados” para complexos proteicos localizados em mitocôndrias em uma via chamada cadeia de transporte de elétrons. É importante ressaltar que, em 1961, Peter Mitchell propôs que a transferência de elétrons entre esses complexos produzsse um próton “gradiente”, o que poderia impulsionar a produção da maioria do ATP de uma célula.

Juntas, as descobertas da fotossíntese, da glicólise, do ciclo TCA e da cadeia de transporte de elétrons formaram a base sobre a qual os estudos atuais do metabolismo celular agora repousam.

Embora essas descobertas históricas tenham proporcionado uma imensa visão sobre caminhos metabólicos, elas também estimularam várias questões. Vamos rever alguns dos que permanecem sem resposta.

Hoje, os pesquisadores estão analisando como as vias metabólicas são afetadas por estressores ambientais, como toxinas ou radiação. Em particular, há interesse em como tais fatores resultam na produção anormal de espécies reativas de oxigênio, como radicais livres, que possuem elétrons não pagos em átomos de oxigênio, tornando-os altamente reativos. Essas moléculas podem danificar outros componentes celulares e resultar em estresse oxidativo.

O estresse oxidativo tem sido implicado na senescência celular e morte, e também na iniciação e progressão do câncer. Portanto, os biólogos celulares estão interessados em determinar como essas espécies reativas afetam os processos fisiológicos normais de uma célula, como a divisão celular. Com essas informações, eles podem deduzir ainda mais o papel dessas espécies em eventos patológicos.

Finalmente, vários pesquisadores estão interessados em distúrbios metabólicos — condições em que reações metabólicas específicas são interrompidas. Estes incluem doenças como diabetes, onde o corpo é incapaz de metabolizar o açúcar. Atualmente, os pesquisadores estão tentando identificar fatores, como genes ou sinais ambientais, que contribuem para essas doenças. Isso vai, em última análise, ajudá-los no desenvolvimento de terapias mais eficazes para os pacientes.

Agora que você já ouviu algumas perguntas urgentes no campo do metabolismo celular, vamos rever as técnicas experimentais que os cientistas estão usando para enfrentá-las.

O objetivo final de muitos processos catabólicos em células vivas é gerar ATP, que é a molécula primária de armazenamento de energia usada pelas células. Portanto, técnicas como o ensaio de bioluminescência ATP, que quantifica ATP em uma amostra com a ajuda de uma reação de luminescência, podem fornecer uma visão sobre a atividade metabólica das células.

Outros métodos se concentram em vias metabólicas específicas. Por exemplo, os pesquisadores podem avaliar o metabolismo do glicogênio em sua glicose monômera. Uma maneira de fazer isso é processar a glicose derivada do glicogênio em produtos que reagirão com sondas de detecção e induzirão uma mudança de cor ou fluorescência. Dessa forma, os pesquisadores podem calcular quanto glicogênio estava originalmente presente em suas amostras.

Em contraste, o metabolismo anormal pode ser detectado medindo espécies reativas de oxigênio. Comumente, os pesquisadores usam uma sonda que fluoresce depois de ser “atacada” por um membro dessas espécies. Estes ensaios quantificam diretamente a quantidade de metabólitos de oxigênio reativo e, portanto, ajudam na detecção do estresse oxidativo.

Finalmente, os pesquisadores analisam o metabolismo no nível do organismo por “Perfil Metabólico”. Com a ajuda de métodos avançados como cromatografia líquida de alto desempenho ou HPLC, e espectrometria de massa ou MS, os cientistas podem quantificar metabólitos presentes em amostras biológicas, e determinar se certas vias metabólicas estão paradas ou hiperativas.

Com todas essas ferramentas à sua disposição, vamos ver como os cientistas estão colocando-as em uso experimental.

Alguns cientistas estão aplicando esses métodos para desenvolver novas formas de diagnosticar distúrbios metabólicos. Aqui, foi desenvolvido um protocolo para isolar as células mononucleares de sangue periféricos, ou PBMCs, a partir de amostras de sangue do paciente, a fim de avaliar seu conteúdo glicogênio. Usando um ensaio de coloração específico para o metabolismo glicogênio, os pesquisadores obtiveram uma visão da quantidade de glicogênio presente nessas amostras. Em aplicações futuras, essa técnica poderia ajudar a diagnosticar pacientes com doenças metabólicas glicogênio.

Outros pesquisadores estão usando essas ferramentas para estudar o efeito do estresse ambiental no metabolismo. Neste experimento, os cientistas mediram espécies reativas de oxigênio em embriões de zebrafish tratados com um químico chamado rotenona, ou após danos em suas caudas. Isso foi feito com a ajuda de uma sonda que fluoresce vermelho quando alvo de espécies reativas de oxigênio. A avaliação subsequente de embriões inteiros revelou aumento da produção dessas moléculas em resposta a lesões e exposição química, sugerindo um papel protetor desses metabólitos.

Por fim, biólogos celulares também estão estudando as características metabólicas das células cancerosas. Aqui, os pesquisadores coletaram o conteúdo de células cancerígenas de cólon humano, e submeteram este extrato a perfis metabólicos usando HPLC e MS. Isso permitiu que os pesquisadores identificassem metabólitos presentes neste tecido doente.

Você acabou de assistir o vídeo introdutório do JoVE ao metabolismo celular. Muitas vias complexas descrevem a atividade metabólica das células, e agora você sabe como essas vias foram descobertas, e como as pesquisas ainda estão tentando decifrar os componentes desconhecidos. Lembre-se, o metabolismo é bom, mas o excesso de qualquer coisa pode ser prejudicial. Como sempre, obrigado por assistir!

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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