Introducción al metabolismo celular

Cell Biology

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Summary

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.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Fundamentos de la biología celular. Introducción al metabolismo celular. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

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!

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