El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que ocurren dentro de un ser vivo y le permiten sobre todo mantenerse vivo, reproducirse , desarrollarse y responder a los estímulos de su entorno. Algunas de estas reacciones químicas tienen lugar fuera de las células del cuerpo, como la digestión o el transporte de sustancias entre las células. Sin embargo, la mayoría de estas reacciones tienen lugar en las propias células y constituyen el metabolismo intermedio .
La bioquímica celular se basa en reacciones químicas catalizadas por enzimas , es decir proteínas que tienen cada una la capacidad de facilitar una reacción química específica. Estas reacciones se rigen por los principios de la termodinámica y se organizan en vías metabólicas . Estos últimos están constituidos por un conjunto de transformaciones que permiten convertir un compuesto químico en otro mediante transformaciones sucesivas, paralelas o cíclicas, catalizadas por enzimas. Algunas de estas enzimas están sujetas a regulación por metabolitos celulares o por señales extracelulares. Estos factores reguladores modifican la cinética enzimática , acelerando o ralentizando determinadas reacciones determinantes, y provocando la autorregulación del sistema por la apertura y cierre de las distintas vías metabólicas según las circunstancias.
En todas las reacciones que constituyen el metabolismo, se distingue por un lado el anabolismo , que representa todas las vías biosintéticas de los constituyentes celulares, y por otro lado el catabolismo , que representa todas las vías de degradación de estos constituyentes celulares en pequeñas moléculas para liberar energía. por oxidación o para reconstruir otros constituyentes celulares. Las reacciones de anabolismo y catabolismo están interconectadas a través de moléculas especializadas que actúan como cofactores enzimáticos. Este es el caso, por ejemplo, con el trifosfato de adenosina (ATP), la hidrólisis de los cuales en difosfato de adenosina (ADP) y fosfato inorgánico (P i ) es a menudo junto con reacciones anabólicas para que sean termodinámicamente favorable. El dinucleótido de nicotinamida adenina (NAD + en estado oxidado) y el dinucleótido fosfato de nicotinamida adenina (NADPH en estado reducido), por su parte, son portadores de electrones usados en las reacciones redox celulares NAD + más bien en catabolismo y NADPH en anabolismo. De la coenzima también permiten el intercambio de material entre diferentes vías metabólicas. Así, la coenzima A permite activar grupos acilo para formar una acil-CoA , la más importante de las cuales es la acetil-CoA : esta última se encuentra en la encrucijada de varias vías metabólicas importantes, como la degradación de carbohidratos y lípidos , la producción de energía metabólica o la biosíntesis de ácidos grasos y huesos .
El metabolismo de un ser vivo define los tipos de sustancias químicas que son nutrientes para este organismo y que, por el contrario, son venenos : así, el sulfuro de hidrógeno H 2 Ses fundamental para el desarrollo de determinados procariotas , mientras que este gas es tóxico para los animales en general. La intensidad del metabolismo basal también determina cuánta comida necesita el cuerpo.
Es sorprendente observar la similitud de las vías metabólicas fundamentales y los compuestos bioquímicos en los organismos más diversos. Así, los ácidos carboxílicos que constituyen los intermediarios del ciclo de Krebs se encuentran en todos los seres vivos conocidos en la actualidad, desde un procariota como E. coli hasta un metazoo como el elefante . Estas notables similitudes se deben sin duda a la aparición temprana de estas vías metabólicas durante la evolución de las formas de vida en la Tierra y su conservación debido a su eficiencia.
Podemos considerar, de manera arbitraria, tres períodos en la evolución de los modos de razonamiento sobre el funcionamiento de los organismos vivos, desde la Antigüedad griega hasta el Renacimiento : el período de los filósofos griegos rico en ideas atrevidas, a menudo especulativas. Edad Media dominada por el poder eclesiástico que toma de la herencia griega lo que está de acuerdo con el finalismo de la tradición bíblica , finalmente el período o florece la alquimia que marca un renacimiento en la práctica experimental y anuncia el nuevo espíritu del Renacimiento ” .
Algunos de los filósofos griegos meditan sobre la estructura y dinámica de los seres vivos. Su teoría de los cuatro elementos , enseñó a la XVIII ª siglo, cree que el mundo (y por lo tanto los organismos vivos, órganos y tejidos) resultado de la combinación de tierra, el fuego, el aire y el agua, y que debería proporcionar una mejor comprensión de el metabolismo de los estados de ánimo (cada estado de ánimo está asociado con un órgano). En su tratado Partes de animales , Aristóteles describe el proceso metabólico a partir de un principio vital , el pneuma ( pneuma innato traído por el esperma o pneuma inspirado, aliento vital producido por la evaporación de la sangre que tiene lugar en el corazón, alma inmediata). Este soplo vital, hecho en el corazón del aire inspirado “distribuye en el cuerpo el calor que da vida; permite la digestión y asimilación de los alimentos. Los alimentos triturados por los dientes se desintegran en el estómago, luego en el intestino para ser transportados al corazón y transformados en sangre ”
La fisiología experimental tiene sus raíces en los alquimistas de la Antigüedad oriental, la Edad Media y el Renacimiento, cuyos experimentos con metales prepararon el método experimental . En este contexto, Santorio Santorio es un pionero al inventar una balanza conectada a un asiento, para pesar tanto lo que absorbe como lo que rechaza a través del sudor y los excrementos . Su experimento metabólico llevado a cabo durante más de treinta años dio los primeros resultados de un estudio a largo plazo sobre el metabolismo humano, publicado en su libro Ars de statica medicina en 1614.
La nutrición humana se convierte en una disciplina científica a finales de la XVIII ª siglo y se centra el XIX ° siglo sobre la base del metabolismo y el valor calórico de los alimentos . Los experimentos pioneros para verificar los vínculos entre alimentos y energía se llevan a cabo en el contexto de la crisis sociológica de la revolución industrial donde se vuelve "importante para los directivos basar la jerarquía del trabajo en las capacidades de cada uno y, para el trabajador, conocer su papel en el sistema ” . El impacto del “paradigma energético ” en la investigación se traduce entonces en “la medición del desempeño de la actividad corporal [que] se convierte en el elemento central del proceso de experimentar con la fisiología ” .
Durante los años 1854 a 1864, Louis Pasteur llevó a cabo experimentos que demostraban que la fermentación alcohólica no era un proceso puramente químico sino un proceso fisiológico resultante del metabolismo de los microorganismos . En 1897, el químico Eduard Buchner y su hermano Hans (de) , bacteriólogo, demuestran que esta fermentación requiere de mediadores del metabolismo, enzimas , biocatalizadores que permitan acelerar la mayoría de las reacciones bioquímicas que tienen lugar en la célula ( anabolismo , catabolismo , oxidación -reducción , transferencias de energía ).
Desde la década de 1950, la investigación bioquímica se ha multiplicado. Apoyándose en el desarrollo de técnicas como la cromatografía , la microscopía electrónica , la cristalografía de rayos X , el rastreo de isótopos , la espectroscopia de RMN o la dinámica molecular , permiten conocer mejor las vías metabólicas y las moléculas implicadas.
Los animales , las plantas y los microbios se componen de tres familias principales de moléculas :
Siendo estas moléculas esenciales para la vida, el metabolismo celular consiste en sintetizarlas para producir nuevas células y tejidos en crecimiento , o descomponerlas durante la digestión para usarlas como fuentes de energía y constituyentes elementales que pueden reciclarse en la biosíntesis de nuevas biomoléculas .
Las macromoléculas biológicas son en sí mismas polímeros que pertenecen a tres familias diferentes:
Las proteínas se componen de ácidos a-aminoácidos unidos por un enlace peptídico para formar una cadena lineal. Muchas proteínas son enzimas que catalizan las reacciones químicas del metabolismo. Otras proteínas tienen un papel estructural o mecánico, como las del citoesqueleto , que mantiene la forma general de la célula. Las proteínas también juegan un papel clave en la señalización celular , como los anticuerpos del sistema inmunológico , la adhesión celular , el transporte activo a través de las membranas y el ciclo celular . Los aminoácidos también ayudan a proporcionar energía para el metabolismo celular al impulsar el ciclo de Krebs , especialmente cuando faltan las principales fuentes de energía, como la glucosa , o cuando la célula está bajo estrés metabólico.
Los lípidos son el grupo de bioquímicos más diverso. Su principal función estructural es la de constituir membranas celulares, en particular de la membrana plasmática y del sistema de endomembranas de las células eucariotas , así como de orgánulos como las mitocondrias y cloroplastos , o incluso de suborganelos como los tilacoides . También se utilizan como fuentes de energía. Generalmente se definen como moléculas biológicas hidrófobas y anfifílicas , solubles en disolventes orgánicos como el benceno y el cloroformo . Las grasas se encuentran entre los lípidos, un gran grupo de sólidos que consiste esencialmente en ácidos grasos y glicerol . Una molécula formada por tres residuos de ácidos grasos que esterifican los tres hidroxilos de un residuo de glicerol se denomina triglicérido . Existen diversas variaciones en torno a este tema central, por ejemplo con esfingosina en el caso de esfingolípidos , y grupos hidrófilos como el grupo fosfato en el caso de fosfolípidos . Los esteroides , como el colesterol , son otra familia importante de lípidos.
Los carbohidratos son aldehídos o cetonas que tienen una pluralidad de grupos hidroxilo . Estas moléculas pueden existir en forma lineal o cíclica . Estas son las moléculas biológicas más abundantes. Cumplen un gran número de funciones, como sustancias de almacenamiento y transporte de energía ( almidón , glucógeno ) o como componentes estructurales ( celulosa en plantas , quitina en animales ). Los monómeros de carbohidratos se denominan oses : son, por ejemplo , galactosa , fructosa y especialmente glucosa . Pueden polimerizar para formar polisacáridos con una variedad casi infinita de estructuras.
Los nucleósidos resultan de la unión de una molécula de ribosa o desoxirribosa en una nucleobase . Estos últimos son compuestos heterocíclicos que contienen átomos de nitrógeno ; se dividen en purinas y pirimidinas . Los nucleótidos se forman a partir de un nucleósido y uno o más grupos fosfato unidos al azúcar.
Los dos ácidos nucleicos , ácido ribonucleico (ARN) y ácido desoxirribonucleico (ADN), son polímeros de nucleótidos o polinucleótidos . El ARN está formado por ribonucleótidos (que contienen una ribosa) y ADN de desoxirribonucleótidos (que contienen una desoxirribosa). Los ácidos nucleicos permiten la codificación y el término de la información genética y su decodificación a través de sucesivos procesos de transcripción y traducción génica de la biosíntesis de proteínas . Esta información se conserva mediante mecanismos de reparación del ADN y se transmite a través del proceso de replicación del ADN . Muchos virus , conocidos como virus de ARN , tienen un genoma compuesto de ARN y no de ADN, por ejemplo, el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) o el virus de la influenza , algunos recurren a la transcriptasa inversa para generar en la célula huésped una plantilla de ADN a partir de el ARN del genoma viral, otros son ARN directamente replicados en ARN por una ARN polimerasa dependiente de ARN (o replicasa). El ARN de las ribozimas , como los espliceosomas (o partículas de empalme ) y los ribosomas, es similar a las enzimas en la medida en que puede catalizar las reacciones químicas .
El metabolismo implica un gran número de reacciones químicas diferentes que forman una red compleja de transformaciones, pero la mayoría de ellas se pueden comparar con unos pocos tipos de reacciones básicas que consisten en transferencias de grupos funcionales . Esto se debe al hecho de que la bioquímica celular recurre a un número relativamente pequeño de moléculas que actúan como activadores capaces de transportar grupos de átomos entre diferentes reacciones. Estas moléculas se denominan coenzimas . Cada tipo de transferencia de grupo funcional implica una coenzima específica. Cada una de estas coenzimas es también específica para un cierto número de enzimas que catalizan reacciones de transferencia, enzimas que las alteran y regeneran permanentemente.
El trifosfato de adenosina (ATP) es el intercambio de energía de coenzima universal en todos los organismos conocidos. Este nucleótido permite transferir energía metabólica entre las reacciones que liberan energía y las que la absorben. Solo hay una pequeña cantidad de ATP en las células en cualquier momento, pero como este capital de ATP se consume y regenera continuamente, el cuerpo humano puede consumir una masa casi equivalente de ATP todos los días a su peso total. El ATP permite acoplar el anabolismo con el catabolismo , consumiendo el primero el ATP producido por el segundo. También sirve como transportador de grupos fosfato en reacciones de fosforilación .
Las vitaminas son compuestos orgánicos esenciales en pequeñas cantidades para el funcionamiento de las células pero que no pueden producirse por sí mismas. En los seres humanos , la mayoría de las vitaminas se convierten en coenzimas después de algunos cambios en las células. Por lo tanto, las vitaminas solubles en agua (vitaminas B ) se fosforilan o se acoplan a nucleótidos cuando se usan en las células. Por ejemplo, la niacina (ácido nicotínico) es un componente del dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD + ) y el fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADP + ), que son coenzimas importantes involucradas en las reacciones redox como aceptores de hidrógeno . Hay cientos de deshidrogenasas , que sustraen electrones de su sustrato y reducen NAD + a NADH y H + . Esta forma reducida de la coenzima puede luego ser utilizada por una reductasa . La pareja NAD + / NADH está más involucrada en reacciones catabólicas, mientras que la pareja NADP + / NADPH es específica del anabolismo.
Los minerales juegan un papel clave en el metabolismo. Algunos son abundantes, como el sodio y el potasio , mientras que otros solo son activos en bajas concentraciones. Aproximadamente el 99% de la masa de los mamíferos está compuesta por los elementos carbono , nitrógeno , calcio , sodio , cloro , potasio , hidrógeno , fósforo , oxígeno y azufre . Los compuestos orgánicos ( proteínas , lípidos e hidratos de carbono ) contienen la mayor parte del carbono y el nitrógeno, mientras que la mayor parte del oxígeno y el hidrógeno están presentes en forma de agua .
Las sales minerales más abundantes actúan como electrolitos . Los iones principales son sodio Na + , potasio K + , calcio Ca 2+ , magnesio Mg 2+ , cloruro Cl - , fosfato PO 4 3−y el ion orgánico bicarbonato HCO 3 -. El mantenimiento de determinados gradientes de concentración a través de las membranas celulares permite mantener el equilibrio osmótico y el pH del medio intracelular. Los iones también son esenciales para el funcionamiento de nervios y músculos gracias al potencial de acción resultante del intercambio de iones, a través de la membrana plasmática , entre el líquido extracelular (in) y el líquido intracelular, es decir, digamos el citosol . Los iones entran y salen de las células a través de proteínas de membrana llamadas canales iónicos . Por lo tanto, la contracción muscular depende del paso de iones de calcio, sodio y potasio a través de los canales iónicos de la membrana celular y los túbulos T .
Los metales de transición generalmente están presentes en trazas en los organismos vivos, siendo el zinc y el hierro los más abundantes. Estos metales actúan como cofactores de determinadas proteínas y enzimas y son fundamentales para su correcto funcionamiento. Este es, por ejemplo, el caso de una enzima como la catalasa y una proteína transportadora de oxígeno como la hemoglobina . Los cofactores metálicos se unen específicamente a ciertos sitios proteicos. Aunque los cofactores se pueden cambiar durante la reacción catalizada, siempre vuelven a su estado original al final de la reacción. Son absorbidos por organismos que utilizan transportadores específicos, por ejemplo, sideróforos para absorber hierro, y se unen a proteínas de almacenamiento como ferritina y metalotioneína cuando no se utilizan.
El catabolismo es el conjunto de procesos metabólicos de degradación de biomoléculas . Esto incluye, por ejemplo, la degradación y oxidación de nutrientes . La función del catabolismo es proporcionar energía y los constituyentes elementales esenciales para el metabolismo de la célula. La naturaleza exacta de estas reacciones depende de cada organismo. Los seres vivos se pueden clasificar según sus fuentes de energía y carbono, lo que se denomina tipo trófico :
Fuente de energía | Luz solar | Foto- | -trofeo | ||
Compuestos químicos | quimio | ||||
Donante de electrones | Compuestos orgánicos | organo- | |||
Compuestos inorgánicos | litografía | ||||
Fuente de carbono | Compuestos orgánicos | hetero- | |||
Compuestos inorgánicos | uno mismo- |
Los organotróficos utilizan moléculas orgánicas como fuente de energía mientras que los litotróficos utilizan sustratos inorgánicos y los fototróficos convierten la energía solar en energía química . Sin embargo, estos diferentes metabolismos dependen de la transferencia de electrones de compuestos donantes, como moléculas orgánicas, agua , amoníaco , sulfuro de hidrógeno o incluso cationes de hierro (II) Fe 2+ (hierro ferroso), hacia compuestos aceptores de electrones como como oxígeno , nitratos o incluso sulfatos . En los animales , estas reacciones conducen a la descomposición de moléculas orgánicas complejas en moléculas más simples, como dióxido de carbono y agua . En organismos fotosintéticos como plantas y cianobacterias , estas reacciones liberan energía de la luz solar que es absorbida y almacenada por el cuerpo.
Los principales grupos de reacciones catabólicas en animales se pueden clasificar en tres etapas principales. En el primero, las moléculas orgánicas grandes como proteínas , polisacáridos o lípidos se digieren en sus componentes elementales fuera de las células . Luego, estos componentes básicos son absorbidos por las células y se convierten en metabolitos aún más pequeños, la mayoría de las veces acetil-coenzima A ( acetil-CoA ), con la liberación de algo de energía. Finalmente, el residuo acetil de acetil-CoA se oxida a agua y dióxido de carbono por el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria , esta última permitiendo que la energía de los electrones de alto potencial transferidos al NADH se libere durante el ciclo de Krebs.
Las macromoléculas como el almidón , la celulosa y las proteínas , que son biopolímeros , no pueden ser absorbidas fácilmente por las células y deben escindirse en oligómeros , o incluso monómeros , para ser metabolizadas. A esto se le llama digestión . Varias clases de enzimas comunes llevan a cabo estas transformaciones, por ejemplo , peptidasas , que escinden proteínas en oligopéptidos y aminoácidos , o alternativamente glucósido hidrolasas (o glicosidasas ), que escinden polisacáridos en oligosacáridos y huesos .
Los microorganismos secretan sus enzimas digestivas en su vecindario, mientras que los animales secretan estas enzimas solo a partir de células especializadas en su sistema digestivo . Los aminoácidos y monosacáridos liberados por estas enzimas extracelulares son luego absorbidos a través de la membrana plasmática de las células por proteínas de membrana de transporte activo .
Los carbohidratos son generalmente absorbidos por las células después de haber sido digeridos por azúcares . La principal vía de degradación de los huesos dentro de la célula es la glucólisis , que produce unas pocas moléculas de ATP y dos moléculas de piruvato por molécula de glucosa degradada. El piruvato es un metabolito común a varias vías metabólicas , pero la mayor parte se convierte en acetil-CoA para alimentar el ciclo de Krebs . Este último todavía produce algunas moléculas de ATP, pero su producto esencial es NADH , resultado de la reducción de NAD + durante la oxidación de acetil-CoA . Esta oxidación libera dióxido de carbono como subproducto. En condiciones anaeróbicas , la glucólisis produce lactato mediante la transferencia de electrones del NADH al piruvato por la lactato deshidrogenasa con el fin de regenerar el NAD + para la glucólisis. Una ruta alternativa para la degradación de la glucosa es la ruta de las pentosas fosfato , que tiene como función principal no liberar energía, sino producir precursores de diversas biosíntesis como el NADPH , utilizado en particular para la biosíntesis de ácidos grasos , así como la ribosa. -5-fosfato , utilizado para la síntesis de nucleótidos , y eritrosis-4-fosfato , precursor de los aminoácidos aromáticos .
Los lípidos se degradan por hidrólisis a glicerol y ácidos grasos . El glicerol se degrada por glucólisis, mientras que los ácidos grasos se degradan por β-oxidación para producir acetil-CoA , que a su vez es degradado por el ciclo de Krebs . La oxidación de los ácidos grasos libera más energía que los carbohidratos porque estos últimos contienen más oxígeno y por lo tanto están más oxidados que los ácidos grasos.
Los aminoácidos se utilizan para producir proteínas y una variedad de otras biomoléculas, o se oxidan a urea y dióxido de carbono para liberar energía. Su oxidación comienza con su conversión en α-cetoácido por una transaminasa que escinde su grupo amina , esta última alimentando el ciclo de la urea . Varios de estos α-cetoácidos son intermediarios en el ciclo de Krebs: la desaminación del glutamato da lugar a α-cetoglutarato . Los aminoácidos gluconeogénicos también se pueden convertir en glucosa a través de la gluconeogénesis .
Durante la fosforilación oxidativa - que debería llamarse más correctamente en francés fosforilación oxidación - los electrones de alto potencial, resultantes de las reacciones de oxidación del metabolismo, se transfieren al oxígeno con liberación de energía, esta energía se recupera para sintetizar ATP . Esto lo consigue el eucariota a través de una serie de proteínas de membrana de las mitocondrias que forman la cadena respiratoria . En los procariotas , estas proteínas se encuentran en la membrana interna . Estas proteínas de membrana utilizan la energía liberada por la circulación de electrones de coenzimas reducidas como NADH y FADH 2.al oxígeno para bombear protones a través de la membrana mitocondrial interna (en eucariotas) o la membrana plasmática (en procariotas).
Bombear protones fuera de la matriz mitocondrial o del citoplasma genera un gradiente en la concentración de protones a través de las membranas , es decir, una diferencia en el pH . Esto da como resultado un gradiente electroquímico . Esta " fuerza motriz del protón " activa una enzima llamada ATP sintasa que funciona como una turbina que cataliza la fosforilación de ADP en ATP cuando los protones regresan a la matriz mitocondrial a través de la membrana mitocondrial interna.
La quimiolitotrofia (en) es un grupo nutricional primario que define a los procariotas que obtienen su energía de compuestos inorgánicos . Estos organismos pueden utilizar hidrógeno , compuestos reducidos de azufre - sulfuro S 2– , sulfuro de hidrógeno H 2 S, tiosulfato S 2 O 3 2−- hierro ferroso (Fe 2+ ) y amoniaco (NH 3) como donantes de electrones que transfieren a aceptores como el oxígeno O 2o el anión nitrito (NO 2 -). Estos procesos microbianos son importantes desde el punto de vista de los ciclos biogeoquímicos planetarios como el ciclo del nitrógeno , la nitrificación y desnitrificación , y son críticos para la fertilidad del suelo.
La energía luminosa es absorbida por las plantas , las cianobacterias , las bacterias violetas , las bacterias verdes del azufre y algunos protistas . Este proceso a menudo se combina con la conversión de dióxido de carbono en compuestos orgánicos como parte de la fotosíntesis . Sin embargo, estos dos procesos, absorción de energía luminosa y biosíntesis de compuestos orgánicos, pueden funcionar por separado en los procariotas . Así, las bacterias violetas y las bacterias verdes sulfurosas pueden utilizar la luz solar como fuente de energía y al mismo tiempo llevar a cabo un proceso de fijación de carbono o un proceso de fermentación de compuestos orgánicos.
En muchas organizaciones, la absorción de energía solar se basa en principios similares a los de la fosforilación oxidativa ya que un fenómeno físico -recuperar la energía de los electrones a la coenzima reducida- se acopla a un fenómeno químico -la fosforilación de ADP a ATP- por quimiosmosis por mediante un gradiente de concentración de protones que genera un gradiente electroquímico a través de una membrana . En el caso de la fotosíntesis , los electrones de alto potencial provienen de proteínas que absorben energía luminosa llamadas centros de reacción fotosintética o rodopsinas . Los centros de reacción vienen en dos fotosistemas dependiendo del pigmento fotosintético presente: la mayoría de las bacterias fotosintéticas tienen solo uno, mientras que las plantas y las cianobacterias tienen dos.
En las plantas, algas y cianobacterias, fotosistema II transferencias energía de la luz a dos electrones de una molécula de agua que se recogió por el citocromo b 6 f complejo mientras que el oxígeno O 2en lanzamiento. La energía de los electrones de alto potencial transferidos al complejo del citocromo b 6 f se utiliza para bombear protones a través de las membranas de los tilacoides en los cloroplastos , protones cuyo retorno a la luz se acompaña de la fosforilación del ADP en ATP por una ATP sintasa , como en el caso de la fosforilación oxidativa . Los electrones luego pasan a través del fotosistema I y pueden reducir una coenzima NADP + a NADPH para su uso por el ciclo de Calvin , o bien para producir aún más ATP.
El anabolismo incluye todas las vías metabólicas que utilizan energía ( ATP ) y el poder reductor ( NADH ) producido por el catabolismo para sintetizar los complejos de biomoléculas . En términos generales, las moléculas complejas que contribuyen a las estructuras celulares se construyen paso a paso a partir de precursores mucho más pequeños y simples.
El anabolismo consta de tres etapas principales:
Los organismos difieren en el número de componentes de sus células que pueden producir por sí mismos. Los autótrofos , como las plantas, pueden sintetizar moléculas orgánicas complejas de sus células, como polisacáridos y proteínas, a partir de moléculas simples como el dióxido de carbono CO 2.y agua H 2 O. Por el contrario, para producir sus biomoléculas complejas, los heterótrofos necesitan nutrientes más complejos como azúcares y aminoácidos. Los organismos se pueden clasificar según su fuente de energía primaria: los fotoautótrofos y fotoheterótrofos obtienen su energía de la luz solar, mientras que los quimioautótrofos y quimioheterótrofos obtienen su energía de reacciones redox .
La fotosíntesis es la biosíntesis de carbohidratos a partir del agua y el dióxido de carbono utilizando la luz solar. En plantas , algas y cianobacterias , la molécula de agua H 2 Ose divide en oxígeno O 2y se utiliza energía de alto potencial de electrones para fosforilar el ADP en ATP y para formar NADPH que se utiliza para reducir el dióxido de carbono 3-fosfoglicerato , un precursor en sí mismo de la glucosa . Esta reacción de unión al carbono la lleva a cabo Rubisco , una enzima esencial del ciclo de Calvin . Hay tres tipos diferentes de fotosíntesis en las plantas: la fijación de carbono en C 3 , el secuestro de carbono C 4 y el metabolismo del ácido crasuláceo (CAM). Estos tipos de reacciones difieren en la ruta que toma el dióxido de carbono para ingresar al ciclo de Calvin: las plantas C 3 lo fijan directamente, mientras que las plantas C 4 y las plantas CAM fotosintéticas fijan CO 2. previamente en otro compuesto como adaptación a altas temperaturas y condiciones áridas.
En los procariotas fotosintéticos, los mecanismos de unión al carbono son más diversos. Este proceso puede llevarse a cabo mediante el ciclo de Calvin, pero también mediante un ciclo de Krebs inverso o mediante la carboxilación de acetil-CoA . Los organismos quimioautotróficos procarióticos también fijan el carbono CO 2utilizando el ciclo de Calvin pero con energía de la oxidación de compuestos inorgánicos .
Durante el anabolismo de los carbohidratos , el ácido orgánico simple se puede convertir en monosacáridos como la glucosa , se puede polimerizar en polisacáridos como el almidón . La biosíntesis de glucosa a partir de compuestos como piruvato , lactato , glicerol , 3-fosfoglicerato y aminoácidos se denomina gluconeogénesis . La glucogénesis convierte el piruvato en glucosa-6-fosfato a través de una serie de metabolitos , muchos de los cuales también son intermediarios en la glucólisis . Sin embargo, esta vía metabólica no debe verse como una glucólisis tomada a la inversa, ya que muchos de sus pasos son catalizados por otras enzimas además de la glucólisis. Este punto es importante porque permite regular la biosíntesis y la degradación de la glucosa de forma distinta entre sí y por tanto evitar ver estos dos procesos trabajando al mismo tiempo, uno destruyendo al otro en pura pérdida.
Aunque los organismos comúnmente almacenan energía en forma de lípidos , los vertebrados , como los humanos , no pueden convertir los ácidos grasos de sus grasas en glucosa a través de la gluconeogénesis porque no pueden convertir la acetil-CoA en piruvato: las plantas tienen el equipo enzimático necesario para hacer esto, pero no los animales. . Como resultado, los vertebrados en ayuno prolongado usan sus lípidos para producir cuerpos cetónicos destinados a compensar la falta de glucosa en las células que no pueden descomponer los ácidos grasos para obtener energía, especialmente las células cerebrales . Otros organismos, tales como plantas y bacterias , se ocupan de este estrés metabólico con la ayuda de la ciclo del glioxilato , que no pasa por la descarboxilación paso de la ciclo de Krebs y permite la transformación de acetil-CoA en oxaloacetato , que luego se puede utilizar para la glucosa productos .
Los polisacáridos y glucanos se producen mediante la adición secuencial de monosacáridos por glicosiltransferasa de un donante osa-fosfato como la uridina difosfato glucosa (UDP-glucosa) en un grupo aceptor de hidroxilo del proceso de biosíntesis de polisacárido. Dado que cada uno de los grupos hidroxilo del sustrato puede ser un aceptor, los polisacáridos pueden ser lineales o ramificados. Los polisacáridos producidos pueden tener un papel estructural o metabólico en sí mismos, o incluso ser transferidos a lípidos o proteínas por enzimas llamadas oligosacariltransferasas .
Los ácidos grasos son sintetizados por la ácido graso sintasa (FAS), un conjunto de enzimas que catalizan las unidades de condensación de Claisen malonil-CoA sobre un cebador de acetil-CoA . Las cadenas de acilo se alargan mediante una secuencia de cuatro reacciones que se reproducen en un bucle con motivo de cada condensación de una nueva unidad de malonil-CoA . En animales y hongos (hongos), estas reacciones son llevadas a cabo por un complejo enzimático multifuncional llamado FAS I , mientras que en plantas y bacterias estas reacciones son catalizadas por un conjunto de enzimas distintas llamadas FAS II , cada una de las cuales es monofuncional.
Los terpenos y terpenoides son una gran familia de lípidos que incluyen los carotenoides y forman la clase principal de productos vegetales naturales. Estos compuestos resultan del ensamblaje y modificación de unidades de isopreno derivadas de precursores reactivos tales como isopentenilpirofosfato y dimetilalilpirofosfato . Estos precursores se pueden producir de diferentes formas. En animales y arqueas , la vía del mevalonato los sintetiza a partir de acetil-CoA, mientras que en plantas y bacterias la vía del metileritritol fosfato , también conocida como vía no mevalónica por anglicismo, los produce a partir de piruvato y de 3-fosfoglicerato . Estos donantes de unidades de isopreno se utilizan en particular en la biosíntesis de esteroides , en primer lugar para formar escualeno , que luego se pliega para revelar los ciclos constituyentes del lanosterol . Este esterol luego se puede convertir en otros esteroides como el colesterol y el ergosterol .
Los organismos tienen capacidades muy diversas para sintetizar los 22 aminoácidos proteinogénicos . La mayoría de las bacterias y plantas pueden producir todo lo que necesitan, pero los mamíferos solo pueden sintetizar doce aminoácidos por sí mismos, llamados no esenciales , lo que significa que su dieta debe proporcionarles nueve más: histidina , isoleucina , leucina , lisina , metionina , fenilalanina , treonina. , triptófano y valina : no utilizan pirrolisina , específica de las arqueas metanogénicas .
Algunos organismos simples, como la bacteria Mycoplasma pneumoniae , no pueden sintetizar ningún aminoácido y tomarlos todos de su anfitrión . Todos los aminoácidos se sintetizan a partir de intermedios de glucólisis , el ciclo de Krebs y la vía de las pentosas fosfato . El nitrógeno proviene del glutamato y la glutamina . La síntesis de aminoácidos depende de la formación del α-cetoácido apropiado, que luego se transamina para formar el aminoácido.
Los aminoácidos se ensamblan en proteínas formando enlaces peptídicos entre ellos, lo que da como resultado cadenas polipeptídicas lineales . Cada proteína tiene una secuencia determinada en residuos de aminoácidos: esta es su estructura primaria . Los aminoácidos pueden unirse en un número virtualmente ilimitado de combinaciones diferentes, cada combinación corresponde a una proteína en particular. Las proteínas se ensamblan a partir de aminoácidos que se activan de antemano en una molécula de ARN de transferencia (ARNt) mediante un enlace éster . Este precursor, llamado aminoacil-tRNA, se forma bajo la acción de enzimas específicas, aminoacil-tRNA sintetasas . Este aminoacil-tRNA puede ser procesado por un ribosoma , cuya función es unir los aminoácidos siguiendo la secuencia indicada por el RNA mensajero transcrito de los genes .
Los nucleótidos se producen a partir de aminoácidos a dióxido de carbono y formato a través de vías metabólicas que consumen mucha energía. Esta es la razón por la que la mayoría de los organismos tienen sistemas eficientes para recuperar los nucleótidos ya existentes. Las purinas se producen en forma de nucleósidos , es decir, de una nucleobase ligada a la ribosa . La adenina y la guanina se derivan tanto del monofosfato de inosina (IMP), producido a partir del carbono derivado de la glicina , como de la glutamina , el aspartato y el formiato transferidos al tetrahidrofolato . La pirimidina , a su vez, se produce a partir del orotato , que a su vez se deriva de la glutamina y el aspartato.
Todos los organismos están constantemente expuestos a especies químicas que no pueden utilizar como nutrientes y que podrían ser peligrosas si se acumulan en las células, sin proporcionar ningún beneficio metabólico. Estos compuestos se denominan xenobióticos . El cuerpo puede desintoxicar algunos de estos, como medicamentos , venenos y antibióticos, con la ayuda de grupos específicos de enzimas . En los seres humanos , tales enzimas incluyen citocromos P450 , glucuronosiltransferasas y glutatión S- transferasas . Esta enzima es un sistema de tres pasos para primero oxidar el xenobiótico (fase I) y luego conjugado de grupos solubles en el compuesto (Fase II) y, finalmente, para bombear hacia fuera de las células para estar opcionalmente metabolizado adicionalmente en los organismos multicelulares antes de ser finalmente excretados (fase III) . Estas reacciones son particularmente importantes desde un punto de vista ecológico porque están involucradas en la degradación microbiana de contaminantes y la biorremediación de suelos contaminados y derrames de petróleo . Muchas reacciones metabólicas microbianas también están presentes en los organismos multicelulares pero, dada la extrema diversidad de organismos unicelulares , estos últimos son capaces de procesar un número mucho mayor de xenobióticos que los multicelulares y pueden degradar incluso contaminantes persistentes, como los compuestos organoclorados .
Los organismos aeróbicos enfrentan estrés oxidativo . De hecho, la fosforilación oxidativa y la formación de enlaces disulfuro esenciales para el plegamiento de muchas proteínas producen derivados reactivos del oxígeno como el peróxido de hidrógeno . Estos peligrosos oxidantes son procesados por antioxidantes como el glutatión y enzimas como las catalasas y las peroxidasas .
Como los seres vivos están sujetos a cambios constantes en su entorno , su metabolismo debe adaptarse continuamente para mantener sus constantes fisiológicas, como la temperatura y la concentración intracelular de diferentes especies químicas , dentro de un rango de valores normales, que se denomina l ' homeostasis . La regulación del metabolismo también permite que los seres vivos respondan a los estímulos e interactúen con su entorno. Dos mecanismos relacionados son particularmente importantes para comprender los modos de control del metabolismo celular: por un lado, la regulación de una enzima es la modulación de la cinética de reacción de esa enzima, es decir, el aumento o disminución de la reducción de su actividad en respuesta a varios señales químicas y, por otro lado, el control que ejerce una enzima es el efecto de sus variaciones de actividad sobre la actividad global de una vía metabólica , representada por el flujo de metabolitos que toman esta vía. De hecho, una enzima puede estar altamente regulada y, por lo tanto, mostrar variaciones significativas en la actividad, sin tener ningún impacto en el flujo general de metabolitos a través de una vía en la que interviene, de modo que dicha enzima no controla esta vía metabólica.
Hay varios niveles de regulación del metabolismo. La regulación intrínseca es la autorregulación de una vía metabólica en respuesta a cambios en la concentración de sustratos o productos. Por lo tanto, reducir la concentración del producto de una vía metabólica puede aumentar el flujo de metabolitos a través de esa vía para compensar el agotamiento de este compuesto en la célula. Este tipo de regulación a menudo se basa en la regulación alostérica de varias enzimas en la vía metabólica. El control extrínseco se relaciona con las células de los organismos multicelulares que se encuentran con las otras señales celulares . Estas señales generalmente toman la forma de "mensajeros solubles en agua", como hormonas y factores de crecimiento , que son detectados por receptores de membrana específicos en la superficie de las células. Estas señales se transmiten dentro de la célula mediante un mecanismo de transducción de señales que involucra a mensajeros secundarios que a menudo actúan a través de la fosforilación de ciertas proteínas .
Un ejemplo muy bien conocido de control extrínseco es la regulación del metabolismo de la glucosa por la insulina . La insulina se produce en respuesta al aumento de azúcar en sangre , es decir, el nivel de glucosa en sangre . La unión de esta hormona a sus receptores celulares activa una cascada de proteína quinasas que hacen que las células absorban glucosa y la conviertan en moléculas de almacenamiento como ácidos grasos y glucógeno . El metabolismo del glucógeno está controlado por la actividad de la glucógeno fosforilasa , que degrada el glucógeno, y la glucógeno sintasa , que lo produce. Estas enzimas están reguladas simétricamente, con la fosforilación que activa la glucógeno fosforilasa pero inhibe la glucógeno sintasa. La insulina promueve la producción de glucógeno al activar las fosfatasas que reactivan la glucógeno sintasa y desactivan la glucógeno fosforilasa al reducir su fosforilación.
Las principales vías metabólicas mencionadas anteriormente, como la glucólisis y el ciclo de Krebs , están presentes en organismos que pertenecen a tres áreas de la vida: bacterias , eucariotas y arqueas . Es posible que los tres se remonten a un último ancestro común universal , presumiblemente procariota y posiblemente metanogénico con metabolismo completo de aminoácidos , nucleótidos , carbohidratos y lípidos ; las clorobactérias podrían ser los organismos aún vivos más antiguos. La conservación evolutiva de estas antiguas vías metabólicas podría deberse al hecho de que han surgido como soluciones óptimas para problemas metabólicos particulares, con la glucólisis y el ciclo de Krebs produciendo sus metabolitos de manera eficiente y en un mínimo de tiempo. Es posible que las primeras vías metabólicas basadas en enzimas estuvieran relacionadas con las purinas , mientras que las vías preexistentes habrían surgido en un mundo de ARN basado en ribozimas .
Se han propuesto muchos modelos para describir los mecanismos por los que aparecen nuevas vías metabólicas. Esto implica la adición secuencial de nuevas enzimas a vías más cortas, la duplicación o divergencia de vías preexistentes o la integración de enzimas preexistentes en nuevas vías metabólicas. La importancia relativa de estos diferentes mecanismos sigue siendo oscura, pero la genómica ha demostrado que las enzimas de la misma vía metabólica tienen una buena probabilidad de compartir un ancestro común, lo que tendería a mostrar que muchas vías evolucionaron gradualmente por la aparición de nuevas funcionalidades de pre pasos existentes en la vía metabólica en cuestión. Otro modelo de estudios sobre la evolución de las estructuras proteicas involucradas en las redes de vías metabólicas sugirió que las enzimas están integradas en gran medida en ellas para realizar funciones similares en diferentes vías metabólicas, lo cual es claramente evidente en la base de datos MANET . Estos procesos de integración tienen lugar según un patrón de mosaico. Una tercera posibilidad es la presencia de ciertos segmentos de vías metabólicas que pueden usarse de forma modular para revelar otras vías metabólicas y realizar funciones similares en diferentes moléculas.
Además de la aparición de nuevas vías metabólicas, la evolución también puede provocar la desaparición de determinadas funciones bioquímicas. Este es el caso, por ejemplo, de ciertos parásitos , que tienden a absorber las biomoléculas de su huésped y a perder la capacidad de sintetizarlas por sí mismos. Se observa una reducción similar en la capacidad metabólica en organismos endosimbióticos .
El metabolismo está sujeto a los principios de la termodinámica , que rigen el intercambio de calor y trabajo . La segunda ley de la termodinámica establece que en cualquier sistema cerrado , la entropía (es decir, el desorden) tiende a aumentar. Aunque la extrema complejidad de los seres vivos parece contradecir este principio, la vida solo es posible porque todos los organismos son sistemas abiertos , que intercambian materia y energía con su entorno . Por tanto, los seres vivos no están en equilibrio, sino que son sistemas disipativos que mantienen su alto grado de complejidad por el mayor incremento de la entropía de su entorno. El metabolismo celular se logra acoplando los procesos espontáneos de catabolismo con procesos no espontáneos de anabolismo : desde el punto de vista termodinámico, el metabolismo mantiene el orden creando desorden.
El metabolismo de descomponer moléculas grandes en moléculas pequeñas, lo que permite la liberación de energía, se llama catabolismo . La energía se almacena durante la fosforilación de ADP (difosfato de adenosina) a ATP (trifosfato de adenosina). Esta energía se utilizará para garantizar las diversas funciones de la célula.
Tres modos principales de producción de energía:
Sin embargo, existen varias vías metabólicas como lo demuestra esta imagen:
En animales fúngicos, bacterianos, vegetales o de sangre caliente o de sangre fría, diversos procesos hacen que la temperatura interna y externa y el metabolismo interactúen, con ciclos de retroalimentación más o menos complejos, que varían según la especie, los individuos, su forma y tamaño. masa corporal y antecedentes.
Las plantas y las levaduras parecen tener un termostato biológico simple; En el cangrejo Arabidopsis thaliana , una sola proteína ( histona H2A.Z) juega este papel para variaciones de temperatura de menos de 1 ° C. Esta proteína modifica el enrollamiento del ADN sobre sí misma y, por lo tanto, controla el acceso al ADN de ciertas moléculas inhibiendo o activando varias docenas de genes. Este efecto de “biotermostato” parece frecuente en la naturaleza, porque también se detecta en organismos tan diferentes como la levadura y un crucífero común.
La comprensión de estos mecanismos también debería ayudar a comprender mejor ciertos efectos (sobre los genes) del cambio climático .
La metabonómica mide la huella de la disrupción bioquímica provocada por enfermedades, fármacos o productos tóxicos. Introducido en la década de 1980 , esta disciplina ha comenzado a desempeñar un papel importante en la investigación y el desarrollo en la industria farmacéutica en el XXI ° siglo. Complementario a la genómica y proteómica , permite, por ejemplo, caracterizar modelos animales de diversas patologías para identificar nuevas dianas farmacológicas . La particularidad de la metabonómica es el análisis simultáneo de un gran número de metabolitos , es decir de pequeñas moléculas intermedias en las vías metabólicas , en medios biológicos como la orina o el plasma . Las herramientas de cribado metabólico (exploración amplia y sistemática) como la resonancia magnética nuclear o la espectrometría de masas se utilizan para identificar marcadores de toxicidad (o series de marcadores, correspondientes a perfiles metabólicos), con el objetivo de identificar fármacos candidatos temprano en el ciclo de desarrollo que exhibirán efectos adversos. Idealmente, los biomarcadores identificados en la fase preclínica serán no invasivos y se pueden utilizar en la fase clínica para seguir el inicio, progresión y curación de una patología. Para identificar nuevos metabolitos que sean marcadores de toxicidad, también es necesario conocer las denominadas variaciones "normales" del pool metabólico (efecto del ritmo circadiano , estrés , dieta , adelgazamiento , etc.). Así es posible descubrir las alteraciones metabólicas específicas de la patología estudiada.
Metafóricamente y por extensión, a veces hablamos de metabolismo urbano (un tema desarrollado en particular en Francia por Sabine Barles ), metabolismo industrial o social o societal para describir los insumos (recursos naturales, energía, tierra, humanos ...) y productos ( residuos, más o menos degradables y / o reciclados) que caracterizan estos sistemas .
Nicholson JK, Lindon JC, Holmes E. 'Metabonomics': comprensión de las respuestas metabólicas de los sistemas vivos a los estímulos fisiopatológicos a través del análisis estadístico multivariado de datos biológicos espectroscópicos de RMN. Xenobiotica 1999; 29: 1181-9.