El metabolismo celular se puede representar en mapas metabólicos.
Algunos metabolitos son sustratos de muchas enzimas diferentes y por tanto pueden incorporarse a muchas otras moléculas. Por el contrario, también hay metabolitos que solo sirven de intermediarios en la biosíntesis de un aminoácidos dado, como el triptófano, o en una ruta metabólica muy diferente, como la que permite usar el triptófano como alimento. Por eso los esquemas de las rutas metabólicas que enlazan las moléculas de las células (mapas metabólicos) no son desesperadamente complejas, sino que ofrecen un cuadro significativo del uso celular de los alimentos para obtener los metabolitos y la energía necesarios para la síntesis de los monómeros precursores de polisacáridos complejos, como el glucógeno, o de proteínas y ácidos nucleicos aún mas complejos.
Vemos también que por cada metabolito celular tiene que haber por lo menos una enzima que catalice directamente su síntesis, y muy a menudo otra para destruirlo cuando ya no haga falta. El número de enzimas de la célula tiene que exceder con mucho al de metabolitos. Las enzimas, como sus metabolitos, no se encuentran todos en la misma cantidad; las que tienen sustratos menos abundantes (como las vitaminas) son asimismo poco abundantes.
Las redes metabólicas son sistemas de reacciones no lineales altamente complejas cuyas funciones son fuertemente coordinadas y reguladas por mecanismos de retroalimentación para satisfacer las demandas fisiológicas de los seres vivos. Los modelos matemáticos dinámicos de las rutas metabólicas que permiten la predicción como el metabolismo puede responder a la manipulación.
La regulación de ambos tipos de rutas es independiente, puesto que enzimáticamente están controladas por catalizadores enzimáticos diferentes, y asimismo pueden estar ocurriendo en localizadores distintos dentro de células eucariotas. Esto permite que ocurra simultáneamente y de forma independiente. Aunque las correspondientes rutas del catabolismo y anabolismo no son idénticas, la Fase III constituye un punto de cita central o de ruta asequible al catabolismo y al anabolismo. Esta ruta central común, designada a veces como ruta anfibólica, posee una doble función, así, la ruta puede utilizarse catabólicamente para producir la degradación completa de pequeñas moléculas que se derivan de la Fase II del catabolismo, o bien anabólicamente para suministrar moléculas pequeñas utilizables como precursores en las reacciones biosintéticas.
El metabolismo intermediario comprende mapas enzimáticos aparentemente muy complejos, pero la forma y función de las rutas metabólicas centrales no resultan de difícil comprensión. Además, las rutas centrales del metabolismo son muy parecidas en la mayor parte de las formas de vida.
Estudiando las rutas metabólicas puede concluirse que la naturaleza se ha adaptado para producir la transformación de un precursor en otra molécula producto, en tanto pasos como sean necesarios en función de los “quantum” o movimientos de energía libre inherente al grupo fosfato del ATP.
Métodos de estudio de las rutas metabólicas.
Cuando estudiamos el metabolismo hay que estudiar, la ruta en si, es decir los intermediarios y enzimas implicados en esa ruta, y su regulación. Hay tres formas clásicas para estudiar esto:
- Aislamiento y caracterización de las enzimas y los intermediarios implicados en la ruta.
- Uso de mutantes auxótrofos (mutantes que necesitan la presencia de un nutriente en el medio para sobrevivir). Esto me permite determinar el orden en que se suceden los precursores de la ruta.
- Uso de precursores isotópicamente marcados. (isótopos elementos con el mismo número atómico pero distinto peso atómico). Por ejemplo los isótopos radiactivos son fácilmente detectables porque son inestables y emiten partículas subatómicas como partículas . (32P, 14C y 3H). La resonancia magnética nuclear detecta isótopos específicos por las características de su spin nuclear (1H, 13C, 31P).
Regulación celular de las rutas metabólicas
La velocidad del catabolismo viene controlada por las necesidades de ATP (energía) de la célula en cada momento, y no por la concentración de sustratos. Las células sólo consumen su combustible en la medida que les es necesario para proporcionar la energía requerida para sus actividades en un instante determinado. Análogamente, la velocidad de biosíntesis de los componentes celulares se ajusta a las necesidades inmediatas. Es el principio de la máxima economía el que preside todos los aspectos del metabolismo. La regulación de cualquier ruta metabólica puede ocurrir a diversos niveles.
• Primer nivel. La velocidad de reacción de cada una de las reacciones enzimáticas dependerá del pH y de las concentraciones intracelulares de sustratos o productos y del cofactor, que son los elementos primarios para regular la actividad enzimática y que directamente afecta a la velocidad del proceso catalizado.
• Segundo nivel. Tal como vimos en el tema de enzimología, la actividad puede regularse de forma muy sensible gracias a las enzimas reguladoras. Muchos son inhibidos por el producto final de la reacción, mientras que otros son estimulados por algún metabolito o proteínas reguladoras. Como las enzimas alostéricas, interconvertibles,..
• Tercer nivel. Se realiza a través del control genético de la velocidad de síntesis del enzima y proteínas. Los enzimas que se hallan siempre en cantidades casi constantes en una determinada célula reciben el nombre de enzimas constitutivas, mientras que aquellas que se sintetizan solamente en respuesta a la presencia de ciertos sustratos se llaman enzimas inducibles.
• Los genes que especifican la síntesis de estos últimos se hallan generalmente bajo represión, y se desreprimen solamente en presencia de un agente inductor. Una secuencia completa de enzimas puede ser reprimida o inducida como si fuera un grupo, es decir, su síntesis está codificada por un conjunto de genes consecutivos en el ADN, llamado operón, que puede ser reprimido o desreprimido en conjunto.
• Cuarto nivel. En organismos multicelulares habría que apuntar un último nivel de regulación, el hormonal, que actúan como mensajeros químicos, trasladándose por la sangre hasta ciertos tejidos, donde activan o inhiben de forma específica determinadas rutas metabólicas.
Una secuencia metabólica o sea una serie de reacciones que tienen lugar en una célula viva, puede ser regulada de formas muy diversas. En la siguiente figura se representan estos posibles controles que son:
1. Por cambios en la velocidad de síntesis de las enzimas que catalizan todos y cada uno de los pasos de la secuencia.
2. Por cambios en la velocidad de degradación de las enzimas. Estos cambios pueden darse a nivel de la transcripción, y la velocidad de degradación del ARN sería entonces un factor que directamente afecta la velocidad de síntesis o de degradación de los enzimas resultantes de su traducción.
3. Por conversión de una forma inactiva de las enzimas en una forma activa o viceversa. Esta regulación denominada alostérica es muy frecuente.
4. Cambios en la concentración disponible de los sustratos. Si el proceso o la enzima se encuentran en un determinado compartimiento intracelular, estos cambios en la concentración de los sustratos en tal sitio pueden lograrse por alteraciones de la permeabilidad de la membrana celular o del organelo en cuestión.
5. Cambios en la concentración de los cofactores que participen en el proceso. Las coenzimas o los iones necesarios para la adecuada actividad de la enzima, también pueden sufrir alteraciones en la concentración disponible, por igual razón que los sustratos.
6. Cambios en la velocidad de remoción de los productos. Estos cambios afectan la velocidad de la reacción en la forma que lo indica la ley de la acción de masas.
7. Inhibición o activación de una enzima por uno de los productos de una reacción posterior. Este mecanismo de regulación por retroalimentación, está estrechamente ligado al tercero en muchos casos.
De hecho, todos estos mecanismos de regulación pueden ocurrir simultáneamente o pueden presentarse solamente algunos de ellos en los diferentes procesos metabólicos que ocurren en la células.
Algunos metabolitos son sustratos de muchas enzimas diferentes y por tanto pueden incorporarse a muchas otras moléculas. Por el contrario, también hay metabolitos que solo sirven de intermediarios en la biosíntesis de un aminoácidos dado, como el triptófano, o en una ruta metabólica muy diferente, como la que permite usar el triptófano como alimento. Por eso los esquemas de las rutas metabólicas que enlazan las moléculas de las células (mapas metabólicos) no son desesperadamente complejas, sino que ofrecen un cuadro significativo del uso celular de los alimentos para obtener los metabolitos y la energía necesarios para la síntesis de los monómeros precursores de polisacáridos complejos, como el glucógeno, o de proteínas y ácidos nucleicos aún mas complejos.
Vemos también que por cada metabolito celular tiene que haber por lo menos una enzima que catalice directamente su síntesis, y muy a menudo otra para destruirlo cuando ya no haga falta. El número de enzimas de la célula tiene que exceder con mucho al de metabolitos. Las enzimas, como sus metabolitos, no se encuentran todos en la misma cantidad; las que tienen sustratos menos abundantes (como las vitaminas) son asimismo poco abundantes.
Las redes metabólicas son sistemas de reacciones no lineales altamente complejas cuyas funciones son fuertemente coordinadas y reguladas por mecanismos de retroalimentación para satisfacer las demandas fisiológicas de los seres vivos. Los modelos matemáticos dinámicos de las rutas metabólicas que permiten la predicción como el metabolismo puede responder a la manipulación.
La regulación de ambos tipos de rutas es independiente, puesto que enzimáticamente están controladas por catalizadores enzimáticos diferentes, y asimismo pueden estar ocurriendo en localizadores distintos dentro de células eucariotas. Esto permite que ocurra simultáneamente y de forma independiente. Aunque las correspondientes rutas del catabolismo y anabolismo no son idénticas, la Fase III constituye un punto de cita central o de ruta asequible al catabolismo y al anabolismo. Esta ruta central común, designada a veces como ruta anfibólica, posee una doble función, así, la ruta puede utilizarse catabólicamente para producir la degradación completa de pequeñas moléculas que se derivan de la Fase II del catabolismo, o bien anabólicamente para suministrar moléculas pequeñas utilizables como precursores en las reacciones biosintéticas.
El metabolismo intermediario comprende mapas enzimáticos aparentemente muy complejos, pero la forma y función de las rutas metabólicas centrales no resultan de difícil comprensión. Además, las rutas centrales del metabolismo son muy parecidas en la mayor parte de las formas de vida.
Estudiando las rutas metabólicas puede concluirse que la naturaleza se ha adaptado para producir la transformación de un precursor en otra molécula producto, en tanto pasos como sean necesarios en función de los “quantum” o movimientos de energía libre inherente al grupo fosfato del ATP.
Métodos de estudio de las rutas metabólicas.
Cuando estudiamos el metabolismo hay que estudiar, la ruta en si, es decir los intermediarios y enzimas implicados en esa ruta, y su regulación. Hay tres formas clásicas para estudiar esto:
- Aislamiento y caracterización de las enzimas y los intermediarios implicados en la ruta.
- Uso de mutantes auxótrofos (mutantes que necesitan la presencia de un nutriente en el medio para sobrevivir). Esto me permite determinar el orden en que se suceden los precursores de la ruta.
- Uso de precursores isotópicamente marcados. (isótopos elementos con el mismo número atómico pero distinto peso atómico). Por ejemplo los isótopos radiactivos son fácilmente detectables porque son inestables y emiten partículas subatómicas como partículas . (32P, 14C y 3H). La resonancia magnética nuclear detecta isótopos específicos por las características de su spin nuclear (1H, 13C, 31P).
Regulación celular de las rutas metabólicas
La velocidad del catabolismo viene controlada por las necesidades de ATP (energía) de la célula en cada momento, y no por la concentración de sustratos. Las células sólo consumen su combustible en la medida que les es necesario para proporcionar la energía requerida para sus actividades en un instante determinado. Análogamente, la velocidad de biosíntesis de los componentes celulares se ajusta a las necesidades inmediatas. Es el principio de la máxima economía el que preside todos los aspectos del metabolismo. La regulación de cualquier ruta metabólica puede ocurrir a diversos niveles.
• Primer nivel. La velocidad de reacción de cada una de las reacciones enzimáticas dependerá del pH y de las concentraciones intracelulares de sustratos o productos y del cofactor, que son los elementos primarios para regular la actividad enzimática y que directamente afecta a la velocidad del proceso catalizado.
• Segundo nivel. Tal como vimos en el tema de enzimología, la actividad puede regularse de forma muy sensible gracias a las enzimas reguladoras. Muchos son inhibidos por el producto final de la reacción, mientras que otros son estimulados por algún metabolito o proteínas reguladoras. Como las enzimas alostéricas, interconvertibles,..
• Tercer nivel. Se realiza a través del control genético de la velocidad de síntesis del enzima y proteínas. Los enzimas que se hallan siempre en cantidades casi constantes en una determinada célula reciben el nombre de enzimas constitutivas, mientras que aquellas que se sintetizan solamente en respuesta a la presencia de ciertos sustratos se llaman enzimas inducibles.
• Los genes que especifican la síntesis de estos últimos se hallan generalmente bajo represión, y se desreprimen solamente en presencia de un agente inductor. Una secuencia completa de enzimas puede ser reprimida o inducida como si fuera un grupo, es decir, su síntesis está codificada por un conjunto de genes consecutivos en el ADN, llamado operón, que puede ser reprimido o desreprimido en conjunto.
• Cuarto nivel. En organismos multicelulares habría que apuntar un último nivel de regulación, el hormonal, que actúan como mensajeros químicos, trasladándose por la sangre hasta ciertos tejidos, donde activan o inhiben de forma específica determinadas rutas metabólicas.
Una secuencia metabólica o sea una serie de reacciones que tienen lugar en una célula viva, puede ser regulada de formas muy diversas. En la siguiente figura se representan estos posibles controles que son:
1. Por cambios en la velocidad de síntesis de las enzimas que catalizan todos y cada uno de los pasos de la secuencia.
2. Por cambios en la velocidad de degradación de las enzimas. Estos cambios pueden darse a nivel de la transcripción, y la velocidad de degradación del ARN sería entonces un factor que directamente afecta la velocidad de síntesis o de degradación de los enzimas resultantes de su traducción.
3. Por conversión de una forma inactiva de las enzimas en una forma activa o viceversa. Esta regulación denominada alostérica es muy frecuente.
4. Cambios en la concentración disponible de los sustratos. Si el proceso o la enzima se encuentran en un determinado compartimiento intracelular, estos cambios en la concentración de los sustratos en tal sitio pueden lograrse por alteraciones de la permeabilidad de la membrana celular o del organelo en cuestión.
5. Cambios en la concentración de los cofactores que participen en el proceso. Las coenzimas o los iones necesarios para la adecuada actividad de la enzima, también pueden sufrir alteraciones en la concentración disponible, por igual razón que los sustratos.
6. Cambios en la velocidad de remoción de los productos. Estos cambios afectan la velocidad de la reacción en la forma que lo indica la ley de la acción de masas.
7. Inhibición o activación de una enzima por uno de los productos de una reacción posterior. Este mecanismo de regulación por retroalimentación, está estrechamente ligado al tercero en muchos casos.
De hecho, todos estos mecanismos de regulación pueden ocurrir simultáneamente o pueden presentarse solamente algunos de ellos en los diferentes procesos metabólicos que ocurren en la células.
Leer más: http://biounalm.com/2010/04/disenando-nuevas-rutas-metabolicas.html#ixzz0pS7rHiiS
Mapas metabólicos: http://www.genome.jp/kegg/pathway.html
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