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Ciencia del metabolismo

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Transformaciones de energía en metabolismo

La energía para las diversas funciones del cuerpo humano viene de las moléculas nutritivas se han analizado que, en un proceso llamado metabolismo. El metabolismo comprende de dos mayores parte: anabolism (acumulación, también llamada biosíntesis) y catabolismo (subdivisión).

La naturaleza exacta de reacciones catabólicas difiere de organismo al organismo y los organismos se pueden clasificar sobre la base de sus fuentes de energía y carbono:

  • en organotrophs, las fuentes orgánicas se utilizan como fuente de energía
  • en lithotrophs, se utilizan los substratos inorgánicos
  • en phototrophs, la luz del sol se utiliza como energía química
  • en heterotrophs, las composiciones orgánicas se utilizan como fuente de energía (las composiciones no son sintetizadas por el organismo, sino se obtienen a través de la comida).

Las reacciones comunes básicas en catabolismo incluyen las reacciones de la oxidación-reducción (redox) que implican la transferencia de electrones de las moléculas dispensadoras de aceite reducidas, tales como moléculas orgánicas, agua, amoníaco, sulfuro de hidrógeno o iones ferrosos, a las moléculas del aceptor, tales como oxígeno, nitrato o sulfato.

En los seres humanos y los animales (heterotrophs), las reacciones redox implican las moléculas orgánicas complejas que son analizadas a moléculas más simples, tales como dióxido de carbono y agua. En organismos fotosintéticos tales como instalaciones y cyanobacteria (phototrophs), estas reacciones de la electrón-transferencia no liberan energía. Estas reacciones apenas ayudan a salvar la energía absorbente de luz del sol.

Energía de las comidas

En seres humanos, la energía de la carrocería viene de las grasas, de los hidratos de carbono, y de las proteínas en la comida, haciéndonos heterotrophs. De las tres moléculas orgánicas, la grasa es la fuente de energía concentrada porque suministra más de dos veces ḿas energía para un peso dado como la proteína o el hidrato de carbono.

Las necesidades energéticas se expresan ordinariamente en términos de calorías o kilocalorías. Una kilocaloría (kcal) es la cantidad de energía térmica requerida para aumentar la temperatura de un kilogramo de agua por un grado Celsius. La grasa ofrece la mayoría de la energía por masa, en 9 kcal/g, seguidos por las proteínas y los hidratos de carbono (4 kcal/g) e hidratos de carbono hidratados (1,3 kcal/g). Los lípidos se analizan en los ácidos grasos, las proteínas en los aminoácidos, y los hidratos de carbono en la glucosa. Estos productos entonces experimentan reacciones redox.

La tasa metabólica básica (BMR) es el calor eliminado de la carrocería en descanso cuando la temperatura es normal. Una persona media requiere 2,000-2,400 calorías por día, mientras que un hombre grande que hace el trabajo pesado puede requerir hasta 6.000 calorías por día. Las necesidades energéticas de los niños varían basado extensamente en su edad, talla, y nivel de actividad.

Procesos catabólicos

Total, ambos procesos del metabolismo, catabolismo y anabolism, debe ocurrir en paralelo porque el catabolismo ofrece la energía necesaria para el anabolism. La carrocería utiliza la energía para una variedad de funciones. La energía es necesaria realizar el trabajo mecánico que implica el cambio en la situación o la orientación de una parte del cuerpo o de la célula sí mismo. Esto incluye el movimiento del músculo. Además, hay transporte y síntesis moleculares de biomoléculas.

El ATP (trifosfato de adenosina) es la molécula de la energía que transfiere energía química en células humanas. Generalmente la energía para sintetizar las moléculas del ATP se debe obtener de las moléculas de la comida. El ATP se sintetiza principal en las mitocondrias en las células, con un poco de ATP adicional sintetizadas en el citoplasma.

Ciclo del ADP del ATP. El trifosfato de adenosina es una substancia química orgánica que ofrece la energía para la célula. transferencia de energía intracelular. El difosfato de adenosina es composición orgánica para el metabolismo en célula. Haber del ejemplo: Designua/Shutterstock
Ciclo del ADP del ATP. El trifosfato de adenosina (ATP) es una substancia química orgánica que ofrece la energía para la célula. transferencia de energía intracelular. El difosfato de adenosina (ADP) es composición orgánica para el metabolismo en célula. Haber del ejemplo: Designua/Shutterstock

El catabolismo se puede dividir en tres escenarios principales:

  • Digestión - las moléculas orgánicas grandes (proteínas, lípidos, hidratos de carbono) son digeridas en sus componentes más pequeños (ácidos grasos, aminoácidos, y glucosa, respectivamente) fuera de la célula por las enzimas digestivas, tales como hidrolasas del glucósido para los hidratos de carbono y la pepsina para las proteínas.  Esto ocurre en el aparato digestivo de seres humanos.
  • Baja de la energía - los componentes más pequeños son trasladados a las células por las proteínas de transporte activo y convertidos a moléculas más pequeñas, típicamente la coenzima A (CoA del acetilo del acetilo), que libera una cierta energía. En el citoplasma, la glucosa se transforma más a fondo al piruvato, que causa la síntesis de dos moléculas del ATP. En seres humanos, estas pequeñas moléculas se transportan a través de los tejidos del sistema digestivo en tejidos circulatorios, después se distribuyen en la carrocería a donde están necesarias producir energía.
  • Producción del ATP - en el ciclo de ácido cítrico (también llamado el ciclo de Kreb o del TCA), el grupo del acetilo del CoA se oxida para regar y dióxido de carbono. La energía liberada de esto es salvada en el ATP por la reducción del dinucleótido de la adenina de la coenzima (NAD+) en el NADH en la cadena de transporte del electrón. Este proceso se llama fosforilación oxidativa y libera el dióxido de carbono como residuo.

Las diversas moléculas orgánicas ofrecen diversas cantidades de ATP. Cada molécula del ácido graso libera sobre 100 moléculas de ATP, y cada molécula del aminoácido libera casi 40 moléculas del ATP.

Los aminoácidos se pueden oxidar a los ácidos cetónicos por el retiro del grupo amino, que se introduce al ciclo de la urea. Es entonces el ácido cetónico que incorpora el ciclo de ácido cítrico y contribuye a la producción del ATP.

Cuando no hay oxígeno (condiciones anaeróbicas), se produce menos ATP. El ciclo de la glicolisis produce el lactato, a través de la deshidrogenasa del lactato de la enzima, que oxida de nuevo el NADH a NAD+ para la reutilización en glicolisis. Las grasas se pueden analizar al glicerol, que incorpora glicolisis.

Biomoléculas dominantes

Mientras que las proteínas, los hidratos de carbono, y las grasas son fuentes importantes para las reacciones catabólicas, también se necesitan para las otras funciones alrededor de la carrocería. Algunos también se producen con anabolism, además de la DNA. Los minerales son también importantes para los propósitos metabólicos.

Proteínas

Las proteínas se hacen de aminoácidos. Durante el proceso de síntesis de la proteína, los aminoácidos se conectan en las cadenas largas llamadas las cadenas del polipéptido. Éstos son ensamblados juntos por las ligazones de péptido. Las cadenas del polipéptido experimentan la modificación adicional a las proteínas de la forma.

Algunas proteínas se utilizan para formar la estructura de las células y de los tejidos, mientras que muchos otras son las enzimas que catalizan diversas reacciones químicas en la carrocería. Las proteínas son también importantes en la transmisión de señales de la célula, inmunorespuestas, la adherencia de célula, el transporte activo a través de las membranas, y el ciclo celular.

Las coenzimas son las proteínas non- (como los minerales o los metales) que median varias reacciones químicas en los caminos metabólicos de la carrocería. Éstos bajan bajo algunos tipos básicos de reacciones que impliquen la transferencia de grupos funcionales.

Las coenzimas ayudan en la transferencia de la energía también. Una coenzima central es el trifosfato de adenosina (ATP), el dinero en circulación de la energía de células. Hay solamente una pequeña cantidad de ATP en células, pero se regenera contínuo. Otros incluyen el dinucleótido de adenina de niconamida (NADH), un derivado de la vitamina B3 que actúa como aceptor del hidrógeno.

Los centenares de tipos separados de deshidrogenasas quitan electrones de sus substratos y reducen NAD+ en el NADH. Esta forma reducida de la coenzima es entonces un substrato para los reductases uces de los en la célula que necesitan reducir sus substratos. El NADH existe en dos formas relacionadas en la célula, el NADH y el NADPH. La forma de NAD+/NADH es más importante en reacciones catabólicas, mientras que NADP+/NADPH se utilizan en reacciones anabólicas.

Hidratos de carbono

Los hidratos de carbono ofrecen la fuente de energía básica en la carrocería. Los hidratos de carbono son aldehidos o cetonas de la derecho-cadena con los grupos de oxhidrilo que pueden existir como cadenas derechas o anillos.

Los hidratos de carbono son abundantes en naturaleza y desempeñan varios papeles en organismos vivos. Pueden ser convertidos a los glycogens y ser utilizados como fuentes de energía del almacenamiento como componentes estructurales (celulosa en instalaciones, quitina en animales) y como fuente de energía directa (glucosa).

Lípidos

Los lípidos son los productos bioquímicos importantes que tienen una función versátil en la carrocería. Forman la pieza estructural de las membranas biológicas, tales como la membrana celular, o se utilizan como fuente de energía. Las grasas son un grupo grande de las composiciones que contienen los ácidos grasos y el glicerol. La producción toma a menudo la forma de esteroides, tales como colesterol, es otra clase importante de los lípidos que se hacen en células.

Ejemplo de los lípidos y de las grasas. Haber: Naeblys/Shutterstock
Ejemplo de los lípidos y de las grasas. Haber: Naeblys/Shutterstock

Nucleótidos

Ayuda de los nucleótidos en la formación de DNA y de ARN. La DNA y el ARN son cadenas largas de los nucleótidos críticos para el almacenamiento y el uso de la información genética. El ARN y la DNA también cifran para la síntesis de la proteína. Además, los nucleótidos pueden actuar como las coenzimas en reacciones de transferencia de grupo metabólicas.

Cofactores y minerales en metabolismo

Las composiciones orgánicas (proteínas, lípidos e hidratos de carbono) contienen a la mayoría del carbono y del nitrógeno en seres humanos, mientras que la mayor parte del oxígeno y el hidrógeno está presentes bajo la forma de agua.
Hay varios minerales y vitaminas que desempeñan papeles críticos en metabolismo. Común y abundante entre éstos son el sodio y el potasio. Otros minerales importantes incluyen el calcio, el fósforo, el hierro, los iones del cloruro, el cobre, el cinc, el flúor, el yodo, y el magnesio. Los microalimentos del metal son tomados en organismos por los transportadores específicos.

Los cationes actúan a menudo como cofactores que estén limitados apretado a una proteína específica. Los cofactores de la enzima se pueden modificar durante catálisis pero los cofactores vuelven siempre a su estado original después de que haya ocurrido la catálisis.

La termodinámica del metabolismo

Los procesos metabólicos son reacciones químicas, y éstos implican a menudo la generación de calor. El metabolismo celular acopla los procesos espontáneos del catabolismo con los procesos no-espontáneos del anabolism. En términos termodinámicos, el metabolismo mantiene el equilibrio.

Las reacciones químicas se clasifican como siendo exergónicas o endergónicas. Eso significa que una reacción puede liberar la energía útil para el trabajo (una reacción exergónica) o requiere energía proceder (una reacción endergónica). La producción de ATP durante catabolismo es por lo tanto exergónica, mientras que el anabolism es una reacción endergónica.

Mando del metabolismo

Los caminos metabólicos son complejos e interdependientes. Con los ambientes cambiantes, las reacciones del metabolismo se deben regular fino para mantener un equipo constante de condiciones dentro de las células - una condición llamada homeostasis. El mando de caminos metabólicos también permite que los organismos respondan a las señales y que obren recíprocamente con sus ambientes.

Niveles de regla metabólica

Hay niveles múltiples de regla metabólica. Para la regla intrínseca de caminos metabólicos, las reacciones uno mismo-regulan para responder a los cambios en los niveles de substratos o de productos. Por ejemplo, una disminución de la cantidad de producto puede aumentar el camino metabólico. Esto se llama un mecanismo de reacción.

El mando extrínseco implica una célula en un organismo multicelular que cambia su metabolismo en respuesta a señales de otras células. Las señales se acercan a los caminos vía mensajeros solubles, tales como hormonas y factores de incremento. Por ejemplo, la insulina de la hormona de las células beta del páncreas se produce en respuesta a subidas de niveles de la glucosa en sangre. El atar de la hormona a los receptores de la insulina en las células entonces activa una cascada de las cinasas de proteína que hacen las células tomar la glucosa y convertirla en las moléculas del almacenamiento, tales como ácidos grasos y glicógeno.

Regla del metabolismo de hidrato de carbono

El homeostasis de la glucosa es una acción recíproca complicada de caminos metabólicos, pero es vital para los organismos vivos. Estos procesos aumentan o disminuyen la concentración de la glucosa en sangre pero trabajan juntos para mantener un nivel óptimo.

La glucosa se deriva de los hidratos de carbono admitidos la dieta. El hidrato de carbono se digiere a los azúcares simples: glucosa, fructosa y galactosa. Estos azúcares se absorben en el intestino y se transportan al hígado vía la vena porta. El hígado convierte después de eso la fructosa y la galactosa en la glucosa. Los niveles de levantamiento de glucosa en la sangre estimulan la baja de la insulina de las células beta de los islotes de Langerhans en el páncreas.

La insulina es la única hormona que reduce niveles de la glucosa en sangre, y hace esto activando los mecanismos de transporte de la glucosa y glucosa-utilizando caminos metabólicos en diversos tejidos de la carrocería. Así, la insulina hacia abajo-regula la glucosa que forma caminos.

Insulina y glucosa. las Beta-células (en el páncreas) liberan la insulina en el vaso sanguíneo. La insulina estimula la amortiguación de la glucosa en músculo esquelético. Primer del páncreas y de islotes de Langerhans. Haber de imagen: Designua/Shutterstock
Insulina y glucosa. insulina de la baja de las Beta-células (en el páncreas) en el vaso sanguíneo. La insulina estimula la amortiguación de la glucosa en músculo esquelético. Primer del páncreas y de islotes de Langerhans. Haber de imagen: Designua/Shutterstock

La insulina estimula la absorción de la glucosa (por el músculo y el tejido adiposo), la glicolisis, el glycogenesis (formación de glicógeno de la glucosa libre), y la síntesis de la proteína. Inversamente, la insulina inhibe la gluconeogénesis (formación de glucosa de los ácidos grasos, del etc.), la lipolisis (avería de ácidos grasos), la proteólisis (avería de proteínas), y el ketogenesis (formación de carrocerías de cetona).  

Desordenes y manipulación metabólicos

Los caminos metabólicos son complejos y a menudo interdependientes. Cualquier cambio en los caminos puede dar lugar a desordenes complejos. Por ejemplo, el desequilibrio del homeostasis de la glucosa y del metabolismo de hidrato de carbono se conecta a la diabetes. Esto hace la investigación de caminos metabólicos y de manipularlos importantes en diagnosis y la administración clínicas.

Investigaciones de caminos y de desordenes metabólicos

Una de las herramientas más útiles para investigar caminos metabólicos imbalanced es evaluación del productos finales de los caminos los'. Por ejemplo, en la diabetes mellitus hay una falta de la insulina de la hormona que mantiene el azúcar de sangre normal, y la evaluación del ayuno (después de 8 a 10 horas de ninguna comida) y post prandial (2 horas después de la admisión de la comida) azúcar de sangre ayuda en diagnosis.

Otros métodos por los cuales los caminos metabólicos se pueden investigar en la investigación (solamente el cuidado no clínico) están con el uso de trazadores radioactivos o del metabolomics. Los trazadores radioactivos pueden ayudar a definir los caminos de precursores a los productos finales determinando intermedios y productos radioactivo etiqueta. Una vez que se fijan las substancias químicas marcadas con etiqueta, las enzimas que catalizan estas reacciones químicas pueden ser purificadas y su cinética y reacciones a los inhibidores pueden ser investigadas. Los estudios de Metabolomic pueden ofrecer la información sobre la estructura y la función de caminos metabólicos simples. Sin embargo, estos estudios pueden ser inadecuados cuando están aplicados a sistemas más complejos, tales como el metabolismo de una célula completa. Esto es porque las redes metabólicas dentro de la célula contienen millares de diversas enzimas y de redes complejas. Los genomas revelan que hay casi 45 000 genes que pueden cifrar para las enzimas y otros cofactores dentro de los caminos metabólicos.

Manipulación de caminos metabólicos

Puesto que el advenimiento de estudios genomic, manipulación de la expresión génica de estudios proteomic y de la DNA del microarray se ha desarrollado. Muchos de los desordenes metabólicos innatos se han tratado con terapia génica y la manipulación de los genes que cifraban para las enzimas y las proteínas defectuosas en los caminos metabólicos.

Usando genética, un modelo del metabolismo humano ahora se ha producido, que conducirá el descubrimiento futuro de la droga y la investigación bioquímica. Estos modelos ahora se están utilizando en análisis de red, para clasificar enfermedades humanas en los grupos que comparten las proteínas o los metabilitos comunes.

La ingeniería metabólica es haber apuntado y el cambio útil de caminos metabólicos encontró en un organismo. Esto ayuda en la comprensión y utilizar de los caminos celulares para la transformación química, la transducción de la energía, y el montaje supramolecular. La ingeniería metabólica extrae principios de la ingeniería química, de ciencias de cómputo, de bioquímica, y de biología molecular para diseñar y para analizar caminos.

La ingeniería metabólica utiliza organismos tales como levadura, las instalaciones o las bacterias que genético se modifican para hacerlos más útiles en biotecnología y para ayudar a la producción de drogas, tales como antibióticos o los 1,3 ácidos industrial del propanediol de las substancias químicas y shikimic. Estas modificaciones se dirigen que reducen la cantidad de energía usada para producir el producto, los rendimientos cada vez mayores y reducir la producción de desechos.

Evolución

Los caminos metabólicos incluyen varias reacciones moleculares y químicas largas y complejas que se han conservado a lo largo de la evolución, tales que incluso los organismos más simples comparten algunos caminos metabólicos comunes con los organismos complejos tales como seres humanos.

La retención de estos caminos antiguos puede ser el resultado de estas reacciones que son una solución óptima a sus problemas metabólicos determinados. Por ejemplo, la glicolisis y el ciclo de ácido cítrico producen sus productos finales altamente eficientemente y en un número mínimo de pasos. Esta economía y situación óptima ha llevado a la evolución de estas reacciones en un cierto plazo.

Evolución del ciclo de ácido cítrico

El origen evolutivo del ciclo de ácido cítrico ha sido de largo un caso modelo en la comprensión del origen y de la evolución de caminos metabólicos. Aunque los pasos químicos del ciclo se preserven intacto en la naturaleza, los organismos diversos hacen uso diverso de su química. En algunos casos, los organismos utilizan solamente las porciones seleccionadas del ciclo.

Más de una hipótesis se ha propuesto para explicar la evolución de caminos metabólicos. Éstos incluyen la adición secuencial de enzimas nuevas a caminos anteriores mucho más cortos, así como el reclutamiento de enzimas preexistentes y de su montaje en un camino de reacción nuevo.

Los estudios Genomic han mostrado que las enzimas en un camino son probables tener una ascendencia compartida, sugiriendo que muchos caminos se han desarrollado en una moda gradual. A lo largo del revelado de los caminos, las funciones nuevas fueron creadas de pasos preexistentes en el camino.

Una hipótesis alternativa viene de los estudios que trazan la evolución de las estructuras de las proteínas en redes metabólicas. Esto muestra que las enzimas penetrante están reclutadas. Este reclutamiento tramita resultado en un mosaico enzimático evolutivo.

Hay también una posibilidad que algunas partes de metabolismo pudieron existir como “módulos” que pueden ser reutilizados en diversos caminos y realizar funciones similares en diversas moléculas. Además, algunas de las funciones y las partes de los caminos que no son esenciales para la supervivencia se pierden sobre tim.

Historia

El metabolismo y los caminos metabólicos se han estudiado durante varios siglos y se ha movido desde el examen de animales enteros en estudios tempranos, a examinar reacciones metabólicas individuales en bioquímica moderna y biología molecular.

Estudios metabólicos tempranos

Los estudios metabólicos han conducto ya desde el siglo XIII por el al-Nafis de Ibn (1213-1288), que declaró que “la carrocería y sus piezas están en un estado contínuo de la disolución y del alimento, así que están experimentando inevitable el cambio permanente.”

Los estudios registrados y sofisticados de la original del metabolismo comenzaron en las décadas cerradas del siglo XVI. Era durante este tiempo que la observación directa fue aumentada por la instrumentación que dio un plazo para la cuantificación y, por lo tanto, la verificación en ciencias, especialmente de sistemas biológicos. En remedio, el progreso dependió del uso de las ciencias exactas de la química, de las matemáticas y de la física al estudio de la función.

Santorio Sanctorius (1561 - 1636) contribuyó a los estudios metabólicos explorando la transpiración. Sus esfuerzos durante años de experimentación dieron lugar a los estudios del equilibrio metabólico. Los primeros experimentos controlados en metabolismo humano fueron publicados por Santorio Santorio en 1614 en su libro “medecina del ARS de statica”. En sus experimentos, él se pesó antes y después de la consumición, del sueño, funcionamiento, sexo, ayunando, bebiendo, y excretando. Él encontró que la mayor parte de la comida que él admitió fue perdida con lo que él llamó “transpiración insensible”.

Los estudios de la inicial del metabolismo conducto en animales vivos o voluntarios del ser humano. Los mecanismos de estos procesos metabólicos todavía no habían sido determinados y una fuerza vital fue pensada para animar el tejido vivo.

Estudios metabólicos del siglo XIX

Era en el siglo XIX en que Louis Pasteur experimentaba con la fermentación de levadura del azúcar al alcohol que él observó que la fermentación fue catalizada por las substancias dentro de las células de levadura que él llamó “fermentos”.

Este descubrimiento, junto con la publicación por Friedrich Wöhler en 1828 de la síntesis química de la urea, puso la base para estudiar composiciones orgánicas y las reacciones químicas encontradas en las células que componen caminos metabólicos.

Estudios metabólicos del siglo XX

Eduard Buchner al principio del siglo XX avance el conocimiento más lejos descubriendo las enzimas. Él encontró que el estudio de las reacciones químicas del metabolismo era un diverso brazo del estudio biológico de células y comenzó a entender los fundamentos de la bioquímica. El comienzo del siglo XX consideró el revelado rápido en estudios bioquímicos.

Las conclusión más notables eran el descubrimiento del ciclo de ácido cítrico por Hans Krebs, que hizo contribuciones enormes al estudio del metabolismo. Él descubrió el ciclo de la urea y más adelante, trabajando con Hans Kornberg, el ciclo de ácido cítrico y el ciclo del glicoxilato.

Estudios metabólicos actuales

El metabolismo ahora se estudia con la ayuda de técnicas y de genómica moleculares de la biotecnología. Los instrumentos tales como cromatografía, difracción de radiografía, espectroscopia del RMN, radioisótopo etiqueta, microscopia electrónica y las simulaciones de la dinámica molecular son de uso general. Estas técnicas han permitido el descubrimiento y el análisis detallado de los caminos metabólicos y la base genética de desordenes metabólicos.

Los estudios durante los dos siglos pasados también han hecho avances en la comprensión del metabolismo de la droga y del metabolismo del xenobiotics.

Fuentes

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Last Updated: May 20, 2019

Sara Ryding

Written by

Sara Ryding

Sara is a passionate life sciences writer who specializes in zoology and ornithology. She is currently completing a Ph.D. at Deakin University in Australia which focuses on how the beaks of birds change with global warming.

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