Hispanopedia WikiEn bioquímica , el flujo metabólico (a menudo denominado flujo ) es la tasa de recambio de moléculas a través de una vía metabólica . El flujo está regulado por las enzimas involucradas en una vía. Dentro de las células , la regulación del flujo es vital para que todas las vías metabólicas regulen su actividad bajo diferentes condiciones. [ 1 ] Por lo tanto, el flujo es de gran interés en el modelado de redes metabólicas , donde se analiza mediante análisis de balance de flujo y análisis de control metabólico .
De esta manera, el flujo es el movimiento de materia a través de redes metabólicas conectadas por metabolitos y cofactores , y es, por lo tanto, una forma de describir la actividad de la red metabólica en su conjunto utilizando una sola característica.
Flujo metabólico
Es más fácil describir el flujo de metabolitos a través de una vía metabólica considerando los pasos de reacción individualmente. El flujo de los metabolitos a través de cada reacción ( J ) es la velocidad de la reacción directa ( Vf ), menos la de la reacción inversa ( Vr ) : [ 2 ]
En el equilibrio , no hay flujo. Además, se observa que a lo largo de una trayectoria en estado estacionario, el flujo está determinado en distintos grados por todos los pasos de la trayectoria. El grado de influencia se mide mediante el coeficiente de control de flujo .
Control del flujo metabólico
El control del flujo a través de una vía metabólica requiere que
- El grado en que los pasos metabólicos determinan el flujo metabólico varía según las necesidades metabólicas de los organismos.
- El cambio en el flujo que se produce debido al requisito anterior se comunica al resto de la vía metabólica para mantener un estado estacionario. [ 2 ]
Control del flujo en las vías metabólicas:
- El control del flujo es una propiedad sistémica, es decir, depende, en distintos grados, de todas las interacciones del sistema.
- El control del flujo se mide mediante el coeficiente de control de flujo.
- En una cadena lineal de reacciones, el coeficiente de control de flujo tendrá valores entre cero y uno.
- Un paso con un coeficiente de control de flujo de cero significa que ese paso en particular no tiene ninguna influencia sobre el flujo en estado estacionario.
- Un paso en una cadena lineal con un coeficiente de control de flujo de uno significa que ese paso en particular tiene un control total sobre el flujo en estado estacionario.
- El coeficiente de control de flujo solo puede medirse en el sistema intacto y no puede determinarse, por ejemplo, mediante la inspección de una enzima aislada in vitro.
Redes metabólicas
El metabolismo celular se caracteriza por un gran número de reacciones metabólicas que implican la conversión de la fuente de carbono (generalmente glucosa ) en los componentes básicos necesarios para la biosíntesis macromolecular . Estas reacciones forman redes metabólicas dentro de las células, las cuales pueden utilizarse para estudiar el metabolismo celular.
Para que estas redes interactúen, es necesaria una estrecha conexión entre ellas. Esta conexión se logra mediante el uso de cofactores comunes como ATP , ADP , NADH y NADPH . Además, el intercambio de algunos metabolitos entre las diferentes redes refuerza aún más sus conexiones.
Control de las redes metabólicas
Las redes metabólicas existentes controlan el movimiento de moléculas a través de sus pasos enzimáticos regulando las enzimas que catalizan reacciones irreversibles. El movimiento de moléculas a través de pasos reversibles generalmente no está regulado por enzimas, sino por la concentración de productos y reactivos. [ 3 ] Las reacciones irreversibles en los pasos regulados de una vía tienen un cambio de energía libre negativo, promoviendo así reacciones espontáneas en una sola dirección. Las reacciones reversibles tienen un cambio de energía libre nulo o muy pequeño. Como resultado, el movimiento de moléculas a través de una red metabólica está regido por equilibrios químicos simples (en los pasos reversibles), con enzimas clave específicas que están sujetas a regulación (en los pasos irreversibles). Esta regulación enzimática puede ser indirecta, en el caso de una enzima regulada por algún mecanismo de señalización celular (como la fosforilación), o puede ser directa, como en el caso de la regulación alostérica , donde los metabolitos de una porción diferente de una red metabólica se unen directamente a otras enzimas y afectan su función catalítica para mantener la homeostasis .
Un resultado que puede parecer contraintuitivo a primera vista es que los pasos regulados tienden a tener coeficientes de control de flujo pequeños. Esto se debe a que estos pasos forman parte de un sistema de control que estabiliza los flujos; por lo tanto, una perturbación en la actividad de un paso regulado inevitablemente activará el sistema de control para contrarrestarla, lo que resultará en coeficientes de control de flujo pequeños. Esto explica, por ejemplo, por qué la fosfofructocinasa en la glucólisis tiene un coeficiente de control de flujo tan pequeño. [ 4 ]
Flujos y genotipo
Los flujos metabólicos son función de la expresión génica , la traducción , las modificaciones postraduccionales de las proteínas y las interacciones proteína- metabolito . [ 5 ]
Flujos y fenotipo
La función del metabolismo central del carbono (metabolismo de la glucosa) se ha ajustado con precisión para satisfacer las necesidades de los componentes básicos y la energía libre de Gibbs, en conjunto con el crecimiento celular. Por lo tanto, existe una regulación estricta de los flujos a través del metabolismo central del carbono.
El flujo en una reacción se puede definir en función de una de tres cosas.
- La actividad de la enzima que cataliza la reacción
- Las propiedades de la enzima
- La concentración del metabolito afecta la actividad enzimática. [ 5 ]
Teniendo en cuenta lo anterior, los flujos metabólicos pueden describirse como la representación última del fenotipo celular cuando se expresan bajo ciertas condiciones.
Funciones del flujo metabólico en las células
Regulación del crecimiento de las células de mamíferos
Las investigaciones han demostrado que las células que experimentan un rápido crecimiento presentan cambios en su metabolismo. [ 6 ] Estos cambios se observan en el metabolismo de la glucosa . Dichos cambios se producen porque la tasa metabólica controla diversas vías de transducción de señales que coordinan la activación de factores de transcripción y determinan el progreso del ciclo celular.
Las células en crecimiento requieren la síntesis de nuevos nucleótidos, membranas y componentes proteicos. [ 5 ] [ 6 ] Estos materiales pueden obtenerse del metabolismo del carbono (por ejemplo, del metabolismo de la glucosa) o del metabolismo periférico. El aumento del flujo observado en las células con crecimiento anormal se debe a una alta captación de glucosa.
Cáncer
El flujo metabólico, y más específicamente cómo se ve afectado el metabolismo debido a cambios en las diversas vías metabólicas, ha cobrado mayor importancia desde que se observó que las células tumorales presentan un metabolismo de la glucosa aumentado en comparación con las células normales. [ 6 ] Mediante el estudio de estos cambios, es posible comprender mejor los mecanismos del crecimiento celular y, cuando sea posible, desarrollar tratamientos para contrarrestar los efectos del metabolismo aumentado.
Medición de flujos
Existen varias formas de medir los flujos, pero todas son indirectas. Por ello, estos métodos parten de una premisa fundamental: que todos los flujos que ingresan a un determinado reservorio de metabolitos intracelulares se compensan con todos los flujos que salen de dicho reservorio. [ 5 ]
Esta suposición implica que, para una red metabólica dada, los equilibrios en torno a cada metabolito imponen una serie de restricciones al sistema.
Las técnicas que se utilizan actualmente giran principalmente en torno al uso de la resonancia magnética nuclear ( RMN ) o la cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS).
Para evitar la complejidad del análisis de datos, recientemente se ha desarrollado un método más sencillo para estimar las proporciones de flujo, basado en la coalimentación de glucosa sin marcar y glucosa marcada uniformemente con 13C . Los patrones de los intermediarios metabólicos se analizan mediante espectroscopia de RMN . Este método también puede utilizarse para determinar las topologías de la red metabólica.
Véase también
Referencias
- ^ Voet, Donald ; Voet, Judith G. (1995). Bioquímica (2ª ed.). J. Wiley e hijos. pag. 439.ISBN 978-0-471-58651-7.
- ^ Voet , Donald; Voet, Judith G. (2011). Bioquímica (4ª ed.). John Wiley e hijos. pag. 620.ISBN 978-0-470-57095-1.
- ↑ Nelson, David L.; Cox, Michael M. (2004). Principios de bioquímica de Lehninger (4.ª ed.). WH Freeman. págs. 571, 592. ISBN 978-0-71674339-2.
- ↑ Sauro, Herbert M. (febrero de 2017). "Control y regulación de vías a través de retroalimentación negativa" . Journal of the Royal Society Interface . 14 (127) 20160848. doi : 10.1098/rsif.2016.0848 . PMC 5332569. PMID 28202588 .
- 1 2 3 4 Nielsen, J (diciembre de 2003). "Todo se trata de flujos metabólicos" . J Bacteriol . 185 (24): 7031– 5. doi : 10.1128/jb.185.24.7031-7035.2003 . PMC 296266. PMID 14645261 .
- 1 2 3 Locasale, JW; Cantley, LC (5 de octubre de 2011). " Flujo metabólico y regulación del crecimiento celular en mamíferos" . Cell Metab . 14 (4): 443– 51. doi : 10.1016/j.cmet.2011.07.014 . PMC 3196640. PMID 21982705 .
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