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6: Células de combustible y construcción - Biología

6: Células de combustible y construcción - Biología


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Capítulo 6 BSC 3271 Resultados de aprendizaje

(algunos se repiten del Capítulo 5)

  • Identificar los dos tipos de procesos metabólicos mediante los cuales los quimioheterótrofos obtienen energía.
  • Explique por qué es necesario un aceptor terminal de electrones para los procesos metabólicos generadores de energía (respiración o fermentación).
  • Distinguir entre los dos mecanismos (__________ fosforilación y _____________ fosforilación) por los cuales se forma ATP en las células.
  • Diferenciar entre fermentación y respiración basándose en las siguientes preguntas:
    • ¿Es siempre, a veces o nunca un proceso anaeróbico?
    • ¿Mediante qué mecanismo se forma el ATP (a nivel de sustrato, oxidativo)?
    • ¿El aceptor terminal de electrones es siempre, a veces, o nunca orgánico?
    • ¿El aceptor terminal de electrones es siempre, a veces o nunca, inorgánico?
    • ¿Se genera el aceptor de electrones terminal dentro de la célula o se obtiene del entorno externo?
    • ¿Se utiliza una cadena de transporte de electrones para generar energía?
  • Compare la cantidad de ATP que se produce a partir de la glucosa mediante la respiración aeróbica, la respiración anaeróbica y la fermentación (consulte la tabla 5.4) (la mayor parte, en el medio o la menor; no se preocupe por los números exactos).
  • Dada una vía metabólica, determine si es una vía de fermentación utilizable basándose en 1) si produce una ganancia neta de ATP y 2) todos los NADH se reoxidan a NAD +.
  • Si se le presenta un proceso metabólico generador de energía (ya sea descrito o en una figura), determine si se trata de fermentación, respiración aeróbica o respiración anaeróbica.
  • Dibuje los procesos de fermentación y respiración del ácido láctico (general, incluida la ubicación celular).
  • Identificar los productos comunes de las fermentaciones bacterianas, incluido el tipo de molécula que siempre se produce en las fermentaciones bacterianas.
  • Explique cómo la oxidación / reducción de los portadores de electrones se puede vincular al bombeo de protones a través de una membrana.
  • Explique de dónde provienen los electrones para la cadena de transporte de electrones en un organismo que usa glucosa como fuente de energía y en qué molécula se transportan esos electrones. Considere tanto la fuente química original de los electrones como las vías metabólicas que recolectan esos electrones.
  • Defina la fuerza motriz del protón y explique por qué es necesaria para la síntesis de ATP a través de la respiración.
  • Describe la generación de ATP por la ATP sintasa (fosforilación oxidativa).
  • Identificar la principal diferencia entre respiración aeróbica y anaeróbica.
  • Describir cómo la célula puede utilizar los metabolitos de la glucólisis y el ciclo de Krebs (TCA) para fines distintos a la generación de energía.
  • Describir la biosíntesis de aminoácidos tanto por aminación como por transaminación.
  • Explique la fijación de nitrógeno, en qué se diferencia de la forma en que la mayoría de los organismos obtienen nitrógeno para sus células y a qué dominios de organismos se limita la fijación de nitrógeno.
  • Dé un ejemplo de fijador de nitrógeno y explique su papel directo en la producción de alimentos.

Como se discutió en el Capítulo 4, todos los organismos requieren tanto carbono (el principal material de construcción de la célula) como energía (para construir las estructuras de la célula y realizar otras funciones metabólicas). Aunque los microbios pueden usar carbono orgánico (heterótrofos) o dióxido de carbono (autótrofos) para el carbono y la luz (fotótrofos) o energía química (quimiótrofos), todos los patógenos son quimioheterótrofos. El huésped que están infectando es su fuente tanto de carbono como de energía. La mayoría de los microbios utilizados para la producción de alimentos también son quimioheterótrofos. Por lo tanto, nos centraremos en cómo los quimioheterótrofos alimentan y construyen sus células.

Los quimioheterótrofos pueden generar ATP a partir de moléculas orgánicas utilizando dos mecanismos diferentes: respiración y fermentación. En ambos mecanismos, los electrones almacenados en NADH en las reacciones metabólicas del metabolismo central se "descargan" en un aceptor de electrones final, regenerando así el NAD + para ser utilizado nuevamente en el metabolismo central. En la respiración, la transferencia de electrones desde NADH al aceptor de electrones final (obtenido del medio ambiente) ocurre a través de una cadena de transporte de electrones (ETC). El ETC crea simultáneamente un gradiente de protones que la ATP sintasa utiliza para generar ATP a través de la fosforilación oxidativa. Sin embargo, en la fermentación, la transferencia de electrones desde NADH al aceptor de electrones final (un metabolito formado dentro de la célula) no genera ATP además del ya producido por la fosforilación a nivel de sustrato.

Los metabolitos precursores generados a través del metabolismo central se utilizan para construir moléculas importantes (y eventualmente estructuras) de la célula en vías anabólicas. A veces, se requieren macronutrientes adicionales para construir las moléculas de la célula, que las células adquieren de diversas formas. Por ejemplo, los aminoácidos requieren nitrógeno para su grupo amino. Aunque existen cientos de vías anabólicas críticas en las células, la adquisición de nitrógeno y la síntesis de aminoácidos se utilizará como ejemplo de anabolismo en bacterias.

  • 6.1: Respiración
    La respiración comienza cuando los electrones se transfieren de un donante de electrones a través de una serie de reacciones químicas a un aceptor de electrones inorgánico final obtenido del medio ambiente (ya sea oxígeno en la respiración aeróbica o moléculas inorgánicas sin oxígeno en la respiración anaeróbica). En los quimioheterótrofos, los donantes de electrones son NADH y FADH2, que transportan electrones de la glucólisis y el ciclo del TCA, pero en los quimioautótrofos, el donante de electrones es otra fuente de energía química, como el sulfuro de hidrógeno.
  • 6.2: Fermentación
    La fermentación utiliza una molécula orgánica como aceptor final de electrones para regenerar NAD + a partir de NADH para que la glucólisis pueda continuar. La fermentación no implica un sistema de transporte de electrones, y el proceso de fermentación no produce ATP directamente. Los fermentadores producen muy poco ATP: solo dos moléculas de ATP por molécula de glucosa durante la glucólisis. Los procesos de fermentación microbiana se han utilizado para la producción de alimentos y productos farmacéuticos y para la identificación de microbios.
  • 6.3: Catabolismo de lípidos y proteínas
    En conjunto, los microbios tienen la capacidad de degradar una amplia variedad de fuentes de carbono además de los carbohidratos, incluidos los lípidos y las proteínas. Las vías catabólicas para todas estas moléculas eventualmente se conectan a la glucólisis y al ciclo de Krebs. Varios tipos de lípidos pueden degradarse microbianamente. Los triglicéridos son degradados por las lipasas extracelulares, liberando ácidos grasos de la columna vertebral del glicerol. Los fosfolípidos son degradados por las fosfolipasas, liberando ácidos grasos y grupos de cabeza fosforilados.
  • 6.4: La fotosíntesis y la importancia de la luz
    Los organismos heterótrofos que van desde E. coli hasta los humanos dependen de la energía química que se encuentra principalmente en las moléculas de carbohidratos. Muchos de estos carbohidratos se producen mediante la fotosíntesis, el proceso bioquímico mediante el cual los organismos fototróficos convierten la energía solar (luz solar) en energía química. Aunque la fotosíntesis se asocia más comúnmente con las plantas, la fotosíntesis microbiana también es un proveedor importante de energía química, que alimenta muchos ecosistemas diversos.
  • 6.5: Ciclos biogeoquímicos
    La energía fluye direccionalmente a través de los ecosistemas, ingresando como luz solar para los fotótrofos o como moléculas inorgánicas para los quimioautótrofos. Los seis elementos más comunes asociados con las moléculas orgánicas (carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre) adoptan una variedad de formas químicas y pueden existir durante largos períodos en la atmósfera, en la tierra, en el agua o debajo de la superficie terrestre.
  • 6.6: Anabolismo

Miniatura: "Hacer encurtidos tradicionalmente fermentados" de Chiot's Run tiene licencia CC BY-NC 2.0


6: Células de combustible y construcción - Biología

Nuestros editores revisarán lo que ha enviado y determinarán si deben revisar el artículo.

celda, en biología, la unidad básica unida a la membrana que contiene las moléculas fundamentales de la vida y de la que están compuestos todos los seres vivos. Una sola célula es a menudo un organismo completo en sí mismo, como una bacteria o una levadura. Otras células adquieren funciones especializadas a medida que maduran. Estas células cooperan con otras células especializadas y se convierten en los componentes básicos de grandes organismos multicelulares, como los humanos y otros animales. Aunque las células son mucho más grandes que los átomos, todavía son muy pequeñas. Las células más pequeñas conocidas son un grupo de bacterias diminutas llamadas micoplasmas. Algunos de estos organismos unicelulares son esferas tan pequeñas como 0,2 μm de diámetro (1 μm = aproximadamente 0,000039 pulgadas), con una masa total de 10-14 gramos, igual a la de 8.000.000.000 de átomos de hidrógeno. Las células de los seres humanos suelen tener una masa 400.000 veces mayor que la masa de una sola bacteria micoplasma, pero incluso las células humanas tienen solo unos 20 μm de diámetro. Se necesitaría una hoja de unas 10.000 células humanas para cubrir la cabeza de un alfiler, y cada organismo humano está compuesto por más de 30.000.000.000.000 de células.

¿Qué es una celda?

Una célula es una masa de citoplasma que está unida externamente por una membrana celular. Por lo general, de tamaño microscópico, las células son las unidades estructurales más pequeñas de materia viva y componen todos los seres vivos. La mayoría de las células tienen uno o más núcleos y otros orgánulos que realizan una variedad de tareas. Algunas células individuales son organismos completos, como una bacteria o una levadura. Otros son bloques de construcción especializados de organismos multicelulares, como plantas y animales.

¿Qué es la teoría celular?

La teoría celular establece que la célula es la unidad estructural y funcional fundamental de la materia viva. En 1839, el fisiólogo alemán Theodor Schwann y el botánico alemán Matthias Schleiden promulgaron que las células son las “partículas elementales de organismos” tanto en plantas como en animales y reconocieron que algunos organismos son unicelulares y otros multicelulares. Esta teoría marcó un gran avance conceptual en biología y resultó en una renovada atención a los procesos vivos que ocurren en las células.

¿Qué hacen las membranas celulares?

La membrana celular rodea a cada célula viva y delimita la célula del entorno circundante. Sirve como barrera para mantener el contenido de la célula dentro y las sustancias no deseadas fuera. También funciona como una puerta para mover de forma activa y pasiva los nutrientes esenciales al interior de la célula y sacar los productos de desecho. Ciertas proteínas de la membrana celular están involucradas en la comunicación de célula a célula y ayudan a la célula a responder a los cambios en su entorno.

Este artículo analiza la célula como unidad individual y como parte contribuyente de un organismo más grande. Como unidad individual, la célula es capaz de metabolizar sus propios nutrientes, sintetizar muchos tipos de moléculas, proporcionar su propia energía y replicarse para producir generaciones sucesivas. Puede verse como un recipiente cerrado, dentro del cual tienen lugar innumerables reacciones químicas simultáneamente. Estas reacciones están bajo un control muy preciso para que contribuyan a la vida y procreación de la célula. En un organismo multicelular, las células se especializan para realizar diferentes funciones a través del proceso de diferenciación. Para ello, cada celda se mantiene en constante comunicación con sus vecinas. A medida que recibe nutrientes y expulsa desechos a su entorno, se adhiere y coopera con otras células. Los ensamblajes cooperativos de células similares forman tejidos, y una cooperación entre tejidos a su vez forma órganos, que llevan a cabo las funciones necesarias para mantener la vida de un organismo.

En este artículo se hace especial hincapié en las células animales, con una discusión sobre los procesos de síntesis de energía y los componentes extracelulares propios de las plantas. (Para una discusión detallada de la bioquímica de las células vegetales, ver fotosíntesis. Para un tratamiento completo de los eventos genéticos en el núcleo celular, ver herencia.)


Los biólogos crean células con 6 letras de ADN, en lugar de solo 4

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Las células con un alfabeto genético expandido podrían potencialmente producir una gama más amplia de proteínas. Imagen: Synthorx

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Una de las primeras cosas que aprendes en Biología 101 es que el código genético consta de cuatro letras: A, T, C y G. Cada una representa un componente químico del ADN, la molécula que codifica la información necesaria para construir la vida a medida que avanzamos. Lo sé. Pero, ¿y si no tuviéramos que conformarnos con solo cuatro letras? Ahora, los científicos han logrado algo que antes se creía imposible: crearon células con un alfabeto genético expandido que incluye dos letras más.

"Ahora tenemos una célula que sobrevive y vive con más información en su genoma", dijo Floyd Romesberg, el biólogo sintético del Instituto de Investigación Scripps en La Jolla, California, que dirigió el trabajo.

Tener más letras con las que trabajar abre potencialmente la puerta a una amplia gama de moléculas novedosas. (Una analogía aproximada: piense en cuántas palabras nuevas y locas podría deletrear con 39 letras en lugar de las 26 habituales). Con más refinamientos, las células sintéticas podrían algún día usarse para crear, o evolucionar, proteínas que no existen en la naturaleza, así como nuevas secuencias de ADN y ARN, cualquiera de las cuales podría ser útil para la investigación, el diagnóstico de enfermedades, etc. o creando nuevas terapias. Pero eso todavía está muy lejos.

Romesberg dice que su laboratorio pasó 15 años desarrollando ADN con dos letras adicionales. En términos químicos, las letras son nucleótidos, los componentes del ADN cuyas secuencias explican las instrucciones para producir proteínas. Tal vez recuerde que las células producen proteínas mediante la transcripción de ADN en ARN y utilizando el ARN como plantilla para unir aminoácidos en proteínas. Las células también tienen que copiar su ADN cada vez que se dividen para producir más células. El mayor desafío, dice Romesberg, fue asegurarse de que los dos nuevos nucleótidos funcionaran bien con las enzimas que hacen todo esto de copiar y transcribir.

En 2012, los científicos informaron de un gran avance: demostraron que el ADN de seis letras que crearon se podía copiar y transcribir con éxito en ARN en experimentos de probeta.

. Imagen: Centro de bases de datos para las ciencias de la vida (DBCLS)

Pero, ¿podría el ADN de seis letras funcionar realmente en el entorno mucho más complejo y caótico de una célula viva?

El nuevo estudio sugiere que sí. Romesberg y sus colegas lograron convencer E. coli bacterias para que tomen su ADN de seis letras y hagan copias de él. Las células y las enzimas # x27 copiaron las dos nuevas letras, que los científicos llaman X e Y para abreviar (que no deben confundirse con los cromosomas X e Y que diferencian a los niños de las niñas), junto con las cuatro habituales. Las células crecieron un poco más lentamente de lo normal, pero por lo demás no parecían estar peores por el desgaste, informa el equipo hoy en Naturaleza.

El trabajo es un gran logro, dice Steven Benner, biólogo sintético de la Fundación para la Evolución Molecular Aplicada en Gainesville, Florida. Dice que es la primera vez que alguien ha demostrado que las células vivas pueden replicar el ADN construido a partir de partes distintas de las cuatro letras que se encuentran en la naturaleza.

Los próximos pasos, dice Romesberg, serán determinar si las células también pueden transcribir los pares de bases no naturales en ARN y, en última instancia, usarlos para producir proteínas. Con un alfabeto genético más grande, las células podrían codificar aminoácidos sintéticos que no se encuentran en la naturaleza y producir nuevas proteínas que serían difíciles, si no imposibles, de sintetizar directamente.

También debería ser posible engañar a las células sintéticas para que desarrollen proteínas u otras moléculas que estén optimizadas para diversas tareas biológicas, dice Romesberg. Ha creado una empresa, Synthorx, para explorar estas posibilidades.

Según Benner, sin embargo, el potencial comercial podría verse limitado por el costo de fabricar los precursores moleculares de los nucleótidos X e Y, que deben agregarse al fluido que baña las células bacterianas en la configuración de Romesberg & # x27s. Por esa razón, Benner está trabajando en una estrategia diferente: tratar de rediseñar el metabolismo de las células para sintetizar los precursores por sí mismos. Pero ese enfoque tiene sus propios desafíos. Es un problema muy difícil ”, dijo Benner. Hasta ahora, su equipo ha diseñado cinco de las seis enzimas necesarias, dice. "Pero el último es un dolor en el cuello".

Romesberg insiste en que el costo no será prohibitivo. Además, dice, el requisito de seguir alimentando a las bacterias con los precursores X e Y es en realidad una salvaguardia importante: si algunos de los insectos alguna vez escapan del laboratorio, rápidamente volverán a producir ADN natural de cuatro letras.

En ese punto, Benner está de acuerdo. "El público siempre pregunta si vas a crear un monstruo que se escape y se apodere del mundo", dijo. Benner cree que esos temores son exagerados, especialmente en este caso. "Si sale del laboratorio, no irá al zoológico de San Diego y empezará a comerse los pingüinos".


Atar juntos

Demostrar que algo es una atadura no siempre es sencillo. Esto se debe a que varias proteínas de unión a menudo mantienen unidos dos orgánulos y, como ocurre con una torre de bloques de Jenga, es posible que la eliminación de uno no provoque el colapso de la estructura.

Scott Emr, un biólogo de levaduras de la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York, encontró esto cuando comenzó a estudiar los sitios de contacto entre el ER y la membrana plasmática. Su grupo finalmente identificó seis componentes de anclaje, cualquiera de los cuales podría mantener el anclaje unido correctamente 4. Su equipo podría romper el vínculo solo eliminando las seis proteínas.

La búsqueda para identificar ataduras también se complica por la elaborada red de interacciones entre orgánulos. Al principio, todas las interacciones parecían involucrar a la sala de emergencias. Pero los científicos comenzaron a documentar otros acoplamientos. Y pronto se dieron cuenta de que las células pueden desviar el transporte cuando las rutas de envío directo están bloqueadas.

Eso es lo que los equipos dirigidos por Schuldiner y Christian Ungermann en la Universidad de Osnabrück, Alemania, descubrieron de forma independiente en 2014. Después de eliminar la atadura habitual entre el ER y las mitocondrias en la levadura, ambos grupos encontraron 5, 6 que los lípidos aún podían viajar en un relevo. -como la moda entre los dos orgánulos a través de un canal posterior - la vacuola. Este saco lleno de líquido sirve como casillero de almacenamiento de la célula para alimentos y otros nutrientes.

Otros estudios revelaron arreglos de conexiones aún más complejos. La bióloga mitocondrial Jodi Nunnari de la Universidad de California, Davis, y su entonces colega, la bióloga celular Laura Lackner, clasificaron 7 una zona de supercontacto que contiene al menos dos ataduras y tres orgánulos: el RE, las mitocondrias y la membrana plasmática. "Realmente parece que se trata de una especie de centro funcional que ha creado la célula", dice Lackner, ahora en la Universidad Northwestern en Evanston, Illinois. "Aporta una capa completamente diferente de organización espacial".


Alimentando la biología extrema del colibrí

Revolotean de flor en flor, chupando todo el néctar y los pequeños insectos que pueden encontrar. Sus cuerpos aerodinámicos parecen flotar en el aire, y el rápido zumbido de sus alas, hasta 80 latidos por segundo, crea un borrón vago. Es otoño en la costa este, y el colibrí garganta rubí se prepara para seguir el clima cálido a través del Golfo de México, volando cientos de millas sin detenerse a comer.

Para mantener el ritmo vertiginoso de su vuelo, necesitan el equivalente humano de más de 150.000 calorías diarias. Para sobrevivir a su migración, las aves aumentan de peso rápidamente, hasta duplicarlo en cuestión de días.

Consumen tanta azúcar que sus niveles de azúcar en sangre son lo suficientemente altos como para matar o herir gravemente a un ser humano. Gran parte del azúcar va directamente a sus músculos para alimentar el zumbido constante de sus alas y su rápido ritmo cardíaco, que puede alcanzar hasta 1200 latidos por minuto. Otros azúcares terminan en el hígado donde las enzimas sobrealimentadas los procesan en grasa que alimenta la migración de las aves. Tan pronto como despegan, queman rápidamente esas reservas de grasa, a un ritmo que avergüenza la capacidad de los humanos.

Sin embargo, considerando el atracón masivo de azúcar del ave y su rápido aumento y pérdida de peso, no parece haber inconvenientes biológicos. Las características distintivas de la diabetes humana en etapa avanzada (insuficiencia renal, ceguera y accidente cerebrovascular) parecen estar completamente ausentes.

“Los colibríes han resuelto dos de los problemas que enfrentan los humanos: la obesidad y la diabetes”, dice el investigador del metabolismo de Johns Hopkins Medicine G. William Wong, Ph.D.

Descubrir qué es lo que hace que el metabolismo del colibrí sea tan extraordinario podría darnos una idea de lo que falla en las enfermedades metabólicas humanas y quizás incluso formas novedosas de combatirlas.

"Soy un buen chico americano a la antigua; me encanta el pan blanco y los Twinkies, pero el azúcar no es bueno para los humanos", dice el investigador de ingeniería biomédica de Johns Hopkins, Winston Timp, Ph.D. “Pero el azúcar es bueno para los colibríes. Y necesitamos descubrir por qué es tan bueno para ellos, para que podamos entender por qué es tan malo para nosotros ".

Wong se topó con esta pregunta cuando leyó una serie de artículos de la década de 1980 en el laboratorio del investigador Peter Hochachka, Ph.D. de la Universidad de Columbia Británica.

El trabajo de Hochachka sugirió que el mecanismo probable detrás del extraordinario metabolismo del colibrí está relacionado con las proteínas en su hígado y músculos, que procesan fuentes de combustible como azúcares y grasas en energía. Estas proteínas, llamadas enzimas, parecen estar sobrealimentadas en el colibrí y son capaces de descomponer azúcares y grasas con una eficiencia que empequeñece la de la mayoría de los otros vertebrados.

Los periódicos despertaron la curiosidad de Wong. ¿Cómo y por qué estas enzimas son tan eficientes? ¿Qué hay en su química y estructura que los hace tan efectivos?

Alimentando la biología extrema del colibrí

Los colibríes queman una gran cantidad de energía todos los días para mantener su rápido batir de alas de hasta 60-80 latidos por segundo. Necesitan comer casi constantemente, manteniendo los niveles de azúcar en sangre lo suficientemente altos como para causar enfermedades graves en humanos. Para procesar ese alto volumen de azúcar, los colibríes han desarrollado un metabolismo 77 veces más rápido que el de un humano, gracias a enzimas hiper eficientes. Los científicos de Johns Hopkins, como parte de una colaboración internacional, han secuenciado el código genético del hígado del colibrí, donde viven muchas de estas enzimas. El siguiente paso de su proyecto es utilizar la información genética para estudiar cómo funcionan esas enzimas. Los investigadores esperan que su trabajo pueda dar una idea de lo que va mal en la diabetes y la obesidad humanas, al mostrar cómo los ha resuelto la evolución de los colibríes.

Para desenredar esas preguntas, necesitaba los planos de cómo se construyen estas enzimas: el código genético del colibrí. En ese momento, solo se habían secuenciado dos genes solitarios del colibrí. Entonces, la investigación esencialmente comenzó desde cero.

Wong creó un equipo para abordar este problema de secuenciación y reclutó a Timp, un viejo amigo cuyo laboratorio se especializa en tecnologías de secuenciación genética, y a Kenneth Welch, Ph.D., un experto en colibríes de la Universidad de Toronto Scarborough. El doctorado de Welch. consejero había estudiado con Hochachka.

Pero sin datos previos, a los científicos les resultó difícil convencer a los financiadores de que invirtieran en el plan.

"Es una pregunta de arranque", dice Timp. "Tienes que haberlo resuelto antes de poder hacerlo".

El equipo tomó un descanso cuando se enteró de una competencia de Pacific Biosystems que pedía propuestas de 200 palabras para secuenciar el genoma más interesante. El ganador recibiría suficientes suministros de laboratorio para que el proyecto despegara. Pensando que no hay nada más fascinante que el metabolismo del colibrí, los investigadores aplicaron la secuencia del hígado del colibrí, donde tiene lugar gran parte de la acción metabólica del ave.

Solo que estaban hablando del transcriptoma, no de un genoma.

Un transcriptoma es funcionalmente similar a un genoma, cuando se trata de analizar los datos. Describe el código genético. Sin embargo, el genoma solo cataloga los genes de un organismo, mientras que el transcriptoma revela la frecuencia con la que se utilizan esos genes para producir proteínas.

Esto puede dar a los científicos una instantánea de las proteínas que parecen tener mayor prevalencia en el animal, y sirve como una pista de cuáles podrían ser las más importantes.

Los investigadores recibieron una llamada de la empresa: estaban empatados con otro equipo por el primer lugar.

“Básicamente dijeron que éramos únicos porque estábamos viendo un transcriptoma”, dice Timp. Pero su equipo no ganó.

Sin embargo, la empresa decidió darles suministros de todos modos.

En febrero pasado publicaron el primer artículo sobre el proyecto, un transcriptoma completo del hígado de colibrí garganta rubí.

En el artículo, los investigadores compararon el transcriptoma con el código genético de otros animales, incluidos humanos, otras aves y caimanes. También lo compararon con el genoma de otro tipo de colibrí completado por un grupo liderado por investigadores de la Universidad de Duke.

Al buscar diferencias en la genética de los colibríes en comparación con otros animales, los investigadores comenzaron a descifrar los cambios evolutivos que permiten que el metabolismo de los colibríes opere con una eficiencia tan alta. La integración del genoma del colibrí de Duke en su comparación también les ayudó a comprender qué diferencias genéticas son probablemente importantes y cuáles probablemente sean intrascendentes.

Los resultados sugirieron que muchos de los genes de los colibríes involucrados en el procesamiento de grasas están especializados para la especie. Esto no solo respalda la idea de que los hígados de los colibríes han evolucionado para manejar las grasas inusualmente bien, sino que también apunta a genes y proteínas específicos en los que los investigadores pueden enfocarse para una investigación más profunda.

También encontraron que a los colibríes les falta un componente de una proteína responsable de transportar la glucosa a las células, lo que puede hacer que la proteína sea menos efectiva. Esto podría explicar, en parte, por qué los colibríes tienen niveles de azúcar en sangre extremadamente altos en comparación con los humanos: más azúcar permanece disponible para su uso en lugar de almacenarse en sus células.

Aprovechando tanto el transcriptoma como su colaboración internacional, los investigadores, dirigidos por Welch, recibieron una subvención de 1,6 millones de dólares del Human Frontier Science Program, que solo está abierto a equipos de científicos de todos los continentes y disciplinas, para estudiar más a fondo el metabolismo de los colibríes.

Antes de solicitar la beca, los investigadores añadieron a su colaboración otro miembro: Mikel Valle, Ph.D., del CIC bioGUNE, centro de investigación biomédica en España. Su laboratorio tiene la tecnología y la experiencia para analizar las estructuras de las enzimas del colibrí, lo que podría descubrir las propiedades físicas que hacen que las enzimas sean tan eficientes.

Con los fondos y el mapa genético para impulsar el proyecto, Wong planea crear versiones sintéticas de las enzimas a partir del código genético. Luego, los investigadores pueden determinar cómo las enzimas de los colibríes son estructural y bioquímicamente diferentes de otros animales al estudiar sus propiedades y hacer pequeños ajustes en los códigos genéticos de las enzimas para ver cómo cambian esas propiedades.

También están generando transcriptomas de colibríes que acaban de comer y de colibríes que están ayunando. La comparación de estos podría mostrar qué proteínas se movilizan en el colibrí para comer y cuáles se utilizan mientras se queman las reservas de grasa.

El transcriptoma abre muchas formas nuevas de hacer y responder preguntas sobre el metabolismo de los colibríes, dice Wong, y aunque los humanos no tienen las mismas enzimas metabólicas que los colibríes, aprender sobre la biología de las aves puede ampliar nuestra comprensión del metabolismo y quizás algún día arrojar nueva luz sobre enfermedades humanas.


Información del autor

Estos autores contribuyeron igualmente: Mukul Tewary y Nika Shakiba.

Afiliaciones

Instituto de Biomateriales e Ingeniería Biomédica (IBBME) y Centro Donnelly de Investigación Celular y Biomolecular (CCBR), Universidad de Toronto, Toronto, Ontario, Canadá

Mukul Tewary, Nika Shakiba y Peter W. Zandstra

Programa colaborativo en biología del desarrollo, Universidad de Toronto, Toronto, Ontario, Canadá

Mukul Tewary y Peter W. Zandstra

Michael Smith Laboratories y Escuela de Ingeniería Biomédica, Universidad de Columbia Británica, Vancouver, Columbia Británica, Canadá

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Contribuciones

Los autores contribuyeron igualmente a todos los aspectos del artículo.

Autor correspondiente


6: Células de combustible y construcción - Biología

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Explicar las vías metabólicas y describir los dos tipos principales.
  • Discutir cómo las reacciones químicas juegan un papel en la transferencia de energía.

Los científicos usan el término bioenergética para discutir el concepto de flujo de energía ((Figura)) a través de sistemas vivos, como las células. Los procesos celulares como la construcción y descomposición de moléculas complejas ocurren a través de reacciones químicas escalonadas. Algunas de estas reacciones químicas son espontáneas y liberan energía, mientras que otras requieren energía para continuar. Así como los seres vivos deben consumir alimentos continuamente para reponer lo que han usado, las células deben producir continuamente más energía para reponer la que utilizan las numerosas reacciones químicas que requieren energía y que tienen lugar constantemente. Todas las reacciones químicas que ocurren dentro de las células, incluidas las que usan y liberan energía, son el metabolismo celular.

Figura 1. La mayoría de las formas de vida en la tierra obtienen su energía del sol. Las plantas usan la fotosíntesis para capturar la luz solar y los herbívoros comen esas plantas para obtener energía. Los carnívoros se comen a los herbívoros y los descomponedores digieren la materia vegetal y animal.

Metabolismo de los carbohidratos

El metabolismo del azúcar (reacciones químicas) (un carbohidrato simple) es un ejemplo clásico de los muchos procesos celulares que usan y producen energía. Los seres vivos consumen azúcar como principal fuente de energía, porque las moléculas de azúcar tienen una cantidad considerable de energía almacenada dentro de sus enlaces. La siguiente ecuación describe la descomposición de la glucosa, un azúcar simple:

Los carbohidratos consumidos tienen su origen en organismos fotosintetizadores como las plantas ((Figura)). Durante la fotosíntesis, las plantas utilizan la energía de la luz solar para convertir gas dióxido de carbono (CO2) en moléculas de azúcar, como glucosa (C6H12O6). Debido a que este proceso implica sintetizar una molécula de almacenamiento de energía más grande, requiere una entrada de energía para continuar. La siguiente ecuación (observe que es la inversa de la ecuación anterior) describe la síntesis de glucosa:

Durante las reacciones químicas de la fotosíntesis, la energía se presenta en forma de una molécula de muy alta energía que los científicos llaman ATP o trifosfato de adenosina. Esta es la moneda de energía primaria de todas las células. Así como el dólar es la moneda que usamos para comprar bienes, las células usan moléculas de ATP como moneda de energía para realizar un trabajo inmediato. El azúcar (glucosa) se almacena como almidón o glucógeno. Los polímeros que almacenan energía como estos se descomponen en glucosa para suministrar moléculas de ATP.

Se requiere energía solar para sintetizar una molécula de glucosa durante las reacciones de fotosíntesis. En la fotosíntesis, la energía luminosa del sol se transforma inicialmente en energía química que se almacena temporalmente en las moléculas portadoras de energía ATP y NADPH (fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina). La fotosíntesis luego usa la energía almacenada en ATP y NADPH para construir una molécula de glucosa a partir de seis moléculas de CO.2. Este proceso es análogo a desayunar por la mañana para adquirir energía para su cuerpo que puede utilizar más tarde en el día. En condiciones ideales, se requiere energía de 18 moléculas de ATP para sintetizar una molécula de glucosa durante las reacciones de fotosíntesis. Las moléculas de glucosa también pueden combinarse y convertirse en otros tipos de azúcar. Cuando un organismo consume azúcares, las moléculas de glucosa eventualmente se abren camino hacia la célula viva de cada organismo. Dentro de la célula, cada molécula de azúcar se descompone a través de una compleja serie de reacciones químicas. El objetivo de estas reacciones es recolectar la energía almacenada dentro de las moléculas de azúcar. La energía recolectada produce moléculas de ATP de alta energía, que realizan un trabajo, impulsando muchas reacciones químicas en la célula. The amount of energy needed to make one glucose molecule from six carbon dioxide molecules is 18 ATP molecules and 12 NADPH molecules (each one of which is energetically equivalent to three ATP molecules), or a total of 54 molecule equivalents required for synthesizing one glucose molecule. This process is a fundamental and efficient way for cells to generate the molecular energy that they require.

Figura 2. Plants, like this oak tree and acorn, use energy from sunlight to make sugar and other organic molecules. Both plants and animals (like this squirrel) use cellular respiration to derive energy from the organic molecules that plants originally produced. (credit “acorn”: modification of work by Noel Reynolds credit “squirrel”: modification of work by Dawn Huczek)

Vías metabólicas

Los procesos de fabricación y descomposición de moléculas de azúcar ilustran dos tipos de vías metabólicas. A metabolic pathway is a series of interconnected biochemical reactions that convert a substrate molecule or molecules, step-by-step, through a series of metabolic intermediates, eventually yielding a final product or products. En el caso del metabolismo del azúcar, la primera vía metabólica sintetizaba el azúcar a partir de moléculas más pequeñas y la otra vía descomponía el azúcar en moléculas más pequeñas. Scientists call these two opposite processes—the first requiring energy and the second producing energy—anabolic (building) and catabolic (breaking down) pathways, respectively. Consequently, building (anabolism) and degradation (catabolism) comprise metabolism.

Conexión Evolution

Este árbol muestra la evolución de las distintas ramas de la vida. La dimensión vertical es el tiempo. Las primeras formas de vida, en azul, utilizaron el metabolismo anaeróbico para obtener energía de su entorno.

Evolución de las vías metabólicas

Hay más en la complejidad del metabolismo que solo comprender las vías metabólicas. La complejidad metabólica varía de un organismo a otro. Photosynthesis is the primary pathway in which photosynthetic organisms like plants (planktonic algae perform the majority of global synthesis) harvest the sun’s energy and convert it into carbohydrates. The by-product of photosynthesis is oxygen, which some cells require to carry out cellular respiration. Durante la respiración celular, el oxígeno ayuda en la descomposición catabólica de los compuestos de carbono, como los carbohidratos. Among the products are CO2 y ATP. Además, algunos eucariotas realizan procesos catabólicos sin oxígeno (fermentación) es decir, realizan o utilizan el metabolismo anaeróbico.

Los organismos probablemente desarrollaron un metabolismo anaeróbico para sobrevivir (los organismos vivos comenzaron a existir hace unos 3.800 millones de años, cuando la atmósfera carecía de oxígeno). Despite the differences between organisms and the complexity of metabolism, researchers have found that all branches of life share some of the same metabolic pathways, suggesting that all organisms evolved from the same ancient common ancestor ((Figure)). La evidencia indica que con el tiempo, las vías divergieron, agregando enzimas especializadas para permitir que los organismos se adaptaran mejor a su entorno, aumentando así sus posibilidades de sobrevivir. Sin embargo, el principio subyacente sigue siendo que todos los organismos deben recolectar energía de su entorno y convertirla en ATP para llevar a cabo funciones celulares.

Anabolic and Catabolic Pathways

Las vías anabólicas requieren un aporte de energía para sintetizar moléculas complejas a partir de otras más simples. Synthesizing sugar from CO2 is one example. Other examples are synthesizing large proteins from amino acid building blocks, and synthesizing new DNA strands from nucleic acid building blocks. These biosynthetic processes are critical to the cell’s life, take place constantly, and demand energy that ATP and other high-energy molecules like NADH (nicotinamide adenine dinucleotide) and NADPH provide ((Figure)).

ATP is an important molecule for cells to have in sufficient supply at all times. The breakdown of sugars illustrates how a single glucose molecule can store enough energy to make a great deal of ATP, 36 to 38 molecules. This is a catabolic pathway. Catabolic pathways involve degrading (or breaking down) complex molecules into simpler ones. Molecular energy stored in complex molecule bonds release in catabolic pathways and harvest in such a way that it can produce ATP. Other energy-storing molecules, such as fats, also break down through similar catabolic reactions to release energy and make ATP ((Figure)).

It is important to know that metabolic pathway chemical reactions do not take place spontaneously. A protein called an enzyme facilitates or catalyzes each reaction step. Las enzimas son importantes para catalizar todo tipo de reacciones biológicas, tanto las que requieren energía como las que la liberan.

Figura 4. Anabolic pathways are those that require energy to synthesize larger molecules. Catabolic pathways are those that generate energy by breaking down larger molecules. Both types of pathways are required for maintaining the cell’s energy balance.

Resumen de la sección

Las células realizan las funciones de la vida a través de diversas reacciones químicas. A cell’s metabolism refers to the chemical reactions that take place within it. There are metabolic reactions that involve breaking down complex chemicals into simpler ones, such as breaking down large macromolecules. Scientists refer to this process as catabolism, and we associate such reactions an energy release. On the other end of the spectrum, anabolism refers to metabolic processes that build complex molecules out of simpler ones, such as macromolecule synthesis. Anabolic processes require energy. Glucose synthesis and glucose breakdown are examples of anabolic and catabolic pathways, respectively.

Opción multiple

Energy is stored long-term in the bonds of _____ and used short-term to perform work from a(n) _____ molecule.

  1. ATP : glucose
  2. an anabolic molecule : catabolic molecule
  3. glucose : ATP
  4. a catabolic molecule : anabolic molecule

DNA replication involves unwinding two strands of parent DNA, copying each strand to synthesize complementary strands, and releasing the parent and daughter DNA. Which of the following accurately describes this process?

  1. This is an anabolic process.
  2. This is a catabolic process.
  3. This is both anabolic and catabolic.
  4. This is a metabolic process but is neither anabolic nor catabolic.

Respuesta libre

Does physical exercise involve anabolic and/or catabolic processes? Give evidence for your answer.

Physical exercise involves both anabolic and catabolic processes. Body cells break down sugars to provide ATP to do the work necessary for exercise, such as muscle contractions. This is catabolism. Muscle cells also must repair muscle tissue damaged by exercise by building new muscle. This is anabolism.

Name two different cellular functions that require energy that parallel human energy-requiring functions.

Energy is required for cellular motion, through beating of cilia or flagella, as well as human motion, produced by muscle contraction. Cells also need energy to perform digestion, as humans require energy to digest food.


Restoring metabolism of myeloid cells reverses cognitive decline in ageing

Ageing is characterized by the development of persistent pro-inflammatory responses that contribute to atherosclerosis, metabolic syndrome, cancer and frailty 1-3 . The ageing brain is also vulnerable to inflammation, as demonstrated by the high prevalence of age-associated cognitive decline and Alzheimer's disease 4-6 . Systemically, circulating pro-inflammatory factors can promote cognitive decline 7,8 , and in the brain, microglia lose the ability to clear misfolded proteins that are associated with neurodegeneration 9,10 . However, the underlying mechanisms that initiate and sustain maladaptive inflammation with ageing are not well defined. Here we show that in ageing mice myeloid cell bioenergetics are suppressed in response to increased signalling by the lipid messenger prostaglandin E2 (PGE2), a major modulator of inflammation 11 . In ageing macrophages and microglia, PGE2 signalling through its EP2 receptor promotes the sequestration of glucose into glycogen, reducing glucose flux and mitochondrial respiration. This energy-deficient state, which drives maladaptive pro-inflammatory responses, is further augmented by a dependence of aged myeloid cells on glucose as a principal fuel source. In aged mice, inhibition of myeloid EP2 signalling rejuvenates cellular bioenergetics, systemic and brain inflammatory states, hippocampal synaptic plasticity and spatial memory. Moreover, blockade of peripheral myeloid EP2 signalling is sufficient to restore cognition in aged mice. Our study suggests that cognitive ageing is not a static or irrevocable condition but can be reversed by reprogramming myeloid glucose metabolism to restore youthful immune functions.


HBP and DNA damage

The connection between cancer metabolism and DNA damage is becoming increasingly clear [103]. O-GlcNAc is a well-known regulator of the cellular stress response and can directly regulate proteins involved in DNA damage and repair [104]. OGT can modify H2AX on S139 and negatively regulate DNA double-strand break-induced phosphorylation of H2AX, leading to decreased γH2AX formation on DNA damage sites (Fig. 4) [105]. A recent report shows that reducing OGT expression in breast cancer cells was associated with defects in double-stand break repair, reduced cell proliferation, and increased cell senescence in vivo [106]. Conversely, promoting O-GlcNAcylation by targeting OGA protected tumor xenografts from radiation, thus implicating O-GlcNAcylation as a key player in the DNA damage response in cancer cells and as a potential regulator of tumor radiosensitization.

A new emerging idea is that altered metabolic states may lead to replication stress and DNA damage, and contribute to cancer-causing mutations [103]. A provocative recent manuscript shows that culturing pancreatic cells under high glucose conditions leads to replication stress and increases KRAS G12D mutations [107]. Interestingly, high glucose treatment of pancreatic cells increased UDP-GlcNAc levels, and targeting OGT with RNA interference reduced glucose-mediated replication stress and the number of KRAS G12D -positive pancreatic cells. Mechanistically, these authors showed that elevated O-GlcNAcylation leads to decreased dNTP pools through O-GlcNAcylation of RRM1, a subunit of the ribonucleotide reductase (RNR). O-GlcNAcylation of RRM1 at T734 destabilizes the formation of functional RNR complex and contributes to DNA damage (Fig. 4). Thus, high glucose levels can increase HBP flux that may contribute to replication stress and possibly lead to cancer initiation in pancreatic cells. This is of potential clinical relevance as diabetic patients have an increased pancreatic cancer risk [108]. Further studies are needed to test whether over-activation of the HBP can lead to mutations and cancer development and progression.


Ver el vídeo: La pila de combustible. Componentes básicos.. UPV (Octubre 2022).