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5.1: Tipos de metabolismo - Biología

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5.1: Tipos de metabolismo

5.1: Tipos de metabolismo - Biología

Todos los organismos requieren energía para completar tareas. El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que liberan energía para los procesos celulares.

Objetivos de aprendizaje

Explica la importancia del metabolismo.

Conclusiones clave

Puntos clave

  • Todos los organismos vivos necesitan energía para crecer y reproducirse, mantener sus estructuras y responder a sus entornos. El metabolismo es el conjunto de procesos que hace que la energía esté disponible para los procesos celulares.
  • El metabolismo es una combinación de reacciones químicas que son espontáneas y liberan energía y reacciones químicas que no son espontáneas y requieren energía para continuar.
  • Los organismos vivos deben absorber energía a través de los alimentos, los nutrientes o la luz solar para llevar a cabo los procesos celulares.
  • El transporte, la síntesis y la descomposición de nutrientes y moléculas en una célula requieren el uso de energía.

Términos clave

  • metabolismo: el conjunto completo de reacciones químicas que ocurren en las células vivas.
  • bioenergética: el estudio de las transformaciones energéticas que tienen lugar en los organismos vivos.
  • energía: la capacidad de trabajar

Energía y metabolismo

Todos los organismos vivos necesitan energía para crecer y reproducirse, mantener sus estructuras y responder a sus entornos. El metabolismo es el conjunto de procesos químicos que sustentan la vida y que permite a los organismos transformar la energía química almacenada en las moléculas en energía que se puede utilizar para procesos celulares. Los animales consumen alimentos para reponer energía, su metabolismo descompone los carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos para proporcionar energía química para estos procesos. Las plantas convierten la energía luminosa del sol en energía química almacenada en moléculas durante el proceso de fotosíntesis.

Bioenergética y reacciones químicas

Los científicos usan el término bioenergética para discutir el concepto de flujo de energía 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 paso a paso. Algunas de estas reacciones químicas son espontáneas y liberan energía, mientras que otras requieren energía para continuar. Todas las reacciones químicas que tienen lugar dentro de las células, incluidas las que usan energía y las que liberan energía, son el metabolismo celular.

La mayor parte de la energía proviene del sol, ya sea directa o indirectamente.: 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 celular

Toda tarea realizada por organismos vivos requiere energía. Se necesita energía para realizar trabajos pesados ​​y ejercicio, pero los seres humanos también usan una gran cantidad de energía mientras piensan e incluso mientras duermen. Por cada acción que requiere energía, se producen muchas reacciones químicas para proporcionar energía química a los sistemas del cuerpo, incluidos los músculos, los nervios, el corazón, los pulmones y el cerebro.

Las células vivas de cada organismo utilizan constantemente energía para sobrevivir y crecer. Las células descomponen los carbohidratos complejos en azúcares simples que la célula puede usar para obtener energía. Las células musculares pueden consumir energía para construir proteínas musculares largas a partir de pequeñas moléculas de aminoácidos. Las moléculas pueden modificarse y transportarse alrededor de la célula o pueden distribuirse por todo el organismo. Así como se requiere energía tanto para construir como para demoler un edificio, se requiere energía tanto para la síntesis como para la descomposición de moléculas.

Muchos procesos celulares requieren un suministro constante de energía proporcionada por el metabolismo celular. Las moléculas de señalización, como las hormonas y los neurotransmisores, deben sintetizarse y luego transportarse entre las células. Las bacterias y los virus patógenos son ingeridos y degradados por las células. Las células también deben exportar desechos y toxinas para mantenerse saludables, y muchas células deben nadar o mover los materiales circundantes a través del movimiento palpitante de apéndices celulares como cilios y flagelos.

Comer proporciona energía para actividades como volar.: Un colibrí necesita energía para mantener períodos prolongados de vuelo. El colibrí obtiene su energía al ingerir alimentos y transformar los nutrientes en energía a través de una serie de reacciones bioquímicas. Los músculos de vuelo de las aves son extremadamente eficientes en la producción de energía.


6.1 Energía y metabolismo

En esta sección, explorará las siguientes preguntas:

  • ¿Qué son las vías metabólicas?
  • ¿Cuáles son las diferencias entre las vías anabólicas y catabólicas?
  • ¿Cómo juegan un papel las reacciones químicas en la transferencia de energía?

Conexión para cursos AP ®

Todos los sistemas vivos, desde las células simples hasta los ecosistemas complejos, requieren energía libre para llevar a cabo procesos celulares como el crecimiento y la reproducción.

Los organismos han desarrollado diversas estrategias para capturar, almacenar, transformar y transferir energía libre. El metabolismo de una célula se refiere a las reacciones químicas que ocurren dentro de ella. Algunas reacciones metabólicas implican la descomposición de moléculas complejas en otras más simples con una liberación de energía (catabolismo), mientras que otras reacciones metabólicas requieren energía para construir moléculas complejas (anabolismo). Un ejemplo central de estas vías es la síntesis y descomposición de la glucosa.

El contenido presentado en esta sección respalda los Objetivos de aprendizaje descritos en la Gran Idea 1 y la Gran Idea 2 del Marco del Currículo de Biología AP ® que se enumeran a continuación. Los objetivos de aprendizaje de AP ® combinan el contenido de conocimientos esenciales con una o más de las siete prácticas científicas. Estos objetivos proporcionan una base transparente para el curso de Biología AP®, junto con experiencias de laboratorio basadas en la investigación, actividades de instrucción y preguntas del examen AP®.

Gran idea 1 El proceso de evolución impulsa la diversidad y la unidad de la vida.
Comprensión duradera 1.B Los organismos están vinculados por líneas de descendencia de ancestros comunes.
Conocimiento esencial 1.B.1 Los organismos comparten muchos procesos y características centrales conservadas que evolucionaron y están ampliamente distribuidas entre los organismos de hoy.
Práctica de la ciencia 3.1 El alumno puede plantear cuestiones científicas.
Objetivo de aprendizaje 1.14 El estudiante es capaz de plantear preguntas científicas que identifican correctamente las propiedades esenciales de los procesos vitales centrales compartidos que brindan información sobre la historia de la vida en la Tierra.
Conocimiento esencial 1.B.1 Los organismos comparten muchos procesos y características centrales conservadas que evolucionaron y están ampliamente distribuidas entre los organismos de hoy.
Práctica de la ciencia 7.2 El estudiante puede conectar conceptos en y entre dominios para generalizar o extrapolar en y / o a través de entendimientos duraderos y / o grandes ideas.
Objetivo de aprendizaje 1.15 El estudiante es capaz de describir ejemplos específicos de procesos y características biológicos centrales conservados compartidos por todos los dominios o dentro de un dominio de la vida, y cómo estos procesos y características centrales conservados y compartidos apoyan el concepto de ascendencia común para todos los organismos.
Conocimiento esencial 1.B.1 Los organismos comparten muchos procesos y características centrales conservadas que evolucionaron y están ampliamente distribuidas entre los organismos de hoy.
Práctica de la ciencia 6.1 El estudiante puede justificar afirmaciones con pruebas.
Objetivo de aprendizaje 1.16 El estudiante puede justificar la afirmación científica de que los organismos comparten muchos procesos y características centrales conservadas que evolucionaron y están ampliamente distribuidas entre los organismos de hoy.
Gran idea 2 Los sistemas biológicos utilizan energía libre y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener la homeostasis dinámica.
Comprensión duradera 2.A El crecimiento, la reproducción y el mantenimiento de los sistemas vivos requieren energía y materia libres.
Conocimiento esencial 2.A.1 Todos los sistemas vivos requieren un aporte constante de energía libre.
Práctica de la ciencia 6.2 El alumno puede construir explicaciones de fenómenos basados ​​en evidencia producida a través de prácticas científicas.
Objetivo de aprendizaje 2.1 El alumno es capaz de explicar cómo los sistemas biológicos utilizan energía libre basándose en datos empíricos de que todos los organismos requieren un aporte de energía constante para mantener la organización, crecer y reproducirse.

Las preguntas del desafío de práctica científica contienen preguntas de prueba adicionales para esta sección que lo ayudarán a prepararse para el examen AP. Estas preguntas abordan los siguientes estándares:
[APLO 2.1] [APLO 2.3] [APLO 4.3] [APLO 4.15] [APLO 4.17] [APLO 2.21]

Apoyo a los profesores

Comenzando con la definición de metabolismo como la actividad química total de un organismo, pida a los estudiantes ejemplos de procesos que encajen. Cuente los ejemplos en una pizarra o pantalla y amplíelos según corresponda.

Los conceptos de anabolismo y catabolismo pueden ser difíciles de entender. Use el ejemplo de los esteroides anabólicos como una forma (inapropiada y peligrosa) de construir el cuerpo, por lo tanto, cualquier proceso anabólico construye macromoléculas y lo contrario, catabólico, las descompone.

Los científicos usan el término bioenergética para discutir el concepto de flujo de energía (Figura 6.2) 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 se ha utilizado, las células deben producir continuamente más energía para reponer la utilizada por las muchas reacciones químicas que requieren energía y que tienen lugar constantemente. Todas las reacciones químicas que tienen lugar dentro de las células, incluidas las que usan energía y las que liberan energía, son el metabolismo celular.

Metabolismo de carbohidratos

El metabolismo del azúcar (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 gran cantidad de energía almacenada dentro de sus enlaces. La descomposición de la glucosa, un azúcar simple, se describe mediante la ecuación:

Los carbohidratos que se consumen tienen su origen en organismos fotosintetizadores como las plantas (Figura 6.3). 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 síntesis de glucosa se describe mediante esta ecuación (observe que es el reverso de la ecuación anterior):

Durante las reacciones químicas de la fotosíntesis, la energía se proporciona en forma de una molécula de muy alta energía llamada ATP o trifosfato de adenosina, que es la moneda de energía primaria de todas las células. Así como el dólar se usa como moneda 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 energía almacenada en ATP y NADPH se usa luego en la fotosíntesis 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 se 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 se pueden combinar y convertir en otros tipos de azúcares. Cuando se consumen azúcares, las moléculas de glucosa finalmente llegan a cada célula viva del 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 se usa para producir moléculas de ATP de alta energía, que se pueden usar para realizar un trabajo, impulsando muchas reacciones químicas en la célula. La cantidad de energía necesaria para producir una molécula de glucosa a partir de seis moléculas de dióxido de carbono es de 18 moléculas de ATP y 12 moléculas de NADPH (cada una de las cuales es energéticamente equivalente a tres moléculas de ATP), o un total de 54 moléculas de ATP equivalentes. requerido para la síntesis de una molécula de glucosa. Este proceso es una forma fundamental y eficiente para que las células generen la energía molecular que necesitan.

Apoyo a los profesores

Pregunte a los estudiantes de dónde proviene la energía utilizada para el metabolismo. Haga que rastreen la energía hasta las plantas y la energía luminosa que las plantas convierten en azúcares. Comience a presentar las interacciones entre el metabolismo de los carbohidratos, los lípidos y las proteínas. Pregúnteles cuál es el fin último de la energía (calor).

Vías metabólicas

Los procesos de producción y descomposición de moléculas de azúcar ilustran dos tipos de vías metabólicas. Una vía metabólica es una serie de reacciones bioquímicas interconectadas que convierten una molécula o moléculas de sustrato, paso a paso, a través de una serie de intermediarios metabólicos, lo que finalmente produce un producto o productos finales. 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. Estos dos procesos opuestos, el primero que requiere energía y el segundo que produce energía, se denominan vías anabólicas (construcción) y catabólicas (descomposición), respectivamente. En consecuencia, el metabolismo se compone de construcción (anabolismo) y degradación (catabolismo).

Apoyo a los profesores

Discuta la evolución de las vías metabólicas como probablemente se desarrollaron en la Tierra. Utilizando el experimento de Miller-Urey que se analizó en el capítulo 3, pregunte por qué no había oxígeno libre en una atmósfera primitiva. ¿Qué vías podrían desarrollarse en estas condiciones? ¿Cómo limitó esto el desarrollo de organismos? ¿Qué vía creó oxígeno libre como desecho que podría impregnar la atmósfera? ¿Es esta realmente una buena idea para los organismos que existieron? ¿Por qué?

Conexión Evolution

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. La fotosíntesis es la vía principal en la que los organismos fotosintéticos como las plantas (la mayoría de la fotosíntesis global la realizan las algas planctónicas) recolectan la energía del sol y la convierten en carbohidratos. El subproducto de la fotosíntesis es el oxígeno, requerido por algunas células para realizar la respiración celular. Durante la respiración celular, el oxígeno ayuda en la descomposición catabólica de los compuestos de carbono, como los carbohidratos. Entre los productos de este catabolismo se encuentran 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). A pesar de las diferencias entre los organismos y la complejidad del metabolismo, los investigadores han descubierto que todas las ramas de la vida comparten algunas de las mismas vías metabólicas, lo que sugiere que todos los organismos evolucionaron a partir del mismo ancestro común antiguo (Figura 6.4). 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.

  1. El oxígeno es un subproducto de la respiración anaeróbica, por lo que había muy poco oxígeno en la atmósfera hasta que evolucionaron los organismos anaeróbicos.
  2. El oxígeno es un subproducto de la fermentación, por lo que había poco oxígeno en la atmósfera hasta que aparecieron los procariotas.
  3. El oxígeno es un subproducto de la respiración aeróbica, por lo que había muy poco oxígeno en la atmósfera hasta que los animales evolucionaron.
  4. El oxígeno es un subproducto de la fotosíntesis, por lo que había muy poco oxígeno en la atmósfera hasta que evolucionaron los organismos fotosintéticos.

Vías anabólicas y catabólicas

Las vías anabólicas requieren un aporte de energía para sintetizar moléculas complejas a partir de otras más simples. Sintetizar azúcar a partir de CO2 es un ejemplo. Otros ejemplos son la síntesis de proteínas grandes a partir de componentes básicos de aminoácidos y la síntesis de nuevas cadenas de ADN a partir de componentes básicos de ácidos nucleicos. Estos procesos biosintéticos son críticos para la vida de la célula, ocurren constantemente y demandan energía proporcionada por ATP y otras moléculas de alta energía como NADH (dinucleótido de nicotinamida y adenina) y NADPH (Figura 6.5).

El ATP es una molécula importante para que las células tengan un suministro suficiente en todo momento. La descomposición de los azúcares ilustra cómo una sola molécula de glucosa puede almacenar suficiente energía para producir una gran cantidad de ATP, de 36 a 38 moléculas. Esta es una vía catabólica. Las vías catabólicas implican la degradación (o descomposición) de moléculas complejas en otras más simples. La energía molecular almacenada en los enlaces de moléculas complejas se libera en vías catabólicas y se recolecta de tal manera que se puede utilizar para producir ATP. Otras moléculas que almacenan energía, como las grasas, también se descomponen a través de reacciones catabólicas similares para liberar energía y producir ATP (Figura 6.5).

Es importante saber que las reacciones químicas de las vías metabólicas no se producen de forma espontánea. Cada paso de la reacción es facilitado o catalizado por una proteína llamada enzima. Las enzimas son importantes para catalizar todo tipo de reacciones biológicas, tanto las que requieren energía como las que la liberan.


Dominio Archaea

Como las bacterias, los organismos en dominio Archaea son procariotas y unicelulares. Superficialmente, se parecen mucho a las bacterias, y muchos biólogos las confundieron como bacterias hasta hace algunas décadas. Pero en sus genes se esconde una historia que el análisis de ADN moderno ha revelado recientemente: los arqueanos son tan diferentes genéticamente que pertenecen a su propio dominio.

Muchas especies arcaicas se encuentran en algunos de los entornos más inhóspitos, áreas de inmensa presión (fondo del océano), salinidad (como el Gran Lago Salado) o calor (manantiales geotérmicos). Los organismos que pueden tolerar e incluso prosperar en tales condiciones se conocen como extremófilos. (Cabe señalar que muchas bacterias también son extremófilas.). Junto con la evidencia genética, el hecho de que un gran porcentaje de arqueos sean extremófilos sugiere que pueden ser descendientes de algunas de las formas de vida más antiguas de la Tierra que se originaron en un planeta joven que era inhóspito para los estándares actuales.

Por alguna razón, los arqueos no son tan abundantes en el cuerpo humano como las bacterias y causan sustancialmente menos enfermedades. La investigación sobre los arqueos continúa arrojando luz sobre este dominio interesante y algo misterioso.


Agradecimientos

Los autores agradecen a la Facilidad de Proteómica y Metabolómica del Instituto Wistar por la asistencia técnica. Este trabajo fue financiado por subvenciones de las siguientes organizaciones: los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. (R01CA160331, R01CA163377, R01CA202919 y P50CA228991 a RZ P01AG031862 a RZ, KN y DS R01CA148639 y R21CA155736 a GD F31CA206387 a LLKAB R00CA194309 a DWS R50CA211199 a AVK R50CA221838 a H.-YT y T32CA009191 a TN) el Departamento de Defensa de EE. UU. (OC140632P1 y OC150446 a RZ) La Honorable Fundación Tina Brozman para la Investigación del Cáncer de Ovario (a RZ) y la Alianza de Investigación del Cáncer de Ovario (Desarrollo de Investigación Colaborativa Beca a RZ y DWS, y Premio de Investigadora Mentorada Ann y Sol Schreiber a SW). El apoyo de las instalaciones principales fue proporcionado por la subvención de apoyo del centro de cáncer CA010815 al Instituto Wistar.


Energía potencial y cinética

Cuando un objeto está en movimiento, hay energía asociada con ese objeto. Piense en una bola de demolición. Incluso una bola de demolición de movimiento lento puede causar mucho daño a otros objetos. La energía asociada con los objetos en movimiento se llama energía cinética (Figura 4.5). Una bala acelerada, una persona que camina y el movimiento rápido de moléculas en el aire (que produce calor) tienen energía cinética.

Ahora, ¿qué pasa si esa misma bola de demolición inmóvil se levanta dos pisos por encima del suelo con una grúa? Si la bola de demolición suspendida no se mueve, ¿hay energía asociada con ella? La respuesta es sí. La energía que se requería para levantar la bola de demolición no desapareció, pero ahora se almacena en la bola de demolición en virtud de su posición y la fuerza de gravedad que actúa sobre ella. Este tipo de energía se llama energía potencial (Figura 4.5). Si la pelota cayera, la energía potencial se transformaría en energía cinética hasta que toda la energía potencial se agotara cuando la pelota descansara en el suelo. Las bolas de demolición también se balancean como un péndulo a través del columpio, hay un cambio constante de energía potencial (más alta en la parte superior del columpio) a energía cinética (más alta en la parte inferior del columpio). Otros ejemplos de energía potencial incluyen la energía del agua retenida detrás de una presa o una persona a punto de saltar en paracaídas desde un avión.

Figura 4.5 El agua sin gas tiene energía potencial El agua en movimiento, como en una cascada o un río que fluye rápidamente, tiene energía cinética. (crédito & # 8220dam & # 8221: modificación del trabajo por & # 8220Pascal & # 8221 / crédito de Flickr & # 8220waterfall & # 8221: modificación del trabajo por Frank Gualtieri)

La energía potencial no solo está asociada con la ubicación de la materia, sino también con la estructura de la materia. Incluso un resorte en el suelo tiene energía potencial si se comprime, lo mismo ocurre con una banda elástica que se tensa. A nivel molecular, los enlaces que mantienen unidos los átomos de las moléculas existen en una estructura particular que tiene energía potencial. Recuerde que las vías celulares anabólicas requieren energía para sintetizar moléculas complejas a partir de otras más simples y las vías catabólicas liberan energía cuando se descomponen moléculas complejas. El hecho de que la energía pueda ser liberada por la ruptura de ciertos enlaces químicos implica que esos enlaces tienen energía potencial. De hecho, hay energía potencial almacenada dentro de los enlaces de todas las moléculas de alimentos que comemos, que eventualmente se aprovecha para su uso. Esto se debe a que estos enlaces pueden liberar energía cuando se rompen. El tipo de energía potencial que existe dentro de los enlaces químicos y que se libera cuando esos enlaces se rompen se llama energía química. La energía química es responsable de proporcionar a las células vivas la energía de los alimentos. La liberación de energía ocurre cuando se rompen los enlaces moleculares dentro de las moléculas de los alimentos.

Vea un video sobre kilocalorías.


5. SEÑALES DE EJERCICIO QUE REGULAN EL TRANSPORTE DE GLUCOSA

Las proteínas de señalización intracelular que regulan el aumento de la translocación de GLUT4 y el transporte de glucosa en el músculo esquelético con el ejercicio también han sido un área de intensa investigación durante los últimos 10 años. Dado que tanto la insulina como el ejercicio estimulan la translocación de GLUT4, se ha planteado la hipótesis de que puede haber proteínas de señalización similares involucradas en el proceso de translocación. La señalización de insulina implica la fosforilación rápida del receptor de insulina, el sustrato del receptor de insulina 1/2 (IRS-1/2) en los residuos de tirosina y la activación de la fosfatidilinositol 3-quinasa (PI3-K). 40,41 Por el contrario, el ejercicio no produce fosforilación de tirosina del receptor de insulina y del IRS-1, y no hay aumento en la actividad de PI3-K. 42,43 Evidencia adicional de que el ejercicio puede aumentar el transporte de glucosa en ausencia de señalización de insulina proviene de un estudio que investiga ratones que carecen de receptores de insulina en el músculo esquelético (ratones KO receptores de insulina específicos del músculo MIRKO). 44,45 Si bien estos ratones tienen un transporte de glucosa reducido estimulado por insulina, 45 tienen un transporte de glucosa normal estimulado por el ejercicio. 44 En conjunto, estos estudios revelan que la insulina y el ejercicio median la translocación de GLUT4 en el músculo esquelético a través de diferentes mecanismos de señalización proximales.

Es bien sabido que una sola sesión de ejercicio activa múltiples vías de señalización 46 & # x0201348, sin embargo, el mecanismo de señalización preciso que media el transporte de glucosa estimulado por el ejercicio todavía no se comprende completamente. La actividad contráctil muscular produce numerosas alteraciones dentro de las fibras musculares, incluidos cambios en el estado energético (es decir, aumento de AMP / ATP), aumento de la concentración de Ca 2+ intracelular, aumento de especies reactivas de oxígeno y estiramiento de las fibras musculares. Estas modificaciones pueden activar varias cascadas de señalización, algunas de las cuales han sido implicadas en el transporte de glucosa estimulado por el ejercicio 49,50 (Fig. 1).

Modelo propuesto para las vías de señalización que median el transporte de glucosa del músculo esquelético inducido por el ejercicio y la insulina. La insulina se inicia al unirse a su receptor de servicio celular que conduce a una cascada de reacciones de fosforilación que involucran IRS-1, PI 3-quinasa y Akt, entre otras proteínas. El ejercicio funciona a través de un mecanismo de señalización proximal que es distinto al de la insulina y está menos definido. Es probable que el mecanismo de señalización del ejercicio proximal tenga redundancia, ya que se han implicado varios estímulos en este proceso, incluidos cambios en el Ca 2+ intracelular, la relación AMP: ATP, la generación de especies reactivas de oxígeno y tensiones mecánicas. Se cree que las vías de señalización de la insulina y el ejercicio convergen a nivel de las proteínas Rab GAP TBC1D1 y AS160, que permiten la liberación de las vesículas que contienen GLUT4 de las reservas intracelulares, la translocación a los túbulos transversales y el sarcolema, y ​​un aumento de la glucosa. consumo. Adaptado de Árbitro. 50.

5.1 AMPK y LKB1

AMPK es una proteína heterotrimérica compuesta por una subunidad catalítica & # x003b1 y subunidades reguladoras & # x003b2- y & # x003b3. Las subunidades & # x003b1- y & # x003b2-existen cada una en dos isoformas (& # x003b11, & # x003b12 y & # x003b21, & # x003b22), y la subunidad & # x003b3-existe en tres isoformas (& # x003b31, & # x003b32 y & # x003b33). La AMPK es activada por fosforilación por una o más quinasas cadena arriba, incluida LKB1. 52 & # x0201354

AMPK y LKB1 se han estudiado ampliamente por su papel potencial en el transporte de glucosa estimulado por el ejercicio. 55 La evidencia inicial de un papel de AMPK en el transporte de glucosa estimulado por el ejercicio provino de estudios que utilizaron el análogo de AMP, ribonucleósido de 5-aminoimidazol-4-carboxamida (AICAR). 56,57 Estos estudios mostraron que AICAR aumenta el transporte de glucosa en el músculo esquelético, 56,57 y similar a la contracción muscular, los efectos de AICAR son aditivos con la insulina e independientes de la PI 3-quinasa. 56,58 Algunos estudios han demostrado que los ratones que sobreexpresan una construcción AMPK & # x003b12 negativa dominante en el músculo o ratones & # x003b11 y & # x003b12 KO tienen una absorción de glucosa alterada estimulada por el ejercicio. 24,59 & # x0201363 Por el contrario, otros estudios que utilizan modelos de ratón con actividad de AMPK eliminada demuestran que la inhibición de AMPK tiene poco o ningún efecto sobre la captación de glucosa inducida por el ejercicio, 62,64,65 o la captación de glucosa estimulada por el ejercicio en vivo, 66 sugiriendo redundancia en el sistema. Por lo tanto, todavía es controvertido si la AMPK es necesaria para la captación de glucosa estimulada por el ejercicio.

El papel de LKB1 en el transporte de glucosa estimulado por el ejercicio tampoco está claro. Se ha demostrado que los ratones con KO de LKB1 específicamente en el músculo esquelético tienen una atenuación severa del transporte de glucosa estimulado por la contracción. 51,67 Esta disminución en el transporte de glucosa podría deberse a la disminución de la activación de AMPK y una o más de las quinasas relacionadas con AMPK que son sustratos de LKB1. Un posible sustrato de LKB1 que puede regular el transporte de glucosa estimulado por el ejercicio es la quinasa relacionada con AMPK no fermentador de sacarosa (SNARK). Se demostró que la disminución de la actividad de SNARK en el músculo esquelético disminuye el transporte de glucosa estimulado por el ejercicio. 68

Si bien se demostró que el transporte de glucosa estimulado por contracción está alterado en ratones LKB-1 KO 51,67 y con una actividad SNARK disminuida, 68 otro estudio reciente mostró que la absorción de glucosa durante la carrera en cinta rodante fue similar, si no mayor, en ratones LKB-1 KO en comparación con los controles de tipo salvaje. 69 En otro estudio más, la deleción específica de músculo de LKB1 inhibió sólo parcialmente el transporte de glucosa estimulado por el ejercicio. 51 Estos datos sugieren que si bien AMPK, SNARK y LKB1 pueden ser importantes en la regulación de la absorción de glucosa estimulada por el ejercicio, este sistema debe tener un alto grado de redundancia y es probable que haya varios sistemas de señalización superpuestos que puedan controlar el ejercicio. -Transporte de glucosa estimulado en el músculo esquelético. Esta teoría es consistente con la importancia de la utilización de carbohidratos durante el ejercicio para la supervivencia.

5.2 Proteínas cinasas dependientes de Ca 2+ / Calmodulina

La actividad contráctil del músculo esquelético requiere un aumento en las concentraciones de Ca 2+ intracelular, y algunos estudios han indicado que la señalización de Ca 2+ / calmodulina y las proteínas cinasas dependientes de Ca 2+ / calmodulina son señales críticas que median el transporte de glucosa estimulado por el ejercicio en el músculo esquelético. La incubación del músculo esquelético de rata con el inhibidor de Ca 2+ / calmodulina KN-93 disminuyó el transporte de glucosa estimulado por contracción. 70 KN-93 también inhibió la fosforilación de CaMKII inducida por el ejercicio en ausencia de inhibición de AMPK, lo que sugiere que las CaMK regulan el transporte de glucosa independientemente de la señalización de AMPK. 70,71 Estos estudios también mostraron que la sobreexpresión de una CaMKK & # x003b1 constitutivamente activa en el músculo esquelético de ratón aumentaba la fosforilación de AMPK Thr-172 y la captación de glucosa del músculo esquelético. 71 La electroporación de un inhibidor específico de CaMKII en el músculo tibial anterior del ratón redujo la captación de glucosa estimulada por el ejercicio en un 30%. 72 Sin embargo, un estudio separado encontró que los aumentos en la concentración de Ca 2+ en el músculo causaban muy poco aumento en la absorción de glucosa cuando la respuesta contráctil del músculo estaba alterada. 73 Estos datos apuntan a un efecto indirecto del Ca 2+ sobre la captación de glucosa muscular, y el estudio de la señalización del calcio en la regulación del transporte de glucosa estimulado por el ejercicio necesita más investigación.

5.3 Señales aguas abajo que median el transporte de glucosa estimulado por el ejercicio

Se ha propuesto que las proteínas de señalización aguas abajo en el ejercicio y las vías de señalización de la insulina converjan en el sustrato Akt de las proteínas Rab GAP de 160 kDa (AS160 / TBC1D4) y ​​Tre-2 / USP6, BUB2, miembro de la familia del dominio cdc16 1 (TBC1D1). AS160 y TBC1D1 están vinculados a la translocación de GLUT4 a través de las proteínas Rab (ras homólogas del cerebro). Las proteínas Rab son miembros de la superfamilia 74 de las pequeñas GTPasas Ras y se ha demostrado que están implicadas en muchos eventos de tráfico de membranas. Los Rab activos reclutan varias proteínas efectoras que participan en la gemación, unión y fusión de las vesículas. 49,74,75 Además de las funciones bien establecidas de las proteínas Rab, existe evidencia de que la GTPasa Rac1 de la familia Rho está implicada en la translocación de GLUT4 estimulada tanto por la insulina como por el ejercicio. 76,77 Los ratones deficientes en Rac1 (Rac1 KO) tienen una menor translocación de GLUT4 estimulada por insulina, 71,76 y la inhibición de Rac1 disminuyó la captación de glucosa estimulada por contracción en el músculo esquelético del ratón. 77

5.4 AS160 y TBC1D1

Se demostró inicialmente que AS160 regula la translocación de GLUT4 estimulada por insulina en adipocitos 3T3LI. 78 & # x0201380 AS160 tiene numerosos sitios de fosforilación, y la actividad de Rab GAP está controlada por fosforilación. Los sitios de fosforilación mejor estudiados son un grupo de seis sitios distintos que se identificaron como sustratos para Akt. Estos se conocen colectivamente como sitios de sustrato de fosfo-Akt (PAS) y tanto la insulina como el ejercicio aumentan la fosforilación de PAS de AS160 en el músculo esquelético. 78,81,82 También se sabe que el ejercicio prolongado en humanos 82 & # x0201384 y ratas, 78 así como AICAR, causan fosforilación de AS160 PAS. Por lo tanto, además de Akt, se ha demostrado que AMPK fosforila AS160. 81 Mutation of four PAS sites significantly inhibits both insulin- and exercise-induced glucose uptake. 85 AS160 also contains a calmodulin-binding domain, and mutation of this domain inhibits exercise-, but not insulin-stimulated glucose uptake. 86 These data show that both phosphorylation and calmodulin binding on AS160 are involved in the regulation of exercise-stimulated glucose uptake. These data also suggest that while AS160 may serve as a point of convergence for both insulin- and exercise-dependent signaling in the regulation of glucose uptake, other proteins may be involved in this regulation of glucose uptake.

TBC1D1 is another potential molecular link among signaling pathways converging on GLUT4 translocation in skeletal muscle. 78,81,87� TBC1D1 and AS160 share 47% overall identity and have several comparable structural features. TBC1D1 was first identified in adipocytes in culture but has only very limited expression in this tissue. In contrast, TBC1D1 is highly expressed in skeletal muscle. 89 Insulin increases TBC1D1 PAS phosphorylation in skeletal muscle 90,92,93 but, unlike AS160, TBC1D1 can regulate insulin-stimulated glucose transport through a PAS-independent mechanism. 92 Mutations of TBC1D1 differentially regulate insulin- and exercise-stimulated glucose transport in skeletal muscle. 92,93 Thus, TBC1D1 regulates both insulin- and exercise-stimulated glucose transport in muscle, but through distinct phosphorylation sites. Taken together, these data demonstrate that AS160 and TBC1D1 are a point of convergence for the regulation of GLUT4 translocation for insulin- and exercise-stimulated glucose transport in skeletal muscle.


Chronic Liver Disease

Alan E. Read MD FRCP , . J.M. Naish MD FRCP , in Basic Gastroenterology (Third Edition) , 1981

A Diabetes Mellitus

The liver is the main source of glucose, which is produced by the breakdown of hepatic glycogen. In diabetes hepatomegaly is common, and in diabetic ketosis severe upper abdominal pains are usually attributed to distension of the hepatic capsule by a swollen liver.

In thin diabetic patients who need insulin hepatomegaly may occur. The reason for the hepatomegaly is sometimes fatty infiltration and sometimes increased glycogen stores. Hepatomegaly is particularly common where there is poor diabetic control, but with improvement the liver may return to normal size. In the obese, mild and usually elderly diabetic not requiring insulin, hepatomegaly is due to fatty infiltration. Fatty degeneration of the liver is common in subjects who are obese but not diabetic, so that this lesion may be as much an indication of obesity as of diabetes. Cirrhosis of the liver seems to be somewhat commoner in diabetics than in non-diabetics. It must be remembered that, apart from the association of diabetes with haemochromatosis, diabetes is also found in about a third of cirrhotics and an abnormality of the glucose tolerance curve in nearly 80 per cent. It has been recognized for some time that raised serum insulin values and a subsequent insulin resistance are features of the association, but it has been uncertain until recently as to whether this was due to increased pancreatic insulin secretion or failure of the abnormal liver to destroy circulating insulin. Measurement of serum insulin and C peptide levels have shown that the hyperinsulinaemia represents a failure of hepatic insulin inactivation supplemented by shunting into portal collaterals. The diabetes is often mild but complications, particularly infections, may be serious particularly as they can precipitate liver cell failure.


Anabolic and Catabolic Pathways

Anabolic pathways require an input of energy to synthesize complex molecules from simpler ones. Synthesizing sugar from CO2 is one example. Other examples are the synthesis of large proteins from amino acid building blocks, and the synthesis of new DNA strands from nucleic acid building blocks. These biosynthetic processes are critical to the life of the cell, take place constantly, and demand energy provided by ATP and other high-energy molecules (Figura 4).

ATP is an important molecule for cells to have in sufficient supply at all times. The breakdown of sugars illustrates how a single molecule of glucose can store enough energy to make a great deal of ATP, 36 to 38 molecules. This is a catabolic pathway. Catabolic pathways involve the degradation (or breakdown) of complex molecules into simpler ones. Molecular energy stored in the bonds of complex molecules is released in catabolic pathways and harvested in such a way that it can be used to produce ATP. Other energy-storing molecules, such as fats, are also broken down through similar catabolic reactions to release energy and make ATP (Figura 4).

It is important to know that the chemical reactions of metabolic pathways don’t take place spontaneously. Each reaction step is facilitated, or catalyzed, by a protein called an enzyme. Enzymes are important for catalyzing all types of biological reactions—those that require energy as well as those that release energy.

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.


Metabolismo

Metabolism is the process of breaking nutrients into fundamental components and then building it up in several useful ways. It can be useful for structure, useful for providing energy so that it is easier for us to sustain our lives with all processes such as reproduction, growth and response to surroundings.

Metabolism Meaning

Metabolism Definition- It can be defined as all the chemical reactions taking place inside of a cell often linked in pathways or chains.

In some of the chemical reactions taking place during metabolism, energy is released and in others, energy is added for the reactions to take place. A metabolism example of the former case is cellular respiration where a sugar molecule is broken down and energy is released in the form of ATP (Adenosine Triphosphate) an example of the latter is photosynthesis where sunlight energy is used by plants to convert carbon dioxide into sugar molecules.

Types of Metabolism

Metabolism consists of two different processes:

Catabolism : Breaking down the substances for energy or structure to getting back to the building blocks.

Anabolism: Rebuild the substances in ways that we find it useful.

Catabolic and Anabolic Pathways

A metabolic pathway is a series of linked chemical reactions that include making and breaking down glucose molecules and releasing or utilising energy. The building up pathway is Anabolic pathway whereas breaking down pathways is a catabolic pathway. Let’s discuss these two pathways in detail:

Anabolic Pathway

It helps in building complex molecules from simpler molecules and here energy is consumed i.e. it needs the input of energy. A few examples of the anabolic pathway include-

Synthesis of proteins from amino acids

DNA strands from nucleic acid building blocks called nucleotides.

Conversion of amino acids into keratin

Conversion of glycogen or starch from the glucose molecule

The energy used in these important biosynthetic processes is in the form of ATP and other short-term energy storage molecules.

Catabolic Pathway

It involves the breakdown of complex molecules into simpler ones and is a pathway that releases energy in the form of ATP. Metabolism examples for the catabolic pathway include-

The breakdown of glucose into Pyruvate

Conversion of proteins into amino acids

Conversion of lipids or fats into fatty acids

All of these degradations occur in a pathway and energy (ATP) is released to power the work of cells.

When we eat food, the molecules are converted to amino acids, sugars and fatty acids with the release of ATP (energy) and waste materials like Nitrogen, CO2, Phosphorus and Sulphur excreted out of the body. Here, we can see whatever we put inside our body in the form of food, it changed into another form.

The outcomes of the catabolic pathway are absorbed by our intestines, enter the bloodstream and then are distributed to the body cells. Its functions include-

The energized cell forms replacement parts for its own molecules which are worn out and other times, it builds energy molecules in the body.

These act like fuel to power the cell’s future activities. Example- Muscle cells use energy molecules to contract and brain cells utilize them to form thought processes.


Ver el vídeo: Metabolism (Julio 2022).


Comentarios:

  1. Chepito

    Es una pena que no pueda hablar ahora, me veo obligado a irme. Seré liberado, definitivamente daré mi opinión sobre este asunto.

  2. Pedro

    En mi opinión, él está equivocado. Escríbeme en PM, te habla.



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