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5.8: Por qué es importante - Estructura celular - Biología

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¿Por qué es importante aprender sobre las células?

La célula es la unidad básica estructural, funcional y biológica de todos los organismos vivos conocidos: todos los seres vivos están formados por células (o una sola célula, en algunos casos). Cada una de estas diferentes unidades —membranas, orgánulos, filamentos, etc.— realiza una función única que facilita la vida.

Intentalo

Cuando un orgánulo específico funciona incorrectamente, puede resultar en varias enfermedades. Por ejemplo, las siguientes enfermedades están relacionadas directamente con componentes celulares específicos:

  • Enfermedad de Pompe: caracterizado por una acumulación excesiva de glucógeno en las células musculares
  • Enfermedad de Leigh: trastorno progresivo de lesiones (células muertas o moribundas) en el cerebro
  • Distrofia muscular de Emery-Dreifuss: emaciación y debilidad en los músculos de los hombros, la parte superior de los brazos y los músculos de la pantorrilla

¿A qué componentes celulares podría conectarse cada uno de estos? Comprender cómo funcionan los componentes celulares puede ayudarlo a comprender los problemas de salud relacionados con la función celular.


¿Qué es ATP y por qué es importante?

¿Qué es ATP y por qué es importante?
ATP significa trifosfato de adenosina. Es una molécula que se encuentra en las células de los organismos vivos. Se dice que es muy importante porque transporta la energía necesaria para todas las actividades metabólicas celulares. Se le conoce como la unidad universal de energía para los organismos vivos. Sin ATP, no pueden tener lugar diversas actividades metabólicas en el cuerpo humano.

El ATP consta de una molécula de adenina y tres moléculas de fosfato. Estas moléculas se producen a través de varios procesos que incluyen la respiración celular y la fosforilación. Las moléculas de ATP se denominan impulsoras del metabolismo celular. Transportan la energía que necesita una actividad celular en particular. Otra cosa importante de esta molécula es que es reciclable. Después de consumirse en un proceso metabólico particular, se vuelven a convertir en sus precursores, lo que permite su reutilización.

Pero además de transportar energía para las actividades celulares, el ATP también ayuda a mantener la estructura celular adecuada. Las células tienen una cubierta externa llamada membranas celulares y estas se mantienen y protegen para evitar la intrusión de sustancias extrañas. Este mecanismo es muy importante en la prevención de infecciones y diversas enfermedades del organismo. El ATP también es importante en el proceso llamado síntesis de ADN. En este proceso, el ATP proporciona nuevamente el requerimiento de energía para que ocurra esta actividad celular. En el sistema muscular, el ATP proporciona la energía necesaria para la contracción muscular. A través de su acción sobre los filamentos de actina y miosina presentes en las fibras musculares, el ATP provoca el acortamiento y alargamiento de estas fibras para permitir el movimiento y la locomoción.

El ATP proporciona apoyo a casi todas las actividades celulares metabólicas del cuerpo humano. En otros organismos vivos como las plantas, el ATP también ayuda en el proceso llamado fotosíntesis. En las levaduras, el ATP también participa en el proceso de fermentación. En organismos pequeños como los hongos, el ATP ayuda en el proceso de respiración. Con sus diversas funciones en importantes actividades celulares de los organismos vivos, el ATP se considera una molécula esencial.


Abstracto

La ingeniería metabólica utiliza enzimas como partes para construir biosistemas para tareas específicas. Aunque la vida útil de una pieza y los modos de falla son indicadores clave del rendimiento de la ingeniería, esto aún no es así en la ingeniería metabólica porque no se sabe cuánto tiempo permanecen funcionales las enzimas in vivo o si el deterioro acumulativo (desgaste), falla aleatoria repentina u otros. provoca el reemplazo de la unidad. En consecuencia, las enzimas no se pueden diseñar para prolongar la vida útil y reducir los altos costos de energía de reemplazo. Guiados por la ingeniería de catalizadores, adoptamos ciclos catalíticos hasta el reemplazo (CCR) como una métrica para la vida útil de la enzima in vivo. CCR es el número de ciclos catalíticos que media una enzima in vivo antes de fallar o reemplazar, es decir, tasa de flujo metabólico / tasa de renovación de proteínas. Usamos flujos estimados y tasas de renovación de proteínas medidas para calcular CCR para ∼100-200 enzimas cada una de Lactococcus lactis, levadura y Arabidopsis. Los CCR en estos organismos tenían rangos similares (& lt10 3 a & gt10 7) pero valores medios diferentes (3-4 × 10 4 en L. lactis y levadura versus 4 × 10 5 en Arabidopsis). En todos los organismos, las enzimas cuyos sustratos, productos o mecanismos pueden atacar los residuos de aminoácidos reactivos tenían valores de CCR medianos significativamente más bajos que otras enzimas. Tomado con la literatura sobre inactivación basada en mecanismos, este último hallazgo apoya la propuesta de que 1) el daño aleatorio del sitio activo por la química de la reacción es una causa importante de falla enzimática, y 2) los residuos reactivos no catalíticos en la región del sitio activo son probablemente contribuyentes a susceptibilidad al daño. La ingeniería enzimática para aumentar los CCR y reducir los costos de reemplazo puede, por lo tanto, ser beneficiosa y factible.

A medida que la revolución de la biología sintética incorpora principios y prácticas de ingeniería a las ciencias de la vida, las biomoléculas se están replanteando como componentes que se utilizan para construir nuevos biosistemas y mejorar los existentes (1 ⇓ –3). Las enzimas, las partes funcionales de los sistemas metabólicos, son el objetivo de este replanteamiento y cada vez se reutilizan más mediante un diseño racional y una evolución dirigida (4).

La especificidad del sustrato, la eficiencia catalítica y el nivel de expresión son especificaciones de rendimiento comunes para las partes enzimáticas en la ingeniería metabólica, pero la vida útil no lo es, a pesar de su centralidad en otros campos de la ingeniería. Conocer la vida útil de un componente de ingeniería (cuánto tiempo dura en servicio) es fundamental para prevenir fallas del sistema y optimizar los programas de mantenimiento (5). En consecuencia, métricas de fallas como el “tiempo medio hasta la falla” (6) se utilizan ampliamente en ingeniería, que distingue tres tipos de fallas: tempranas, de desgaste y aleatorias o estocásticas. Los tres tienen contrapartes en enzimas que operan in vivo (Fig.1A) (7 ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ –18), pero por desgaste y fallas aleatorias (Fig.1A, fuente roja) son más relevantes para la duración de la vida laboral.

El concepto de ingeniería de falla de componentes y su aplicación a enzimas in vivo. (A) Los tipos de fallas en los componentes fabricados y sus contrapartes en las enzimas que operan in vivo. (B) Representación esquemática de la dependencia del tiempo de la tasa de peligro y la probabilidad acumulada (aumento de la densidad del color) de que un componente individual haya fallado.

En los sistemas fabricados, las fallas por desgaste son causadas por procesos de deterioro acumulativo o por desgaste dependiente del uso (Fig.1A). Como todas las proteínas, las enzimas están sujetas a un deterioro acumulativo por oxidación, racemización u otros eventos químicos (“fatiga proteica”) que pueden afectar cualquier parte de la molécula y degradar su función (9 ⇓ –11). Sin embargo, el desgaste dependiente del uso no tiene equivalente en enzimas, es decir, el rendimiento de la enzima no se degrada progresivamente por la operación del ciclo catalítico en la forma en que un rodamiento se desgasta un poco cada vez que gira (Fig.1A). Más bien, un fallo de encendido catalítico aleatorio o un ataque químico de un sustrato o producto sobre un residuo vulnerable en la región del sitio activo puede inactivar instantáneamente una enzima, sea cual sea su edad (14 ⇓ ⇓ ⇓ –18). Por lo tanto, tales fallas tienen una tasa de riesgo constante y son aleatorias o estocásticas, como la falla abrupta de un transistor debido a un aumento de corriente (Fig.1A).

Aunque el riesgo de falla aleatoria no depende de la edad de una pieza, la probabilidad acumulada de que cualquier pieza individual experimente una falla aleatoria aumenta con el tiempo (Fig.1B). Dado el tiempo suficiente, ciertos tipos de moléculas enzimáticas pueden estar condenados a sufrir un accidente terminal relacionado con la catálisis. Estos procesos de inactivación autoinfligidos son consideraciones importantes para las enzimas industriales (es decir, enzimas utilizadas ex vivo como reactivos) y el número de ciclos catalíticos que lleva a cabo cada molécula de enzima en su vida, a menudo llamado "número de rotación total", es un factor industrial clave. criterio de desempeño (19 ⇓ –21).

El número de ciclos catalíticos mediados antes de la auto-inactivación también podría ser clave para el desempeño de la enzima in vivo. La evidencia proteómica reciente apunta al daño de la reacción catalizada como un modo importante de falla enzimática y a la posibilidad de que algunas reacciones causen más daño que otras. Así, en la bacteria Lactococcus lactis, un aumento de cinco veces en la tasa de crecimiento fue acompañado por un aumento de siete veces en la tasa de renovación de proteínas (22). Esta casi proporcionalidad implica que L. lactis las enzimas catalizan un número similar de reacciones a lo largo de su vida, sea cual sea la tasa de crecimiento. Esto encaja con el daño relacionado con la reacción como causa de falla: cuanto más rápido es el crecimiento, más fluyen las reacciones, más daño a las enzimas y antes fallan las enzimas. De manera similar, la renovación de proteínas en la levadura fue más rápida cuando las enzimas estaban en uso activo (23). Además, en L. lactis, levadura y Arabidopsis, las enzimas metabólicas de cambio más rápido incluyen muchas con sustratos reactivos, productos o intermedios (Apéndice SI, Tabla S1) (22 ⇓ –24), es decir, con un alto riesgo de daño químico espontáneo en el sitio activo.

Las velocidades a las que las proteínas enzimáticas se degradan y resintetizan son críticas para la economía de energía celular porque dicha renovación puede consumir aproximadamente la mitad del presupuesto de energía de mantenimiento en microbios y plantas (22, 25 ⇓ –27). Por lo tanto, las altas tasas de renovación de proteínas enzimáticas reducen potencialmente la productividad de los biosistemas que van desde las fermentaciones microbianas hasta los cultivos (26, 28, 29). Consistente con tal reducción, la rápida renovación de proteínas se asocia con un bajo rendimiento de biomasa en la levadura (27) y con una baja tasa de crecimiento en Arabidopsis (30). Además, se predice que la desaceleración del recambio de enzimas abundantes y de recambio rápido aumentará sustancialmente la tasa de crecimiento y el rendimiento de biomasa en las plantas (26, 31) y otros organismos (32).

Ahora se puede utilizar el diseño racional o la evolución dirigida para ajustar las tasas de renovación de proteínas (33 ⇓ –35). Sin embargo, antes de comenzar a reducir el recambio de enzimas, es esencial definir las enzimas diana y comprender por qué cambian rápidamente en primer lugar. En consecuencia, aquí calculamos y comparamos la vida útil de las enzimas de tres reinos utilizando el criterio de "ciclos catalíticos hasta el reemplazo" (CCR) (33), definido como los moles de sustrato convertidos por mol de enzima antes de que se reemplace la enzima, es decir , lo siguiente: CCR = Tasa de flujo metabólico Tasa de reemplazo de enzimas. [1] CCR es el equivalente in vivo del "número de rotación total" ex vivo mencionado anteriormente, pero es un término preferible ya que evita la confusión con el término "número de rotación", un sinónimo en enzimología de kgato (20). La CCR se concibe como una constante potencial, con el desgaste de la reacción y las tasas de degradación para mantener la CCR como un factor conectado a la estabilidad estructural y (bio) química de una enzima determinada (33). Luego comparamos el CCR de cada enzima con su química de reacción y entre reinos para encontrar atributos compartidos subyacentes a los valores de CCR. Nuestros hallazgos implican que los CCR están comúnmente influenciados por daños colaterales aleatorios de la reacción catalizada y que las enzimas podrían diseñarse para reducir este daño y sus costos de reemplazo de enzimas concomitantes. De manera más general, los hallazgos apuntan a los accidentes relacionados con la catálisis como una causa importante pero poco reconocida de falla y reemplazo de enzimas.


Ver el vídeo: Focusing on Phase Separation. Cell, November 29, 2018 Vol. 175, Issue 6 (Agosto 2022).