¿Por qué algunas células de levadura producen etanol? Los científicos se han preguntado acerca de este aparente desperdicio de recursos durante décadas. Ahora, los científicos de la Universidad de Groningen creen que tienen una solución: las células de levadura producen etanol como una 'válvula de seguridad', para evitar la sobrecarga cuandola operación metabólica alcanza un nivel crítico. Las implicaciones de esta nueva teoría, que fue publicada en Metabolismo de la naturaleza el 7 de enero, podría ser de gran alcance, ya que también explica por qué las células cancerosas desperdician energía al producir lactato, conocido como el efecto Warburg.
Las células usan nutrientes como la glucosa para producir nuevas células. Pero a veces, algunos de estos nutrientes se desperdician. Por ejemplo, la levadura Saccharomyces cerevisiae, que se usa para producir cerveza, descompone la glucosa en etanol en lugar de dióxido de carbono.La molécula de seis carbonos a una molécula de dos carbonos, en lugar de dióxido de carbono, significa que parte de la energía y la materia almacenada en la glucosa se pierde. No tiene sentido ", dice Matthias Heinemann, profesor de biología de sistemas moleculares en la Universidad de Groningen..
metabolismo
La evolución debería haber puesto fin a tal desperdicio de recursos, por lo que los biólogos han tratado de encontrar una razón para su existencia. "Y se puede ver un derroche similar en otras células", dice Heinemann. Un ejemplo ampliamente conocido es el de las células cancerosas.Estas células de rápido crecimiento excretan lactato, que es un desperdicio de energía similar. Y muchas bacterias también desperdician energía. "Esta similitud entre diferentes organismos nos hizo preguntarnos si había un denominador común".
El campo de investigación de Heinemann es el metabolismo, la red de reacción química que genera los bloques de construcción para las nuevas células. Presumió que existe un límite superior de velocidad en el que las células pueden operar su metabolismo. Con sus estudiantes de doctorado Bastian Niebel y Simeon Leupold, élmodeló la disipación de energía de Gibbs en las células. Esta es la energía liberada por todas las reacciones químicas que tienen lugar en una célula.
Algo universal
Al agregar la termodinámica a un modelo con alrededor de 1,000 reacciones químicas y combinar el modelo con datos experimentales, Heinemann pudo determinar la tasa de disipación de energía de Gibbs en función de la absorción de glucosa. Al principio, la disipación de energía de Gibbs aumenta al aumentar las tasas deconsumo de glucosa, pero luego se alcanza una meseta, y en ese punto, comienza la producción de etanol. "Este es el punto donde las células cambian de la respiración a la fermentación", explica Heinemann.
Heinemann y su equipo obtuvieron resultados similares para la bacteria intestinal E. coli, con una meseta a un nivel comparable de disipación de energía de Gibbs. Heinemann: 'La levadura y la E. coli viven en ambientes completamente diferentes, pero tienen aproximadamente el mismo límite de disipaciónincluso es aproximadamente del mismo valor. Esto sugiere que este límite es algo universal. "La razón exacta de este límite aún se desconoce, pero los científicos han planteado una hipótesis de trabajo." El metabolismo celular tiene una tasa máxima a la quetodavía puede funcionar. 'Cuando se alcanza esto, las células abren una' válvula de seguridad 'y la glucosa se descompone en etanol, acetato o lactato, dejando parte de la energía sin usar.
Daño
Entonces, ¿qué está causando este límite? 'Parte de la energía se disipa en forma de calor, pero esto es demasiado poco para molestar a las células. Nuestra idea es que cuando las enzimas catalizan una reacción química, reciben un pequeño impulso durante la reacción, quelos hace moverse. Si trabajan muy rápido, esto podría significar que hay demasiado movimiento dentro de las células, lo que podría dañar ciertas estructuras celulares. "Los estudios sobre el movimiento de las enzimas dentro de la célula a diferentes tasas metabólicas podrían confirmar esto".
Mientras tanto, Heinemann cree que ahora ha resuelto el misterio no solo de la producción de etanol en la levadura, sino también del efecto Warburg en las células cancerosas. Hace casi un siglo, el fallecido Premio Nobel Otto Warburg observó que las células cancerosas tienen un altotasa de glucólisis con excreción de lactato. Este desperdicio de energía y materia es, según Heinemann, la "válvula de seguridad": "Se están realizando algunos experimentos con medicamentos que bloquean la producción de lactato como una forma de tratar el cáncer. El mecanismo de estos medicamentos podríapara cerrar la válvula de seguridad de las celdas
entropía
Sin embargo, no todas las células necesitan una válvula de seguridad. "Algunas cepas de levadura tienen una absorción lenta de glucosa, por lo que nunca estarán en peligro de sobrecarga metabólica. Y de hecho, estas especies de levadura no producen etanol", dice Heinemann.
El descubrimiento recuerda una cita del trabajo seminal de Erwin Schrödinger 'What is Life': 'Lo esencial en el metabolismo es que el organismo logra liberarse de toda la entropía que no puede evitar producir mientras está vivo'. Esta afirmación debería serHeinemann dice: "Sin embargo, existe un límite superior de velocidad en el que las células pueden liberarse de esta entropía, y este límite rige cómo las células operan su metabolismo".
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Materiales proporcionados por Universidad de Groningen . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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