Fluxo (metabolismo) - Flux (metabolism)
Fluxo , ou fluxo metabólico, é a taxa de renovação das moléculas por meio de uma via metabólica. O fluxo é regulado pelas enzimas envolvidas em uma via. Dentro das células, a regulação do fluxo é vital para que todas as vias metabólicas regulem a atividade da via em diferentes condições. O fluxo é, portanto, de grande interesse na modelagem de redes metabólicas, onde é analisado via análise de balanço de fluxo .
Desse modo, fluxo é o movimento da matéria através de redes metabólicas conectadas por metabólitos e cofatores e, portanto, é uma forma de descrever a atividade da rede metabólica como um todo usando uma única característica.
Fluxo Metabólico
É mais fácil descrever o fluxo de metabólitos por meio de uma via, considerando as etapas da reação individualmente. O fluxo dos metabólitos através de cada reação (J) é a taxa da reação direta (V f ), menos a da reação reversa (V r ):
No equilíbrio, não há fluxo. Além disso, é observado que ao longo de uma via de estado estacionário, o fluxo é normalmente determinado pela etapa de determinação da taxa da reação.
Controle de fluxo metabólico
O controle do fluxo através de uma via metabólica requer que
- O fluxo metabólico na etapa de determinação da taxa varia de acordo com as necessidades metabólicas do organismo.
- A mudança no fluxo que ocorre devido ao requisito acima é comunicada ao resto da via metabólica para manter um estado estacionário.
Redes metabólicas
O metabolismo celular é representado por um grande número de reações metabólicas envolvendo a conversão da fonte de carbono (geralmente glicose ) nos blocos de construção necessários para a biossíntese macromolecular . Essas reações formam redes metabólicas dentro das células. Essas redes podem então ser usadas para estudar o metabolismo dentro das células.
Para permitir que essas redes interajam, é necessária uma conexão estreita entre elas. Essa conexão é fornecida pelo uso de cofatores comuns, como ATP , ADP , NADH e NADPH . Além disso, o compartilhamento de alguns metabólitos entre as diferentes redes estreita ainda mais as conexões entre as diferentes redes.
Controle de redes metabólicas
As redes metabólicas existentes controlam o movimento das moléculas por meio de suas etapas enzimáticas, regulando enzimas que catalisam reações irreversíveis. O movimento das moléculas através de etapas reversíveis geralmente não é regulado por enzimas, mas sim regulado pela concentração de produtos e reagentes. Reações irreversíveis em etapas reguladas de uma via têm uma mudança negativa de energia livre, promovendo assim reações espontâneas em apenas uma direção. As reações reversíveis têm nenhuma ou muito pequena mudança de energia livre. Como resultado, o movimento das moléculas através de uma rede metabólica é governado por equilíbrios químicos simples (em etapas reversíveis), com enzimas-chave específicas que estão sujeitas à regulação (em etapas irreversíveis). Esta regulação enzimática pode ser indireta, no caso de uma enzima ser regulada por algum mecanismo de sinalização celular (como fosforilação), ou pode ser direta, como no caso da regulação alostérica , onde metabólitos de uma porção diferente de uma rede metabólica se ligam diretamente para e afetar a função catalítica de outras enzimas, a fim de manter a homeostase .
Fluxos e genótipo
Os fluxos metabólicos são uma função da expressão gênica , tradução , modificações pós-traducionais de proteínas e interações proteína- metabólito .
Fluxos e fenótipo
A função do metabolismo central do carbono (metabolismo da glicose) foi ajustada para atender exatamente às necessidades dos blocos de construção e da energia livre de Gibbs em conjunto com o crescimento celular. Portanto, há uma regulação rígida dos fluxos através do metabolismo central do carbono.
O fluxo em uma reação pode ser definido com base em uma de três coisas
- A atividade da enzima que catalisa a reação
- As propriedades da enzima
- A concentração do metabólito que afeta a atividade enzimática.
Considerando o acima, os fluxos metabólicos podem ser descritos como a representação final do fenótipo celular quando expresso sob certas condições.
Papéis do fluxo metabólico nas células
Regulação do crescimento de células de mamíferos
A pesquisa mostrou que as células em rápido crescimento mostraram mudanças em seu metabolismo. Essas mudanças são observadas no que diz respeito ao metabolismo da glicose . As mudanças no metabolismo ocorrem porque a taxa de metabolismo controla várias vias de transdução de sinal que coordenam a ativação de fatores de transcrição , bem como determinam o progresso do ciclo celular.
O crescimento das células requer a síntese de novos nucleotídeos, membranas e componentes proteicos. Esses materiais podem ser obtidos a partir do metabolismo do carbono (por exemplo, metabolismo da glicose) ou do metabolismo periférico. O fluxo aumentado observado em células em crescimento anormal é provocado pela alta captação de glicose.
Câncer
O fluxo metabólico e, mais especificamente, como o metabolismo é afetado devido às mudanças nas várias vias, cresceu em importância, uma vez que foi observado que as células tumorais exibem metabolismo de glicose aumentado em comparação com as células normais. Através do estudo dessas mudanças, é possível compreender melhor os mecanismos de crescimento celular e, quando possível, desenvolver tratamentos para combater os efeitos do metabolismo intensificado.
Fluxos de medição
Existem várias maneiras de medir fluxos, porém todas elas são indiretas. Devido a isso, esses métodos fazem uma suposição fundamental que é que todos os fluxos em um determinado pool de metabólitos intracelulares equilibram todos os fluxos fora do pool.
Essa suposição significa que, para uma determinada rede metabólica, os equilíbrios em torno de cada metabólito impõem uma série de restrições ao sistema.
As técnicas atualmente utilizadas giram principalmente em torno do uso de ressonância magnética nuclear ( NMR ) ou cromatografia gasosa-espectrometria de massa (GC-MS).
De modo a evitar a complexidade da análise de dados, um método mais simples de estimar razão de fluxo foi recentemente desenvolvido que é baseado na co-alimentação não marcado uniformemente e 13 C, glicose marcada. Os padrões metabólicos intermediários são então analisados usando espectroscopia de NMR . Este método também pode ser usado para determinar as topologias da rede metabólica.