¿Cómo se organiza el metabolismo?

El metabolismo central de carbono se encarga de procesar azúcares y convertirlas en compuestos que luego son redirigidos al resto del metabolismo y, en última instancia, a todas las funciones celulares. Una pregunta fundamental sobre la organización del este sistema es cuál es la importancia relativa de las imposiciones químicas, la selección natural y el azar en su evolución; una manera alternativa de plantear el problema es: ¿la organización del metabolismo que observamos es resultado de la selección natural sobre la propia organización o el producto de la selección en niveles inferiores tales como la viabilidad química de ciertos productos?

El metabolismo central de carbono se compone de la glucólisis, el ciclo de Krebs (o ciclo de ácidos tricarboxílicos, TCA), y la vía de las pentosas-fosfato. A mediados de los 80, Meléndez-Hevia & Isidoro (1985) desarrollaron un juego que consiste en definir las transformaciones químicas válidas, basados en reacciones conocidas, con el objetivo de encontrar el camino más corto entre dos moléculas; los investigadores resolvieron el problema para la vía de las pentosas-fosfato y encontraron que el camino más corto corresponde, tanto en número como en la naturaleza de las transformaciones químicas, al utilizado por los seres vivos. El hecho de que existen muchos otros caminos posibles, pero de mayor longitud, sugiere que las vías metabólicas están optimizadas para procesar moléculas en el menor número de pasos posibles.

Recientemente Noor et al. (2010) aplicaron el mismo método para todo el metabolismo central de carbono, y a diferencia del resultado previo, encontraron que los seres vivos no siempre siguen el camino más corto para interconvertir un par de moléculas; sin embargo, analizando con más detalle los atajos no utilizados, los científicos se dieron cuenta de que implicarían la pérdida en la producción de al menos uno de 13 compuestos precursores esenciales para las células. Por ejemplo: las células usan 2 pasos para convertir D-gliceraldehído-3-fosfato (GAP) en glicerato-3-fosfato (3PG) cuando podrían hacerlo en un solo paso; sin embargo, con este atajo se perdería la producción de glicerato-1,3-bisfosfato (BPG), que es necesario para la ganancia neta de energía en las células.

Representación del metabolismos central de carbono. Los rectángulos son compuestos y la flechas reacciones químicas. En negro se muestran las reacciones que ocurren en los seres vivos y en color los posibles atajos. Los compuestos en negritas son los 13 precursores esenciales.

Otros atajos posibles, pero no utilizados por los seres vivos, implicarían la pérdida de precursores en la síntesis de aminoácidos, nucléotidos y lípidos sin los cuales un organismo no puede sobrevivir. Pero no sólo esto, sino que los científicos encontraron que el camino utilizado por los seres vivos entre dos de estos precursores esenciales es siempre el más corto posible entre compuestos consecutivos. Estas observaciones permitieron a los investigadores establecer que el metabolismo central de carbono es equivalente a un camino mínimo entre los 13 precursores esenciales, es decir, está optimizado para realizar el menor número de pasos pero cubriendo todos estos precursores.

Los resultados de este trabajo apuntan hacia un principio organizativo subyacente en esta parte del metabolismo, y sugieren que la estructura del mismo puede estar sujeta a selección natural. Numerosas preguntas y predicciones verificables surgen de este modelo, por ejemplo: si un organismo vive en un ambiente en el que siempre tiene disponible uno de los 13 precursores (o los derivados del mismo), entonces podría saltarse dicho precursor.

Por último es importante mencionar que los caminos posibles son definidos por los proceso enzimáticos conocidos y que se encuentran conservados en la mayoría de los organismos, pero no todos los organismos tienen el mismo repertorio de enzimas, sería interesante estudiar la estructura del metabolismo en el contexto de cada organismo. También sería interesante evaluar la aplicabilidad de este enfoque en otras partes del metabolismo para poder tener una idea más clara de la generalidad del resultado; de cualquier forma, la capacidad de unificar observaciones en un principio sencillo ha eludido a la mayor parte de la biología, este trabajo demuestra que es posible identificar dichos principios.

Referencias:

• Fell. “Evolution of central carbin metabolism” (2010). Molecular Celll, Volume 39, Issue 5, 663-664.
• Noor et al. “Central carbon metabolism as a minimal biochemical walk between precursors for biomass and energy” (2010). Molecular Cell, Volume 39, Issue 5, 809-820.