Compartimentación metabólica: un organizador clave del metabolismo celular

La compartimentación organiza los procesos metabólicos en las células, permitiendo que ocurran varios al mismo tiempo sin interferir entre ellos. En algunas enfermedades, como el cáncer, se produce una reorganización de esta compartimentación, favoreciendo procesos que facilitan la proliferación celular. Entender mejor este proceso podría ayudar a identificar tratamientos más específicos para el cáncer.

La compartimentación metabólica es una estrategia clave que utilizan las células para organizarse y funcionar de manera eficiente. A lo largo de la evolución, las células eucariotas (como las que forman nuestro cuerpo) han desarrollado compartimentos internos que permiten que diferentes procesos ocurran al mismo tiempo sin interferir entre ellos. Estos compartimentos rodeados de membrana, los orgánulos (mitocondrias, cloroplastos, Golgi…) son esenciales para la vida celular y garantizan que las reacciones bioquímicas necesarias para la producción de energía y otras funciones se realicen de manera controlada. Las membranas que rodean a los orgánulos los separan del resto de la célula, permitiendo mantener un entorno químico diferente, esencial para realizar sus funciones1-3. Además de los compartimentos con membrana, las células pueden formar estructuras temporales sin membrana en el citoplasma o el núcleo, llamadas «condensados». Estas estructuras se crean por la «separación de fases», donde proteínas y otros componentes se agrupan en una fase líquida. En estos condensados se encuentran las enzimas necesarias para llevar a cabo rutas metabólicas o incluso programas celulares complejos, permitiendo que las enzimas trabajen juntas eficientemente y asegurando que los productos de una reacción se usen inmediatamente en la siguiente, evitando así la pérdida de energía o recursos. Además, pueden formarse y deshacerse rápidamente según las necesidades de la célula, proporcionando flexibilidad para adaptarse a cambios en su entorno o en su metabolismo. A medida que las células eucariotas evolucionaron, la organización interna también se volvió más compleja. Las proteínas y enzimas, esenciales para la mayoría de las funciones celulares, tuvieron que ser enviadas al lugar correcto dentro de la célula. Sin embargo, integrar y coordinar estas rutas no fue un proceso simple: necesitó un sistema sofisticado que guiara y transportara estos elementos hacia los compartimentos donde eran necesarias1,4-7.

Funciones Principales de la Compartimentación Metabólica

La compartimentación metabólica cumple tres funciones esenciales que garantizan que las células funcionen de manera eficiente y segura (Figura 1a)4:

  1. Entornos Especializados: Al separar los distintos procesos en diferentes compartimentos, las células pueden crear ambientes específicos con las condiciones adecuadas para que las reacciones bioquímicas ocurran correctamente.
  2. Protección de las reacciones Metabólicas: Algunos productos químicos generados en las reacciones metabólicas pueden ser dañinos si no se controlan. La compartimentación los mantiene en áreas específicas, protegiendo al resto de la célula. Además, los compartimentos no solo protegen la célula, sino también las reacciones dentro de ellos, evitando que otras moléculas interfieran con esos procesos metabólicos.
  3. Control Metabólico: Separar las diferentes rutas metabólicas permite a las células regular más fácilmente la producción y el uso de energía y otros materiales. Este control asegura que no ocurran reacciones innecesarias que desperdicien energía o recursos. Además muchas de las enzimas metabólicas se regulan por la concentración de sustratos o productos, tener las rutas metabólicas en compartimentos asegura un mejor control de estas rutas. En los condensados, simplemente disolverlos detendría las reacciones.

Figura 1a: representación gráfica de las tres funciones esenciales de la compartimentación metabólica: la creación de entornos especializados, la protección y el control de las reacciones metabólicas4
Flexibilidad, Adaptación y alteraciones de la Compartimentación Metabólica

Un punto fascinante de la compartimentación metabólica es su flexibilidad. A medida que las necesidades de la célula cambian, tanto los orgánulos como los agregados sin membrana pueden reorganizarse para adaptarse. En condiciones de estrés, las células pueden aumentar la formación de agregados sin membrana para concentrar recursos en la producción de ciertos metabolitos o para protegerse contra el daño. Además, algunos orgánulos, como las mitocondrias, pueden cambiar de forma, localización y función en respuesta a las necesidades de la célula1,4.

En algunos procesos patológicos, la compartimentación sufre alteraciones que conllevan el malfuncionamiento de la célula. Un claro ejemplo es el cáncer, en el que se produce un cambio metabólico de las células tumorales directamente relacionado con cambios en la compartimentación y que conduce a la rápida y descontrolada proliferación de las células tumorales (Figura 1b)8-10. En consecuencia, estudiar la compartimentación metabólica es crucial, ya que podría permitir identificar puntos específicos (targets) que se desregulan en enfermedades como el cáncer, ofreciendo nuevas oportunidades para desarrollar tratamientos dirigidos que corrijan estos desequilibrios metabólicos.

Figura 1b: las células cancerosas alteran su metabolismo y su compartimentación metabólica, aumentando la glicólisis para favorecer un crecimiento y proliferación más rápidos. Ilustraciones hechas con BioRender
Conclusión

La compartimentación metabólica es crucial para que las células funcionen eficientemente, separando rutas en compartimentos rodeados o no de membranas. Esta organización protege de productos tóxicos y permite adaptarse a cambios. Cuando falla, como en el cáncer, las células reprograman su metabolismo para crecer descontroladamente. Estudiar esta compartimentación es clave para identificar nuevos tratamientos que corrijan estos desequilibrios en enfermedades.

Bibliografía
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  9. Iwahashi, N. et al. Cytoplasmic p53 aggregates accumulated in p53-mutated cancer correlate with poor prognosis. PNAS nexus 1, pgac128 (2022).
  10. Warburg, O., Wind, F. & Negelein, E. THE METABOLISM OF TUMORS IN THE BODY. J Gen Physiol 8, 519–30 (1927).
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