stringtranslate.com

Биоэнергетика

Биоэнергетика — это область биохимии и клеточной биологии , которая занимается потоком энергии через живые системы. [1] Это активная область биологических исследований, которая включает изучение преобразования энергии в живых организмах и изучение тысяч различных клеточных процессов, таких как клеточное дыхание и множество других метаболических и ферментативных процессов, которые приводят к производству и использованию энергии в таких формах, как молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). [2] [3] То есть, цель биоэнергетики — описать, как живые организмы приобретают и преобразуют энергию для выполнения биологической работы. [4] Таким образом, изучение метаболических путей имеет важное значение для биоэнергетики.

Обзор

Биоэнергетика — это часть биохимии, занимающаяся энергией, участвующей в создании и разрыве химических связей в молекулах, обнаруженных в биологических организмах . [5] Ее также можно определить как изучение энергетических отношений, а также энергетических преобразований и трансдукций в живых организмах. [6] Способность использовать энергию из различных метаболических путей является свойством всех живых организмов. Рост , развитие , анаболизм и катаболизм являются некоторыми из центральных процессов в изучении биологических организмов, поскольку роль энергии является основополагающей для таких биологических процессов . [7] Жизнь зависит от энергетических преобразований ; живые организмы выживают благодаря обмену энергией между живыми тканями/клетками и внешней средой. Некоторые организмы, такие как автотрофы , могут получать энергию из солнечного света (через фотосинтез ) без необходимости потреблять питательные вещества и расщеплять их. [8] Другие организмы, такие как гетеротрофы , должны получать питательные вещества из пищи, чтобы иметь возможность поддерживать энергию, разрушая химические связи в питательных веществах во время метаболических процессов, таких как гликолиз и цикл лимонной кислоты . Важно отметить, что как прямое следствие Первого закона термодинамики , автотрофы и гетеротрофы участвуют в универсальной метаболической сети — поедая автотрофы (растения), гетеротрофы используют энергию, которая изначально была преобразована растениями в процессе фотосинтеза . [9]

В живом организме химические связи разрываются и создаются в ходе обмена и преобразования энергии. Энергия доступна для работы (например, механической работы) или для других процессов (например, химического синтеза и анаболических процессов роста), когда слабые связи разрываются и создаются более сильные. Производство более сильных связей позволяет высвобождать полезную энергию.

Аденозинтрифосфат ( АТФ ) является основной «энергетической валютой» для организмов; цель метаболических и катаболических процессов — синтезировать АТФ из доступных исходных материалов (из окружающей среды) и расщеплять АТФ (на аденозиндифосфат ( АДФ ) и неорганический фосфат) путем использования его в биологических процессах. [4] В клетке соотношение концентраций АТФ и АДФ известно как « энергетический заряд » клетки. Клетка может использовать этот энергетический заряд для передачи информации о клеточных потребностях; если доступно больше АТФ, чем АДФ, клетка может использовать АТФ для выполнения работы, но если доступно больше АДФ, чем АТФ, клетка должна синтезировать АТФ посредством окислительного фосфорилирования. [5]

Живые организмы производят АТФ из источников энергии посредством окислительного фосфорилирования . Концевые фосфатные связи АТФ относительно слабы по сравнению с более прочными связями, образующимися при гидролизе АТФ (расщеплении водой) до аденозиндифосфата и неорганического фосфата. Здесь именно термодинамически выгодная свободная энергия гидролиза приводит к высвобождению энергии; фосфоангидридная связь между конечной фосфатной группой и остальной частью молекулы АТФ сама по себе не содержит этой энергии. [10] Запас АТФ организма используется в качестве батареи для хранения энергии в клетках. [11] Использование химической энергии от такой перестройки молекулярных связей питает биологические процессы в каждом биологическом организме.

Живые организмы получают энергию из органических и неорганических материалов; т. е. АТФ может быть синтезирован из различных биохимических предшественников. Например, литотрофы могут окислять минералы, такие как нитраты , или формы серы , такие как элементарная сера, сульфиты и сероводород , чтобы производить АТФ. При фотосинтезе автотрофы производят АТФ, используя энергию света, тогда как гетеротрофы должны потреблять органические соединения, в основном, включая углеводы , жиры и белки . Количество энергии, фактически полученное организмом, ниже, чем количество, присутствующее в пище ; есть потери при пищеварении, метаболизме и термогенезе . [12]

Экологические материалы, которые поглощает организм, обычно соединяются с кислородом для высвобождения энергии, хотя некоторые питательные вещества также могут быть окислены анаэробно различными организмами. Использование этих материалов является формой медленного горения , поскольку питательные вещества реагируют с кислородом (материалы окисляются достаточно медленно, чтобы организмы не производили огонь). Окисление высвобождает энергию, которая может выделяться в виде тепла или использоваться организмом для других целей, таких как разрыв химических связей.

Типы реакций

Свободную энергию (Δ G ), полученную или потерянную в ходе реакции, можно рассчитать следующим образом: Δ G = Δ HT Δ S , где ∆ G = свободная энергия Гиббса , ∆ H = энтальпия , T = температура (в градусах Кельвина ) и ∆ S = энтропия . [15]

Примеры основных биоэнергетических процессов

Дополнительная информация

Реакционное сопряжение

Это связь химических реакций, при которой продукт одной реакции становится субстратом другой реакции.

Котранспорт

В августе 1960 года Роберт К. Крейн впервые представил свое открытие котранспорта натрия и глюкозы как механизма всасывания глюкозы в кишечнике. [24] Открытие Крейном котранспорта было первым в истории предположением о сопряжении потоков в биологии и стало самым важным событием, касающимся всасывания углеводов в 20 веке. [25] [26]

Хемиосмотическая теория

Одним из главных триумфов биоэнергетики является хемиосмотическая теория Питера Д. Митчелла о том, как протоны в водном растворе функционируют в производстве АТФ в клеточных органеллах , таких как митохондрии . [27] Эта работа принесла Митчеллу Нобелевскую премию по химии 1978 года . Другие клеточные источники АТФ, такие как гликолиз , были поняты первыми, но такие процессы прямого сопряжения активности ферментов с производством АТФ не являются основным источником полезной химической энергии в большинстве клеток. Хемиосмотическое сопряжение является основным процессом производства энергии в большинстве клеток, оно используется в хлоропластах и ​​нескольких одноклеточных организмах в дополнение к митохондриям.

Механизм изменения привязки

Механизм изменения связывания, предложенный Полом Бойером и Джоном Э. Уокером, которые были удостоены Нобелевской премии по химии в 1997 году, предполагает, что синтез АТФ связан с конформационным изменением в АТФ-синтазе. Это изменение запускается вращением гамма-субъединицы. [28] Синтез АТФ может быть достигнут посредством нескольких механизмов. Первый механизм постулирует, что свободная энергия протонного градиента используется для изменения конформации полипептидных молекул в активных центрах синтеза АТФ. [29] Второй механизм предполагает, что изменение конформационного состояния также производится путем преобразования механической энергии в химическую энергию с использованием биологической механоэмиссии. [30]

Энергетический баланс

Энергетический гомеостаз – это гомеостатический контроль энергетического баланса  – разницы между энергией, получаемой за счет потребления пищи, и расходом энергии – в живых системах. [31] [32]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Нельсон, Дэвид Л., Кокс, Майкл М. Ленингер: Принципы биохимии. Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2013. Шестое издание, стр. 24.
  2. ^ Грин, Д. Э.; Занде, Х. Д. (1981). «Универсальный энергетический принцип биологических систем и единство биоэнергетики». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 78 (9): 5344–5347. Bibcode : 1981PNAS...78.5344G. doi : 10.1073/pnas.78.9.5344 . PMC  348741. PMID  6946475 .
  3. ^ ab Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2013. Шестое издание, стр. 27.
  4. ^ abc Нельсон, Дэвид Л., Кокс, Майкл М. Ленингер: Принципы биохимии. Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2013. Шестое изд., стр. 24.
  5. ^ ab Ferrick, David A.; Neilson, Andy; Beeson, Craig (март 2008 г.). «Достижения в измерении клеточной биоэнергетики с использованием внеклеточного потока». Drug Discovery Today . 13 (5–6): 268–274. doi :10.1016/j.drudis.2007.12.008. ISSN  1359-6446. PMID  18342804.
  6. ^ Нельсон, Дэвид Л., Кокс, Майкл М. Ленингер: Принципы биохимии. Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2013. Шестое издание, стр. 506.
  7. ^ Нельсон, Дэвид Л., Кокс, Майкл М. Ленингер: Принципы биохимии. Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2013. Шестое издание, стр. 28.
  8. ^ Нельсон, Дэвид Л., Кокс, Майкл М. Ленингер: Принципы биохимии. Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2013. Шестое издание, стр. 22.
  9. ^ Нельсон, Дэвид Л., Кокс, Майкл М. Ленингер: Принципы биохимии. Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2013. Шестое изд., стр. 22, 506.
  10. ^ Нельсон, Дэвид Л., Кокс, Майкл М. Ленингер: Принципы биохимии. Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2013. Шестое издание, стр. 522-523.
  11. ^ Харди, Д. Грэм; Росс, Фиона А.; Хоули, Саймон А. (апрель 2012 г.). «AMPK: датчик питательных веществ и энергии, поддерживающий энергетический гомеостаз». Nature Reviews Molecular Cell Biology . 13 (4): 251–262. doi :10.1038/nrm3311. ISSN  1471-0080. PMC 5726489. PMID 22436748  . 
  12. ^ "ГЛАВА 3: РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ - КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕСЧЕТА ЭНЕРГИИ". www.fao.org . Архивировано из оригинала 2023-03-21 . Получено 2023-05-08 .
  13. ^ Нельсон, Дэвид Л., Кокс, Майкл М. Ленингер: Принципы биохимии. Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2013. Шестое издание, стр. 502.
  14. ^ Нельсон, Дэвид Л., Кокс, Майкл М. Ленингер: Принципы биохимии. Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2013. Шестое издание, стр. 503.
  15. ^ Нельсон, Дэвид Л., Кокс, Майкл М. Ленингер: Принципы биохимии. Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2013. Шестое издание, стр. 23.
  16. ^ Нельсон, Дэвид Л., Кокс, Майкл М. Ленингер: Принципы биохимии. Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2013. Шестое издание, стр. 544.
  17. ^ Нельсон, Дэвид Л., Кокс, Майкл М. Ленингер: Принципы биохимии. Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2013. Шестое издание, стр. 568.
  18. ^ Нельсон, Дэвид Л., Кокс, Майкл М. Ленингер: Принципы биохимии. Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2013. Шестое издание, стр. 633.
  19. ^ Нельсон, Дэвид Л., Кокс, Майкл М. Ленингер: Принципы биохимии. Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2013. Шестое издание, стр. 640.
  20. ^ Masood W, Annaamaraju P, Khan Suheb MZ и др. Кетогенная диета. [Обновлено 16 июня 2023 г.]. В: StatPearls [Интернет]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2024 Январь-. Доступно по адресу: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK499830/ Архивировано 14 июня 2021 г. на Wayback Machine
  21. ^ Деврим-Ланпир, Асли, Ли Хилл и Бит Кнехтл. 2021. «Эффективность популярных диет, применяемых спортсменами на выносливость, для спортивных результатов: полезно или вредно? Обзор повествования» Nutrients 13, № 2: 491. https://doi.org/10.3390/nu13020491
  22. ^ ab Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2013. Шестое издание, стр. 731.
  23. ^ Нельсон, Дэвид Л., Кокс, Майкл М. Ленингер: Принципы биохимии. Нью-Йорк: WH Freeman and Company, 2013. Шестое издание, стр. 734.
  24. ^ Роберт К. Крейн , Д. Миллер и И. Билер. «Ограничения возможных механизмов кишечного транспорта сахаров». В: Мембранный транспорт и метаболизм. Труды симпозиума, состоявшегося в Праге 22–27 августа 1960 г. Под редакцией А. Кляйнцеллера и А. Котыка. Чешская академия наук , Прага, 1961, стр. 439-449.
  25. ^ Райт, Эрнест М.; Турк, Эрик (2004). "Семейство котранспорта натрия и глюкозы SLC5". Pflügers Arch . 447 (5): 510–8. doi :10.1007/s00424-003-1063-6. PMID  12748858. S2CID  41985805. В 1961 году Крейн первым сформулировал концепцию котранспорта для объяснения активного транспорта [7]. В частности, он предположил, что накопление глюкозы в эпителии кишечника через мембрану щеточной каемки связано с нисходящим движением Na+
    транспорт через щеточную границу. Эта гипотеза была быстро проверена, уточнена и расширена [чтобы] охватить активный транспорт разнообразного спектра молекул и ионов практически в каждый тип клеток.
  26. ^ Boyd, CAR (2008). "Факты, фантазии и веселье в эпителиальной физиологии". Experimental Physiology . 93 (3): 303–14. doi : 10.1113/expphysiol.2007.037523 . PMID  18192340. S2CID  41086034. Прозрение того времени, которое остается во всех современных учебниках, — это идея Роберта Крейна, первоначально опубликованная как приложение к симпозиумной статье, опубликованной в 1960 году ( Crane et al. 1960). Ключевым моментом здесь было «сопряжение потоков», котранспорт натрия и глюкозы в апикальной мембране эпителиальной клетки тонкого кишечника. Полвека спустя эта идея превратилась в один из наиболее изученных из всех транспортных белков (SGLT1), котранспортер натрия и глюкозы .
  27. ^ Питер Митчелл (1961). «Связь фосфорилирования с переносом электронов и водорода с помощью хемиосмотического типа механизма». Nature . 191 (4784): 144–8. Bibcode :1961Natur.191..144M. doi :10.1038/191144a0. PMID  13771349. S2CID  1784050.
  28. ^ Бойер, Пол (1997). «АТФ-СИНТАЗА — ВЕЛИКОЛЕПНАЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ МАШИНА». Annual Review of Biochemistry . 66 : 717–749. doi : 10.1146/annurev.biochem.66.1.717. PMID  9242922. Получено 18 июля 2024 г.
  29. ^ Митчелл, Питер (11 марта 1985 г.). «Молекулярная механика протонных F 0 F 1 АТФаз: гипотеза вращающегося колодца и турникета». FEBS Letters . 182 (1): 1–7. Bibcode : 1985FEBSL.182....1M. doi : 10.1016/0014-5793(85)81142-X. ISSN  0014-5793. PMID  2857661.
  30. ^ Орел, Валерий Э. (октябрь 1998 г.). «Биологическая механохимия и биоэнергетика». Биоэлектрохимия и биоэнергетика . 46 (2): 273–278. doi :10.1016/S0302-4598(98)00133-0.
  31. ^ Malenka RC, Nestler EJ, Hyman SE (2009). Sydor A, Brown RY (ред.). Молекулярная нейрофармакология: основа клинической нейронауки (2-е изд.). Нью-Йорк: McGraw-Hill Medical. стр. 179, 262–263. ISBN 9780071481274. Орексиновые нейроны регулируются периферическими медиаторами, которые несут информацию об энергетическом балансе, включая глюкозу, лептин и грелин. ... Соответственно, орексин играет роль в регуляции энергетического гомеостаза, вознаграждении и, возможно, в более общем плане в эмоциях. ... Регулирование энергетического баланса включает в себя тонкую координацию приема пищи и расхода энергии. Эксперименты 1940-х и 1950-х годов показали, что поражения латерального гипоталамуса (ЛГ) снижают потребление пищи; следовательно, нормальная роль этой области мозга заключается в стимуляции питания и снижении использования энергии. Напротив, поражения медиального гипоталамуса, особенно вентромедиального ядра (ВМЯ), но также ПВЯ и дорсомедиального гипоталамического ядра (ДМЯ), увеличивают потребление пищи; следовательно, нормальная роль этих областей заключается в подавлении питания и повышении использования энергии. Однако открытие сложных сетей нейропептидов и других нейротрансмиттеров, действующих в гипоталамусе и других областях мозга для регулирования потребления пищи и расхода энергии, началось всерьез в 1994 году с клонированием гена лептина (ob, ожирение). Действительно, сейчас наблюдается взрывной интерес к основным механизмам питания, учитывая эпидемические пропорции ожирения в нашем обществе и возросшее число случаев расстройств пищевого поведения, нервной анорексии и булимии. К сожалению, несмотря на значительные достижения в базовой нейробиологии питания, наше понимание этиологии этих состояний и наша способность вмешиваться клинически остаются ограниченными.
  32. ^ Morton GJ, Meek TH, Schwartz MW (2014). "Нейробиология потребления пищи в здоровье и болезни". Nat. Rev. Neurosci . 15 (6): 367–378. doi :10.1038/nrn3745. PMC 4076116 . PMID  24840801. Однако у нормальных людей масса тела и содержание жира в организме обычно довольно стабильны с течением времени 2,3 благодаря биологическому процессу, называемому "энергетическим гомеостазом", который сопоставляет потребление энергии с ее расходом в течение длительных периодов времени. Система энергетического гомеостаза включает нейроны в медиобазальном гипоталамусе и других областях мозга 4 , которые являются частью нейроконтура, регулирующего потребление пищи в ответ на входные данные от гуморальных сигналов, которые циркулируют в концентрациях, пропорциональных содержанию жира в организме 4-6 . ... Новая концепция в нейробиологии потребления пищи заключается в том, что существуют нейроцепи, которые обычно ингибируются, но при активации в ответ на возникающие или стрессовые стимулы они могут переопределить гомеостатический контроль энергетического баланса. Понимание того, как эти цепи взаимодействуют с системой энергетического гомеостаза, имеет основополагающее значение для понимания контроля потребления пищи и может иметь отношение к патогенезу расстройств на обоих концах спектра веса тела. 

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

  1. ^ Юретич, Давор (2022). Биоэнергетика: мост через жизнь и вселенную . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-0-8153-8838-8. OCLC  1237252428.