Bioenergetika

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na navigaci Skočit na vyhledávání

Bioenergetika je oblast biochemie a buněčné biologie, která se týká energetických toků v živých systémech.[1] Jedná se o aktivní součást biologického výzkumu, která zahrnuje studium přeměny energie v živých organismech a studium tisíců různých buněčných procesů, např. buněčného dýchání a mnoho dalších metabolických a enzymatických procesů, které vedou k výrobě a využití energie do různých forem např. molekuly adenosintrifosfátu (ATP).[2][3] Cílem bioenergetiky je popsat, jak živé organismy získávají a transformují energii, aby vykonávaly biologickou práci.[4] Studium metabolických drah je proto zásadní oblastí bioenergetiky.

Přehled[editovat | editovat zdroj]

Bioenergetika je součástí biochemie, která se zabývá se energií, jenž se podílí na vytváření a štěpení chemických vazeb v molekulách v biologických organismech.[5] Může být také definována jako studium energetických vztahů a energetických transformací a transdukcí v živých organismech.[6] Schopnost využívat energii z různých metabolických cest je imanentní všem živým organismům. Růst, vývoj, anabolismus a katabolismus jsou jen některé z mnoha procesů ve studiu biologických organismů, Úloha energie je pro tyto biologické procesy zásadní.[7] Život je závislý na transformacích energie a živé organismy přežívají kvůli výměně energie mezi živými tkáněmi, buňkami a vnějším prostředím. Některé organismy, např. autotrofy, mohou získat energii ze slunečního záření (fotosyntéza), aniž by museli spotřebovávat živiny a rozkládat je.[8] Jiné organismy např. heterotrofy musí přijímat živiny z potravy, aby mohly udržet energii rozkladem chemických vazeb živin během metabolických procesů např. glykolýza a citrátový cyklus. Přímým důsledkem prvního zákona termodynamiky je fakt, že autotrofy a heterotrofy se účastní univerzální metabolické sítě - pojídáním autotrofů (rostlin) heterotrofy využívají energie, která byla původně transformována rostlinami během fotosyntézy.[9]

V živém organismu se chemické vazby rozpadají a vytvářejí v rámci výměny a transformace energie. Energie je k dispozici pro práci např. mechanickou práci nebo pro jiné procesy např. chemickou syntézu a anabolické procesy v růstu, tj. pokud jsou porušeny slabé vazby za účelem vytváření vazeb silnějších. Výroba silnějších vazeb umožňuje uvolnění využitelné energie.

Adenosintrifosfát (ATP) je hlavní "energetická měna" nebo také "pool" pro organismy; Cílem metabolických a katabolických procesů je syntetizovat ATP z dostupných výchozích materiálů (z prostředí) a rozpad ATP na adenosindifosfát (ADP) a anorganický fosfát je využitím energie v biologických procesech.[10] V buňce je poměr koncentrací ATP k ADP známý jako " energetický náboj " buňky. Tato buňka může používat tuto energii na přenos informací o buněčných potřebách; pokud je k dispozici více ATP než ADP, Buňka může používat ATP k práci, ale pokud je k dispozici více ADP než ATP, buňka je nucena syntetizovat ATP prostřednictvím oxidativní fosforylace.[11]

Živé organismy produkují ATP z energetických zdrojů oxidační fosforylací. Konečné fosfátové vazby ATP jsou relativně slabé ve srovnání se silnějšími vazbami, které se tvoří, když je ATP hydrolyzován (rozdělen vodou) na adenosindifosfát a anorganický fosfát. Zde je termodynamicky příznivá volná energie hydrolýzy, která vede k uvolnění energie; fosfo-anhydridová vazba mezi koncovou fosfátovou skupinou a zbytkem molekuly ATP sama o sobě neobsahuje takovou energii.[12] Zásoba ATP organismu se používá jako baterie pro uchovávání energie v buňkách.[13] Využití chemické energie z takového přeskupování molekulárních vazeb posiluje biologické procesy v každém biologickém organismu.

Živé organismy získávají energii z organických a anorganických materiálů; tj. ATP lze syntetizovat z různých biochemických prekurzorů. Například lithotrofy mohou oxidovat minerály, jako jsou dusičnany nebo formy síry, jako je elementární síra, siřičitany a sirovodík za vzniku ATP. Při fotosyntéze produkují autotrofy ATP pomocí světelné energie, zatímco heterotrofy musí konzumovat organické sloučeniny, většinou sacharidy, tuky a bílkoviny. Množství energie skutečně získané organismem je nižší než množství přítomné v potravinách ; existují ztráty v trávení, metabolismu a termogeneze.[14]

Environmentální materiály, které organismus přijímá, jsou obecně kombinovány s kyslíkem, aby uvolňovaly energii, ačkoli někteří mohou také oxidovat anaerobně různými organismy. Vazby, které drží molekuly živin dohromady a zejména vazby, které drží molekuly volného kyslíku dohromady, jsou poměrně slabé ve srovnání s chemickými vazbami, které drží společně oxid uhličitý a vodu.[15] Využívání těchto materiálů je formou pomalého spalování, protože živiny reagují s kyslíkem (materiály jsou oxidovány pomalu, takže organismy ve skutečnosti nevytvářejí heň). Oxidace uvolňuje energii, protože byly vytvořeny silnější vazby (vazby mezi vodou a oxidem uhličitým). Tato čistá energie se může vyvíjet jako teplo, které může organismus použít k jiným účelům, jako je rozbíjení jiných vazeb ke vzniku sloučenin potřebných k přežití.

Druhy reakcí[editovat | editovat zdroj]

  • Exergonická reakce je spontánní chemická reakce, která uvolňuje energii.[16] Je termodynamicky upřednostňována, označena zápornou hodnotou ΔG (Gibbsova volná energie). V průběhu reakce musí být vložena energie a tato aktivační energie pohání reaktanty ze stabilního stavu do vysoce energeticky nestabilního přechodného stavu do stabilnějšího stavu, který je nižší v energetice (viz: reakční souřadnice). Reaktanty jsou obvykle složité molekuly, které jsou rozděleny na jednodušší produkty. Celá reakce je obvykle katabolická.[17] Uvolňování energie (zvané Gibbsova volná energie) je negativní (tj. -ΔG), protože se energie uvolňuje z reakčních složek do produktů.
  • Endergonická reakce je anabolická chemická reakce, která spotřebovává energii.[18] Je opakem exergonické reakce. Má pozitivní ΔG, protože potřebuje více energie k přetržení vazeb reaktantu než energie nabízených produktů, tj. Produkty mají slabší vazby než reakční složky. Tak jsou endergonické reakce termodynamicky nepříznivé. Kromě toho jsou endergonické reakce obvykle anabolické.[19]

Volná energie (ΔG) získaná nebo ztracená v reakci lze vypočítat následovně: ΔG = ΔH - TΔS kde ΔG = Gibbsova volná energie, ΔH = entalpie, T = teplota (v Kelvinech) a ΔS = entropie.[20]

Příklady hlavních bioenergetických procesů[editovat | editovat zdroj]

  • Glykolýza je proces rozpadu glukózy na pyruvát, čímž vznikají dvě molekuly ATP na 1 molekulu glukózy.[21] Když buňka má vyšší koncentraci ATP než ADP, tj. má vysoký náboj energie, buňka může projít glykolýzou, uvolňovat energii z dostupné glukózy pro provedení biologické práce. Pyruvát je jeden produkt glykolýzy a může být přemístěn do jiných metabolických cest (glukoneogeneze, atd.) Podle potřeby buňky. Glykolýza navíc produkuje redukční ekvivalenty ve formě NADH (nikotinamid adenin dinukleotid), který se nakonec použije k donaci elektronů do transportního řetězce elektronů.
  • Glukoneogeneze je opakem glykolýzy; pokud je energetická zátěž buňky nízká (koncentrace ADP je vyšší než koncentrace ATP), buňka musí syntetizovat glukózu z biomolekul obsahujících uhlík, jako jsou bílkoviny, aminokyseliny, tuky, pyruvát atd.[22] Například proteiny mohou být rozloženy na aminokyseliny a tyto jednodušší uhlíkové kostry se používají k vytváření / syntéze glukózy.
  • Ketóza je metabolický proces, při kterém se buňkami využívají ketoliny pro energii (místo použití glukózy). Buňky často přecházejí na ketózu jako na zdroj energie při nízkých hladinách glukózy, např. během hladovění.[25]
  • Oxidační fosforylace a řetězec přenosu elektronů je proces, při němž mohou být redukční ekvivalenty, jako NADPH, FADH 2 a NADH, použity k dávání elektronů sérii redoxních reakcí, které se odehrávají v komplexech elektronového transportního řetězce.[26][27] Tyto redoxní reakce probíhají v komplexech enzymů umístěných uvnitř mitochondriální membrány. Tyto redoxní reakce přenášejí elektrony "dolů" elektronový transportní řetězec, který je spojen s protonovou hybnou silou. Tento rozdíl koncentrace protonů mezi mitochondriální matricí a vnitřním membránovým prostorem se používá k řízení syntézy ATP prostřednictvím ATP syntázy.
  • Fotosyntéza, další hlavní bioenergetický proces, je metabolická dráha používaná rostlinami, ve kterých se sluneční energie používá k syntéze glukózy z oxidu uhličitého a vody. Tato reakce probíhá v chloroplastu. Po syntéze glukózy může rostlinná buňka podstoupit fotofosforylaci za vzniku ATP.[28]

Kotransport[editovat | editovat zdroj]

V srpnu 1960 přednesl Robert K. Crane poprvé svůj objev kotransportu sodíku a glukózy jako mechanismu absorpce glukózy střevy.[29] Craneův objev kotransportu byl prvním návrhem toku spojky v biologii a byl nejdůležitější událostí týkající se absorpce uhlohydrátů ve 20. století.[30][31]

Chemiosmotická teorie[editovat | editovat zdroj]

Jedním z hlavních triumfů bioenergetiky je chemiosmotická teorie Petra Mitchella o tom, jak protony ve vodném roztoku fungují při produkci ATP v buněčných organelách, jako jsou mitochondrie.[32] Tato práce získala Mitchell 1978 Nobelovu cenu za chemii. Jiné buněčné zdroje ATP, jako je glykolýza, byly pochopeny dříve, ale takové postupy pro přímou vazbu enzymové aktivity na produkci ATP nejsou ve většině buněk hlavním zdrojem užitečné chemické energie. Chemiosmotická vazba je ve většině buněk hlavním procesem produkce energie, který se kromě mitochondrií využívá v chloroplastů a několika jedincových buňkách.

Energetická bilance[editovat | editovat zdroj]

Energetická homeostáza je homeostatická regulace energetické rovnováhy - rozdíl mezi energií získanou prostřednictvím spotřeby potravin a výdaji energie - v živých systémech.[33][34]

Reference[editovat | editovat zdroj]

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Bioenergetics na anglické Wikipedii.

  1. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  2. Green, DE, Vande Zande, HA (1981).
  3. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  4. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  5. Ferrick DA, Neilson A., Beeson C (2008).
  6. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  7. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  8. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  9. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  10. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  11. Ferrick DA, Neilson A., Beeson C (2008).
  12. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  13. Hardie, GŘ, Ross, FA, Hawley, SA (2012).
  14. FAO, Výpočet energetického obsahu faktorů konverze potravin a energie
  15. Schmidt-Rohr K. Why Combustions Are Always Exothermic, Yielding About 418 kJ per Mole of O2. J. Chem. Educ.. 2015, s. 2094–2099. DOI:10.1021/acs.jchemed.5b00333. Bibcode:2015JChEd..92.2094S. (anglicky) 
  16. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  17. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  18. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  19. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  20. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  21. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  22. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  23. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  24. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  25. Owen, O.E. (2005) Ketone Bodies as a Fuel for the Brain during Starvation. The International Union of Biochemistry and Molecular Biology. 33:4, 246–251
  26. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  27. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  28. Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry.
  29. Robert K. Crane, D. Miller a I. Bihler.
  30. Wright, Ernest M.; TURK, ERIC. The sodium glucose cotransport family SLC5. Pflügers Arch. 2004, s. 510–8. Dostupné online. DOI:10.1007/s00424-003-1063-6. PMID 12748858. (anglicky) 
  31. Boyd, C A R. Facts, fantasies and fun in epithelial physiology. Experimental Physiology. 2008, s. 303–14. Dostupné online. DOI:10.1113/expphysiol.2007.037523. PMID 18192340. (anglicky) 
  32. Peter Mitchell. Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism. Nature. 1961, s. 144–8. DOI:10.1038/191144a0. PMID 13771349. Bibcode:1961Natur.191..144M. (anglicky) 
  33. [s.l.]: [s.n.] ISBN 9780071481274. 
  34. Morton GJ, Meek TH, Schwartz MW. Neurobiology of food intake in health and disease. Nat. Rev. Neurosci.. 2014, s. 367–378. DOI:10.1038/nrn3745. PMID 24840801. (anglicky)