Informatie

Verdeling van het energieverbruik op het niveau van een enkele cel


De stofwisseling meet hoeveel energie een organisme uitgeeft over een tijdseenheid. De afbraak ervan voor het menselijk lichaam in termen van zijn functies is goed gedocumenteerd: tot zover voor het hart, voor de hersenen, enz.

In West et al, 2002 heb ik een schatting gevonden voor de stofwisseling van een enkele cel. Maar hoe werkt deze uitsplitsing in termen van elementaire functies in de cel?

Hoeveel van de energie die beschikbaar wordt gesteld uit voedingsstoffen wordt bijvoorbeeld gebruikt bij het repliceren van het genoom, bij het tot expressie brengen van eiwitten, bij mensenhandel...?

In navolging van de linksuggesties van Jeremy Kemball, vind ik in dit artikel de fractie van het ATP-verbruik voor de volgende processen:

Eiwitsynthese 0,34 Na+/K+ ATPase 0,16 Ca2+ ATPase 0,17 RNA/DNA-synthese 0,25 Ongeïdentificeerd 0,09

(wat optelt tot 1,01 in plaats van 1 om valse redenen). Hun meting is indirect, gebaseerd op $O_2$ verbruik voor een veronderstelde steady-state regeneratie van ATP. Ik vraag me af hoe GTP-gebaseerde processen worden verantwoord? Of zijn ze verwaarloosbaar in vergelijking met ATP's?

Dit is voor een specifiek celtype, rattenthymocyt, is er een reden om te verwachten dat dit enorm anders zal zijn voor bijvoorbeeld een fibroblast? Ook stimuleren ze hun thymocyten met concanavaline A. Ik begreep dat ze geen RNA/DNA-consumptiesignaal krijgen zonder Con-A, maar ik begreep niet waarom dat zo zou zijn.

Tot slot, wat zou er in de resterende 9% zitten? Een kandidaat voor ATP-consumptie die door Jeremy Kemball wordt gesuggereerd, is actine-omzet, ik denk dat het alleen in de "niet-geïdentificeerde" regel past. Tubuline-omzet is een GTP-proces, niet zeker over intermediaire filamenten (omzet ze?). Alle ATP-moleculaire motoren (myosine, kinesine, dyneïne tenminste?) moeten er ook zijn. Wat nog meer?

Ik ben vooral geïnteresseerd in de totale hoeveelheid ATP-energie die naar myosine gaat.


Ik was hierover aan het mijmeren en deed wat vreemd googelen, en heb een aantal ballpark-figuren voor een heleboel verschillende organismen. Het is verre van een volledig antwoord, maar het is in ieder geval een begin, en dit alles past niet in een commentaar.

DNA-replicatie, nam ik aan, was een enorme metabolische belasting van de cel. Dat blijkt verre van het geval te zijn. Veel helicases zijn passief en vereisen geen ATP, en de hoeveelheid ATP-equivalente trifosfaten om het hele genoom te synthetiseren is vrij klein in vergelijking met de hoeveelheid die elke dag wordt gebruikt en gerecycled.

Volgens deze jongens gaan mensen elke dag door hun lichaamsgewicht in ATP, waarvan ongeveer 50% actine-turnover is en 30% synthese (60% of meer in snelle bacteriën). Eiwitten kosten ongeveer 4-5 ATP per AA om af te breken en weer op te bouwen.

Je krijgt geen echt goede algemene uitsplitsing, denk ik niet, maar in gewassen of E. coli zijn hier cijfers voor, een soort van. Veel daarvan zijn gebaseerd op indirecte metingen van eiwitopname/-omzet en ATP-kosten per AA of BP. Ze zijn fascinerend, maar krankzinnig en vaak tegenstrijdig.


Een aanzienlijke hoeveelheid warmte die door de cel wordt gegenereerd, komt niet van de hydrolyse van een NTP. ATP wordt gegenereerd door een H+-gradiënt in de mitochondriën, en deze gradiënt wordt gecreëerd door mechanismen die slechts gedeeltelijk afhankelijk zijn van ATP. De meeste energievoorraden in ons lichaam bevinden zich niet in de NTP-pool. Daarom worden CO₂ en urine gebruikt om het energieverbruik tijdens lichamelijke inspanning te meten. Op de schaal van individuele cellen is het een uitdaging om een ​​protocol te bedenken dat rekening houdt met alle verstorende variabelen. Op de schaal van een mens zijn verstorende variabelen in het energieverbruik echter gemakkelijk te beheersen. Als je geïnteresseerd bent in het energieverbruik van een enkel biologisch proces, lijkt dit een beter project dan alle processen tegelijk te kwantificeren.


Voeding, spijsvertering en opname

Beoordeling van eiwit- en energiebehoefte

Het basale energieverbruik kan worden berekend op basis van leeftijd, lengte en gewicht met behulp van een van de standaardformules (zie hoofdstuk 65), en de waarde kan met een percentage worden verhoogd om rekening te houden met de activiteit en, bij ziekenhuispatiënten, de ernst van de ziekte en de temperatuur. Als alternatief kan het basale of rustende energieverbruik worden gemeten door middel van indirecte calorimetrie. Tenzij de calorimeter in een ventilator is ingebouwd, in welk geval het energieverbruik gedurende de 24 uur kan worden gemeten, wordt het basale verbruik normaal gesproken gemeten over een beperkte periode van maximaal 30 minuten en worden de resultaten geëxtrapoleerd naar 24 uur, met een passend percentage toegevoegd aan laat activiteiten toe zoals hierboven beschreven. Bij acute ziekte is het energieverbruik ook relatief voorspelbaar verhoogd, waarbij het precieze percentage afhankelijk is van het type ziekte (Tabel 62.1).


Glycogeen afbraak

Glycogeenfosforylase (soms eenvoudig fosforylase genoemd) katalyseert de afbraak van glycogeen in glucose-1-fosfaat (G1P). De reactie (zie rechtsboven) die G1P uit glycogeen produceert, is een fosforolyse, geen hydrolysereactie. Het onderscheid is dat hydrolysereacties water gebruiken om grotere moleculen in kleinere te splitsen, maar fosforolysereacties gebruiken in plaats daarvan fosfaat voor hetzelfde doel. Merk op dat het fosfaat precies dat is - het komt NIET van ATP. Omdat ATP niet wordt gebruikt om fosfaat op G1P aan te brengen, bespaart de reactie de cel energie.

Figuur 7.1.3: Fosforolyse van glycogeen

Glycogeenfosforylase werkt alleen op niet-reducerende uiteinden van een glycogeenketen die ten minste 5 glucoses verwijderd zijn van een vertakkingspunt. Een tweede enzym, Glycogen Debranching Enzyme (GDE), is daarom nodig om alfa(1-6) vertakkingen om te zetten in alfa(1-4) vertakkingen. GDE werkt op glycogeentakken die hun hydrolyselimiet hebben bereikt met glycogeenfosforylase. GDE zorgt ervoor dat een trisacharide van een 1,6-tak naar een aangrenzende 1,4-tak wordt overgebracht, waarbij een enkele glucose bij de 1,6-tak achterblijft. Merk op dat het enzym ook de hydrolyse van de resterende glucose op het 1,6-vertakkingspunt katalyseert. De afbraakproducten van glycogeen zijn dus G1P en glucose (meestal echter G1P). Glucose kan natuurlijk worden omgezet in glucose-6-fosfaat (G6P) als de eerste stap in de glycolyse door hexokinase of glucokinase. G1P kan worden omgezet in G6P door de werking van een enzym dat fosfoglucomutase wordt genoemd. Deze reactie is gemakkelijk omkeerbaar, waardoor G6P en G1P onderling kunnen worden omgezet naarmate de concentratie van de een of de ander toeneemt. Dit is belangrijk, omdat fosfoglucomutase nodig is om G1P te vormen voor de biosynthese van glycogeen.

Regulering van het glycogeenmetabolisme

De regulering van het glycogeenmetabolisme is complex en vindt zowel allosterisch plaats als via hormoonreceptorgecontroleerde gebeurtenissen die resulteren in eiwitfosforylering of defosforylering. Om een ​​zinloze cyclus van gelijktijdige synthese en afbraak van glycogeen te voorkomen, hebben cellen een uitgebreide reeks controles ontwikkeld die ervoor zorgen dat slechts één route tegelijk primair actief is.

Afbeelding 7.1.4: Regulatie van glycogeenfosforylase

De regulering van het glycogeenmetabolisme wordt beheerd door de enzymen glycogeenfosforylase en glycogeensynthase. Glycogeenfosforylase wordt gereguleerd door zowel allosterische factoren (ATP, G6P, AMP en glucose) als door covalente modificatie (fosforylering/defosforylering). De regulering ervan is consistent met de energiebehoefte van de cel. Substraten met hoge energie (ATP, G6P, glucose) remmen GP allosterisch, terwijl substraten met lage energie (AMP, andere) het allosterisch activeren.

GPa/GPb allosterische regulatie

Glycogeenfosforylase bestaat in twee verschillende covalente vormen en één vorm met fosfaat (hier GPa genoemd) en één vorm zonder fosfaat (hier GPb). GPb wordt omgezet in GPa door fosforylering door een enzym dat bekend staat als fosforylasekinase. GPa en GPb kunnen elk bestaan ​​in een 'R'-toestand en een 'T'-toestand. Voor zowel GPa als GPb is de R-toestand de actievere vorm van het enzym. GPa's negatieve allosterische effector (glucose) is meestal niet overvloedig aanwezig in cellen, dus GPa gaat niet vaak over in de T-toestand. Er is geen positieve allosterische effector van GPa, dus wanneer glucose afwezig is, schakelt GPa automatisch over naar de R (meer actieve) toestand.

GPb kan van de T-toestand naar de GPb R-toestand converteren door AMP te binden. Tenzij een cel weinig energie heeft, is de AMP-concentratie laag. GPb wordt dus niet vaak geconverteerd naar de R-toestand. Aan de andere kant zijn ATP en/of G6P gewoonlijk aanwezig in een voldoende hoge concentratie in cellen dat GPb gemakkelijk in de T-toestand wordt omgezet.

GPa/GPb covalente conversie

Omdat de relatieve hoeveelheden GPa en GPb grotendeels het algehele proces van glycogeenafbraak bepalen, is het belangrijk om de controles op de enzymen te begrijpen die GPa en GPb onderling omzetten. Dit wordt bereikt door het enzym Phosphorylase Kinase, dat fosfaten van 2 ATP's naar GPb overbrengt om GPa te vormen. Fosforylasekinase heeft twee covalente vormen: gefosforyleerd (actief) en gedefosforyleerd (inactief). Het wordt gefosforyleerd door het enzym Protein Kinase A (PKA). Een andere manier om het enzym te activeren is met calcium. Fosforylasekinase wordt gedefosforyleerd door hetzelfde enzym, fosfoproteïnefosfatase, dat fosfaat uit GPa verwijdert.

PKA wordt geactiveerd door cAMP, dat op zijn beurt wordt geproduceerd door adenylaatcyclase na activering door een G-eiwit. G-eiwitten worden uiteindelijk geactiveerd door binding van liganden aan specifieke 7-TM-receptoren, ook bekend als G-eiwitgekoppelde receptoren. Deze worden in meer detail besproken in Hoofdstuk 8. Gebruikelijke liganden voor deze receptoren zijn epinefrine (bindt bèta-adrenerge receptor) en glucagon (bindt glucagon receptor). Epinefrine heeft het grootste effect op spieren en glucagon werkt bij voorkeur op de lever.

Glycogeenafbraak uitschakelen

Het uitschakelen van signalen is net zo belangrijk, zo niet belangrijker, dan ze AAN te zetten. De stappen in de regulerende route voor glycogeenafbraak kunnen op verschillende niveaus worden omgekeerd. Ten eerste kan het ligand de receptor verlaten. Ten tweede hebben de G-eiwitten een inherente GTPase-activiteit die dient om ze na verloop van tijd uit te schakelen. Ten derde hebben cellen fosfodiësterase (geremd door cafeïne) voor het afbreken van cAMP. Ten vierde kan een enzym dat bekend staat als fosfoproteïnefosfatase, fosfaten uit fosforylasekinase verwijderen (inactiveren) EN uit GPa, en het omzetten in het veel minder actieve GPb.


Gratis energie en ATP

De energetische eigenschappen van biochemische reacties kunnen het best worden beschreven in termen van de thermodynamische functie genaamd Gibbs vrije energie (G), genoemd naar Josiah Willard Gibbs. De verandering in vrije energie (ΔG) van een reactie combineert de effecten van veranderingen in enthalpie (de warmte die vrijkomt of wordt geabsorbeerd tijdens een chemische reactie) en entropie (de mate van wanorde als gevolg van een reactie) om te voorspellen of een reactie energetisch gunstig is. Alle chemische reacties verlopen spontaan in de energetisch gunstige richting, vergezeld van een afname van vrije energie (ΔG < 0). Beschouw bijvoorbeeld een hypothetische reactie waarin A wordt omgezet in B:

Als ΔG < 0, zal deze reactie in voorwaartse richting verlopen, zoals beschreven. Als ΔG > 0, de reactie verloopt echter in de omgekeerde richting en B wordt omgezet in A.

De ΔG van een reactie wordt niet alleen bepaald door de intrinsieke eigenschappen van reactanten en producten, maar ook door hun concentraties en andere reactieomstandigheden (bijvoorbeeld temperatuur). Het is dus nuttig om de vrije-energieverandering van een reactie onder standaardomstandigheden te definiëren. (Standaardvoorwaarden worden beschouwd als een 1-m concentratie van alle reactanten en producten, en 1 atm druk). De standaard verandering van vrije energie (ΔG°) van een reactie is direct gerelateerd aan zijn evenwichtspositie omdat de werkelijke ΔG is een functie van zowel Δ en de concentraties van reactanten en producten. Denk bijvoorbeeld aan de reactie

De vrije-energieverandering kan als volgt worden geschreven:

waar R is de gasconstante en t is de absolute temperatuur.

Bij evenwicht, ΔG= 0 en de reactie verloopt in geen van beide richtingen. De evenwichtsconstante voor de reactie (K= [B]/[A] bij evenwicht) is dus direct gerelateerd aan ΔG° door de bovenstaande vergelijking, die als volgt kan worden uitgedrukt:

Als de werkelijke verhouding [B]/[A] groter is dan de evenwichtsverhouding (K), ΔG > 0 en de reactie verloopt in omgekeerde richting (omzetting van B naar A). Aan de andere kant, als de verhouding [B]/[A] kleiner is dan de evenwichtsverhouding, ΔG < 0 en A wordt geconverteerd naar B.

De standaard verandering van vrije energie (ΔG°) van een reactie bepaalt daarom het chemische evenwicht en voorspelt in welke richting de reactie zal verlopen onder een bepaalde reeks omstandigheden. Voor biochemische reacties wordt de standaard vrije-energieverandering meestal uitgedrukt als Δ′, wat de standaard vrije-energieverandering is van een reactie in een waterige oplossing bij pH= 7, ongeveer de omstandigheden in een cel.

Veel biologische reacties (zoals de synthese van macromoleculen) zijn thermodynamisch ongunstig (ΔG > 0) onder cellulaire omstandigheden. Om dergelijke reacties te laten verlopen, is een extra energiebron vereist. Denk bijvoorbeeld aan de reactie

De omzetting van A naar B is energetisch ongunstig, dus de reactie verloopt in omgekeerde richting in plaats van in voorwaartse richting. De reactie kan echter in voorwaartse richting worden gedreven door de omzetting van A naar B te koppelen aan een energetisch gunstige reactie, zoals:

Als deze twee reacties worden gecombineerd, kan de gekoppelde reactie als volgt worden geschreven:

De ΔG van de gecombineerde reactie is de som van de vrije-energieveranderingen van de individuele componenten, dus de gekoppelde reactie is energetisch gunstig en zal verlopen zoals beschreven. De energetisch ongunstige omzetting van A naar B wordt dus aangedreven door deze te koppelen aan een tweede reactie die gepaard gaat met een grote afname van vrije energie. Enzymen zijn verantwoordelijk voor het op gecoördineerde wijze uitvoeren van dergelijke gekoppelde reacties.

De cel gebruikt dit basismechanisme om de vele energetisch ongunstige reacties aan te sturen die in biologische systemen moeten plaatsvinden. Adenosine-5′-trifosfaat (ATP) speelt een centrale rol in dit proces door te fungeren als een opslagplaats voor vrije energie in de cel (Figuur 2.31). De bindingen tussen de fosfaten in ATP staan ​​bekend als energierijke bindingen omdat hun hydrolyse gepaard gaat met een relatief grote afname van vrije energie. Er is niets bijzonders aan de chemische bindingen zelf. Ze worden alleen hoogenergetische bindingen genoemd omdat er een grote hoeveelheid vrije energie vrijkomt wanneer ze in de cel worden gehydrolyseerd. Bij de hydrolyse van ATP tot ADP plus fosfaat (Pl), ΔG°′= -7,3 kcal/mol. Bedenk echter dat ΔG°′ verwijst naar “standaardomstandigheden,” waarin de concentraties van alle producten en reactanten 1 zijn m. Werkelijke intracellulaire concentraties van Pl zijn ongeveer 10 -2 M, en intracellulaire concentraties van ATP zijn hoger dan die van ADP. Deze verschillen tussen intracellulaire concentraties en die van de standaardtoestand begunstigen ATP-hydrolyse, dus voor ATP-hydrolyse binnen een cel, ΔG is ongeveer -12 kcal/mol.

Afbeelding 2.31

ATP als opslagplaats voor vrije energie. De bindingen tussen de fosfaatgroepen van ATP worden energierijke bindingen genoemd omdat hun hydrolyse resulteert in een grote afname van vrije energie. ATP kan worden gehydrolyseerd tot ADP plus een fosfaatgroep (HPO4 2- ) of naar AMP (meer. )

Als alternatief kan ATP worden gehydrolyseerd tot AMP plus pyrofosfaat (PPl). Deze reactie levert ongeveer dezelfde hoeveelheid vrije energie op als de hydrolyse van ATP tot ADP. Het pyrofosfaat dat door deze reactie wordt geproduceerd, wordt vervolgens zelf snel gehydrolyseerd, met een ΔG vergelijkbaar met die van ATP-hydrolyse. De totale verandering in vrije energie als gevolg van de hydrolyse van ATP tot AMP is dus ongeveer twee keer zo groot als die verkregen door de hydrolyse van ATP tot ADP. Ter vergelijking: de binding tussen de suiker- en fosfaatgroep van AMP is, in plaats van een hoge energie, typerend voor covalente bindingen voor de hydrolyse van AMP, ΔG°′= -3,3 kcal/mol.

Vanwege de bijbehorende afname van vrije energie, kan de hydrolyse van ATP worden gebruikt om andere energievereisende reacties in de cel aan te sturen. De eerste reactie bij glycolyse (besproken in de volgende paragraaf) is bijvoorbeeld de omzetting van glucose in glucose-6-fosfaat. De reactie kan als volgt worden geschreven:

Omdat deze reactie energetisch ongunstig is zoals geschreven (ΔG°′= +3,3 kcal/mol), moet het in voorwaartse richting worden aangedreven door te worden gekoppeld aan ATP-hydrolyse (ΔG°′= -7,3 kcal/mol):

De gecombineerde reactie kan als volgt worden geschreven:

De vrije-energieverandering voor deze reactie is de som van de vrije-energieveranderingen voor de individuele reacties, dus voor de gekoppelde reactie ΔG°′= -4,0 kcal/mol, wat de vorming van glucose-6-fosfaat bevordert.

Andere moleculen, waaronder andere nucleosidetrifosfaten (bijv. GTP), hebben ook hoogenergetische bindingen en kunnen worden gebruikt als ATP om energievereisende reacties aan te sturen. Voor de meeste reacties levert ATP echter de vrije energie. De energie-opwekkende reacties in de cel zijn daarom gekoppeld aan ATP-synthese, terwijl de energie-opwekkende reacties zijn gekoppeld aan ATP-hydrolyse. De hoogenergetische bindingen van ATP spelen dus een centrale rol in het celmetabolisme door te dienen als een bruikbare opslagvorm van vrije energie.


CELBIOLOGIE VAN VETWEEFSEL

Vetweefsel werd ooit gezien als een passieve opslagplaats voor triglyceridenaccumulatie in adipocyten, maar wordt nu gewaardeerd als een complex weefsel dat een groot aantal celtypen bevat die op elkaar inwerken, waaronder vetcellen, immuuncellen, endotheel, fibroblasten, neuronen en stamcellen. Hoewel adipocyten verantwoordelijk zijn voor >90% van het vetkussenvolume, overheersen deze andere celtypen (gezamenlijk de stromale vasculaire fractie genoemd) door het totale aantal (Kanneganti en Dixit, 2012). Van verschillende subsets van immuuncellen is nu bekend dat ze zich ophopen in vetweefsel en belangrijke functies vervullen. Dit kan worden herleid tot de waarneming dat vetweefsel TNF-α en andere pro-inflammatoire cytokines produceert, met verhoogde niveaus bij obesitas die lokale en systemische insulineresistentie mediëren (Hotamisligil et al., 1993). Deze cytokinen worden grotendeels geproduceerd door macrofagen in het vetweefsel (Weisberg et al., 2003 Xu et al., 2003). Histologisch kunnen macrofagen worden gezien die adipocyten omringen in wat "kroonachtige structuren" worden genoemd (Cinti et al., 2005)

In de afgelopen jaren is de rol van subsets van immuuncellen in vetweefsel steeds beter begrepen. Naast pro-inflammatoire of M1-macrofagen bevat vet ook alternatief geactiveerde of M2-macrofagen, waarbij de M1/M2-ratio toeneemt bij obesitas (Lumeng et al., 2007). Deze celtypen spelen een belangrijke rol bij het hermodelleren van weefsel. Bovendien kunnen M2-macrofagen de activering van beige vet bevorderen. Blootstelling aan koude leidt tot een polarisatie naar het M2-fenotype, en deze M2-cellen kunnen catecholamines produceren en afscheiden die beige vetcellen stimuleren (Nguyen et al., 2011). Eosinofielen en type 2 aangeboren lymfoïde cellen (ILC2's) in vetweefsel staan ​​ook centraal in de biogenese van beige vet. Eosinofielen produceren interleukine (IL)-4 en IL-13, die M2-macrofagen activeren, en eosinofielen kunnen zelf worden geactiveerd door van spier afkomstig meteorine-achtig eiwit (Qiu et al., 2014 Rao et al., 2014). ILC2's stimuleren beige vet via de productie van IL-33 en enkefaline (Brestoff et al., 2015 Lee et al., 2015). Regulerende T-cellen (Tregs) zijn aanwezig in visceraal vetweefsel, maar nemen in aantal af met de ontwikkeling van obesitas, wat de ontwikkeling van insulineresistentie bevordert (Feuerer et al., 2009). Van belang zijn de eigenschappen van visceraal vet Tregs afhankelijk van de expressie van peroxisoomproliferator-geactiveerde receptor γ (Cipolletta et al., 2012). Naast deze typen immuuncellen zijn er ook rollen gedefinieerd voor andere subsets van T-cellen, B-cellen, neutrofielen, mestcellen en natuurlijke killer-T-cellen (Brestoff en Artis, 2015).

Vetweefselfenotypes zijn ook afhankelijk van de bloedtoevoer en innervatie, hoewel de regulatie van deze processen relatief minder bestudeerd is. Naarmate de vetmassa toeneemt in de setting van overvoeding, kan lokale hypoxie ontstaan ​​en kan de zuurstofgevoelige transcriptiefactor hypoxie-induceerbare factor 1α (HIF1α) geactiveerd worden (Krishnan et al., 2012). Genetische en farmacologische studies tonen aan dat vetspecifieke deletie of remming van HIF-1α kan beschermen tegen obesitas-gerelateerde metabole disfunctie (Jiang et al., 2011 zon et al., 2013). Gegevens geven ook aan dat wit en bruin vetweefsel vasculaire endotheliale groeifactor A en andere factoren kan maken om de bloedtoevoer te verbeteren (Fredriksson et al., 2000 Mick et al., 2002). Vetweefsel, met name bruin vet, wordt ook uitgebreid geïnnerveerd met sympathische vezels die lipolyse stimuleren bij vasten, toediening van leptine en blootstelling aan koude (Bartness et al., 2010a, b Zeng et al., 2015). Daarentegen kunnen parasympathische vezels de ophoping van lipiden stimuleren (Kreier et al., 2002). Bruine en beige adipocyten brengen beide hoge niveaus van de β3-adrenerge receptor tot expressie, en farmacologische activering door CL 316.243 bevordert de thermogenese (Himms-Hagen et al., 1994). De factoren die de innervatie van vetcellen reguleren, blijven een gebied van actief onderzoek.


Een boom zet wanorde om in orde met een beetje hulp van de zon

Het concept van entropie en de tweede wet van de thermodynamica suggereren dat systemen van nature van orde naar wanorde evolueren. Zo ja, hoe ontwikkelen en handhaven biologische systemen zo'n hoge mate van orde? Is dit een schending van de tweede wet van de thermodynamica?

Orde kan tot stand worden gebracht met een besteding van energie, en de orde die hoort bij het leven op aarde wordt tot stand gebracht met behulp van energie van de zon. De grondstoffen voor de voedingsstoffen voor het leven op aarde zijn gewoon kooldioxide en water! De mechanismen van geavanceerd planten- en dierenleven voegen stikstof, fosfor en zwavel toe, waarbij de meeste operationele mechanismen van het leven worden bereikt met de elementen die zijn samengevat in het geheugensteuntje CHONPS.

De bouwmaterialen zijn in een zeer ongeordende staat - gassen, vloeistoffen en dampen. De boom neemt kooldioxide op uit de lucht, water uit de aarde en een kleine hoeveelheid uit waterdamp in de lucht. Vanaf dit ongeordende begin produceert het de sterk geordende en sterk beperkte suikermoleculen, zoals glucose. De stralingsenergie van de zon wordt overgebracht naar de bindingsenergieën van de koolstoffen en de andere atomen in het glucosemolecuul. Naast het maken van de suikers geven de planten ook zuurstof af, wat essentieel is voor het dierenleven.

De bladeren gebruiken de energie van de zon in kleine energiefabriekjes die chloroplasten worden genoemd. Met behulp van chlorofyl in het proces dat fotosynthese wordt genoemd, zetten ze de energie van de zon om in een vorm die kan worden opgeslagen in geordende suikermoleculen.

Als een voorbeeld van de reikwijdte van dit proces, overweeg een volwassen esdoorn. Het kan 500 pond groene bladeren bevatten die worden gebruikt in het proces van fotosynthese. Met een bladoppervlak van enkele honderden vierkante meters is het in staat om zo'n 2 ton suiker te maken.

Het proces van fotosynthese in planten slaat energie op in de planten die kan worden gebruikt voor het uitvoeren van werk. Een deel van de energie wordt gebruikt voor de synthese van koolhydraten. Deze koolhydraten kunnen eenvoudige suikers zijn zoals glucose of complexe combinaties van suikers. Enkele veel voorkomende koolhydraten zijn:

Cellulose Lange ketens van glucosemoleculen die vrij lineair zijn. Ze helpen de plantstructuur te behouden - het hout van bomen is voornamelijk cellulose.
Zetmeel Meer sterk vertakte ketens van glucosemoleculen. Ze worden geproduceerd door planten en dienen als energiebronnen voor de planten. Ze kunnen door mensen en andere dieren worden gemetaboliseerd voor energie.
Glycogeen Nog sterker vertakte ketens van glucose, maar vergelijkbaar met zetmeel. Gebruikt door planten en dieren voor energieopslag. Bij dieren zit deze glycogeenopslag vooral in de spieren.

In dierlijke systemen zijn er ook kleine structuren in de cellen, mitochondriën genaamd, die de energie gebruiken die is opgeslagen in suikermoleculen uit voedsel om meer geordende structuren te vormen.


Thermogenese is wanneer het lichaam warmte (energie) produceert. Zoals hieronder wordt uitgelegd, zijn er verschillende manieren waarop dit kan gebeuren.

Het menselijk lichaam verbruikt altijd energie. Of je nu zit, beweegt, eet, rilt, etc. Hoe actiever je bent, hoe meer energie je verbruikt (energy out). Hoe meer energie je verbruikt, hoe meer voedsel je moet eten om op gewicht te blijven (energie in). Je bent in energiebalans als je dezelfde hoeveelheid energie eet als je verbruikt.

10% van de energie die we eten gaat verloren in de ontlasting, urine of via de huid.

"Bij mensen is ongeveer 90% van de ingenomen energie metaboliseerbare energie, terwijl de rest verloren gaat in de ontlasting, urine of het lichaam via de huid verlaat" - Lam en Ravussin, 2016

Onderstaande figuur laat zien hoe verschillende hoeveelheden vetvrije massa correleren met energieverbruik (meer massa = meer energie verbruikt per 24u).

Figuur door Casperson et al., 2017 (bewerkt voor de duidelijkheid)


Referenties

De Bruin NC, Degenhart HJ, Gàl S, Westerterp KR, Stijnen T, Visser HK . Energiegebruik en groei bij zuigelingen die borstvoeding krijgen en flesvoeding krijgen, prospectief gemeten tijdens het eerste levensjaar. Ben J Clin Nutr 1998 67: 885–896.

Butte NF, Ekelund U, Westerterp KR. Het beoordelen van fysieke activiteit met behulp van draagbare monitoren: metingen van fysieke activiteit. Med Sci Sportoefening 2012 44 (Suppl 1), S5–S12.

Tappy L. Thermisch effect van voedsel en sympathische zenuwstelselactiviteit bij mensen. Reprod Nutr Rev 1996 36: 391–397.

Prentice AM, Black AE, Coward WA, Cole TJ. Energieverbruik bij volwassenen met overgewicht en obesitas in welvarende samenlevingen: een analyse van 319 dubbel gelabelde watermetingen. Eur J Clin Nutr 1996 50: 93–97.

Webb P. Energieverbruik en vetvrije massa bij mannen en vrouwen. Ben J Clin Nutr 1981 34: 1816–1826.

Schoeller DA, Fjeld CR. Menselijke energiestofwisseling: wat hebben we geleerd van de dubbel gelabelde watermethode? Annu Rev Nutri 1991 11: 355–373.

Kim JW, Seo DI, Swearingin B, So WY. Associatie tussen obesitas en verschillende parameters van fysieke fitheid bij Koreaanse studenten. Obes Res Clin Pract 2013 7: e67-e74.

Pataky Z, Armand S, Müller-Pinget S, Golay A, Allet L . Effecten van obesitas op functionele capaciteit. zwaarlijvigheid 2014 22: 56–62.

Westerterp KR. Dagelijkse fysieke activiteit zoals bepaald door leeftijd, lichaamsgewicht en energiebalans. Eur J Appl Fysiol 2015 115: 1177–1184.

Forbes GB. Magere lichaamsmassa-lichaamsvet-interrelaties bij mensen. Nutr Rev 1987 45: 225–231.

Zaal KD. Interrelaties tussen lichaamsvet en vetvrije massa: de theorie van Forbes herzien. Br J Nutr 2007 97: 1059–1063.

Westerterp KR. Lichamelijke activiteit, voedselinname en regulering van het lichaamsgewicht: inzichten uit dubbel gelabelde wateronderzoeken. Nutr Rev 2010 68: 148–154.

Bray GA, Redman LM, De Jonge L, Covington J, Rood J, Brock C et al. Effect van eiwitovervoeding op energieverbruik gemeten in een metabole kamer. Ben J Clin Nutr 2015 101: 496–505.

Hochstenbach-Waelen A, Veldhorst MA, Nieuwenhuizen AG, Westerterp-Plantenga MS, Westerterp KR. Vergelijking van 2 diëten met 25% of 10% energie als caseïne op energieverbruik, substraatbalans en eetlustprofiel. Ben J Clin Nutr 2009 89: 831–838.

Keys A, Brozek J, Henschel A, Mickelsen O, Taylor HL. De biologie van menselijke honger. University of Minnesota Press: Minneapolis, VS, 1950.

Majoor GC, Doucet E, Trayhurn P, Astrup A, Tremblay A. Klinische betekenis van adaptieve thermogenese. Int J Obes 2007 31: 204–212.

Rosenbaum M, Hirsch J, Gallagher DA, Leibel RL. Langdurige persistentie van adaptieve thermogenese bij personen die een verminderd lichaamsgewicht hebben behouden. Ben J Clin Nutr 2008 88: 906–912.

Schwartz A, Kuk JL, Lamothe G, Doucet E. Groter dan voorspelde afname van energieverbruik in rust en gewichtsverlies: resultaten van een systematische review. zwaarlijvigheid 2012 20: 2307–2310.

Kampen SG, Verhoef SP, Westerterp KR . Gewichtsverlies, gewichtsbehoud en adaptieve thermogenese. Ben J Clin Nutr 2013 97: 990–994.

Van Gemert WG, Westerterp KR, Greve JM, Soeters PB . Vermindering van het slaapmetabolisme na verticale gestreepte gastroplastiek. Int J Obes 1998 22: 343–348.

Kampen SG, Verhoef SP, Westerterp KR . Door gewichtsverlies veroorzaakte vermindering van fysieke activiteit herstelt zich tijdens gewichtsbehoud. Ben J Clin Nutr 2013 98: 917–923.

Dulloo AG, Schutz Y. Adaptieve thermogenese bij resistentie tegen obesitastherapieën: problemen bij het kwantificeren van fenotypes van spaarzaam energieverbruik bij mensen. Curr Obes Rep 2015 4: 230–240.

Heitmann BL, Westerterp KR, Loos RJ, Sørensen TI, O'Dea K, McLean P et al. Obesitas: lessen uit evolutie en het milieu. Obes Rev 2012 13: 910–922.

Washburn RA, Lambourne K, Szabo AN, Herrmann SD, Honas JJ, Donelly JE. Verandert meer voorgeschreven lichaamsbeweging de lichamelijke activiteit/het energieverbruik zonder inspanning bij gezonde volwassenen? Een systematische review. Clin Obes 2013 4: 1–20.

Kempen KP, Saris WH, Westerterp KR. Energiebalans tijdens een energiebeperkend dieet van 8 weken met en zonder inspanning bij obese vrouwen. Ben J Clin Nutr 1995 62: 722–729.

Thomas DM, Bouchard C, Church T, Slentz C, Kraus WE, Redman LM et al. Waarom verliezen individuen niet meer gewicht door een inspanningsinterventie met een bepaalde dosis? Een analyse van de energiebalans. Obes Rev 2012 13: 835–847.

Pontzer H. Beperkt totaal energieverbruik en de evolutionaire biologie van de energiebalans. Exerc Sport Sci Rev 2015 43: 110–116.

Melanson EL, Keadle SK, Donelly JE, Braun B, King NA . Weerstand tegen door inspanning geïnduceerd gewichtsverlies: compenserende gedragsaanpassingen. Med Sci Sportoefening 2013 45: 1600–1609.

Speakman JR, Westerterp KR. Associaties tussen energiebehoefte, fysieke activiteit en lichaamssamenstelling bij volwassen mensen tussen 18 en 96 jaar. Ben J Clin Nutr 2010 92: 826–834.

Westerterp KR, Plasqui G. Lichamelijke activiteit en menselijk energieverbruik. Curr Opin Clin Nutr Metab Care 2004 7: 607–613.

Ainsli PN, Campbell IT, Frayn KN, Humphreys SM, MacLaren DP, Reilly T et al. Energiebalans, stofwisseling, hydratatie en prestatie tijdens inspannend bergwandelen: het effect van leeftijd. J Appl Fysiol 2002 93: 714–723.

Rosenkilde M, Morville T, Andersen PR, Kjaer K, Rasmusen H, Holst JJ et al. Onvermogen om de energie-inname te matchen met het energieverbruik bij aanhoudende bijna maximale energieverbruik bij oudere mannen tijdens een 14-daagse fietsexpeditie. Ben J Clin Nutr 2015 102: 1398–1405.

Van Etten LM, Westerterp KR, Verstappen FT, Boon BJ, Saris WH . Effect van een trainingsprogramma van 18 weken op het energieverbruik en fysieke activiteit. J Appl Fysiol 1997 82: 298–304.

Valenti G, Bonomi AG, Westerterp KR. Fitnesstraining met meerdere componenten verbetert het looprendement bij oudere volwassenen. Med Sci Sportoefening 2016 48: 1365–1370.

Bouten CV, Van Marken Lichtenbelt WD, Westerterp KR. Body mass index en dagelijkse fysieke activiteit bij anorexia nervosa. Med Sci Sportoefening 1996 28: 967–973.

Seimon RV, Roekenes JA, Zibellini J, Zhu B, Gibson AA, Hills AP et al. Bieden intermitterende diëten fysiologische voordelen ten opzichte van continue diëten voor gewichtsverlies? Een systematische review van klinische onderzoeken. Mol Cell Endocrinol 2015 418: 153–172.

Pontzer H, Durazo-Arvizu R, Dugas LR, Plange-Rhule J, Bovet P, Forrester TE et al. Beperkt totaal energieverbruik en metabolische aanpassing aan fysieke activiteit bij volwassen mensen. Curr Biol 2016 26: 410–417.

Westerterp KR, Speakman JR. Het energieverbruik voor lichamelijke activiteit is sinds de jaren tachtig niet gedaald en komt overeen met het energieverbruik van wilde zoogdieren. Int J Obes 2008 32: 1256–1263.

Bandini LG, Schoeller DA, Edwards J, Young VR, Oh SH, Dietz WH. Energieverbruik tijdens overvoeding van koolhydraten bij zwaarlijvige en niet-obese adolescenten. Ben J Physiol 1989 256: E357–E367.

Roberts SB, Young VR, Fuss P, Fiatarone MA, Richard B, Rasmussen H et al. Energieverbruik en daaropvolgende inname van voedingsstoffen bij overvoede jonge mannen. Ben J Physiol 1990 259: R461-R469.

Diaz EO, Prentice AM, Goldberg GR, Murgatroyd PR, Coward WA . Metabolische reactie op experimentele overvoeding bij gezonde vrijwilligers met magere en overgewicht. Am J Clin Nutr 1992 56: 641–655.

Pasquet P, Brigant L, Froment A, Koppert GA, Bard D, de Garine I et al. Massive overfeeding and energy balance in men: the Guru Walla model. Am J Clin Nutr 1992 56: 483–490.

Joosen AMCP, Bakker AHF, Westerterp KR . Metabolic efficiency and energy expenditure during short-term overfeeding. Fysiek gedrag 2005 85: 593–597.

Siervo M, Frühbeck G, Dixon A, Goldberg GR, Coward WA, Murgatroyd PR et al. Efficiency of autoregulatory homeostatic responses to imposed caloric excess in lean men. Am J Physiol 2008 294: E416–E424.

Apolzan JW, Bray GA, Smith SR, De Jonge L, Rood J, Han H et al. Effect of weight gain induced by controlled overfeeding on physical activity. Am J Physiol 2014 307: E1030–E1037.

Westerterp KR, Meijer GA, Janssen EM, Saris WH, Ten Hoor F . Long-term effect of physical activity on energy balance and body composition. Br J Nutr 1992 68: 21–30.

FAO/WHO/UNU. Human Energy Requirements. 2004: FAO Food and nutrition report series 1: Rome, Italy.


Practical Classroom delivery

A range of public and private high schools across Perth, Western Australia were asked about the technologies currently available at their school, and their perceived barriers to the uptake of VR and immersive technologies in the classroom. This research gives insight into the practicalities of using VR learning tools in the classroom and is being used to inform VPC design to drive practical classroom delivery.

Teachers and students who have trialled VPC were asked questions about their hands-on experience. These insights are also available in this section.

Access to technology

What technology do you currently have access to at your school?

Current VR Investment at schools

Has your school thought about investing in VR technology in the near future?

Insights:

All schools had access to one of the devices provided in the list, indicating that all schools already have the ability to host VPC content in the classroom, which is compatible with a range of platforms: from low-barrier-to-entry to high-end VR headsets tablets/ipads and desktop/laptop computers.

72% of surveyed schools already have VR technology or plan to invest in the next 2 years. This indicates that within the coming years, the majority of schools will be able to embrace VR technology and the ground-breaking learning opportunities that come with it. VPC represents some of the first comprehensive, curriculum-aligned educational VR content compatible with such technology.

Barriers to VR investment

If you are interested in VR, what would you consider some of the barriers to implementing VR technology in your school?

n = 18, respondents were able to select more than one option so the results sum to more than 100%.

Insights:

Most of the surveyed teachers cited ‘cost’ and ‘limited skills/knowledge of staff facilitating VR experience’ (87% respectively) as barriers to implementing VR technology in the classroom. The lack of alignment with current curriculum (chosen by 40% of respondents) was considered another obstacle, and a third of respondents (33%) indicated that there wasn’t enough information about VR technology in schools.

VPC is designed to address these barriers and build towards practical classroom uptake of educational VR. The platform is curriculum-aligned, freely available and compatible with a range of platforms, addressing the barriers to VR implementation concerning expenditure and lack of curriculum-alignment.

Teacher Feedback

Following a VPC professional development (PD) exercise, 100% of teachers involved agreed that the PD increased the likelihood that they’ll use VR in the classroom.

How useful/relevant is the content in the VPC videos for your classroom?

How useful are the resources and guides accompanying the VPC videos for your classroom use?

Insights:

Teachers that took part in the PD exercise unanimously agreed that the content in VPC videos was useful for their classroom, with 71% of the sample stating that it was very useful. Similarly, all teachers agreed that the resources and guides accompanying the VPC videos were useful for classroom use.

“(VPC) helped to engage the students and also established the 3D aspects of the cell.” - Teacher Feedback

Student Feedback

Insights:

Following their classroom experience of VPC, 89% of Year 8 students agreed that the tool was easy to use.

Plant biologists
Foto met dank aan Plant Energy Biology


Type 2 Diabetes at the Cellular Level

In order to better understand Type 2 diabetes and how it works, it is important to understand what is going on at the cellular level — especially if you want to understand how to defeat it.

For example, the key cells that are affected when Type 2 diabetes initially develops (due to hyperglycemia and hyperinsulinemia) are niet the pancreatic beta cells, although pancreatic beta cell dysfunction is discussed in detail as a major factor of Type 2 diabetes pathology and pathogenesis.

The key cells that are directly affected by Type 2 diabetes include the red blood cells and tissue cells of the muscle, fat, and liver . These tissue cells are designed to take glucose (sugar) out of the blood, pull it into the cells and convert it to energy (ATP) — this is known as carbohydrate metabolism.

These cells require insulin (as a key) to trigger the glucose transports to pull in glucose from the blood. When these cells fail to respond adequately to circulating insulin, the glucose remains in the blood and these cells lose their sensitivity to insulin (a condition known as insulin resistance ). This, in turn, causes blood glucose levels to rise.

The body responds to this situation (of rising blood glucose levels) by signaling the pancreas to produce more insulin, causing insulin levels in the blood to become too high. This condition is known as hyperinsulinemia.

High insulin levels increase fat storage en verbieden fat metabolism — that is, you gain more weight and you’re unable to burn or metabolize the fat, which, in turn, makes you even fatter!

The cells in the liver also become insulin resistant and respond by making too much blood glucose. Because blood glucose is not absorbed by the cells, it stays in the blood, causing blood glucose levels to rise even further. This condition is known as hyperglycemia.

High glucose levels prevent your cells from being able to convert the glucose to energy (ATP) causing poor glucose metabolism and a reduction in energy, which, in turn, leads to mental and physical fatigue. [This is why most diabetics feel tired!]

Red blood cells are damaged due to the high glucose levels, as sugar molecules are attached (glycated) to the exterior part of the red blood cells, forming a crystalline (coarse) crust.

These coarse red blood cells cause damage as they circulate throughout your circulatory system, damaging arteries and capillaries.

This liver tries to repair this damage by producing cholesterol to be used like spackle to repair the damaged blood vessels.

But, the excess oxidation, glycation and inflammation in combination with the extra cholesterol produced by the liver, leads to arterial plaque formation — all triggered by an inflammatory immune response.

These coarse red blood cells cause greater damage in dense capillary areas such as the hands and feet, and fragile capillaries such as those that feed the kidneys and eyes.

As depicted in the following diagram, diabetes affects and causes damage to many different types of cells.

And, all of this cell damage leads to several diabetic complications that eventually leads to blindness, kidney failure, amputation, heart attack and stroke.

Other health issues that may occur include high blood pressure, high cholesterol, high inflammation markers, periodontal disease, and erectile dysfunction.


Bekijk de video: Webinar 8 Betonakkoord Vergroening, verlaging van het energieverbruik tijdens de productie (December 2021).