Informatie

Hoeveel energie kost een cel om zijn inhoud te behouden?


In software-engineering wordt soms een analogie gemaakt met biologische cellen. Ik zou graag willen weten of het daadwerkelijk een basis heeft.

Mensen zeggen (Alan Kay was de eerste) dat 'objecten' in software als cellen zouden moeten zijn: gescheiden van elkaar, communicerend door berichten door te geven. Deze afgescheidenheid is beargumenteerd door te zeggen dat: een cel besteedt veel van zijn metabolische energie om zijn binnenkant binnen en zijn buitenkant buiten te houden. De implicatie is dat programmeurs ook veel moeite moeten doen om de grenzen tussen delen van een systeem te handhaven.

Is dit echt waar? Welk percentage van zijn energie besteedt een cel over het algemeen aan het onderhouden van zijn inhoud?

(Mijn gok is dat het antwoord enorm varieert, afhankelijk van de cel en zijn omgeving, maar enkele voorbeelden van ballpark-voorbeelden zouden leuk zijn.)


Ik ga hier een stokje voor steken. Het is een moeilijke vraag om goed te krijgen, gewoon om te zetten is in de juiste stemming hier.

Laten we energie hier buiten laten, want de juiste term is structuur. De cel is ontworpen om zichzelf te compartimenteren om zijn eigen levende weefsel te onderscheiden van andere cellen.

In dit opzicht is de analogie van Alan Kay redelijk goed. In meercellige organismen behouden individuele cellen (meestal) elk hun eigen DNA en energieopslag, hoewel ze hun voedingsstoffen en energie van buitenaf krijgen. Ze creëren het organisme als geheel door differentiatie; elke cel verandert om een ​​gespecialiseerde rol op zich te nemen en is afhankelijk van andere cellen om het te ondersteunen. bijv. bij dieren verteren sommige cellen/organen het voedsel en verdelen ze voedingsstoffen naar de rest, andere vormen de long en helpen de zuurstof te verdelen en weer andere schrobben het bloed van afvalstoffen.

Dit lijkt een beetje op een goed codeontwerp waarbij functies zijn opgedeeld in gespecialiseerde delen van de software omwille van onderhoudbaarheid en organisatie.

Ergens na dit punt denk ik dat de analogie kapot gaat, want het punt van goede codeerpraktijken is om de code te ordenen voor begrip binnen redelijke menselijke conceptuele grenzen. De cellen en hoe ze zichzelf organiseren zijn nog steeds mysterieus voor ons, omdat ze hun eigen definitie van rollen en functie hebben, waarvan veel vandaag de dag nog wordt ontdekt. Zo zijn de vele soorten neuronen in de hersenen en de soorten structuren die ze vormen zeer divers. We hebben weinig organiserende principes om te voorspellen hoeveel celtypes er in een systeem zouden bestaan ​​en deze creëren slechts gedeeltelijke antwoorden.

Het is tenslotte maar een analogie...

dicht bij een antwoord komen?


Dit is inmiddels een oude vraag, maar ik dacht ik geef het toch een kans. Ik vermoed dat de "van binnen naar buiten" verwijst naar het handhaven van intracellulaire concentraties van voedingsstoffen en andere belangrijke moleculen.

De cel besteedt veel energie aan het in stand houden van hoge concentraties aminozuren en andere belangrijke metabolieten in het cytoplasma. Het celmembraan is permeabel voor deze moleculen om opname uit de omgeving mogelijk te maken, maar dit creëert ook het probleem dat moleculen net zo waarschijnlijk naar buiten diffunderen als naar binnen diffunderen. Om een ​​concentratie van een molecuul hoger te houden dan die van de omgeving, moet de cel actief "pompen" moleculen naar binnen, wat uiteraard energie kost. Dit gaat de hele tijd door; het is een constante strijd tegen de thermodynamica.

Er zijn een aantal actieve pompen in cellen en het is experimenteel moeilijk om het energieverbruik van al deze pompen te meten. Een zeer belangrijke pomp is echter de Na/K-ATPase, die ATP (energie) gebruikt om natrium- en kaliumgradiënten over het celmembraan te handhaven, die op hun beurt worden gebruikt om het transport van andere moleculen aan te drijven. De energiebehoefte van de Na/K-ATPase is goed meetbaar; dit overzichtsartikel schat 19--28% van het totale energieverbruik. Dit moet worden gezien als een ondergrens.


5.3A: Elektrochemische gradiënt

  • Bijgedragen door Grenzeloos
  • Algemene microbiologie bij Boundless

Om stoffen tegen de elektrochemische gradiënt van het membraan te verplaatsen, maakt de cel gebruik van actief transport, waarvoor energie van ATP nodig is.

  • Definieer een elektrochemische gradiënt en beschrijf hoe een cel stoffen tegen deze gradiënt beweegt

Wanneer cellen worden geconfronteerd met een energiecrisis

De 16-jarige Joe Wise, een kampioenzwemmer, lijkt een gezonde en gelukkige junior op de middelbare school. Hij geniet van tijd met vrienden en hij kijkt uit naar de universiteit. Maar kijk eens goed, diep in zijn cellen, en er klopt iets niet. Er is een storing in de kleine capsulevormige structuren - mitochondriën genaamd. Bekend als de 'krachtcentrale' van de cel, zetten ze voedselmoleculen om in een vorm van energie die je cellen kunnen gebruiken. - die zijn cellen van stroom voorzien. Deze abnormale mitochondriën veroorzaken extreme vermoeidheid en zwakte in zijn benen, moeite met ademhalen en tal van andere problemen.

“Vroeger speelde ik honkbal, maar nu kan ik niet meer rennen, dus dat kan ik niet meer. In plaats daarvan zwem ik', zegt Joe. In de afgelopen jaren heeft hij verschillende nationale zwemrecords gebroken en in 2008 zat hij in het Amerikaanse zwemteam tijdens de Paralympische Spelen in Peking.

Joe is een van de tienduizenden mensen in het hele land die mitochondriale ziekten hebben, hoewel schattingen variëren. Er zijn tientallen subtypen, die elk minder dan 1 op de 1500 mensen treffen. Er is geen behandeling of genezing voor een van deze zeldzame ziekten.

Mitochondriale ziekten worden veroorzaakt door abnormale genen Stukken DNA, een stof die u van uw ouders erft, die kenmerken bepalen, zoals hoe groot de kans is dat u bepaalde ziekten krijgt. die leiden tot gebrekkige eiwitten of andere moleculen in de mitochondriën. De verschillende subtypes worden veroorzaakt door veranderingen in verschillende genen, wat leidt tot versleten cellen in verschillende delen van het lichaam. Het hardst getroffen zijn organen en weefsels die veel energie nodig hebben, zoals spieren, hersenen, hart, nieren en lever. Wanneer de energievoorziening wegzakt, kunnen cellen beschadigd raken of vernietigd worden.

Maar mitochondriën zijn belangrijker dan zeldzame ziekten. Zelfs bij gezonde mensen hebben onderzoekers ontdekt dat mitochondriën geleidelijk kunnen verslechteren naarmate we ouder worden. Slecht functionerende mitochondriën zijn in verband gebracht met diabetes, hartaandoeningen, de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Parkinson en zelfs normale veroudering. "Als we meer te weten kunnen komen over de zeldzame mitochondriale aandoeningen, kunnen de bevindingen implicaties hebben voor het begrijpen van meer algemene ziekten", zegt Dr. Vamsi Mootha van de Harvard Medical School.

De zeldzame mitochondriale ziekten zijn notoir moeilijk voor artsen om te herkennen en te diagnosticeren. Afhankelijk van welke cellen zijn aangetast, kunnen mensen met mitochondriale ziekten spierzwakte en pijn, spijsverteringsproblemen, hartaandoeningen, toevallen en vele andere symptomen hebben. Deze ziekten treffen zowel kinderen als volwassenen. Sommige leiden tot een vroege dood. Omdat de symptomen sterk variëren, worden mitochondriale ziekten vaak aangezien voor andere aandoeningen.

In het geval van Joe Wise was hij vóór zijn achtste een fervent honkbal- en voetballer, toen zijn vader merkte dat hij een beetje raar liep en rende. Hij voelde zich moe en zwak. Hij had moeite met slikken. Joe's ouders namen hem mee naar verschillende specialisten, die dachten dat hij misschien juveniele artritis, spierdystrofie of een probleem met zijn heup had. Maar uiteindelijk toonde een spierbiopsie aan dat hij een mitochondriale ziekte had. Zijn artsen hadden niet verwacht dat hij ouder zou worden dan 14. "Het was een echte schok voor de familie", zegt Joe. “Het was iets waar we ineens veel meer over moesten leren.”

Joe moest moeilijke aanpassingen maken - op zijn dieet letten, voorzichtig zijn tijdens het lopen en twee keer per dag en 's nachts een ventilator gebruiken om hem te helpen ademen. Hij merkt dat hij zich na verloop van tijd zwakker voelt, maar blijft bijna elke dag zwemmen. "Zwemmen heeft op veel verschillende manieren geholpen", zegt Joe. “Het heeft me uit een rolstoel gehouden. Het heeft me van een grotere ventilator afgehouden.” Hij is nu in training voor de Paralympische Spelen van 2012.

Wetenschappers weten nog niet waarom sommige patiënten zoals Joe kunnen blijven sporten, terwijl anderen ernstigere beperkingen hebben. In de afgelopen decennia hebben onderzoekers echter veel geleerd over mitochondriën.

Elke cel in het lichaam bevat tientallen of zelfs honderden mitochondriën. Mitochondriën produceren ongeveer 90% van de energie die cellen nodig hebben om te functioneren. Ze verschillen van andere celcomponenten omdat elk zijn eigen kleine DNA-lusjes bevat, mtDNA genaamd. Het circulaire mtDNA verschilt van de bekende lange DNA-strengen die de chromosomen vormen die zich in het controlecentrum of de kern van uw cellen bevinden. Je nucleaire DNA komt van zowel je moeder als je vader, maar mtDNA komt alleen van je moeder.

Wetenschappers hebben geleerd dat onder de genen in mtDNA instructies zijn voor het maken van 13 eiwitten die mitochondriën nodig hebben om energie te produceren. Mutaties Veranderingen in een DNA-sequentie. in deze genen kan leiden tot tientallen verschillende ziekten.

Maar mitochondriën bevatten veel meer dan 13 eiwitten. Ze bevatten ook meer dan 1.000 eiwitten die afkomstig zijn van genen in de celkern. "We weten nu dat de overgrote meerderheid van genetische mitochondriale aandoeningen eigenlijk te wijten zijn aan mutaties in het nucleaire genoom. De volledige set van al je genen. ', zegt Mootha.

Deze nucleaire mutaties zijn moeilijk te identificeren. Hoewel sommige onderzoekscentra nu het volledige mtDNA kunnen sequencen en de mutaties kunnen vinden die de ziekte van een patiënt veroorzaken, kan dat niet worden gedaan voor de meeste mutaties in nucleair DNA.

De afgelopen 7 jaar hebben Mootha en zijn collega's gewerkt om daar verandering in te brengen. Ze hebben krachtige nieuwe onderzoekstools gebruikt om ongeveer 1.100 genen in ons nucleaire DNA te identificeren die eiwitten maken die in mitochondriën worden aangetroffen. Ze zoeken nu naar mutaties in deze genen bij patiënten met mitochondriale ziekte. Dat helpt bij het ontwikkelen van diagnostiek, zegt hij. "En als we eenmaal de moleculaire onderbouwing van deze aandoeningen kennen, kunnen ze aanwijzingen bieden voor volledig nieuwe behandelingsstrategieën."

Verschillende mogelijke therapieën voor mitochondriale ziekten worden al onderzocht. Sommige patiënten met mtDNA-mutaties hebben een mix van normaal en gemuteerd mtDNA in hun cellen. Onderzoekers zoeken naar manieren om de balans te verschuiven naar meer normaal DNA. Aan de University of Texas Southwestern Medical School test Dr. Ronald Haller of duurtraining deze verschuiving veilig kan stimuleren, of op zijn minst de fysieke gezondheid kan verbeteren, bij patiënten met mtDNA-mutaties.

"De voordelen van training bij gezonde mensen worden algemeen erkend", zegt Haller. Een voordeel is het verhogen van het aantal mitochondriën in je spieren. "We willen zien of sommige van deze zelfde voordelen zich uitstrekken tot patiënten met mitochondriale ziekte."

Haller en zijn collega's hebben al kleine onderzoeken uitgevoerd die suggereren dat patiënten die trainen hun vermogen om te lopen en andere dagelijkse activiteiten te doen kunnen verbeteren. Hij heeft ook bewijs gevonden dat mitochondriale aantallen krimpen zodra patiënten stoppen met trainen - wat ook gebeurt bij gezonde mensen. Haller is nu begonnen met een grotere studie van 40 patiënten om te zien hoe inspanningstraining, en het nemen van een pauze van inspanning, mitochondriën en inspanningscapaciteit beïnvloedt.

"Er vindt momenteel veel opwindend nieuw onderzoek plaats in de mitochondriale biologie", zegt Mootha. "Naarmate we meer te weten komen over deze aandoeningen, kunnen we deze kennis hopelijk omzetten in betere therapieën."

Verstandige keuzes

Symptomen van mitochondriale ziekte

Mitochondriale ziekte kan verschillende delen van het lichaam aantasten. Symptomen kunnen variëren van mild tot ernstig en kunnen zijn:


Functies van het menselijk leven

De verschillende orgaansystemen hebben elk verschillende functies en daarom unieke rollen in de fysiologie. Deze vele functies kunnen worden samengevat in termen van enkele die we als bepalend kunnen beschouwen voor het menselijk leven: organisatie, metabolisme, reactievermogen, beweging, ontwikkeling en reproductie.

Organisatie

Een menselijk lichaam bestaat uit biljoenen cellen die zo zijn georganiseerd dat ze verschillende interne compartimenten behouden. Deze compartimenten houden lichaamscellen gescheiden van externe bedreigingen van buitenaf en houden de cellen vochtig en gevoed. Ze scheiden ook interne lichaamsvloeistoffen van de talloze micro-organismen die op lichaamsoppervlakken groeien, inclusief de bekleding van bepaalde traktaten of doorgangen. Het darmkanaal herbergt bijvoorbeeld nog meer bacteriecellen dan het totaal van alle menselijke cellen in het lichaam, maar deze bacteriën bevinden zich buiten het lichaam en kunnen niet vrij in het lichaam circuleren.

Cellen hebben bijvoorbeeld een celmembraan (ook wel het plasmamembraan genoemd) dat de intracellulaire omgeving - de vloeistoffen en organellen - gescheiden houdt van de extracellulaire omgeving. Bloedvaten houden bloed in een gesloten bloedsomloop en zenuwen en spieren zijn gewikkeld in bindweefselomhulsels die ze scheiden van de omliggende structuren. In de borst en buik houden verschillende interne membranen belangrijke organen zoals de longen, het hart en de nieren gescheiden van andere.

Het grootste orgaansysteem van het lichaam is het integumentaire systeem, dat de huid en de bijbehorende structuren, zoals haar en nagels, omvat. Het oppervlakteweefsel van de huid is een barrière die interne structuren en vloeistoffen beschermt tegen potentieel schadelijke micro-organismen en andere toxines.

Metabolisme

De eerste wet van de thermodynamica stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd - het kan alleen van vorm veranderen. Je basisfunctie als organisme is om energie en moleculen in het voedsel dat je eet te consumeren (op te nemen) en een deel ervan om te zetten in brandstof voor beweging, je lichaamsfuncties te ondersteunen en je lichaamsstructuren op te bouwen en te onderhouden. Er zijn twee soorten reacties die dit bewerkstelligen: anabolisme en katabolisme.

  • anabolisme is het proces waarbij kleinere, eenvoudigere moleculen worden gecombineerd tot grotere, complexere stoffen. Je lichaam kan, door gebruik te maken van energie, de complexe chemicaliën die het nodig heeft samenstellen door kleine moleculen te combineren die zijn afgeleid van het voedsel dat je eet
  • katabolisme is het proces waarbij grotere, complexere stoffen worden afgebroken tot kleinere, eenvoudigere moleculen. Bij katabolisme komt energie vrij. De complexe moleculen die in voedsel worden aangetroffen, worden afgebroken, zodat het lichaam hun onderdelen kan gebruiken om de structuren en stoffen te assembleren die nodig zijn voor het leven.

Samen worden deze twee processen metabolisme genoemd. Metabolisme is de som van alle anabole en katabole reacties die in het lichaam plaatsvinden ([link]). Zowel anabolisme als katabolisme vinden gelijktijdig en continu plaats om u in leven te houden.

Elke cel in je lichaam maakt gebruik van een chemische verbinding, adenosinetrifosfaat (ATP), om energie op te slaan en vrij te geven. De cel slaat energie op in de synthese (anabolisme) van ATP en verplaatst vervolgens de ATP-moleculen naar de locatie waar energie nodig is om cellulaire activiteiten te voeden. Vervolgens wordt het ATP afgebroken (katabolisme) en komt er een gecontroleerde hoeveelheid energie vrij, die door de cel wordt gebruikt om een ​​bepaalde taak uit te voeren.

Bekijk deze animatie om meer te leren over metabolische processen. Welke organen van het lichaam voeren waarschijnlijk anabole processen uit? Hoe zit het met katabole processen?

Ontvankelijkheid

Ontvankelijkheid is het vermogen van een organisme om zich aan te passen aan veranderingen in zijn interne en externe omgeving. Een voorbeeld van responsiviteit op externe prikkels zou kunnen zijn om naar bronnen van voedsel en water te gaan en weg te gaan van waargenomen gevaren. Veranderingen in de interne omgeving van een organisme, zoals een verhoogde lichaamstemperatuur, kunnen de reacties van zweten en de verwijding van bloedvaten in de huid veroorzaken om de lichaamstemperatuur te verlagen, zoals blijkt uit de hardlopers in [link].

Beweging

Menselijke beweging omvat niet alleen handelingen aan de gewrichten van het lichaam, maar ook de beweging van individuele organen en zelfs individuele cellen. Terwijl je deze woorden leest, bewegen rode en witte bloedcellen door je hele lichaam, spiercellen trekken samen en ontspannen om je houding te behouden en je zicht te concentreren, en klieren scheiden chemicaliën af om lichaamsfuncties te reguleren. Je lichaam coördineert de werking van hele spiergroepen om je in staat te stellen lucht in en uit je longen te verplaatsen, bloed door je lichaam te stuwen en het voedsel dat je hebt gegeten door je spijsverteringskanaal te stuwen. Bewust span je natuurlijk je skeletspieren aan om de botten van je skelet te bewegen om van de ene plaats naar de andere te komen (zoals de lopers doen in [link]), en om alle activiteiten van je dagelijkse leven uit te voeren.

Ontwikkeling, groei en voortplanting

Ontwikkeling zijn alle veranderingen die het lichaam doormaakt in het leven. Ontwikkeling omvat het proces van: differentiatie, waarin niet-gespecialiseerde cellen gespecialiseerd worden in structuur en functie om bepaalde taken in het lichaam uit te voeren. Ontwikkeling omvat ook de processen van groei en herstel, die beide celdifferentiatie inhouden.

Groei is de toename in lichaamsgrootte. Mensen groeien, net als alle meercellige organismen, door het aantal bestaande cellen te vergroten, de hoeveelheid niet-cellulair materiaal rond cellen (zoals minerale afzettingen in bot) te vergroten en, binnen zeer nauwe grenzen, de grootte van bestaande cellen te vergroten.

Reproductie is de vorming van een nieuw organisme uit ouderorganismen. Bij mensen wordt reproductie uitgevoerd door de mannelijke en vrouwelijke voortplantingssystemen. Omdat de dood aan alle complexe organismen zal komen, zonder reproductie, zou de lijn van organismen eindigen.

Hoofdstukoverzicht

De meeste processen die in het menselijk lichaam plaatsvinden, worden niet bewust gecontroleerd. Ze komen continu voor om het leven op te bouwen, te onderhouden en in stand te houden. Deze processen omvatten: organisatie, in termen van het onderhoud van essentiële lichaamsgrenzen metabolisme, inclusief energieoverdracht via anabole en katabole reacties reactievermogen beweging en groei, differentiatie, reproductie en vernieuwing.

Interactieve linkvragen

Bekijk deze animatie om meer te leren over metabolische processen. Wat voor soort katabolisme vindt plaats in het hart?

Beoordelingsvragen

Metabolisme kan worden gedefinieerd als de ________.

  1. aanpassing door een organisme aan externe of interne veranderingen
  2. proces waarbij alle niet-gespecialiseerde cellen gespecialiseerd worden om verschillende functies uit te voeren
  3. proces waarbij nieuwe cellen worden gevormd om versleten cellen te vervangen
  4. som van alle chemische reacties in een organisme

Adenosinetrifosfaat (ATP) is een belangrijk molecuul omdat het ________.

  1. is het resultaat van katabolisme
  2. energie vrijgeven in ongecontroleerde uitbarstingen
  3. slaat energie op voor gebruik door lichaamscellen
  4. Alle bovenstaande

Kankercellen kunnen worden gekarakteriseerd als "generieke" cellen die geen gespecialiseerde lichaamsfunctie vervullen. Dus kankercellen missen ________.

  1. differentiatie
  2. reproductie
  3. ontvankelijkheid
  4. zowel reproductie als reactievermogen

KRITISCHE DENKEN VRAGEN

Leg uit waarom de geur van rook als je bij een kampvuur zit geen alarm activeert, maar de geur van rook in je woonhuis wel.

Als je bij een kampvuur zit, past je reukvermogen zich aan aan de geur van rook. Alleen als die geur plotseling en dramatisch zou intensiveren, zou je het waarschijnlijk opmerken en reageren. Daarentegen zou de geur van zelfs maar een spoortje rook nieuw en hoogst ongebruikelijk zijn in uw woonhuis en als gevaar worden ervaren.

Noem drie verschillende manieren waarop groei in het menselijk lichaam kan plaatsvinden.

Groei kan plaatsvinden door het aantal bestaande cellen te vergroten, de grootte van bestaande cellen te vergroten of de hoeveelheid niet-cellulair materiaal rond cellen te vergroten.

Woordenlijst


De energievoorkeuren van je lichaam

Wanneer het wordt omgezet in energie, levert eiwit 4 calorieën aan energie voor elke gram eiwit die je consumeert. Dit is dezelfde hoeveelheid die je uit koolhydraten haalt, maar vetten leveren 9 calorieën per gram. Alle extra calorieën die je consumeert, worden opgeslagen als vet omdat het zo'n geconcentreerde energiebron is. Als het energie nodig heeft, gebruikt je lichaam eerst glucose uit koolhydraten, dan vetzuren. Zolang je voldoende calorieën uit andere bronnen binnenkrijgt, wordt eiwit niet omgezet in energie.


Hoe gebruiken cellen energie?

Cellen gebruiken energie om te groeien, de stofwisseling te reguleren en zich voort te planten. Deze energie wordt verkregen uit een bron zoals voedselmoleculen of licht van de zon, en door processen als glycolyse, de citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering ontstaat vervolgens een energierijk molecuul. De cel kan dan de energie in het eiwitmolecuul gebruiken om het te helpen functioneren.

De krachtpatser van een dierlijke cel wordt de mitochondriën genoemd. In planten vervullen chloroplasten een vergelijkbare functie. Eukaryote cellen, of cellen die een kern bevatten (die zowel plantaardige als dierlijke cellen omvat), kunnen drie verschillende modi gebruiken om energiemoleculen te creëren uit een energiebron.

Glycolyse, ook bekend als fermentatie, omvat het verdelen van een glucose (suiker) molecuul in twee moleculen van een nieuwe stof genaamd pyruvaat. Er is geen zuurstof nodig voor deze reactie, maar als er wat aanwezig is, kunnen de pyruvaatmoleculen de mitochondriën binnendringen om te worden omgezet in twee acetyl-CoA-moleculen en één koolstofdioxidemolecuul. Dit specifieke energieproces wordt de citroenzuurcyclus genoemd.

Het derde en laatste proces is oxidatieve fosforylering, waarbij een gradiënt van protonen wordt gevormd wanneer elektronen door eiwitcomplexen in het binnenmembraan van de mitochondriën gaan.

Als er een overvloedige energiebron aanwezig is, kunnen cellen ook grotere moleculen maken om later op te slaan, de zogenaamde polysachariden en lipiden (suikers en vetten).


Soorten energieproductie in de menselijke cellen

In dit artikel bespreek ik methoden voor het opwekken van energie in het lichaam die door de verschillende lichaamsweefsels worden gebruikt. Deze methoden omvatten aërobe ademhaling en anaërobe ademhaling naast het genereren van energie in spierweefsel, wat anders is dan de andere methoden voor het genereren van energie in het lichaam.

De energievaluta in het lichaam is het ATP-molecuul, behalve in het spierweefsel waarin creatinefosfaat de energievaluta is. ATP is een energierijk molecuul vanwege het bestaan ​​van fosfoanhydridebindingen in zijn moleculaire structuur. ATP is samengesteld uit één DNA-base, adenosine genaamd, en drie fosfaatgroepen die aan de DNA-base zijn verbonden.

De hydrolyse van het ATP-molecuul om ADP en een fosfaatgroep te genereren, maakt energie vrij die wordt gebruikt of verbruikt in andere biochemische reacties die anders niet zouden plaatsvinden zonder het ATP-molecuul. ATP staat voor adenosinetrifosfaat.

De eerste methode of mechanisme om energie op te wekken en die door de lichaamsweefsels wordt gebruikt, is het proces in de spiercellen dat geheel anders is dan de mechanismen van energieopwekking in alle andere lichaamsweefsels. In plaats van het molecuul ATP als energiebron gebruikt het spierweefsel creatinefosfaatmoleculen.

Creatinefosfaat is ook een energierijk molecuul dat ook energierijke bindingen heeft die bij hydrolyse energie vrijgeven. Het wordt gehydrolyseerd tot een creatinemolecuul en een fosfaation. Bij dit proces komt energie vrij die wordt gebruikt om reacties op te wekken of te voltooien.

Spiercellen produceren normaal gesproken een overmatige hoeveelheid ATP-moleculen die worden gebruikt om creatinefosfaat te genereren. Voor dit doel fosforyleert een enzym dat creatinekinase wordt genoemd, gewoonlijk een creatinemolecuul dat creatinefosfaat vormt. Creatine is een molecuul dat wordt gesynthetiseerd in de verschillende weefsels van het lichaam, zoals de lever en de nier.

Zuurstof is overvloedig aanwezig in spierweefsel dat daar is gebonden aan het eiwit myoglobine. Dit in tegenstelling tot hemoglobine, dat de zuurstofdrager is in de andere weefsels van het lichaam. Creatinemolecuul wordt in het lichaam omgezet in het molecuul creatinine. Dit molecuul heeft klinische betekenis waarin het fungeert als een marker voor de nierfunctie. Een verhoogde hoeveelheid creatinine in het bloed duidt op een nierfunctiestoornis of nierfalen.

In andere weefsels in het lichaam wordt het glucosemolecuul gebruikt als bron om energierijke moleculen te genereren naast het proces van oxidatie van vetzuren dat plaatsvindt in de lever en veel meer energie produceert dan het proces van glucose-oxidatie. Vetzuren worden verkregen uit triglyceriden met behulp van het enzym lipase dat gewoonlijk wordt aangetroffen in de pancreasafscheidingen in de dunne darm.

Glucosemoleculen worden door de verschillende lichaamsweefsels gebruikt om ATP-moleculen te genereren die op hun beurt worden gebruikt om chemische reacties in het lichaam tot voltooiing te brengen, zoals het transport van ionen door het celmembraan. Glucose wordt gebruikt in een proces waarbij geen zuurstof wordt gebruikt of nodig is om door te gaan. Dit proces wordt glycolyse genoemd.

Glycolyse is een algemeen mechanisme dat wordt gebruikt door veel cellen die mitochondriën bezitten. Het eindproduct van het glycolytische proces is het molecuul pyrodruivenzuur. Het netto resultaat van glycolyse is de omzetting van glucose in pyrodruivenzuur met de productie van weinig ATP-moleculen.

Pyruvinezuur kan dan een van de twee processen ondergaan die zuurstof kunnen gebruiken of niet. Het proces waarbij geen zuurstof wordt gebruikt of verbruikt, wordt anaërobe ademhaling genoemd. In dit proces wordt pyrodruivenzuur omgezet in melkzuur, wat metabole acidose veroorzaakt met een verhoogde longademhalingssnelheid. Dit proces is inefficiënt bij het produceren van ATP-moleculen. Dit proces vindt vaak plaats bij zware inspanning.

Glucose komt de spiervezels binnen via een proces dat cotransport wordt genoemd, waarbij het transport is gekoppeld aan de beweging van natriumionen langs de concentratiegradiënt op het celmembraan. Daarnaast kunnen spiervezels glucose verkrijgen door de afbraak van het glycogeenpolymeer.

Anaërobe ademhaling kan slechts voor een korte tijd energie leveren. Bij aërobe ademhaling wordt pyrodruivenzuur verbruikt in een proces waarbij zuurstof wordt gebruikt en dat de krebs-cyclus en oxidatieve fosforylering wordt genoemd. In deze processen worden veel ATP-moleculen geproduceerd dan door het proces van anaërobe ademhaling of door glycolyse.

Met name oxidatieve fosforylering kan de meeste ATP-moleculen genereren in het cellulaire ademhalingsproces. Bij deze processen worden cytochromen gebruikt die Fe-S-clusters bevatten die daarbij kunnen worden geoxideerd en gereduceerd. Zo genereren we energierijke ATP-moleculen.


Eiwitten in het membraan

Actief transport vindt meestal plaats over het celmembraan. Er zijn duizenden eiwitten ingebed in de lipide dubbellaag van de cel. Die eiwitten doen veel van het werk bij actief transport. Ze zijn zo gepositioneerd dat ze het membraan kruisen, zodat een deel zich aan de binnenkant van de cel bevindt en een deel aan de buitenkant. Alleen wanneer ze de dubbellaag passeren, kunnen ze moleculen en ionen in en uit de cel verplaatsen. De membraaneiwitten zijn heel specifiek. Eén eiwit dat glucose verplaatst, zal geen calcium (Ca) -ionen verplaatsen. Er zijn honderden soorten van deze membraaneiwitten in de vele cellen van je lichaam.

Vaak moeten eiwitten werken tegen een concentratiegradiënt. Die term betekent dat ze iets (meestal ionen) uit gebieden met een lagere naar een hogere concentratie pompen. Dit gebeurt veel in neuronen. De membraaneiwitten pompen constant ionen in en uit om het membraan van het neuron klaar te maken om elektrische impulsen uit te zenden.


3.3.3 Vertering en absorptie

Mogelijkheden voor het ontwikkelen van vaardigheden

Tijdens de spijsvertering worden grote biologische moleculen gehydrolyseerd tot kleinere moleculen die door celmembranen kunnen worden geabsorbeerd.

  • koolhydraten door amylasen en membraangebonden disaccharidasen
  • lipiden door lipase, inclusief de werking van galzouten
  • eiwitten door endopeptidasen, exopeptidasen en membraangebonden dipeptidasen.

Mechanismen voor de absorptie van de verteringsproducten door cellen die het ileum van zoogdieren bekleden, waaronder:

  • co-transportmechanismen voor de opname van aminozuren en van monosachariden
  • de rol van micellen bij de absorptie van lipiden.
  • ontwerpen en uitvoeren van onderzoek naar het effect van een pH of galzouten op de reactiesnelheid gekatalyseerd door een spijsverteringsenzym
  • gebruik Visking-buismodellen om de opname van de verteringsproducten te onderzoeken.

Hoeveel energie kost een cel om zijn inhoud te behouden? - Biologie

ATP wordt vaak de energievaluta van de cel genoemd. Honderden reacties in de cel, van metabole transformaties tot signaleringsgebeurtenissen, zijn gekoppeld aan de hydrolyse (letterlijk "waterloslating") van ATP door water. De reactie ATP + H2O <—-> ADP + Pl zet adenosinetrifosfaat (ATP) om in adenosinedifosfaat (ADP) en anorganisch fosfaat (Pl). De verandering in vrije energie die met deze reactie gepaard gaat, drijft een groot deel van de cellulaire reacties aan, waarbij het membraanpotentiaal en het verminderen van vermogen de andere twee dominante energiebronnen zijn. Maar hoeveel is deze energievaluta precies waard en wat onthult het over de chemische transacties die kunnen worden gekocht? Natuurlijk is er geen antwoord op deze vraag, aangezien de hoeveelheid energie die vrijkomt bij deze hydrolysereactie afhangt van de intracellulaire omstandigheden, maar het is mogelijk om een ​​idee te krijgen van de geschatte "waarde" van deze valuta door gebruik te maken van enkele eenvoudige schattingen .

Figuur 1: De relatie van de Gibbs-vrije energie van ATP-hydrolyse onder standaardomstandigheden tot de evenwichtsconstante en de relatie van de vrije energie van hydrolyse onder fysiologische omstandigheden tot de fysiologische reactantenconcentraties.

De Gibbs vrije energieverandering (ΔG) als gevolg van ATP-hydrolyse hangt af van de concentraties van de verschillende deelnemers aan de reactie zoals weergegeven in figuur 1. Wanneer de concentraties verder van hun evenwichtswaarden liggen, is de absolute waarde van ΔG groter. Onder "standaard" omstandigheden (d.w.z. concentraties van 1M voor alle reactanten behalve water dat wordt genomen bij de karakteristieke concentratie van 55M) varieert de Gibbs vrije energie van ATP-hydrolyse van -28 tot -34 kJ/mol (d.w.z. ≈12 kBT, BNID 101989) afhankelijk van de concentratie van het kation Mg2+. De afhankelijkheid van Mg-ionen ontstaat doordat de positief geladen magnesiumionen helpen het ATP-molecuul te stabiliseren. In de cel komen de omstandigheden echter nooit in de buurt van de standaardwaarden voor de toestand. Een concentratie van 1 M ATP zou bijvoorbeeld betekenen dat de massa van de opgeloste stof vergelijkbaar zou zijn met die van het wateroplosmiddel zelf. In figuur 1 laten we de vaak verwarrende afleiding zien van de fysiologische vrije energie (ΔG) gegeven de verhouding van concentraties van de standaardwaarde (ΔG o ). De deling door termen zoals [1M] is vereist om voor eenheden te zorgen, aangezien een logaritme altijd een eenheidsloze term moet bevatten. Het is soms verrassend om te denken dat als de cel in evenwicht was, de waarde van ΔG nul zou zijn geweest en dat er geen energie zou zijn te winnen door ATP-hydrolyse. Gelukkig is dit bij levende organismen nooit het geval. .

Tabel 1: Vrije energie voor ATP-hydrolyse in verschillende organismen en onder verschillende fysiologische omstandigheden. Afgeleide ΔG'-berekeningen op basis van een waarde van ΔG'0 van -37,6 kJ/mol. Dit maakt de tabelwaarden onderling consistent, maar zorgt voor kleine afwijkingen van de ΔG'-waarden die in de primaire bronnen worden gerapporteerd. Dergelijke afwijkingen kunnen het gevolg zijn van variaties in ionsterkte, pH en vooroordelen in meetmethoden. Waarden worden afgerond op een of twee significante cijfers. In spinazie, waar de Pi-concentratie niet werd gerapporteerd, werd een karakteristieke waarde van 10 mM gebruikt (BNID 103984, 103983, 111358, 105540).

In de praktijk hangen de fysiologische omstandigheden af ​​van het organisme dat wordt bestudeerd, het weefsel of compartiment in de cel in kwestie, en van de huidige energiebehoefte voor metabole en andere reacties. For example, in perfused rat liver the ATP to ADP ratio was found to be about 10:1 in the cytosol but 1:10 in the mitochondria under high rates of glycolysis, and under low rates of glycolysis both ratios were much close to 1 (BNID 111357). Therefore a range of values for ΔG is expected. The key to understanding this range is to get a sense of how much Q differs from K, i.e. how the concentrations differ from standard conditions. The typical intracellular concentrations of all the relevant components (ATP, ADP and Pl) are in the mM range, much lower than standard conditions. The ratio [ADP][Pl]/[ATP] with concentrations in the mM range is much lower than one, and the reaction will be energetically more favorable than at standard conditions as shown in Table 1. The highest value ≈-70 kJ/mol (≈30kBT) was calculated from values in the human muscle of athletes recovering following exertion (BNID 101944). In E coli cells growing on glucose, a value of -47 kJ/mol was reported (≈20kBT, BNID 101964). To put these numbers in perspective, a molecular motor that exerts a force of roughly 5 pN (BNID 101832) over a 10 nm (BNID 101857) step size does work of order 50 pN nm, requiring slightly more than 10 kBT of energy, well within the range of what a single ATP can deliver.

The calculations of ΔG require an accurate measurement of the relevant intracellular concentrations. Such concentrations are measured ln vivo in humans by using nuclear magnetic resonance. The natural form of phosphorus ( 31 P) has magnetic properties, so there is no need to add any external substance. The tissue of interest such as muscle is placed in a strong magnetic field and shifts in frequency of radio pulses are used to infer concentration of ATP and Pl directly from the peaks in the NMR spectra. In E coli, the concentrations of ATP can be measured more directly with an ATP bioluminescence assay. A sample of growing bacteria removed from the culture can be assayed using luciferase, a protein from bacteria that live in symbiosis with squids but that has by now joined the toolbox of biologists as a molecular reporter. The luciferase enzyme uses ATP in a reaction that produces light that can be measured using a luminometer, and the ATP concentration can be inferred from the signal strength. So we have cell content as an input, luciferase as a “device” that transforms the amount of ATP into light emission that serves as the measured output. Using tools such as these one finds that in “real life” ATP is worth about twice as much as under “standard” conditions because of the concentrations being more favorable for the forward reaction.

We finish by noting that it is a standing question as to why the adenine nucleotide was singled out to serve as the main energy currency with GTP and the other nucleotides serving much more minor roles. Is it a case of random choice that later became “frozen accident” or was there a selective advantage to ATP over GTP, CTP, UTP and TTP?