바이오에너게틱스

Bioenergetics
이 기사는 에너지 변환의 생물학적 연구에 관한 것이다. 때때로 바이오 에너지 유전학으로 알려진 라이히의 신체 지향적 정신 요법은 바이오 에너지 게틱 분석을 참조한다.

바이오에너제틱스는 생화학 및 세포생물학의 분야로서 생명체계를 통한 에너지 흐름을 우려한다.[1] 이것은 생물체에서 에너지의 변환에 대한 연구와 세포호흡과 같은 수천 가지의 다른 세포 과정과 아데노신 삼인산 같은 형태의 에너지의 생산과 이용으로 이어지는 많은 다른 대사 작용과 효소 작용에 대한 연구를 포함하는 생물학적 연구의 활발한 영역이다.먹인(ATP)[2][3] 즉, 생물 에너지의 목표는 생물학적 작업을 수행하기 위해 생물들이 어떻게 에너지를 획득하고 변화시키는지 설명하는 것이다.[4] 따라서 신진대사의 경로에 대한 연구는 생물에너지학에 필수적이다.

개요

바이오에너제틱스는 생물학적 유기체에서 발견되는 분자의 화학적 결합을 만들고 끊는 데 관여하는 에너지와 관련된 생화학의 부분이다.[5] 그것은 또한 살아있는 유기체의 에너지 관계와 에너지 변환 및 변환에 대한 연구로 정의될 수 있다.[6] 다양한 신진대사 경로에서 에너지를 이용하는 능력은 지구과학을 포함하는 모든 살아있는 유기체의 특성이다. 생장, 발달, 아나볼리즘, 화타볼리즘은 생물학적 유기체 연구의 중심 과정 중 일부인데, 에너지의 역할이 그러한 생물학적 과정에 기초하기 때문이다.[7] 생명은 에너지 변화에 의존한다; 살아있는 조직/세포와 외부 환경 사이의 에너지 교환 때문에 살아있는 유기체가 살아남는다. 자가영양과 같은 일부 유기체는 영양소를 섭취하고 분해할 필요 없이 (광합성을 통해) 햇빛으로부터 에너지를 얻을 수 있다.[8] 이질생물과 같은 다른 유기체들은 글리콜리시스나 구연산 순환과 같은 대사 과정에서 영양소의 화학적 결합을 분해하여 에너지를 유지할 수 있도록 음식으로부터 영양분을 섭취해야 한다. 중요한 것은, 열역학 제1법칙의 직접적인 결과로서, 자기영양(식물)을 먹음으로써, 자기영양과 이성애자들이 보편적인 대사 네트워크에 참여한다는 점이다.[9]

살아있는 유기체에서 화학적 결합은 깨지고 에너지의 교환과 변형의 일부로 만들어진다. 에너지는 약한 결합이 깨지고 더 강한 결합이 만들어질 때(기계적인 작업 등) 일이나 다른 과정(성장의 화학합성 및 아나볼릭 과정 등)에 사용할 수 있다. 더 강한 결합을 생산하면 사용 가능한 에너지를 방출할 수 있다.

아데노신삼인산염(ATP)은 유기체의 주요 "에너지 통화"로, 대사 및 카타볼릭 공정의 목표는 이용 가능한 시작 물질(환경으로부터)에서 ATP를 합성하고, 생물학적 공정에서 이를 활용하여 ATP(Into adenosine diphosphate, ADP)와 무기인산염)을 분해하는 것이다.[4] 셀에서 ATP 대 ADP 농도의 비율은 셀의 "에너지 전하"로 알려져 있다. 셀은 이 에너지 전하를 사용하여 셀 필요 정보를 전달할 수 있다. ADP보다 ATP가 많을 경우 셀은 ATP를 사용하여 작업을 할 수 있지만, ATP보다 ADP가 많을 경우 셀은 산화 인산화를 통해 ATP를 합성해야 한다.[5]

살아있는 유기체는 주로 산화 인산화를 통해 에너지 공급원, 주로2 햇빛이나 O로부터 ATP를 생산한다.[10] ATP의 단자 인산염 결합은 ATP를 아데노신 디포스포산염과 무기인산염으로 가수 분해(물에 의해 분해)할 때 형성된 강한 결합에 비해 상대적으로 약하다. 여기에서 에너지 방출을 초래하는 것은 열역학적으로 유리한 가수분해 자유 에너지; 단자 인산염 그룹과 나머지 ATP 분자 사이의 인산염 결합 자체에는 이 에너지가 포함되어 있지 않다.[11] 유기체의 ATP 비축량은 에너지를 세포에 저장하는 배터리로 사용된다.[12] 그러한 분자 결합 재배열로부터 화학적 에너지의 이용은 모든 생물학적 유기체의 생물학적 과정에 힘을 실어준다.

살아있는 유기체는 유기물과 무기물질로부터 에너지를 얻는다. ATP는 다양한 생화학적 전구체로부터 합성될 수 있다. 예를 들어, 석회암은 질산염과 같은 무기질이나 원소 황, 황산염, 황화수소 같은 형태의 황을 산화시켜 ATP를 생산할 수 있다. 광합성에서는 자가영양체가 빛에너지를 이용하여 ATP를 생성하는 반면, 이성영양체들은 대부분 탄수화물, 지방, 단백질을 포함한 유기화합물을 섭취해야 한다. 유기체가 실제로 얻는 에너지의 양은 음식의 연소에서 방출되는 양보다 적다; 소화, 신진대사, 열생식에 손실이 있다.[13]

유기체가 섭취하는 환경 물질은 일반적으로 산소와 결합하여 에너지를 방출하지만, 일부는 다양한 유기체에 의해 혐기적으로 산화될 수도 있다. 영양소의 분자를 함께 잡고 특히 자유산소의 분자를 함께 잡고 있는 결합은 이산화탄소와 물을 함께 가지고 있는 화학적 결합에 비해 상대적으로 약하다.[14] 이러한 물질의 활용은 영양소가 산소와 반응하기 때문에(물질은 유기체가 실제로 불을 내지 않을 정도로 천천히 산화된다) 느린 연소의 한 형태다. 산화 작용은 더 강한 결합(물 속 탄소와 이산화탄소)이 형성되었기 때문에 에너지를 방출한다. 이 순 에너지는 열로서 진화할 수 있는데, 이는 생존에 필요한 화학 작용을 하기 위해 다른 결합을 깨뜨리는 것과 같은 다른 목적으로 유기체에 의해 사용될 수도 있다.

반응 유형

  • 외기 반응은 에너지를 방출하는 자발적인 화학 반응이다.[4] 열역학적으로 선호되며, ΔG(Gibbs 자유 에너지)의 음수 값에 의해 지수화된다. 반응 과정에서 에너지가 투입될 필요가 있으며, 이 활성화 에너지는 반응 물질을 안정적인 상태에서 매우 정력적으로 불안정한 전환 상태로, 에너지가 더 낮은 보다 안정적인 상태로 구동한다(반응 좌표 참조). 반응 물질은 보통 단순한 제품으로 분해되는 복잡한 분자들이다. 전체 반응은 대개 격동적이다.[15] 반응제의 에너지가 제품의 에너지보다 높기 때문에 에너지 방출(특히 Gibbs 자유 에너지의 방출)은 음(즉, ΔG < 0)이다.
  • 내성반응은 에너지를 소비하는 아나볼릭 화학반응이다.[3] 그것은 외기반응의 반대다. 예를 들어, ΔH > 0은 제품의 에너지가 제공하는 것보다 반응물질의 결합을 깨는데 더 많은 에너지가 필요하다는 것을 의미하기 때문에, 즉 제품이 반응물질보다 더 약한 결합을 가지고 있다는 것이다. 따라서 내전 반응은 열역학적으로 불리하며 일정한 온도에서는 스스로 발생하지 않는다. 게다가, 내성반응은 대개 아나볼릭이다.[16]

반응에서 얻거나 잃는 자유 에너지(ΔG)는 다음과 같이 계산할 수 있다: ΔG = ΔH - ΔS 여기서 ΔG = Gibbs 자유 에너지 변화, ∆H = ΔS, temperatureH = 엔탈피 변화, T = 온도(켈빈 단위), =S = 엔트로피 변화.[17]

주요 바이오 에너지 공정의 예

  • 글리콜리시스(Glycolyisis)는 포도당을 피루베이트로 분해하여 그 과정에서 ATP(당 1개의 포도당 분자당)의 두 개의 분자를 생성하는 과정이다.[18] 세포가 ADP보다 ATP의 농도가 높을 때(즉, 에너지 전하량이 높을 때) 세포는 당분해를 겪을 수 없어 사용 가능한 포도당으로부터 에너지를 방출하여 생물학적 작업을 수행한다. 피루바이트는 당분해의 한 산물로 세포가 필요로 하는 다른 대사 경로(글루코네제네시스 등)로 폐쇄될 수 있다. 또한 글리콜리시스(glycolyis)는 NADH(Nicotinamide adenine dinucleotide)의 형태로 환원 등가물을 생성하는데, 이는 궁극적으로 전자전달체인에 전자를 기증하는 데 사용될 것이다.
  • 글루코네제시스는 글리콜리시스와는 정반대다. 세포의 에너지 전하량이 낮을 때(ADP의 농도가 ATP의 농도보다 높을 때), 세포는 단백질, 아미노산, 지방, 피루바이트 등과 같은 생체분자를 함유한 탄소분자로부터 포도당을 합성해야 한다.[19] 예를 들어, 단백질은 아미노산으로 분해될 수 있고, 이 단순한 탄소 골격은 포도당을 만들고 합성하는데 사용된다.
  • 구연산 순환은 화농산 탈수소효소에서 합성된 아세틸 코엔자임 A가 구연산염을 산출하기 위해 옥살로아세테이트와 먼저 반응하는 세포호흡 과정이다.[20] 나머지 8가지 반응은 탄소를 함유한 다른 대사물을 생성한다. 이들 대사물은 연속적으로 산화되며, 산화의 자유 에너지는 감소된 코엔자임 FADH와2 NADH의 형태로 보존된다.[21] 이 감소된 전자 운반체는 전자 전송 체인으로 전자를 전송할 때 다시 산화될 수 있다.
  • 케토시스(Ketosis)는 (포도당을 사용하는 대신) 세포가 케톤 신체를 에너지를 위해 사용하는 신진대사 과정이다. 세포들은 종종 포도당 수치가 낮을 때, 예를 들어 굶주릴 때 케토스로 변한다.[22]
  • 산화 인산화란 O의2 비교적 약한 이중 결합에 저장된 에너지가 전자 전송 체인에 제어된 방식으로 방출되는 과정을 말한다. NADPH, FADH2, NADH와 같은 등가물을 줄이는 것은 전자 운송 체인 단지에서 일어나는 일련의 리독스 반응에 전자를 기부하는 데 사용될 수 있다.[23][24] 이러한 리독스 반응은 미토콘드리아 막 내에 위치한 효소 복합체에서 일어난다. 이러한 redox 반응은 전자 전송 체인을 "다운" 전자를 전달하는데, 이것은 양성자 동력에 결합된다. 미토콘드리아 매트릭스와 내부 막 공간의 양성자 농도 차이는 ATP 싱타아제를 통한 ATP 합성을 추진하는데 사용된다.
  • 또 다른 주요 바이오에너제틱 과정인 광합성은 태양 에너지가 이산화탄소와 물의 포도당을 합성하는 데 사용되는 신진대사 경로다. 이 반응은 엽록체에서 일어난다. 포도당이 합성된 후에, 식물 세포는 ATP를 생산하기 위해 광인산화를 겪을 수 있다. 인간의 비타민 D 생산은 ATP 생산을 초래하는 광합성의 또 다른 형태다.[23]

코트란스포트

1960년 8월 로버트 K. 크레인 박사는 장내 포도당 흡수를 위한 메커니즘으로 처음으로 글루코오스 코트란스포트를 발견했다.[25] 크레인 코트랜스포트의 발견은 생물학에서 최초로 플럭스 커플링을 제안했으며 20세기 탄수화물 흡수에 관한 가장 중요한 사건이었다.[26][27]

체미오스모테스 이론

바이오 에너지학의 주요 승리 중 하나는 피터 D이다. 미토콘드리아와 같은 세포기관에서 ATP의 생산에서 수용액 안의 양자가 어떻게 기능하는지에 대한 미첼의 체모스모틱 이론.[28] 이 작품은 미첼이 1978년 노벨 화학상을 받았다. 당분해와 같은 ATP의 다른 세포원들을 먼저 이해했지만, 효소 활성을 ATP 생산에 직접 결합하는 그러한 과정은 대부분의 세포에서 유용한 화학적 에너지의 주요 원천은 아니다. 체모스모틱 결합은 미토콘드리아 외에도 엽록체와 몇몇 단세포 유기체에 활용되는 대부분의 세포에서 주요한 에너지 생성 과정이다.

에너지 균형

에너지 거주성은 생활 시스템에서 에너지 균형(식량 소비와 에너지 지출을 통해 얻어진 에너지의 차이)을 원점적으로 제어하는 것이다.[29][30]

참고 항목

참조

  1. ^ 넬슨, 데이비드 L, 콕스, 마이클 M 레닝거: 생화학 원리. 뉴욕: W.H. Freeman and Company, 2013. 6부 24장.
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  8. ^ 넬슨, 데이비드 L, 콕스, 마이클 M 레닝거: 생화학 원리. 뉴욕: W.H. Freeman and Company, 2013. 6부 22장.
  9. ^ 넬슨, 데이비드 L, 콕스, 마이클 M 레닝거: 생화학 원리. 뉴욕: W.H. Freeman and Company, 2013. 6부, 22쪽 506호
  10. ^ a b 슈미트-로르, K.(2020). "산소는 복합 다세포 생명에 동력을 공급하는 고에너지 분자: 전통적인 생물 에너지 에너지에 대한 근본적인 수정"이다. ACS 오메가 5: 2221–2233. doi:10.1021/acsomega.9b03352.
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  16. ^ 넬슨, 데이비드 L, 콕스, 마이클 M 레닝거: 생화학 원리. 뉴욕: W.H. Freeman and Company, 2013. 6부 503쪽.
  17. ^ 넬슨, 데이비드 L, 콕스, 마이클 M 레닝거: 생화학 원리. 뉴욕: W.H. Freeman and Company, 2013. 6부 23장.
  18. ^ 넬슨, 데이비드 L, 콕스, 마이클 M 레닝거: 생화학 원리. 뉴욕: W.H. Freeman and Company, 2013. 6부 544쪽
  19. ^ 넬슨, 데이비드 L, 콕스, 마이클 M 레닝거: 생화학 원리. 뉴욕: W.H. Freeman and Company, 2013. 6부 568쪽.
  20. ^ 넬슨, 데이비드 L, 콕스, 마이클 M 레닝거: 생화학 원리. 뉴욕: W.H. Freeman and Company, 2013. 6부, 633쪽
  21. ^ 넬슨, 데이비드 L, 콕스, 마이클 M 레닝거: 생화학 원리. 뉴욕: W.H. Freeman and Company, 2013. 6부 640쪽.
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  23. ^ a b 넬슨, 데이비드 L, 콕스, 마이클 M 레닝거: 생화학 원리. 뉴욕: W.H. Freeman and Company, 2013. 6부 731쪽
  24. ^ 넬슨, 데이비드 L, 콕스, 마이클 M 레닝거: 생화학 원리. 뉴욕: W.H. Freeman and Company, 2013. 6부 734쪽.
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     transport cross the brush border. This hypothesis was rapidly tested, refined and extended [to] encompass the active transport of a diverse range of molecules and ions into virtually every cell type.
  27. ^ Boyd, C. A. R. (2008). "Facts, fantasies and fun in epithelial physiology". Experimental Physiology. 93 (3): 303–14. doi:10.1113/expphysiol.2007.037523. PMID 18192340. the insight from this time that remains in all current text books is the notion of Robert Crane published originally as an appendix to a symposium paper published in 1960 (Crane et al. 1960). The key point here was 'flux coupling', the cotransport of sodium and glucose in the apical membrane of the small intestinal epithelial cell. Half a century later this idea has turned into one of the most studied of all transporter proteins (SGLT1), the sodium–glucose cotransporter.
  28. ^ Peter Mitchell (1961). "Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism". Nature. 191 (4784): 144–8. Bibcode:1961Natur.191..144M. doi:10.1038/191144a0. PMID 13771349. S2CID 1784050.
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추가 읽기

외부 링크