Metabolizm energetyczny

Z metabolizmem energetycznym (w tym metabolizmu podstawowego nazywa) jest to, że część metabolizmu z istot żywych , z ekstrakcji energii stosowanej. Różni się od metabolizmu budowlanego ( anabolizmu ), który służy do budowania składników organizmu i zużywa energię.

Na metabolizm energetyczny składa się metabolizm chemiczny, który w sumie ma charakter egzergiczny , czyli uwalniający energię. Tak więc stosowane są systemy materiałowe, które są w stanie nierównowagi termodynamicznej i kiedy są przekształcane w stan równowagi o niższej energii, bardziej stabilny, z uwolnioną energią. Ten rodzaj wytwarzania energii jest znany jako chemotrofia , a żywe istoty używają go jako „chemotrofia”.

Innym sposobem wytwarzania energii jest fototrofia , w której źródłem energii jest światło . Istoty żywe, które wykorzystują światło jako źródło energii, nazywane są „fototroficznymi”. Większość organizmów fototroficznych może również uzyskać energię chemotroficzną, tj. Poprzez metabolizm energetyczny, na przykład przy braku światła.

Magazynowanie energii i transport nośników energii

Organizmy chemotroficzne wykorzystują energię uwalnianą podczas metabolizmu egzergonicznego. Przechowują je przez krótki czas, wykorzystując je do syntezy substancji bogatych w energię, z których można łatwo ponownie uwolnić energię po odwróceniu syntezy. Fosforany nukleozydów są do tego odpowiednie , ponieważ energia jest uwalniana, gdy ich reszty fosforanowe są odszczepiane, a reszty fosforanowe mogą być z nimi ponownie związane za pomocą energii (więcej szczegółów patrz trifosforan adenozyny ). W przypadku fosforanów nukleozydów energia może być magazynowana, a także transportowana w ten sposób. Najważniejszymi fosforanami nukleozydów magazynującymi energię u istot żywych są tri- i difosforany adenozyny i guanozyny (skróty ATP , ADP , GTP i GDP ).

Syntezę kwasów tłuszczowych można postrzegać jako kolejną metodę magazynowania energii . Polega ona na generowanie malonylo-koenzymu A przez utleniającą dekarboksylację w pirogronianu w glikolizie , poprzez podział aminokwasów lub przez beta-utleniania kwasów tłuszczowych.

Ilość energii

Energia uwalniana podczas konwersji substancji to zmiana energii swobodnej spowodowana konwersją , czyli różnica między zawartością energii substancji przekształconych (eduktów) i substancji z nich utworzonych (produktów). Zależy to od przeliczonej ilości, zawartości energii i stężenia substancji biorących udział w konwersji (reagentów), temperatury i ciśnienia. Zawartość energii w substancjach definiuje się jako energię potrzebną do wytworzenia tych substancji z pierwiastków chemicznych . Te wartości energetyczne są wymienione w tabelach.

Często stężenie reagentów nie jest znane i zmienia się w trakcie reakcji. W takich przypadkach zmiany energii swobodnej nie można obliczyć lub można ją obliczyć z trudem. Wskazówkę dotyczącą energii uwalnianej podczas konwersji substancji można uzyskać, obliczając zmianę energii swobodnej w warunkach standardowych ( oznaczoną jako ΔG ₀ ). Uzgodniono następujące standardowe warunki: temperatura 25 ° C, ciśnienie 1,013 bara, stężenie substancji biorących udział w reakcji (reagenty) 1 mol / l z wyjątkiem wody, dla której 55,6 mol / l (czysta woda) ma uzgodniono, a dla gazów, dla których stężenie w stanie równowagi przy ciśnieniu parcjalnym 1 bara w fazie gazowej zostało uzgodnione. Jednak w układach biologicznych to nie stężenie 1 mol / l, które generalnie nie jest tolerowane przez istoty żywe, jest  ustalane dla stężenia jonów H ⁺ , ale ^10-7 mol / l, odpowiadające pH 7, a wartość zmiany w energii swobodnej w tych warunkach jest oznaczona jako ΔG ₀ '.

Jeśli rzeczywiste warunki odbiegają od tych standardowych, wielkość zmiany darmowej energii jest również inna; może znacznie odbiegać od wartości standardowej. W systemach żywych zwykle nie podaje się standardowych warunków i często zmieniają się one podczas konwersji substancji. Wielkość zmiany darmowej energii w standardowych warunkach stanowi zatem jedynie wskazówkę dotyczącą energii uwolnionej podczas przemiany chemicznej u istot żywych.

Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki , część energii jest zamieniana na ciepło we wszystkich konwersjach energii . W związku z tym tylko część energii uwalnianej podczas metabolizmu energii może być wykorzystana przez żywe istoty do celów innych niż wytwarzanie ciepła .

Rodzaje metabolizmu energetycznego

Rozróżnia się metabolizm energii fermentacyjnej i oksydacyjnej.

Beztlenowy metabolizm energetyczny , zwany również fermentacją (w języku angielskim fermentacją ), o którym mowa, opuszcza ogólną reakcję, nie widać żadnych reakcji redoks . Przykłady fermentacji metabolizmu energetycznego:

• Fermentacja kwasu mlekowego to konwersja cukru mlecznego (laktozy) do kwasu mlekowego w bakteriach kwasu mlekowego :

C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ + H ₂ O → 4 C ₃ H ₅ O ₃ ^- + 4 H ⁺

ΔG ₀ '= - 478 kJ na mol laktozy

W metabolizm energii oksydacyjnej ( fosforylacja oksydacyjna , oddychanie komórkowe ), reakcje redoks można również rozpoznać w obrocie brutto, na podstawie zużycia środka utleniającego i reduktora . Przykłady metabolizmu energii oksydacyjnej:

• Konwersja cukru gronowego (glukozy) (= środek redukujący) z tlenem cząsteczkowym (O ₂ ) (= utleniaczem) do dwutlenku węgla (CO ₂ ) i wody (H ₂ O) u zwierząt , ludzi , wielu bakterii , także u roślin:

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6 O ₂ → 6 CO ₂ + 6 H ₂ O

ΔG ₀ '= - 2822 kJ na mol glukozy

• Konwersja dwutlenku węgla (CO ₂ ) (= utleniacz) i wodoru cząsteczkowego (H ₂ ) (= reduktor) do metanu (CH ₄ ) i wody (H ₂ O) w metanogennych archeonach:

CO ₂ + 4 H ₂ → CH ₄ + 2 H ₂ O

ΔG ₀ '= - 139 kJ na mol dwutlenku węgla

• Konwersja siarczanu (SO ₄ ²⁻ ) (= utleniacz) i wodoru cząsteczkowego (H ₂ ) (= reduktora) do siarkowodoru (H ₂ S) i wody (H ₂ O) w bakteriach redukujących siarczany ( odsiarczanie ):

SO ₄ ²⁻ + 4 H ₂ → HS ^- + 3 H ₂ O + OH ^-

ΔG ₀ '= - 112 kJ na mol siarczanu

• Konwersja azotanu (NO ₃ ^- ) (= środek utleniający) do azotu (N ₂ ) i wody (H ₂ O) w bakteriach denitryfikacyjnych ( denitryfikacja ):

2NO ₃ ^- + 12 H ⁺ + 10 e ^- → N ₂ + 6 H ₂ O

Pomiar metabolizmu energetycznego

Istnieją różne sposoby mierzenia obrotu energii:

• W spoczynku organizm nie wykonuje żadnej zewnętrznej pracy, jeśli pominie się praktycznie niemierzalną ilość przyspieszenia oddechu u zwierząt aktywnie oddychających powietrzem. Wszystkie przemiany energii zachodzące w organizmie, na przykład praca serca i mięśni oddechowych u wyższych zwierząt, są zamieniane na ciepło. W stanie równowagi, tj. H. w tym przypadku przy stałej temperaturze cała przetworzona energia jest oddawana w postaci ciepła. Konwersję energii można zatem mierzyć jako ilość oddanego ciepła / jednostkę czasu ( kalorymetria „bezpośrednia” ).
• Energia przekształcana w organizmy heterotroficzne utleniające się za pomocą O ₂ pochodzi w pewnych okolicznościach tylko z utleniania substancji wysokoenergetycznych. W przypadku określonej substancji istnieje zależność stechiometryczna między ilością spożytej substancji, ilością pobranego O ₂ , ilością _wydzielonego CO ₂ i uwolnioną energią. Ilość _pobranego O ₂ i ilość _wydzielanego CO ₂ można łatwo zmierzyć. Jeśli znane są substancje utlenione i ich udział w całkowitym obrocie, energia uwolniona w tym samym czasie może być obliczona na podstawie ilości gazu pochłoniętego i uwolnionego ( kalorymetria „pośrednia” ).
• Energia przetwarzana w organizmie pochodzi ze składników odżywczych dostarczanych wraz z pożywieniem. W stanie równowagi organizmu ilość przetworzonej energii musi być równa różnicy między zawartością energetyczną spożytego pożywienia a wartością energetyczną wydalin i dlatego może być fizycznie określona w kalorymetrze .

literatura

• Albert L. Lehninger, David L. Nelson, Michael M. Cox: Zasady biochemii. Wydanie 2. Wydawnictwo Spectrum Academic, Heidelberg / Berlin / Oxford 1998, ISBN 3-8274-0325-1 .
• Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer: Biochemistry. Szósta edycja. Elsevier Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg 2007, ISBN 978-3-8274-1800-5 .
• Rudolf K. Thauer, Kurt Jungermann, Karl Decker: Oszczędzanie energii w chemotroficznych bakteriach beztlenowych. W: Bacteriological Reviews. Tom 41, nr 1, 1977, str. 100-180.

Indywidualne dowody

1. ↑ na przykład tabela autorstwa Thauera, Jungermanna i Deckera, 1977.
2. ↑ W. Keidel (red.): Krótki podręcznik fizjologii. Thieme Verlag, Stuttgart 1975, 7-2.