Enerji metabolizması
| Ebeveyn |
| Ast |
|
İnorganik maddelerden enerji üretimi: Organik malzemelerden enerji üretimi: |
| Gen ontolojisi |
|---|
| QuickGO |
İle enerji metabolizmasının dahil ( bazal metabolizma olarak da adlandırılır) bir kısmıdır metabolizma ait canlıların ekstraksiyonu, enerji kullanılır. Vücut bileşenlerini oluşturmak için kullanılan ve enerji tüketen bina metabolizmasından ( anabolizma ) farklıdır .
Enerji metabolizması, toplamda ekzergonik yani enerji açığa çıkaran kimyasal metabolizmadan oluşur . Böylece termodinamik dengesizlik içinde olan ve enerji açığa çıkarak daha düşük enerjili, daha kararlı bir denge durumuna dönüştürüldüklerinde maddi sistemler kullanılır . Bu tür enerji üretimi, kemotrofi olarak bilinir ve canlılar onu "kemotrofi" olarak çalıştırır.
Enerji üretimi için bir başka yöntemdir fototrofi ki burada, ışık kullanılan bir enerji kaynağı olarak. Işığı enerji kaynağı olarak kullanan canlılara "fototrofik" denir. Fototrofik organizmaların çoğu kemotrofik enerji de kazanabilir, yani bir enerji metabolizması yoluyla, örneğin ışık eksikliği olduğunda.
Enerjinin depolanması ve enerji taşıyıcılarının taşınması
Kemotrofik organizmalar , ekzergonik metabolizma sırasında açığa çıkan enerjiyi kullanır. Enerjiden zengin maddeleri sentezlemek için kullanarak onları kısa bir süre depolarlar, sentez tersine çevrildiğinde enerjinin kolayca tekrar serbest bırakılabileceği. Nükleosit fosfatlar bunun için uygundur , çünkü fosfat kalıntıları ayrıldığında enerji açığa çıkar ve fosfat kalıntıları enerji kullanımıyla bunlara yeniden bağlanabilir (daha fazla ayrıntı için adenozin trifosfata bakın ). Nükleosit fosfatlar ile enerji bu şekilde depolanabilir ve taşınabilir. Canlılarda enerji depolayan en önemli nükleosit fosfatlar, adenozin ve guanozinin tri- ve difosfatlarıdır ( ATP , ADP , GTP ve GDP kısaltmaları ).
Yağ asidi sentezi , başka bir enerji depolama yöntemi olarak görülebilir. Üreterek bu işleri malonil koenzim A oksidatif yoluyla dekarboksilasyon ait piruvat içinde glikoliz amino asitler ya da geçiş bölünmesi yoluyla, β-oksidasyon yağ asitleri.
Enerji miktarı
Maddelerin dönüşümü sırasında açığa çıkan enerji, dönüşümün neden olduğu serbest enerjideki değişikliktir , yani dönüştürülen maddelerin (eğiticiler) enerji içeriği ile bunlardan oluşan maddelerin (ürünler) arasındaki farktır. Bu, dönüştürülen miktara, enerji içeriğine ve dönüşüme dahil olan maddelerin konsantrasyonuna (reaktanlar), sıcaklığa ve basınca bağlıdır. Maddelerin enerji içeriği, bu maddeleri kimyasal elementlerden oluşturmak için gereken enerji olarak tanımlanır . Bu enerji içerikleri tablolarda listelenmiştir.
Çoğunlukla reaktanların konsantrasyonu bilinmez ve reaksiyon sırasında değişir. Bu durumlarda, serbest enerjideki değişim hesaplanamaz veya sadece zorlukla hesaplanabilir. Bir maddenin dönüşümü sırasında açığa çıkan enerji için bir ipucu, standart koşullar altında (ΔG 0 ile gösterilir) serbest enerjideki değişim hesaplanarak elde edilebilir . Aşağıdaki standart koşullar üzerinde anlaşmaya varıldı: sıcaklık 25 ° C, basınç 1.013 bar, reaksiyonda yer alan maddelerin konsantrasyonu (reaktanlar) 55.6 mol / l (saf su) içeren su haricinde 1 mol / l üzerinde anlaşmaya varılmış ve gaz fazında 1 bar kısmi basınç ile çözelti dengesinde bir konsantrasyonda mutabık kalınan gazlar için . Bununla birlikte, biyolojik sistemlerde, H + iyon konsantrasyonu için kararlaştırılan , genellikle canlılar tarafından tolere edilmeyen 1 mol / l'lik konsantrasyon değil , pH 7'ye karşılık gelen 10 −7 mol / l'dir. ve bu koşullar altında serbest enerjideki değişimin değeri ' G 0 ' olarak belirlenmiştir.
Gerçek koşullar bu standart koşullardan saparsa, serbest enerjideki değişim miktarı da farklıdır; standart değerden önemli ölçüde sapabilir. Canlı sistemlerde, standart koşullar genellikle verilmez ve çoğu zaman maddelerin dönüşümü sırasında değişir. Bu nedenle, standart koşullar altında serbest enerjideki değişim miktarı, yalnızca canlılarda kimyasal dönüşüm sırasında açığa çıkan enerjinin bir göstergesini sağlar.
Termodinamiğin ikinci yasasına göre , tüm enerji dönüşümlerinde enerjinin bir kısmı ısıya dönüştürülür . Buna göre enerji metabolizması sırasında açığa çıkan enerjinin sadece bir kısmı canlılar tarafından ısı üretimi dışındaki amaçlarla kullanılabilir .
Enerji metabolizması türleri
Fermentatif ve oksidatif enerji metabolizması arasında bir ayrım yapılır.
Anaerobik enerji metabolizması , aynı zamanda fermantasyon olarak da adlandırılır (İngilizce fermantasyonunda ), büyük reaksiyon bırakır, hiçbir redoks reaksiyonu görülmez. Fermente edici enerji metabolizması örnekleri:
- Laktik asit fermantasyonu dönüşümüdür süt şekeri için (laktoz) , laktik asit içinde laktik asit bakterileri :
- C 12 H 22 O 11 + H 2 O → 4 C 3 H 5 O 3 - + 4 H +
- ΔG 0 '= - laktoz molü başına 478 kJ
Şurada: Oksidatif enerji metabolizması ( oksidatif fosforilasyon , hücresel solunum ), redoks reaksiyonları, bir oksitleyici ajan ve bir indirgeme ajanının tüketimine bağlı olarak brüt ciroda da tanınabilir . Oksidatif enerji metabolizması örnekleri:
- Üzüm şekerinin (glukoz) (= indirgeyici ajan) moleküler oksijenle (O 2 ) (= oksitleyici ajan) karbondioksite (CO 2 ) ve suya (H 2 O) dönüşümü hayvanlarda , insanlarda , birçok bakteride ve ayrıca bitkilerde:
- C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O
- ΔG 0 '= - glukoz molü başına 2822 kJ
- Karbon dioksit dönüştürülmesi (CO 2 ) (= oksitleme maddesi) ve moleküler hidrojen (H 2 ) (= indirgeyici madde) için metan (CH 4 ) ve su (H 2 O) içinde metan arkeler:
- CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O
- ΔG 0 '= - mol karbondioksit başına 139 kJ
- Dönüştürülmesi sülfat (SO 4 2- ) (= oksitleme maddesi) ve moleküler hidrojen (H 2 'ye) (= indirgeyici madde) hidrojen sülfid (H 2 S) ve su (H 2 O) sülfat indirgen bakteriler ( desulfurication ):
- SO 4 2− + 4 H 2 → HS - + 3 H 2 O + OH -
- ΔG 0 '= - sülfat molü başına 112 kJ
- Dönüştürülmesi nitrat (NO 3 - ) 'den (= oksitleme maddesi) , nitrojen (N 2 ) ve su (H 2 O) bakterilere (denitrifikasyon olarak denitrifikasyon ):
- 2NA 3 - + 12 H + + 10 e - → N 2 + 6 H 2 O
Enerji metabolizmasının ölçülmesi
Enerji devrini ölçmenin farklı yolları vardır:
- Dinlenme anında, aktif olarak hava soluyan hayvanlarda nefesin hızlanması için pratik olarak ölçülemeyen miktar göz ardı edilirse, organizma herhangi bir dış iş yapmaz. Organizmada meydana gelen tüm enerji dönüşümleri, örneğin daha yüksek hayvanlarda kalp ve solunum kaslarının çalışması, ısıya dönüştürülür. Dengede, yani H. bu durumda sabit sıcaklıkta, dönüştürülen enerjinin tamamı ısı olarak verilir. Bu nedenle enerji dönüşümü, verilen ısı miktarı / zaman birimi ("doğrudan" kalorimetre ) olarak ölçülebilir .
- O 2 ile oksitlenen heterotrofik organizmalarda dönüştürülen enerji , belirli koşullar altında yalnızca yüksek enerjili maddelerin oksidasyonundan gelir. Belirli bir madde için tüketilen madde miktarı, alınan O 2 miktarı, verilen CO 2 miktarı ve salınan enerji arasında stokiyometrik bir ilişki vardır . Alınan O 2 miktarı ve verilen CO 2 miktarı kolaylıkla ölçülebilir. Oksitlenmiş maddeler ve toplam ciroya katkıları biliniyorsa, aynı anda salınan enerji emilen ve salınan gaz miktarlarından hesaplanabilir ("dolaylı" kalorimetre ).
- Organizmada dönüştürülen enerji, gıda ile sağlanan besinlerden gelir. Vücudun dengesinde, dönüştürülen enerji miktarı, tüketilen gıdanın enerji içeriği ile dışkıların enerji içeriği arasındaki farka eşit olmalıdır ve bu nedenle kalorimetrede fiziksel olarak belirlenebilir .
Edebiyat
- Albert L. Lehninger, David L. Nelson, Michael M. Cox: Biyokimyanın İlkeleri. 2. Baskı. Spectrum Academic Publishing House, Heidelberg / Berlin / Oxford 1998, ISBN 3-8274-0325-1 .
- Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer: Biyokimya. 6. baskı. Elsevier Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg 2007, ISBN 978-3-8274-1800-5 .
- Rudolf K. Thauer, Kurt Jungermann, Karl Decker: Kemotrofik anaerobik bakterilerde enerji tasarrufu. In: Bakteriyolojik yorumlar. Cilt 41, No. 1, 1977, s. 100-180.