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生体エネルギー

生体エネルギー学は、生物系を通るエネルギーの流れに関する生化学と細胞生物学の分野です。これは、生物のエネルギー変換の研究や、細胞呼吸やエネルギーの生産と利用につながる他の多くの代謝および酵素プロセスなど、数千の異なる細胞プロセスの研究を含む生物学研究の活発な分野です。アデノシン三リン酸(ATP)分子などの形態。つまり、生物エネルギー学の目標は、生物がどのようにエネルギーを獲得して変換し、生物学的作業を実行するかを記述することです。したがって、代謝経路の研究は生体エネルギー学に不可欠です。

概要

生物エネルギー学は、生物に見られる分子の化学結合の作成と切断に関与するエネルギーに関係する生化学の一部です。また、生体内のエネルギー関係とエネルギー変換と変換の研究として定義することもできます。さまざまな代謝経路からエネルギーを利用する能力は、地球科学を含むすべての生物の特性です。成長、発達、同化作用、異化作用は、生物の研究における中心的なプロセスの一部です。なぜなら、エネルギーの役割はそのような生物学的プロセスの基本だからです。生命はエネルギー変換に依存しています。生きている組織/細胞と外部環境との間のエネルギー交換により、生物は生き残ります。独立栄養生物などの一部の生物は、栄養素を消費して分解する必要なく、太陽光から(光合成を介して)エネルギーを獲得できます。従属栄養生物などの他の生物は、解糖やクエン酸サイクルなどの代謝プロセス中に栄養素の化学結合を分解することでエネルギーを維持できるように、食物から栄養素を摂取する必要があります。重要なことに、熱力学の第一法則の直接の結果として、独立栄養生物と従属栄養生物は普遍的な代謝ネットワークに参加します。独立栄養生物(植物)を食べることで、従属栄養生物は光合成中に植物によって最初に変換されたエネルギーを利用します。

生体では、エネルギーの交換と変換の一部として化学結合が破壊されます。エネルギーは、弱い結合が破壊され、強い結合が形成される場合、作業(機械的作業など)または他のプロセス(化学合成や成長中の同化プロセスなど)に利用できます。より強い結合の生成により、使用可能なエネルギーの放出が可能になります。

アデノシン三リン酸(ATP)は、生物の主要な「エネルギー通貨」です。代謝および異化プロセスの目標は、利用可能な出発物質(環境から)からATPを合成し、生物学的プロセスで利用してATPを(アデノシン二リン酸(ADP)および無機リン酸に)分解することです。セルでは、ATPのADP濃度に対する比率は、セルの「エネルギーチャージ」として知られています。セルはこのエネルギーチャージを使用して、セルラーのニーズに関する情報を中継できます。利用可能なADPよりもATPが多い場合、セルはATPを使用して機能しますが、利用可能なATPよりもADPが多い場合、セルは酸化的リン酸化を介してATPを合成する必要があります。

生物は、酸化的リン酸化を介してエネルギー源からATPを生成します。 ATPの末端リン酸結合は、ATPがアデノシン二リン酸および無機リン酸に加水分解(水で分解)するときに形成される強力な結合と比較して、比較的弱いです。ここで、エネルギー解放をもたらすのは、加水分解の熱力学的に好ましい自由エネルギーです。末端リン酸基とATP分子の残りの部分との間のホスホ無水物結合には、このエネルギーが含まれていません。生物のATPの備蓄は、細胞にエネルギーを保存するためのバッテリーとして使用されます。そのような分子結合再配列からの化学エネルギーの利用は、すべての生物の生物学的プロセスを促進します。

生物は有機および無機材料からエネルギーを獲得します。すなわち、ATPはさまざまな生化学的前駆体から合成できます。たとえば、リソトローフは、硝酸塩などの鉱物または元素硫黄、亜硫酸塩、硫化水素などの硫黄の形態を酸化して、ATPを生成できます。光合成では、独立栄養生物は光エネルギーを使用してATPを生成しますが、従属栄養生物は主に炭水化物、脂肪、タンパク質などの有機化合物を消費する必要があります。生物によって実際に得られるエネルギーの量は、食物に存在する量よりも少ないです。消化、代謝、熱発生に損失があります。

生物が摂取する環境物質は、一般に酸素と結合してエネルギーを放出しますが、さまざまな生物によって嫌気的に酸化されるものもあります。栄養素の分子を一緒に保持する結合、特に遊離酸素の分子を一緒に保持する結合は、二酸化炭素と水を一緒に保持する化学結合と比較して比較的弱い。これらの材料の利用は、栄養素が酸素と反応するため、ゆっくりした燃焼の形です(材料は生物が実際に火を発生しないように十分に酸化されます)。より強い結合(水と二酸化炭素内の結合)が形成されたため、酸化によりエネルギーが放出されます。この正味のエネルギーは熱として発生する可能性があり、それは、生存に必要な化学を行うために他の結合を壊すなど、他の目的で生物によって使用される可能性があります。

反応の種類

  • エクセルゴニック反応は、エネルギーを放出する自発的な化学反応です。 ΔG(ギブス自由エネルギー)の負の値を指標として、熱力学的に有利です。反応の過程でエネルギーを投入する必要があり、この活性化エネルギーは、反応物を安定状態から非常にエネルギー的に不安定な遷移状態からエネルギーの低いより安定な状態に駆動します(反応座標を参照)。反応物は通常、より単純な生成物に分解される複雑な分子です。反応全体は通常異化です。エネルギーの放出(ギブス自由エネルギーと呼ばれる)は、エネルギーが反応物から生成物に放出されるため、負(すなわち-ΔG)です。
  • エンデルゴニック反応は、エネルギーを消費する同化化学反応です。それはエクセルゴニック反応の反対です。これは、製品のエネルギーよりも反応物の結合を切断するのに多くのエネルギーが必要なため、正のΔGを持ちます。つまり、製品は反応物よりも弱い結合を持ちます。したがって、内分泌反応は熱力学的に好ましくありません。さらに、内分泌反応は通常同化作用です。

反応で得られるまたは失われる自由エネルギー(ΔG)は、次のように計算できます:ΔG=ΔH−TΔSここで、ΔG=ギブスの自由エネルギー、ΔH=エンタルピー、T =温度(ケルビン単位)、およびΔS=エントロピー。

主要な生体エネルギープロセスの例

  • 解糖は、グルコースをピルビン酸に分解するプロセスであり、そのプロセスで2分子のATP(グルコース1分子あたり)を生成します。細胞のADP濃度がADPよりも高い場合(つまり、高エネルギー電荷を持つ場合)、細胞は解糖を受け、利用可能なグルコースからエネルギーを放出して生物学的作業を実行できます。ピルビン酸は解糖の産物の1つであり、細胞の必要に応じて他の代謝経路(糖新生など)に移動できます。さらに、解糖はNADH(ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド)の形で還元等価物を生成し、最終的には電子を電子輸送チェーンに提供するために使用されます。
  • 糖新生は解糖の反対です。細胞のエネルギー電荷が低い場合(ADPの濃度がATPの濃度よりも高い場合)、細胞はタンパク質、アミノ酸、脂肪、ピルビン酸などの炭素含有生体分子からグルコースを合成する必要があります。アミノ酸に至るまで、これらのより単純な炭素骨格はグルコースの構築/合成に使用されます。
  • クエン酸サイクルは、ピルビン酸デヒドロゲナーゼから合成されたアセチル補酵素Aが最初にオキサロ酢酸と反応してクエン酸塩を生成する細胞呼吸のプロセスです。残りの8つの反応は、他の炭素含有代謝物を生成します。これらの代謝産物は連続的に酸化され、酸化の自由エネルギーは還元型補酵素FADH2およびNADHの形で保存されます。これらの還元された電子キャリアは、電子が電子輸送チェーンに移動するときに再酸化されます。
  • ケトーシスは代謝プロセスであり、それによってケトン体が細胞によって(グルコースを使用する代わりに)エネルギーに使用されます。グルコースレベルが低いと、細胞はしばしばエネルギー源としてケトーシスに変わります。たとえば、飢star中。
  • 酸化的リン酸化と電子輸送チェーンは、NADPH、FADH2、NADHなどの還元等価物を使用して、電子輸送チェーン複合体で起こる一連の酸化還元反応に電子を供与するプロセスです。これらの酸化還元反応は、ミトコンドリア膜内にある酵素複合体で起こります。これらのレドックス反応は、プロトン駆動力と結合している電子輸送チェーンの「下へ」電子を転送します。ミトコンドリアマトリックスと内膜空間の間のプロトン濃度のこの違いは、ATPシンターゼを介してATP合成を促進するために使用されます。
  • もう1つの主要な生体エネルギープロセスである光合成は、植物が使用する代謝経路であり、太陽エネルギーを使用して二酸化炭素と水からグルコースを合成します。この反応は葉緑体で起こります。グルコースが合成された後、植物細胞は光リン酸化を受けてATPを生成できます。

共輸送

1960年8月、ロバート・K・クレーンは、腸内グルコース吸収のメカニズムとしてのナトリウム-グルコース共輸送の発見を初めて発表した。 20世紀の炭水化物の吸収。

化学浸透理論

生体エネルギー論の主要な成果の1つは、水溶液中のプロトンがミトコンドリアなどの細胞小器官でのATPの生成においてどのように機能するかについてのピーターD.ミッチェルの化学浸透圧理論です。この研究により、ミッチェルは1978年にノーベル化学賞を受賞しました。解糖などの他の細胞のATP源が最初に理解されたが、酵素活性のATP産生への直接カップリングのためのそのようなプロセスは、ほとんどの細胞で有用な化学エネルギーの主要な源ではない。化学浸透カップリングは、ほとんどの細胞で主要なエネルギー生産プロセスであり、ミトコンドリアに加えて葉緑体およびいくつかの単細胞生物で利用されています。

エネルギー収支

エネルギー恒常性は、生体システムにおけるエネルギーバランスの恒常性制御(食物消費とエネルギー消費によって得られるエネルギーの差)です。