Энергетический метаболизм и синтез АТФ
Энергетический метаболизм — это сеть ферментативно-катализируемых реакций, посредством которых клетки извлекают свободную энергию из питательных веществ и преобразуют ее в пригодную для использования химическую форму, главным образом в аденозинтрифосфат (АТФ). Эта область охватывает процессы пошагового окисления глюкозы и других видов топлива — посредством гликолиза, цикла лимонной кислоты и цепи переноса электронов — а также то, как образующийся трансмембранный протонный градиент используется для синтеза АТФ.
Definition
Энергетический метаболизм — это совокупность клеточных процессов, которые захватывают свободную энергию, высвобождаемую при окислении молекул топлива, и запасают ее в высокоэнергетических фосфатных связях, главным образом в виде АТФ, которая затем гидролизуется для обеспечения эндергонической клеточной работы.
Scope
Эта область ориентирует читателя на основные катаболические пути аэробного производства энергии и биоэнергетический принцип, который их объединяет: хемиосмотическое сопряжение переноса электронов с фосфорилированием. Ее темы охватывают гликолиз, цикл лимонной кислоты, окислительное фосфорилирование, общий процесс аэробного дыхания, а также синтез и гидролиз самой АТФ. Это справочное и образовательное изложение биохимии, а не клиническое руководство.
Sub-topics
Core questions
- Как клетки извлекают пригодную для использования свободную энергию из окисления углеводов, жиров и белков?
- Как энергия, высвобождаемая при переносе электронов, сопряжена с синтезом АТФ?
- Почему АТФ является универсальной энергетической валютой, и как ее синтез и гидролиз регулируют метаболизм?
- Чем аэробные и анаэробные пути отличаются по выходу АТФ и использованию кислорода?
Key concepts
- Свободная энергия и высокоэнергетическая фосфатная связь
- АТФ как универсальная энергетическая валюта
- Редокс-коферменты НАД+/НАДН и ФАД/ФАДН2
- Субстратное против окислительного фосфорилирования
- Протон-движущая сила и хемиосмотическое сопряжение
- Аэробный против анаэробного катаболизма
- Метаболическая регуляция и энергетический заряд
Key theories
- Хемиосмотическая теория
- Питер Митчелл предположил, что перенос электронов через дыхательную цепь перекачивает протоны через внутреннюю митохондриальную мембрану, создавая электрохимический протонный градиент (протон-движущую силу), диссипация которого через АТФ-синтазу стимулирует фосфорилирование АДФ до АТФ, сопрягая окисление с фосфорилированием косвенно, а не через химический высокоэнергетический промежуточный продукт.
Mechanisms
Катаболизм глюкозы начинается в цитозоле с гликолиза, который дает пируват, небольшое количество АТФ путем субстратного фосфорилирования и восстановленный НАДН. В аэробных условиях пируват окисляется до ацетил-КоА и поступает в митохондриальный цикл лимонной кислоты, где последовательные окисления передают электроны на НАД+ и ФАД. Восстановленные коферменты доставляют электроны в цепь переноса электронов, комплексы которой перекачивают протоны через внутреннюю митохондриальную мембрану; образующаяся протон-движущая сила затем приводит в действие АТФ-синтазу для фосфорилирования АДФ. Подавляющее большинство АТФ из глюкозы производится этим окислительным фосфорилированием, а не субстратными этапами. АТФ непрерывно регенерируется и гидролизуется, поэтому клеточная работа поддерживается ее быстрым оборотом, а не ее постоянной концентрацией.
Clinical relevance
Дефекты митохондриального производства энергии лежат в основе признанной группы наследственных митохондриальных заболеваний, а измененный энергетический метаболизм является отличительным признаком рака и ишемического повреждения тканей. Понимание этих путей является основополагающим для интерпретации метаболических и митохондриальных заболеваний и является частью биохимического образования; эта статья описывает, как работает энергетический метаболизм, и не является основой для индивидуальной диагностики или лечения.
History
В середине двадцатого века были собраны основные части клеточной энергетики: Отто Варбург и другие охарактеризовали клеточное дыхание и его ферменты, Ганс Кребс разработал цикл лимонной кислоты в 1930-х годах, а гликолитический путь был выяснен благодаря работе, связанной с Эмбденом, Мейерхофом и Парнасом. Объединяющее объяснение появилось с хемиосмотической гипотезой Питера Митчелла 1961 года, которая примирила то, как перенос электронов стимулирует синтез АТФ, и переосмыслила биоэнергетику вокруг мембранных протонных градиентов.
Key figures
- Peter Mitchell
- Hans Krebs
- Otto Warburg
- Albert Lehninger
- Paul Boyer
- John Walker
Related topics
Seminal works
- mitchell-1961
- saraste-1999
Frequently asked questions
- Почему АТФ называют энергетической валютой клетки?
- Поскольку ее гидролиз высвобождает свободную энергию в форме, которую многие ферменты могут сопрягать с иначе неблагоприятными реакциями, и она непрерывно регенерируется из АДФ, АТФ служит общим промежуточным звеном, связывающим энерговыделяющий катаболизм с энергопотребляющей клеточной работой.
- Сколько АТФ дает аэробный метаболизм по сравнению с анаэробным гликолизом?
- Полное аэробное окисление глюкозы дает гораздо больше АТФ, чем один только гликолиз, потому что большая часть АТФ поступает от окислительного фосфорилирования, управляемого цепью переноса электронов, а не от субстратных этапов гликолиза.