Chuyển hóa năng lượng và tổng hợp ATP

Chuyển hóa năng lượng là mạng lưới các phản ứng được xúc tác bởi enzyme mà qua đó các tế bào chiết xuất năng lượng tự do từ chất dinh dưỡng và chuyển đổi nó thành một dạng năng lượng hóa học có thể sử dụng được, chủ yếu là adenosine triphosphate (ATP). Lĩnh vực này bao gồm cách glucose và các nhiên liệu khác được oxy hóa từng bước — thông qua đường phân, chu trình axit citric và chuỗi vận chuyển điện tử — và cách gradient proton xuyên màng tạo ra được sử dụng để tổng hợp ATP.

Definition

Chuyển hóa năng lượng là tập hợp các quá trình tế bào thu nhận năng lượng tự do giải phóng bởi quá trình oxy hóa các phân tử nhiên liệu và lưu trữ nó trong các liên kết phosphate năng lượng cao, chủ yếu dưới dạng ATP, sau đó được thủy phân để thúc đẩy các công việc tế bào thu năng.

Scope

Lĩnh vực này định hướng người đọc đến các con đường dị hóa cốt lõi của sản xuất năng lượng hiếu khí và nguyên lý năng lượng sinh học liên kết chúng với nhau: sự ghép nối hóa thẩm thấu của quá trình chuyển điện tử với quá trình phosphoryl hóa. Các chủ đề của nó đề cập đến đường phân, chu trình axit citric, phosphoryl hóa oxy hóa, quá trình hô hấp hiếu khí tổng thể, và sự tổng hợp và thủy phân của chính ATP. Đây là một tài liệu tham khảo và khung giáo dục về hóa sinh, không phải hướng dẫn lâm sàng.

Sub-topics

• Hô hấp hiếu khí
• Tổng hợp và Thủy phân ATP
• Chu trình Axit Citric (Chu trình Krebs)
• Đường phân
• Phosophoryl hóa oxy hóa

Core questions

• Các tế bào chiết xuất năng lượng tự do có thể sử dụng được từ quá trình oxy hóa carbohydrate, chất béo và protein như thế nào?
• Năng lượng giải phóng bởi quá trình chuyển điện tử được ghép nối với quá trình tổng hợp ATP như thế nào?
• Tại sao ATP là đồng tiền năng lượng phổ quát, và sự tổng hợp và thủy phân của nó điều hòa quá trình chuyển hóa như thế nào?
• Các con đường hiếu khí và kỵ khí khác nhau như thế nào về lượng ATP tạo ra và việc sử dụng oxy của chúng?

Key concepts

• Năng lượng tự do và liên kết phosphate năng lượng cao
• ATP là đồng tiền năng lượng phổ quát
• Các coenzyme oxy hóa khử NAD+/NADH và FAD/FADH2
• Phosphoryl hóa mức cơ chất so với phosphoryl hóa oxy hóa
• Lực động proton và ghép nối hóa thẩm thấu
• Dị hóa hiếu khí so với kỵ khí
• Điều hòa chuyển hóa và điện tích năng lượng

Key theories

Lý thuyết hóa thẩm thấu

Peter Mitchell đề xuất rằng quá trình chuyển điện tử qua chuỗi hô hấp bơm proton qua màng trong ty thể, tạo ra một gradient proton điện hóa (lực động proton) mà sự tiêu tán của nó thông qua ATP synthase thúc đẩy quá trình phosphoryl hóa ADP thành ATP, ghép nối quá trình oxy hóa với quá trình phosphoryl hóa một cách gián tiếp chứ không phải thông qua một chất trung gian năng lượng cao hóa học.

Mechanisms

Quá trình dị hóa glucose bắt đầu trong bào tương với đường phân, tạo ra pyruvate, một lượng nhỏ ATP ròng bằng phosphoryl hóa mức cơ chất, và NADH khử. Trong điều kiện hiếu khí, pyruvate được oxy hóa thành acetyl-CoA và đi vào chu trình axit citric của ty thể, nơi các quá trình oxy hóa liên tiếp chuyển điện tử đến NAD+ và FAD. Các coenzyme khử này cung cấp điện tử cho chuỗi vận chuyển điện tử, các phức hợp của chuỗi này bơm proton qua màng trong ty thể; lực động proton tạo ra sau đó thúc đẩy ATP synthase phosphoryl hóa ADP. Phần lớn ATP từ glucose được tạo ra bởi quá trình phosphoryl hóa oxy hóa này chứ không phải bởi các bước mức cơ chất. ATP liên tục được tái tạo và thủy phân, do đó, sự luân chuyển nhanh chóng của nó, chứ không phải nồng độ hiện có của nó, duy trì công việc của tế bào.

Clinical relevance

Các khiếm khuyết trong sản xuất năng lượng ty thể là nguyên nhân cơ bản của một nhóm các rối loạn ty thể di truyền được công nhận, và sự thay đổi chuyển hóa năng lượng là một dấu hiệu đặc trưng của ung thư và tổn thương mô do thiếu máu cục bộ. Hiểu biết về các con đường này là nền tảng để giải thích bệnh chuyển hóa và bệnh ty thể và là một phần của giáo dục hóa sinh; mục này mô tả cách chuyển hóa năng lượng hoạt động và không phải là cơ sở để chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

History

Giữa thế kỷ XX chứng kiến các phần chính của năng lượng tế bào được tập hợp: Otto Warburg và những người khác đã mô tả hô hấp tế bào và các enzyme của nó, Hans Krebs đã tìm ra chu trình axit citric vào những năm 1930, và con đường đường phân được làm sáng tỏ thông qua công trình liên quan đến Embden, Meyerhof và Parnas. Giải thích thống nhất đến với giả thuyết hóa thẩm thấu của Peter Mitchell năm 1961, giả thuyết này đã dung hòa cách chuyển điện tử thúc đẩy tổng hợp ATP và định hình lại năng lượng sinh học xung quanh các gradient proton màng.

Key figures

• Peter Mitchell
• Hans Krebs
• Otto Warburg
• Albert Lehninger
• Paul Boyer
• John Walker

Seminal works

• mitchell-1961
• saraste-1999

Frequently asked questions

Tại sao ATP được gọi là đồng tiền năng lượng của tế bào?

Bởi vì quá trình thủy phân của nó giải phóng năng lượng tự do dưới dạng mà nhiều enzyme có thể ghép nối với các phản ứng không thuận lợi khác, và nó liên tục được tái tạo từ ADP, ATP đóng vai trò là một chất trung gian chung liên kết quá trình dị hóa tạo năng lượng với công việc tế bào cần năng lượng.

Quá trình chuyển hóa hiếu khí tạo ra bao nhiêu ATP so với đường phân kỵ khí?

Quá trình oxy hóa glucose hiếu khí hoàn toàn tạo ra nhiều ATP hơn nhiều so với chỉ đường phân, bởi vì hầu hết ATP đến từ quá trình phosphoryl hóa oxy hóa được thúc đẩy bởi chuỗi vận chuyển điện tử chứ không phải từ các bước mức cơ chất của đường phân.