Биоэнергетика – тірі жүйелердегі энергия алмасуын зерттейтін биология саласы. АТФ, метаболизм, ферменттер, жасуша тынысы сияқты процестерді қарастырады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Биологияның саласы – энергияның түрленуін биологиялық зерттеу. Биоэнергетика – биохимия және жасуша биологиясының тірі жүйелердегі энергия ағынымен айналысатын саласы. Бұл – тірі организмдердегі энергияның түрленуін, сондай-ақ жасушалық тыныс алу және энергияның АТФ (аденозин трифосфаты) сияқты түрлерде өндірілуі мен пайдаланылуына әкелетін көптеген басқа метаболизм және ферменттік процестерді зерттейтін биологиялық зерттеудің белсенді саласы. Яғни, биоэнергетиканың мақсаты – тірі организмдердің биологиялық жұмыс атқару үшін энергияны қалай алуын және түрлендіруін сипаттау. Сондықтан метаболизм жолдарының зерттелуі биоэнергетика үшін маңызды.
Branch of biology
the biological study of energy transformation
Bioenergetics is a field in biochemistry and cell biology that concerns energy flow through living systems. This is an active area of biological research that includes the study of the transformation of energy in living organisms and the study of thousands of different cellular processes such as cellular respiration and the many other metabolic and enzymatic processes that lead to production and utilization of energy in forms such as adenosine triphosphate (ATP) molecules. That is, the goal of bioenergetics is to describe how living organisms acquire and transform energy in order to perform biological work. The study of metabolic pathways is thus essential to bioenergetics.
Шолу
Биоэнергетика – биохимияның биологиялық организмдердегі молекулалардағы химиялық байланыстардың құрылуы мен үзілуіне қатысты энергиямен байланысты бөлігі. Оны сондай-ақ тірі организмдердегі энергия қатынастары мен энергияның түрленуі және трансдукциясы туралы ғылым деп түсіндіруге болады. Әртүрлі метаболизм жолдарынан энергияны пайдалану қабілеті барлық тірі организмдердің қасиеті. Өсу, даму, анаболизм және катаболизм – биологиялық организмдерді зерттеудегі маңызды процестер, себебі энергияның ролі осындай биологиялық процестер үшін өте маңызды. Өмір энергияның өзгеруіне байланысты; тірі организмдер тірі тіндер/жасушалар мен сыртқы орта арасындағы энергия алмасу арқылы тіршілік етеді. Автотрофтар сияқты кейбір организмдер қоректік заттарды тұтынудың және оларды ыдыратудың қажеті жоқ, күн сәулесінен (фотосинтез арқылы) энергия ала алады. Гетеротрофтар сияқты басқа организмдер энергияны сақтау үшін, метаболизм процестері кезінде (мысалы, гликолиз және лимон қышқылы циклы) қоректік заттардағы химиялық байланыстарды бұза отырып, тағамнан қоректік заттарды қабылдауы керек. Термодинамиканың бірінші заңының тікелей салдары ретінде автотрофтар мен гетеротрофтар әмбебап метаболизм желісіне қатысады – автотрофтарды (өсімдіктерді) жеу арқылы гетеротрофтар өсімдіктер фотосинтез кезінде бастапқыда түрлендірген энергияны пайдаланады. Тірі организмде энергия алмасу мен түрлену барысында химиялық байланыстар үзіліп, жаңа байланыстар құрылады. Әлсіз байланыстар үзілгенде және күшті байланыстар құрылғанда энергия жұмыс істеуге (мысалы, механикалық жұмыс) немесе басқа процестерге (мысалы, химиялық синтез және анаболизм) қолдануға болады. Күшті байланыстардың құрылуы пайдалы энергияны босатуға мүмкіндік береді. Аденозин трифосфаты (АТФ) – организмдер үшін негізгі «энергия валютасы»; метаболизм және катаболизм процестерінің мақсаты – қол жетімді бастапқы материалдардан (ортадан) АТФ-ты синтездеу және биологиялық процестерде пайдалану арқылы АТФ-ты (аденозин дифосфаты (АДФ) және бейорганикалық фосфатқа) ыдырату. АТФ-тың организмдегі қоры жасушаларда энергияны сақтау үшін «батарея» ретінде қолданылады. Мұндай молекулалық байланыстардың қайта құрылуынан алынған химиялық энергия барлық тірі организмдердегі биологиялық процестерге күш береді. Тірі организмдер органикалық және бейорганикалық материалдардан энергия алады; яғни АТФ әртүрлі биохимиялық прекурсорлардан синтезделуі мүмкін. Мысалы, литотрофтар нитраттар немесе күкірт түрлері (элементтік күкірт, сульфиттер және күкірт сутегі) сияқты минералдарды тотықтырып, АТФ өндіре алады. Фотосинтезде автотрофтар жарық энергиясын пайдалана отырып АТФ өндіреді, ал гетеротрофтар көбінесе көмірсулар, майлар және белоктарды қоса алғанда, органикалық қосылыстарды тұтынуы керек. Организмнің нақты алатын энергия мөлшері тағамдағыдан кем; ас қорыту, метаболизм және термогенезде энергия жоғалады. Организм қабылдайтын қоршаған орта материалдары әдетте энергияны босату үшін оттегімен біріктіріледі, бірақ кейбір қоректік заттар әртүрлі организмдермен анаэробты түрде тотықтырылуы мүмкін. Бұл материалдарды пайдалану – баяу жану түрі, себебі қоректік заттар оттегімен әрекеттеседі (материалдар отты тудырмайынша баяу тотығады). Тотығу энергияны босатады, ол жылу түрінде пайда болуы мүмкін немесе организм оны басқа мақсаттар үшін, мысалы химиялық байланыстарды бұзу үшін пайдалана алады.
Bioenergetics is the part of biochemistry concerned with the energy involved in making and breaking of chemical bonds in the molecules found in biological organisms. It can also be defined as the study of energy relationships and energy transformations and transductions in living organisms. The ability to harness energy from a variety of metabolic pathways is a property of all living organisms. Growth, development, anabolism and catabolism are some of the central processes in the study of biological organisms, because the role of energy is fundamental to such biological processes. Life is dependent on energy transformations; living organisms survive because of exchange of energy between living tissues/ cells and the outside environment. Some organisms, such as autotrophs, can acquire energy from sunlight (through photosynthesis) without needing to consume nutrients and break them down. Other organisms, like heterotrophs, must intake nutrients from food to be able to sustain energy by breaking down chemical bonds in nutrients during metabolic processes such as glycolysis and the citric acid cycle. Importantly, as a direct consequence of the First Law of Thermodynamics, autotrophs and heterotrophs participate in a universal metabolic network—by eating autotrophs (plants), heterotrophs harness energy that was initially transformed by the plants during photosynthesis. In a living organism, chemical bonds are broken and made as part of the exchange and transformation of energy. Energy is available for work (such as mechanical work) or for other processes (such as chemical synthesis and anabolic processes in growth), when weak bonds are broken and stronger bonds are made. The production of stronger bonds allows release of usable energy. Adenosine triphosphate (ATP) is the main "energy currency" for organisms; the goal of metabolic and catabolic processes are to synthesize ATP from available starting materials (from the environment), and to break down ATP (into adenosine diphosphate (ADP) and inorganic phosphate) by utilizing it in biological processes. An organism's stockpile of ATP is used as a battery to store energy in cells. Utilization of chemical energy from such molecular bond rearrangement powers biological processes in every biological organism. Living organisms obtain energy from organic and inorganic materials; i. e. ATP can be synthesized from a variety of biochemical precursors. For example, lithotrophs can oxidize minerals such as nitrates or forms of sulfur, such as elemental sulfur, sulfites, and hydrogen sulfide to produce ATP. In photosynthesis, autotrophs produce ATP using light energy, whereas heterotrophs must consume organic compounds, mostly including carbohydrates, fats, and proteins. The amount of energy actually obtained by the organism is lower than the amount present in the food; there are losses in digestion, metabolism, and thermogenesis. Environmental materials that an organism intakes are generally combined with oxygen to release energy, although some nutrients can also be oxidized anaerobically by various organisms. The utilization of these materials is a form of slow combustion because the nutrients are reacted with oxygen (the materials are oxidized slowly enough that the organisms do not produce fire). The oxidation releases energy, which may evolve as heat or be used by the organism for other purposes, such as breaking chemical bonds.
Үлкен биоэнергетикалық процестердің мысалдары
Гликолиз – глюкозаны пируватқа бөліну процесі, нәтижесінде екі молекула АТФ (глюкозаның 1 молекуласына) түзіледі. Егер клеткада АТФ концентрациясы АДФ-дан жоғары болса (яғни энергия заряды жоғары болса), онда клетка гликолизге түспейді, ал қолда бар глюкозадан энергияны биологиялық жұмыс істеу үшін пайдаланады. Пируват – гликолиздің бір өнімі, және қажеттілікке қарай басқа метаболизм жолдарына (глюконеогенез және т.б.) жіберуге болады. Сонымен қатар, гликолиз NADH (никотинамид аденин динуклеотид) түріндегі тотығу эквиваленттерін түзеді, олар ақырында электрондық тасымалдау тізбегіне электрондарды беру үшін қолданылады. Глюконеогенез гликолизге кері процесс; егер клетканың энергия заряды төмен болса (АДФ концентрациясы АТФ-дан жоғары болса), онда клетка ақуыздар, аминқышқылдары, майлар, пируват сияқты көміртегі бар биомолекулалардан глюкозаны синтездеуі керек. Мысалы, ақуыздар аминқышқылдарына ыдырайды, ал осы қарапайым көміртек қаңқалары глюкозаны құру/синтездеу үшін қолданылады. Лимон қышқылы циклы – бұл жасушалық тыныс алу процесі, онда пируват дегидрогеназадан синтезделген ацетил коэнзимі А алдымен оксалоацетатпен реакцияласып, цитрат түзеді. Қалған сегіз реакция нәтижесінде басқа көміртегі бар метаболиттер түзіледі. Бұл метаболиттер біртіндеп тотығады, ал тотығудың бос энергиясы FADH2 және NADH коэнзимдері түрінде сақталады. Бұл тотығу эквиваленттерін электрондық тасымалдау тізбегіне электрондарды беру арқылы қайта тотықтыруға болады. Кетоз – бұл метаболизм процесі, онда организмде глюкозаның орнына майдан түзілген кетон денелері негізгі отын көзі ретінде басымдыққа ие болады. Бұл ауытқу көбінесе глюкоза деңгейі төмен болған кезде болады: ұзақ уақыт аш болғанда, қарқынды жаттығулар кезінде немесе кетогендік диета сияқты арнайы диеталар кезінде организм энергия өндірудің тиімді баламасы ретінде кетозды қабылдауы мүмкін. Бұл метаболизмдік бейімделу организмге ми сияқты оған тәуелді органдар үшін құнды глюкозаны сақтауға мүмкіндік береді, ал отын ретінде қолжетімді май қорын пайдаланады. Окистеу фосфорилирлеуі және электрондық тасымалдау тізбегі – бұл NADPH, FADH2 және NADH сияқты тотығу эквиваленттерін электрондық тасымалдау тізбегі кешендерінде жүретін тотығу-тотықсыздану реакцияларының тізбегіне электрондарды беруге пайдалану процесі. Бұл тотығу-тотықсыздану реакциялары митохондриялық мембрананың ішінде орналасқан фермент кешендерінде жүреді. Бұл тотығу-тотықсыздану реакциялары электрондарды протондық градиентке байланысты электрондық тасымалдау тізбегі бойымен "төмен" жылдырады. Митохондриялық матрица мен ішкі мембрана арасындағы протондық концентрацияның бұл айырмашылығы АТФ синтетаза арқылы АТФ синтезін қозғау үшін қолданылады. Фотосинтез – тағы бір маңызды биоэнергетикалық процесс, өсімдіктерде көмірқышқыл газы мен судан глюкозаны синтездеу үшін күн энергиясын пайдаланатын метаболизм жолы. Бұл реакция хлоропласта жүреді. Глюкоза синтезделгеннен кейін өсімдік жасушасы АТФ өндіру үшін фотофосфорилирлеуге түсуі мүмкін. Крейннің котранспортты ашқандығы – биологиядағы ағын байланысының алғашқы ұсынысы және 20-шы ғасырда көмірсутектердің сіңірілуіне қатысты ең маңызды оқиға болды.
Glycolysis is the process of breaking down glucose into pyruvate, producing two molecules of ATP (per 1 molecule of glucose) in the process. When a cell has a higher concentration of ATP than ADP (i. e. has a high energy charge), the cell cannot undergo glycolysis, releasing energy from available glucose to perform biological work. Pyruvate is one product of glycolysis, and can be shuttled into other metabolic pathways (gluconeogenesis, etc.) as needed by the cell. Additionally, glycolysis produces reducing equivalents in the form of NADH (nicotinamide adenine dinucleotide), which will ultimately be used to donate electrons to the electron transport chain. Gluconeogenesis is the opposite of glycolysis; when the cell's energy charge is low (the concentration of ADP is higher than that of ATP), the cell must synthesize glucose from carbon containing biomolecules such as proteins, amino acids, fats, pyruvate, etc. For example, proteins can be broken down into amino acids, and these simpler carbon skeletons are used to build/ synthesize glucose. The citric acid cycle is a process of cellular respiration in which acetyl coenzyme A, synthesized from pyruvate dehydrogenase, is first reacted with oxaloacetate to yield citrate. The remaining eight reactions produce other carbon containing metabolites. These metabolites are successively oxidized, and the free energy of oxidation is conserved in the form of the reduced coenzymes FADH2 and NADH. These reduced electron carriers can then be re oxidized when they transfer electrons to the electron transport chain. Ketosis is a metabolic process where the body prioritizes ketone bodies, produced from fat, as its primary fuel source instead of glucose. This shift often occurs when glucose levels are low: during prolonged fasting, strenuous exercise, or specialized diets like ketogenic plans, the body may also adopt ketosis as an efficient alternative for energy production. This metabolic adaptation allows the body to conserve precious glucose for organs that depend on it, like the brain, while utilizing readily available fat stores for fuel. Oxidative phosphorylation and the electron transport chain is the process where reducing equivalents such as NADPH, FADH2 and NADH can be used to donate electrons to a series of redox reactions that take place in electron transport chain complexes. These redox reactions take place in enzyme complexes situated within the mitochondrial membrane. These redox reactions transfer electrons "down" the electron transport chain, which is coupled to the proton motive force. This difference in proton concentration between the mitochondrial matrix and inner membrane space is used to drive ATP synthesis via ATP synthase. Photosynthesis, another major bioenergetic process, is the metabolic pathway used by plants in which solar energy is used to synthesize glucose from carbon dioxide and water. This reaction takes place in the chloroplast. After glucose is synthesized, the plant cell can undergo photophosphorylation to produce ATP. Crane's discovery of cotransport was the first ever proposal of flux coupling in biology and was the most important event concerning carbohydrate absorption in the 20th century.
Химиосмотиялық теория
Биоэнергетиканың маңызды жетістіктерінің бірі – Питер Д. Митчеллдің сулы ерітіндідегі протонның митохондрия сияқты жасуша органеллаларында АТФ өндірісінде қалай қызмет ететінін түсіндіретін химиосмотикалық теориясы. Осы еңбегі үшін Митчелл 1978 жылы химия бойынша Нобель сыйлығына ие болды. АТФ-тың басқа жасушалық көздері, мысалы гликолиз бұрын анықталған, бірақ ферменттік белсенділікті АТФ өндірісімен тікелей байланыстыратын мұндай процестер көптеген жасушаларда пайдалы химиялық энергияның басты көзі емес. Химиосмотикалық байланыс – көптеген жасушаларда энергия өндірудің негізгі процесі болып табылады және митохондриядан өзге хлоропластарда және бірнеше бір жасушалы организмдерде қолданылады.
One of the major triumphs of bioenergetics is Peter D. Mitchell's chemiosmotic theory of how protons in aqueous solution function in the production of ATP in cell organelles such as mitochondria. This work earned Mitchell the 1978 Nobel Prize for Chemistry. Other cellular sources of ATP such as glycolysis were understood first, but such processes for direct coupling of enzyme activity to ATP production are not the major source of useful chemical energy in most cells. Chemiosmotic coupling is the major energy producing process in most cells, being utilized in chloroplasts and several single celled organisms in addition to mitochondria.
Энергиялық баланс
Энергиялық гомеостаз — тірі жүйелерде тамақпен қабылдау арқылы алынған энергия мен энергия жұмсалу арасындағы айырмашылықты қамтамасыз ететін энергия балансының гомеостаздық реттелуі.
Energy homeostasis is the homeostatic control of energy balance – the difference between energy obtained through food consumption and energy expenditure – in living systems.