מֵידָע

כיצד, ברמה הפיזית, ATP מעניק אנרגיה?

כיצד, ברמה הפיזית, ATP מעניק אנרגיה?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

כאשר ATP משמש כמטבע האנרגיה כדי לגרום, נגיד, תגובה X + Y → Z לקרות, זה מה שקורה ברמה הפיזית למטה בסולם המולקולרי שבמהלך התגובה


ATP + H2O → ADP + Pאני ΔG˚ = −30.5 קילו-ג'יי/מול (-7.3 קק"ל/מול)


ש-30.5 קילו ג'ל/מול מוענקים על ידי מולקולות ATP שמתנגשות פיזית סביב המגיבים X ו-Y, האנרגיה הקינטית של התגובה לעיל היא מה היא עושה?

כלומר, האם מטבע האנרגיה של ATP ניתנת לתגובות על ידי התנגשויות מולקולריות, או שמא מדובר באפקט שדה חשמלי בגיאומטריה המרחבית באופן שבו מולקולת ה-ATP נוטה להתפרק?


בדרך כלל בביולוגיה (ובהיותו ATP, סביר להניח שזו ביולוגיה), זה אחד משני דברים.

הגמא-פוספט (השלישי, הרחוק ביותר מהאדנוזין) הוא מאוד לא יציב, כלומר קל לשבור את הקשר הפוספואנהידריד. התא "מאפשר" לו להישבר, אך רק במחיר העברת הפוספט למולקולה אחרת, כגון סרין או גליצרול או פרוקטוז או כל דבר אחר. זרחון זה יוצר קשר עם אנרגיה נמוכה מזו של הפוספואנהידריד, ולכן הוא מועדף באופן כללי. תארו לעצמכם את ההתגלמות: הגאמא פוספט שונא להיות מחובר לכל דבר, אבל הכי שונא להיות מחובר ל- ADP.

לחלופין, אם הידרוליזה של ATP מצומדת באמצעות אנזים, זה בדרך כלל מתבצע באמצעות אחסון חולף של האנרגיה היא קונפורמציה של חלבון. אנזים קושר ATP, מה שגורם למבנה החלבון "להתכופף" או להתאקלם סביב ה- ATP. זה מפעיל עומס של עומס (אנרגיה = A) על החלבון אשר מתקזז על ידי התייצבות של קשירת ה-ATP (אנרגיה = B). זן זה יכול לגרום למשטח אנזימטי להיפתח על החלבון שבעצמו לוקח הרבה אנרגיה לייצר אותו (אנרגיה = C). המשטח יכול לזרז תגובה כלשהי (X+Y-> Z בדוגמה שלך) שעולה קצת אנרגיה (אנרגיה = D). השלמת התגובה הזו משנה את האתר הקטליטי של האנזים למשהו חדש וגבוה יותר (אנרגיה = E), אשר ניתן להקל על ידי ביקוע של ה-ATP (-7.3 קק"ל/מול). למרבה הצער, ADP ו-P אינם מתאימים היטב לאתר זה של האנזים, ולכן הם צפים החוצה, ומשיבים את פני השטח המקוריים של קושר ATP למצבו המקורי. בתנאי A>B>C>D>E>-7.3, המחזור ימשיך עד למיצוי ה-ATP או שאין לך יותר Z לעשות.

הקלדת "מחזור קטליזה של אנזים ATP" נותנת כמה דוגמאות. הנה כמה:
ג'יראז DNA
מחזור אקטין-מיוזין


תגובות כימיות מבוססות על התנגשויות, אבל רק כאלו עם הכמות הנכונה של אֵנֶרְגִיָה והראוי נטייה להוליד אותם. אם רק אחד מהפרמטרים הללו סוטה מספיק, המגיבים פשוט יקפצו. בתוך תא, סביר להניח שיתרחשו התנגשויות בין מגיבים, מכיוון שמולקולה אחת צפויה להתנגש באנזים שלה תוך שנייה, [1, p. 6] אך לא באוריינטציות הנכונות. אנזימים באמצעות זיקה מתונה למגיבים, ממקמים אותם באוריינטציות הנכונות.

עכשיו, מאיפה מגיעה האנרגיה? ל"סערה "המולקולרית של מולקולות המים מסביב יש אמנם לא מעט אנרגיה קינטית, אך מכיוון שהתנגשויות איתן מגיעות מכל הכיוונים, הן בדרך כלל מבטלות זו את זו. כאשר ATP מתרזל, כ -0.36 eV של אנרגיה משתחררים (5.8 · 10^-20 J), [2] והמולקולות סביבו. לְנַדְנֵד. אני מניח שזה בגלל שברגע שהקשר הכימי נשבר, ה כוח דוחה בין ADP לפוספט הוא חזק מאוד במרחק כה קרוב, דוחף באלימות כל מולקולה שהם מוצאים בדרכם. לכמות האנרגיה המשתחררת יש פי 14 מהאנרגיה הקינטית הממוצעת של המולקולות שמסביב, כך שהיא שווה ערך לחימום מקומי של מולקולה ל-3,900 מעלות צלזיוס.[2] מטבע הדברים, אם ההידרוליזה מתרחשת בתוך אנזים, היא רוטטת כמו מטורפת וגורמת לשינוי קונפורמטיבי. אם לאנזים יש מגיבים הקשורים אליו, סביר שהם יתנגשו בכמות האנרגיה הנכונה.

מעניין לציין שהסערה המולקולרית חזקה מספיק ב-150 מעלות צלזיוס כדי לפרק ATP. זו הסיבה שמדענים לא מצפים למצוא היפרתרמופילים החיים בטמפרטורות חמות כאלה. נכון לעכשיו, הארכיון Pyrolobus fumarii מחזיק בשיא, מסוגל לשרוד עד 122 ºC, אך הטמפרטורה האופטימלית שלו היא 113 ºC ו"קופאת למוות "בטמפרטורות נמוכות מ 90 ºC [ויקיפדיה].

[1] גודסל, ד. "מכונות החיים". מהדורה שנייה. ספרינגר. 2009.

[2] הופמן, פ.הראצ'ט של החיים: איך מכונות מולקולריות מחלצות סדר מכאוס" ספרים בסיסיים. 2012.


מחקר של מרכיבים קוונטיים בהעברת אנרגיה של ADP נותן דף זה שמתאר את תגובת ה-ATP בגיאומטריה מסוימת, מלבד העברת חשמל/פרוטונים של תגובות רבות ויקרות אנרגיה כמו של תאים כמו תהליך הארכת הליכון מולקולת חוט F-אקטין:

https://pubs.rsc.org/-/content/articlelanding/2016/cp/c6cp01364c/unauth#!divAbstract

דף זה מתאר אורך F-אקטין ובנייה מחדש באמצעות ADP: https://m.phys.org/news/2014-09-scientists-uncover-clues-atp-mystery.html

סימולציית הליכון של סרט אקטין: https://m.youtube.com/watch?v=VVgXDW_8O4U

שני גדילי F-אקטין מקבילים חייבים להסתובב 166 מעלות להצטרף בצורה נכונה. זה יוצר את מבנה הסליל הכפול של המיקרופילמנטים הנמצאים בשלד. ATP מתואר היטב בויקי ברמה זו.

נראה כי ישנו הפרש מטען חשמלי "סטטי/מגנטי" המקיף את מולקולות האקטין ומועבר במדיום H2O זעיר שמושך סיבובים ומחבר אותם.

ההפרש החשמלי של אקטין מתואר כהטרוגני עם גשרי מלח מסביב ופרוטונציה דה-פרוטונציה, על ידי מחקר כללי זה: https://www.google.com/amp/s/www.researchgate.net/figure/The-charge-distribution-on פני השטח של F- אקטין הוא הטרוגני מאוד המוביל ל-_fig5_7090136/אמפר

אנסה לסנתז כמה מאמרים קוונטיים מהסוג הזה לרצף אירועים קוהרנטי, אני לא צריך להשהות כי אני כותב בטלפון.

קצת מידע על יישור H2O הכולל תצוגה שונה של ATP נמצא כאן: https://www.google.com/amp/s/phys.org/news/2017-03-atp-hydrolysis-energy-large-scale-hybrid .amp


למולקולת גלוקוז יש תכולת אנרגיה גבוהה. אם כל האנרגיה הייתה משתחררת בבת אחת היו בעיות טמפרטורה קשות בתא. חשוב ששחרור האנרגיה יהיה בהתפרצויות קטנות. זה מושג על ידי שימוש במולקולות אדנוזין טריפוספט (ATP). מצעים כמו גלוקוז מתפרקים בשלבים המזרזים באנזים כדי לייצר מספר מולקולות ATP.

זכור כי בפוטוסינתזה מולקולות ATP מסונתזות הן ומשמשות לאספקת אנרגיה בשלב בלתי תלוי באור!

ATP היא מולקולה הדרושה בכל התהליכים הדורשים אנרגיה.

צריך לפרק את ה-ATP כדי לשחרר את האנרגיה שלו. זה נעשה על ידי אנזים, ATPase.

ATP הוא א נוקלאוטיד פוספוריל. זכור מבנה DNA המורכב מנוקלאוטידים. כל נוקלאוטיד מורכב מבסיס אורגני, סוכר ריבוז וקבוצת פוספט. ATP הוא נוקלאוטיד עם שתי קבוצות פוספט נוספות! זו הסיבה למונח 'נוקלאוטיד מזרחן'.

ההידרוליזה של קבוצת הפוספט הסופי משחררת את האנרגיה. ATP הוא מטבע האנרגיה של אורגניזם.

  • התכווצות שרירים
  • מעבר פעיל
  • סינתזה של מקרומולקולות
  • מגרה את פירוק המצעים ליצירת ATP עוד יותר לשימושים אחרים.

הביוכימיה של הנשימה

הנשימה חיונית לפעילותו של כל תא חי. תרשים הזרימה ממול מציג שלבים בפירוק של גלוקוז ומצעים אחרים לייצור אספקה ​​של ATP.

תרשים הזרימה מציג רק את השלבים העיקריים של כל תהליך.

יש צורך בשתי המולקולות של ATP בכדי להתחיל את התהליך. כל שלב מזרז על ידי אנזים, למשל decarboxylase מסיר CO2 ממולקולה.

עֵרָנִי! לאחר ייצור גליצראט -3 פוספט ניתן להכפיל את מספר מולקולות ה- ATP. כל מולקולת גליצראט -3 פוספט מולידה 20 מולקולות ATP. אל תשכח לקחת את שני ה- ATP בהתחלה. אז המספר הכולל של ATP ממולקולת גלוקוז אחת הוא 38 (40 - 2). ספור את ה- ATPs בתרשים. חשבו על כל ATP בסך ה-38. זוהי משימת בחינה אופיינית!

ניתן להסיר את קבוצות הפוספט אחת בכל פעם, ולשחרר אנרגיה עם כל שינוי במבנה

למעשה, ה- ATP הוא מנוהל ל- ADP:

ATP + H2O → ADP + H3PO4

ATP היא מולקולה קטנה, מסיסה במים (נוקלאוטיד). זה מאפשר ל-ATP לנוע בחופשיות בתוך התא.

תגובות אלו ניתנות להפיכה בקלות אך מעט אנרגיה הולכת לאיבוד כאנרגיה תרמית מכיוון:

  • המרות אנרגיה אינן יעילות במאה אחוז
  • אנרגיה זמינה משלבי הנשימה עשויה שלא להתאים בדיוק לאנרגיה הדרושה לבניית ATP
  • צרכי האנרגיה עשויים שלא להתאים בדיוק לאנרגיה המשתחררת מההידרוליזה של ATP

ATP זה אנרגיה מַטְבֵּעַ לא אחסון אנרגיה (גלוקוז, גליקוגן, עמילן, שומנים)

  • ATP ממוחזר כל הזמן ומהיר
  • יש רק כ -5 גרם ATP בכל גוף האדם
  • עד 40 ק"ג ATP בשימוש תוך 24 שעות
  • בפעילות גופנית קשה מתפרקים 500 גרם ATP לדקה כדי לעמוד בדרישות האנרגיה
  • זה אומר שכל מולקולה של ATP נבנית ומתפרקת עד 100 פעמים בדקה

קריאטין פוספט והתכווצות שרירים

ניתן לפקח על ייצור אטומי המימן במהלך התהליך באמצעות DCPIP (dichlorophenol indophenol). זהו קולט מימן והופך חסר צבע כאשר מצטמצם לחלוטין.

האנרגיה להתכווצות השרירים מגיעה מההידרוליזה של ATP:

אך הביקוש האנרגטי הגבוה של השריר דורש מערכת גיבוי עם קריאטין פוספט (PCr):

יש פי שלושה PCr מאשר ATP בשריר במנוחה. קריאטין פוספט ממלא את ה- ATP על ידי ויתור על קבוצת פוספטים ל- ADP לבנייה מחדש של ה- ATP.

זה מאפשר ליותר אנרגיה להשתחרר מהר יותר, מתאים לפרץ קצר של פעילות. יש לחדש את ה- PCr באמצעות אנרגיה המסופקת באמצעות ATP מהנשימה.


1. מה זה ATP?

ATP היא המולקולה נושאת האנרגיה הנפוצה ביותר בגוף שלך. הוא רותם את האנרגיה הכימית שנמצאת במולקולות המזון ולאחר מכן משחרר אותה כדי להדליק את העבודה בתא.

חשוב על ATP כמטבע משותף לתאים בגופך. המזון שאתה אוכל מתעכל ליחידות משנה קטנות של מאקרו-נוטריינטים. הפחמימות בתזונה שלך מומרות כולן לסוכר פשוט הנקרא גלוקוז.

לסוכר הפשוט הזה יש את הכוח "לקנות" הרבה אנרגיה סלולרית. אבל התאים שלך לא מקבלים גלוקוז כאמצעי תשלום. עליך להמיר את הגלוקוז שלך למטבע שיפעל בתא.

ATP הוא המטבע המקובל. באמצעות שרשרת מורכבת של תגובות כימיות - המרת המטבע של גופך - גלוקוז הופך ל- ATP. תהליך המרה זה נקרא נשימה סלולרית או מטבוליזם.

כמו החלפת כסף ממטבע אחד למשנהו, האנרגיה מגלוקוז לובשת צורה של תרכובות כימיות זמניות בסוף כל תגובה. הגלוקוז משתנה למספר תרכובות אחרות לפני שהאנרגיה שלו מתייצבת ב-ATP. אל תדאג. תראה כמה מתרכובות אלה בשרשרת החלפת האנרגיה המתוארת בשאלה 4.


איך פעילות גופנית עובדת

לשרירים שלך - למעשה, לכל תא בגוף שלך - מקור האנרגיה ששומר על הכל נקרא ATP. אדנוזין טרי פוספט (ATP) היא הדרך הביוכימית לאחסן ולהשתמש באנרגיה.

כל התגובה שהופכת ATP לאנרגיה קצת מסובכת, אבל הנה סיכום טוב:

  • מבחינה כימית, ATP הוא נוקלאוטיד אדנין הקשור לשלושה פוספטים.
  • יש הרבה אנרגיה המאוחסנת בקשר בין קבוצות הפוספט השנייה והשלישית שניתן להשתמש בהן כדי להניע תגובות כימיות.
  • כאשר תא זקוק לאנרגיה, הוא מפר את הקשר הזה להיווצר אדנוזין דיפוספט (ADP) ומולקולת פוספט חופשית.
  • במקרים מסוימים, ניתן לשבור את קבוצת הפוספטים השנייה גם להיווצרות אדנוזין מונופוספט (AMP).
  • כאשר לתא יש עודף אנרגיה, הוא אוגר אנרגיה זו על ידי יצירת ATP מ-ADP ופוספט.

ATP נדרש לתגובות ביוכימיות הכרוכות בכל התכווצות שריר. ככל שעבוד השריר גדל, יותר ויותר ATP נצרך ויש להחליפו על מנת שהשריר ימשיך לזוז.

מכיוון ש-ATP כל כך חשוב, לגוף יש כמה מערכות שונות ליצירת ATP. מערכות אלו פועלות יחד בשלבים. הדבר המעניין הוא שצורות שונות של פעילות גופנית משתמשות במערכות שונות, כך שאצן מקבל ATP בצורה שונה לחלוטין מרץ מרתון!

ATP מגיע משלוש מערכות ביוכימיות שונות בשריר, בסדר הזה:


כיצד משתחררת אנרגיה מ- ATP?

האנרגיה משתחררת מ- ATP על ידי שבירת הקשר הפוספט, קובע אוניברסיטת אילינוי בשיקגו. אדנוזין טריפוספט, או ATP, מורכב מסוכר הנקרא ריבוז, המולקולה אדנין ושלוש קבוצות פוספט. במהלך הידרוליזה של ATP, קבוצת הפוספט האחרונה מועברת למולקולה אחרת, ובכך שוברת את הקשר הפוספט. תגובה זו גורמת לאנרגיה להשתחרר כדי להפעיל פעילויות אחרות בתוך התא.

ATP מיוצר על ידי פירוק גלוקוז, כפי שאמר ד"ר דון טמרקין בקולג 'הטכנולוגי של ספרינגפילד. על ידי פירוק הקשרים בגלוקוז בנוכחות חמצן, נוצרת אנרגיה על מנת להוסיף קבוצת פוספט ל-ADP ליצירת ATP. בדרך זו נוצרים 38 ATP. תהליך זה נקרא נשימה תאית.

האנרגיה של מולקולת ה- ATP טמונה בקשרים בין קבוצות הפוספטים, או קשרי הפירופוספטים, קובע ד"ר מייק פארבי ממכללת קהילת אסטרלה מאונטיין. הקשר בין הפוספט השני לקבוצות הפוספט האחרונות מניב את האנרגיה הגדולה ביותר, כשבעה קילוקלוריות לשומה. כאשר הקשר הזה נשבר, נוצר אדנוזין דיפוספט, או ADP.

מכיוון ש-ATP נמצא בשימוש כל הזמן, יש לחדש אותו. תא שריר בודד, כנראה אחד המשתמשים הגדולים ביותר של ATP, משתמש וממלא 10,000,000 מולקולות ATP בשנייה, על פי אוניברסיטת אילינוי בשיקגו.


תפקיד ה-ATP

# ATP# הוא נושא אנרגיה, והוא שומר אותו כשאין בו צורך ומשחרר אותו כאשר הוא קיים.

הֶסבֵּר:

כאשר אנרגיה משתחררת, #ATP# מאבד את אחת מקבוצות הפוספט שלו ופונה ל#ADP# (אדנוזין די-פוספט). #ADP# קיים בתאים ויש לו שתי קבוצות פוספט מחוברות בחוזקה. האנרגיה מהנשימה משמשת ליצירת קבוצת פוספט נוספת לכל מולקולה ליצירת #ATP#.

# ATP- ADP + "פוספט" + "אנרגיה"#, והנה תמונה לתגובה כימית זו ניתנת. שימו לב כיצד ב- # ADP #, קבוצת # gamma # - # PO_4 # מוסרת ומביאה לשחרור אנרגיה אדירה.

תשובה:

ADP מספק את אחת מאבני הבניין ל-ATP, מקור האנרגיה הסלולרית.

הֶסבֵּר:

ניתן להשוות את אדנוזין דיפוספט לסוללה טעונה חלקית. גם ATP (אדנוזין טריפוספט) וגם ADP (אדנוזין דיפוספט) מורכבים מהנוקלאוטיד אדנין, סוכר הנקרא ריבוז, ומשתיים או שלוש קבוצות פוספט. הקשרים המחזיקים את שלוש קבוצות הפוספטים יחד דורשים אנרגיה רבה לבנייתם, וכאשר הקשרים הללו נשברים, כמות אנרגיה רבה משתחררת.

כאשר ATP משמש לאספקת אנרגיה לפעילות סלולרית, הקשר בין קבוצות הפוספט השנייה והשלישית נשבר ואנרגיה משתחררת. באמצעות תהליך הנשימה התאית, הגלוקוז מספק את האנרגיה לבנייה מחדש של ADP וקבוצת פוספטים ל- ATP.


בשר ודגים

סוג אחד של מזון המספק מקור ל-ATP הוא בשר ודגים. מזונות אלו מכילים מספר תאים של בעלי חיים, כאשר כל תא מכיל ATP שנוצר מראש. החומרים המזינים הנמצאים בבשר ודגים עשויים גם לספק מקור ל- ATP בגופכם. עם צריכת חומצות השומן והחלבונים בבשר ודגים מתעכלים ונספגים. אם הגוף שלך דורש מקור אנרגיה מיידי, חומרים מזינים אלה משמשים לייצור ATP בתוך התאים שלך, ומסייעים להזין את גופך. בעת בחירת בשרים ודגים כמקור ל-ATP, בית הספר לבריאות הציבור של הרווארד ממליץ לבחור עופות ודגים טריים ולהימנע מנתחים שומניים של בשר אדום המכילים רמות גבוהות של שומן רווי.

אגוזים מספקים גם מקור ל- ATP לגופך, שכן כל תא בתוך האגוז מכיל עתודה של ATP המשמשת כדלק סלולרי. בנוסף לתכולת ה- ATP שלהם, אגוזים מספקים אנרגיה לגוף באמצעות תכולת השומן, הפחמימה והחלבון שלהם, אותם ניתן להפוך ל- ATP בעקבות העיכול. אגוזים מכילים גם סיבים תזונתיים, חומר צמחי העובר במערכת העיכול ללא שינוי. צריכת סיבים בכל יום מסייעת בקידום מערכת העיכול הבריאה, ומאפשרת למעי שלכם לפעול ביעילות לספיגת חומרי המזון וה- ATP מהמזון שאתם אוכלים. מכון לינוס פאולינג באוניברסיטת אורגון סטייט ממליץ לצרוך חמישה גרם. מנות אגוזים מדי שבוע כמקור בריא למספר חומרים מזינים, כולל ATP.


מקרו -מולקולות ATP מכונות "מטבע האנרגיה העיקרי של התא" ומעבירות אנרגיה פוטנציאלית ברמה התאית באמצעות קשרים כימיים. כל התהליכים המטבוליים המתרחשים ברמה התאית מופעלים על ידי ATP.

כאשר ATP משחרר יון פוספט אחד או שניים, אנרגיה משתחררת כאשר הקשרים הכימיים בין יוני הפוספט נשברים. רוב ה-ATP בגוף נוצר בממברנה הפנימית של המיטוכונדריה, אברון המפעיל את התא.

לפי TrueOrigin, כמעט 400 קילו ATP משמשים מדי יום את האדם הרגיל עם תזונה של 2,500 קלוריות. כמקור אנרגיה, ATP אחראית על הובלת חומרים על פני קרום התא ומבצעת את העבודה המכנית של השרירים המתכווצים ומתרחבים, כולל שריר הלב. ללא ATP, תהליכי הגוף שדורשים ATP ייכבו והאורגניזם ימות.


מהי מערכת האנרגיה של ATP-PC?

מערכת האנרגיה ATP-PC היא המערכת שבאמצעותה הגוף מזין 10 עד 20 שניות של פעילות גופנית אינטנסיבית באמצעות ATP מאוחסן, המולקולה בעלת האנרגיה הגבוהה המזינה את השרירים ולאחר מכן באמצעות פוספוקראטין, המומר במהירות ל- ATP להמשך שרירי דלק. צירים. מערכת זו נקראת לפעמים גם מערכת האנרגיה ATP-CP, מכיוון שפוספוקראטין ידוע גם בשם קריאטין פוספט.

כמות קטנה של ATP ופוספוקראטין נשמרת בתאי השריר, כך שמערכת האנרגיה של ATP-PC אינה קשורה לצריכת מזון או שתייה ישירות לפני או במהלך האימון. מערכת האנרגיה ATP-PC גם אינה דורשת נוכחות של חמצן, ולכן אומרים שהיא אנאירובית. פעילות גופנית אלקטית משתמשת במערכת האנרגיה ATP-PC כדי להגביר את היעילות שלה. סוג זה של פעילות גופנית כולל התפרצויות של 10 שניות בעצימות גבוהה ולאחר מכן תקופות התאוששות של 30 שניות.

לאחר שהן ה-ATP המאוחסן והן הפוספוקריאטין המאוחסן בתאי השריר מנוצלים, הגוף צריך לייצר יותר ATP כדי להמשיך לתדלק את השרירים. ראשית, הגוף מייצר ATP ישירות מפחמימות באמצעות גליקוליזה. זה מייצר חומצה לקטית כמוצר פסולת. לאחר כ-10 דקות, חומצת החלב מצטברת לרמות הגורמות לכאב ועייפות. בתקופות פעילות גופניות ארוכות יותר הגוף מסתמך על מטבוליזם אירובי, המייצר ATP מפחמימות, שומנים וחלבונים בעזרת חמצן ממערכת הדם.


שונות בקשר בין צריכת חמצן לייצור ATP, והרלוונטיות שלו לביצועי בעלי חיים

לעתים קרובות מניחים שניתן להעריך את קצב חילוף החומרים של בעל חיים באמצעות מדידת קצב צריכת החמצן של כל האורגניזם. עם זאת, צריכת החמצן לבדה לא סמן מספיק לחילוף החומרים באנרגיה במצבים רבים. זה נובע מהשונות המובנית בקשר בין חמצון לזרחון, כלומר כמות האדנוזין טריפוספט (ATP) שנוצרת לכל מולקולת חמצן הנצרכת על ידי המיטוכונדריה (יחס P/O). במאמר זה, אנו מתארים כיצד יחס ה-P/O יכול להשתנות בתוך ובין אנשים, ובתגובה למספר פרמטרים סביבתיים, כולל תזונה וטמפרטורה. מכיוון שיחס ה- P/O משפיע על היעילות של ייצור האנרגיה הסלולרית, השונות שלו עשויה להיות בעלת השלכות משמעותיות על ביצועי בעלי החיים, כגון קצב גדילה ותפוקת רבייה. אנו חוקרים את המשמעות ההסתגלותית של שונות כזו ומשערים כי בעוד שהפחתה ביחס ה-P/O היא יקרה מבחינה אנרגטית, היא עשויה להיות קשורה ליתרונות במונחים של תחזוקה סומטית באמצעות ייצור מופחת של מיני חמצן תגובתיים. לבסוף, אנו דנים כיצד התחשבות בשונות ביעילות המיטוכונדריה, יחד עם צריכת חמצן של אורגניזם שלם, יכולה לאפשר הבנה טובה יותר של הקשר בין חילוף חומרים אנרגטי והיסטוריית החיים עבור מחקרים באקולוגיה אבולוציונית.

1. הקדמה

מדענים הכירו זה מכבר בחשיבות הערכת קצב חילוף החומרים של בעל חיים, לאור השפעתו הפוטנציאלית על קצב ספיגת המשאבים מהסביבה והקצאת המשאבים הללו [1-4]. באופן מסורתי, החוקרים נטו להשתמש במדדים של צריכת חמצן מכל בעלי חיים כפרוקסי לקצב חילוף החומרים [1]. מחקרים במגוון רחב של מוניות הראו כי שונות בין -ספציפית בקצב צריכת החמצן קשורה לביצועים במגוון תכונות, כולל תפוקת עבודה [5,6], קצב גדילה [7], מידת תוקפנות [8], קצב האכלה [9], יכולת הנקה [10] ותוחלת חיים [11-13]. עם זאת, הקשר בין צריכת חמצן לביצועים אינו פשוט, כאשר מחקרים מדווחים על קשר חיובי, שלילי או ללא קשר, בהתאם למין ולתכונה שנחקרה (נסקרו ב [14]). בעוד שממצאים לא עקביים אלה מעוררים דיונים נרחבים שבמרכזם נושאים תיאורטיים ומתודולוגיים [11,14–21], מה שמתעלמים לעתים קרובות הוא שצריכת חמצן של אורגניזם שלם עשויה להיות רק גורם חלקי למטבוליזם של אנרגיה.

הבעיה העיקרית כאן היא שצריכת החמצן עצמה, בין אם היא נמדדת ברמה של אורגניזם שלם או רקמה ספציפית, אינה מדד אמיתי לייצור אדנוזין טריפוספט (ATP), שכן כמות ה-ATP שנוצרת ליחידת חמצן הנצרכת יכולה להשתנות באופן משמעותי. [22]. עדויות לשונות זו נעשו הרבה יותר ברורים לאחרונה עם העלייה הדרמטית במחקר המיטוכונדריאלי הבסיסי, בעיקר בתחומי הביוכימיה והביו-רפואה [22,23]. מחקר זה מונע, בין השאר, על ידי התקדמות טכנולוגית והתפתחויות מתודולוגיות שאפשרו קביעת תפקוד המיטוכונדריה עם רזולוציה משופרת, רגישות גבוהה יותר והדרישה לחומר ביולוגי פחות (תיבה 1). כעת ברור ששונות ביעילות שבה המיטוכונדריה מייצרות ATP קיימת בין פרטים [5,31,32], אוכלוסיות [33,34] וסביבות [35], ואפילו בתוך אותו פרט לאורך זמן [6]. השונות המרחבית והזמנית הזו בתפקוד המיטוכונדריאלי מוסיפה רובד נוסף של הבנה למחקרים שלנו על חילוף החומרים. קיומה של וריאציה בתפקוד המיטוכונדריאלי פירושו שממצאים המשתמשים בצריכת חמצן כמדד לחילוף חומרים אנרגטי, אף שאינם מדד לא מדויק או לא הולם של קצב חילוף החומרים האירובי, דורש פרשנות זהירה ביחס לכמות ה-ATP המיוצר [36] .

היבטים מעשיים של הערכה מיטוכונדריאלית.

שיטות למדידת יחס ה- P/O במיטוכונדריה מבודדות פותחו לפני יותר מ -50 שנה על ידי Chance & amp Williams [24]. פותחו גם פרוטוקולים המאפשרים שימוש בתאים חדורים [25] או רקמה הומוגנית, המאפשרים הכנה מהירה של דגימה ונותנים את התשואה הגבוהה ביותר של מיצוי מיטוכונדריאלי [26] (אך ראה [27]). השונות הללו בַּמַבחֵנָה גישות מסוגלות לספק אינדיקציה רלוונטית ל in vivo תפקוד מיטוכונדריאלי [28], והתפתחויות טכנולוגיות אחרונות הפכו מדידות כאלה לאפשריות עבור מגוון טקסונומי רחב של אורגניזמים. בעוד חיישני חמצן קיימים כבר עשרות שנים, רק לאחרונה הרזולוציה שלהם הפכה רגישה מספיק כדי לאפשר מדידה של תפקוד המיטוכונדריה מדגימות רקמה קטנות (50-100 מ"ג, תלוי בסוג הרקמה ובמין), ומזנים בעלי צפיפות ופעילות מיטוכונדריה נמוכים. [29,30].

מטרת סקירה זו היא להדגיש את החשיבות של התחשבות בתפקוד המיטוכונדריאלי יחד עם קצב צריכת החמצן בעת ​​חקירת הקשר בין חילוף חומרים אנרגטי וביצועים של בעלי חיים. נדון תחילה במגבלות פוטנציאליות של שימוש באמצעים לצריכת חמצן מן החי כולו בכוחות עצמו בכדי לחקור את חילוף החומרים באנרגיה. שנית, אנו מציגים עדויות אמפיריות לכך שגורמים סביבתיים יכולים לעורר שונות ביעילות המיטוכונדריה וכי לשונות טבעית זו יכולות להיות השלכות משמעותיות על ביצועי בעלי החיים. לאחר מכן אנו בוחנים מדוע הברירה הטבעית למעשה לא הגדילה את היעילות המיטוכונדרית, ומרכזת את ההסבר שלנו בהיבט אחר של המיטוכונדריה: יצירת מיני חמצן תגוביים (ROS). לבסוף, אנו מזהים שאלות מחקר פוטנציאליות שלדעתנו ירוויחו ממדדים משולבים של יעילות מיטוכונדריאלית ושיעורי צריכת חמצן של בעלי חיים שלמים. נכון לעכשיו, ישנן דוגמאות מעטות להשתלבות הביו -אנרגטית בתחומי האקולוגיה והביולוגיה האבולוציונית (אך ראו [33–38]). לכן, המטרה העיקרית של סקירה זו היא לעורר חוקרים לאמץ נקודת מבט רחבה בהרבה של bioenergetics, ובכך לייצר גישה אינטגרטיבית יותר לחקר חילוף החומרים בהקשר של אקולוגיה וביולוגיה אבולוציונית.

2. מה קצב צריכת החמצן עושה ומה לא אומר לנו

ישנן מספר הגדרות שונות של מטבוליזם [14,20], אך כמעט בכל המקרים חילוף החומרים נמדד על ידי כימות קצב צריכת החמצן. עם זאת, אילו הערכות של צריכת החמצן צפויות לגלות לגבי חילוף החומרים באנרגיה אינו מצוין לעיתים רחוקות. התפיסה הרחבה של מטבוליזם כוללת את כל התגובות האנאבוליות והקטבוליות בתוך האורגניזם, וכתוצאה מכך מכסה את כל התהליכים הקשורים להשגה, הטמעה, שינוי והקצאת משאבים. בדרך כלל מניחים שהמונח "קצב צריכת חמצן" קשור לכל אחד מהתהליכים הללו, אם לא כולם.

אנרגיה המופקת מחומרים מזינים (פחמימות, שומנים, חלבונים) הופכת להיות שימושית רק לאחר הפיכתה לקשרים של פוספטים בעלי אנרגיה גבוהה במולקולות ה- ATP. ATP הוא מקור האנרגיה העיקרי לרוב הפונקציות התאיות, כגון DNA, RNA וסינתזת חלבונים, חלוקת תאים, מסלולי התמרה באותות, פעילות התכווצות שרירים ותחבורה פעילה על פני קרום התא [39]. האתרים העיקריים של טרנספורמציה אנרגטית הם המיטוכונדריה, המספקים למעלה מ -90% מ- ATP הסלולר [40]. רוב ה- ATP מיוצר באמצעות זרחון חמצוני, תהליך שבאמצעותו מתחמצנים לראשונה מולקולות המצע על ידי מחזור החומצה הטריקקרבוקסילית ליצירת הקופקטורים המפחיתים NADH ו- FADH2. סוכני הפחתה אלה מעבירים אלקטרונים דרך קבוצה של מתחמי חלבון (שרשרת הובלת האלקטרונים - ETC) הנמצאת בתוך הממברנה המיטוכונדרית הפנימית ולאחר מכן אל המקבל הסופי, חמצן. זרימת האלקטרונים דרך ה- ETC מאפשרת למשאבות הפרוטונים (H +) לגרש H + מהמטריצה ​​לחלל הבין-ממברני המיטוכונדריאלי. הצטברות H + בחלל הבין-ממברני הזה יוצרת חשמל (ΔΨM) ושיפוע כימי (ΔpH), הפוטנציאל האלקטרוכימי (Δp), שנדרש על ידי סינתזה של מורכבות החלבון ATP כדי להניע את הזרחון של ADP ל-ATP [41].

למרות שייצור ATP תלוי בקצב החמצון, מספר מולקולות ה- ATP המיוצרות עבור כל אטום חמצן הנצרך על ידי המיטוכונדריה (המכונה יחס P/O) יכול להשתנות [22]. גורם אחד העומד בבסיס וריאציה זו הוא שכמות H+ הנשאבת לחלל הבין-ממברנה ליחידת חמצן הנצרכת על ידי ETC (יחס H + /O) היא ספציפית למצע. לדוגמה, סוצ'ינט המחמצן במיטוכונדריה מציג יחס H +/O של 6, בעוד שיחס זה הוא 10 כאשר המצע הוא פירובט/מאלאט [22]. למרות שיטות מבוססות לקבוע איזה מצע מטבולי מתחמצן (תיבה 2), והוכחות ישירות לשינויים ביחס H + /O עקב סוג המצע [22,42], רוב המחקרים על חילוף החומרים באנרגיה אינם מביאים בחשבון זאת השפעת סוג המצע על יעילות ייצור ATP. מנגנון פוטנציאלי שני המשנה את יחס ה- P/O הוא החלקה של משאבות הפרוטונים. החלקה זו גורמת לכך שפחות פרוטונים נשאבים לחלל הבין-ממברני לכל אלקטרון המועבר על ידי ה- ETC, או שפחות מולקולות ATP המיוצרות לכל פרוטון עוברות בחזרה דרך סינתז ATP [22,43-45]. עם זאת, בעוד תגובות החלקה כאלה יכולות להתרחש בתנאים מסוימים בַּמַבחֵנָה, חשיבותם בתנאים פיזיולוגיים נותרה לא ברורה [22].

זיהוי מצע האנרגיה המשמש את המיטוכונדריה.

אופי המצע המטבולי המחומצן על ידי המיטוכונדריה משפיע לא רק על יחס ה-P/O אלא גם על היחס בין הפחמן הדו חמצני המיוצר לחמצן הנצרך, הנקרא גם מנת הנשימה (RQ) [39]. יתרון של RQ הוא שניתן למדוד אותו in vivo ניתן להשתמש בו כדי להסיק את התרומות היחסיות של פחמימות ושומן כמצעים של המטבוליזם האירובי, כאשר RQ = 1.0 מציין אך ורק פחמימה ו-RQ = 0.71 מציין אך ורק שומן [22,39]. כל דבר אחר, ההבדל ביחס ה- P/O בין חמצון הפחמימות לשומן מוביל לחישוב כי, בקצב צריכת חמצן נתון, ייצור ה- ATP צריך להיות נמוך ב -15% בעת חמצון הפחמימות בהשוואה לשומן [42]. ערכי ביניים קשים יותר לפירוש מכיוון שאלו מרמזים על ניצול של שילובים של מצעים, כולל חלבון במקרים מסוימים ניתן להעריך את השימוש בחלבון על ידי מדידת קצבי הפרשת חנקן, ולכן פוטנציאל לאפשר חישוב של השימוש היחסי במצעי שומן ופחמימות [ 39].

סיבה שלישית לשונות ביחס P/O, שקיבלה הרבה יותר תשומת לב (כך יהיה המוקד העיקרי של מאמר זה), נגרמת על ידי פיזור של Δp על פני הממברנה המיטוכונדריאלית הפנימית. פיזור Δp קשור לעלייה בייצור החום [46]. מספר מנגנונים ביולוגיים שונים יכולים לשנות את Δp ולפיכך להשפיע על יחס ה-P/O. ההרכב של הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה, הן מבחינת חומצות השומן הפוספוליפידיות שלו והן מבחינת ההתרחשות והפעילות של חלבוני נשאות מיטוכונדריאלים כמו חלבונים ניתוק (UCP) או אדנין נוקלאוטיד טרנספורטרים (ANT), יכול להשפיע על מוליכות הממברנה המיטוכונדריאלית של פרוטונים וב. סובב את ה- Δp [46–49]. סביר להניח שה Δp יושפע מההובלה הפעילה של קטיונים (למשל Ca 2+), אניונים (למשל ADP 3 - ו- ATP 4 -) וממטבוליטים (למשל אספרטט וגלוטמט) על פני הממברנה הפנימית [45,50]. וריאציה ביחס ה- P/O נדונה בעיקר במונחים של דליפת פרוטונים על פני הממברנה, כנראה משום שהיא התורמת העיקרית לירידה ב- Δp (ועלייה כתוצאה בצריכת החמצן) שאינה תלויה בדור ATP [43,51, 52]. לדוגמה, המחזור חסר התועלת של H + שאיבה ודליפת H + בתוך הכבדה והמיטוכונדריה של השרירים מוערך בכ -20% מצריכת החמצן מן החי כולו [53]. לפיכך, חלק ניכר מהחמצן שאורגניזם, רקמה או מיטוכונדריה צורכים עלול שלא לגרום לייצור ATP.

The degree of coupling of energy derived from oxidation to the generation of ATP varies across different tissues, individuals, environment and species, and over the lifetime of an individual [49,53–56], leading to variation in the efficiency of ATP production. Whole-organism oxygen consumption measures only the rate of substrate oxidation, and consequently does not distinguish between the energy used to produce ATP and energy dissipated through H + leakage. Consequently, it cannot be used as an accurate proxy for ATP production when variation in the P/O ratio occurs. In this review, we examine this idea and discuss the importance of variation in P/O ratio in the context of evolutionary ecology. There has recently been an increase in empirical support for the concept that variation in the P/O ratio may be in response to ecological parameters (see §3) and have implications for animal performance (see §4). Two main approaches for estimating the P/O ratio are used, although other methods exist [50,57]. The first of these determines the mitochondrial oxygen consumption associated with the disappearance of a known amount of ADP (presumed converted to ATP). The second approach, developed by Lemasters [58], measures ATP production directly, so allowing calculation of the ATP : O ratio. These ratios, although not equal in terms of relevance and applicability, allow useful inferences to be made about the variation in P/O ratio.

3. Environmental causes of variation in the P/O ratio

There is clear evidence that environmental conditions can affect the efficiency of ATP production, potentially contributing to variability in performance over the lifetime of an individual. One of the most pervasive factors affecting the energy metabolism of organisms is the ambient temperature of the environment. Not surprisingly, the effect of temperature on mitochondria differs between poikilothermic ectotherms and endotherms. In poikilothermic ectotherms, increasing ambient temperature directly enhances the rate of biochemical reactions and thereby stimulates whole-organism oxygen consumption, but only up to a point beyond which reactions decrease as a result of damage. However, ambient temperature can also affect the efficiency of ATP production, presumably due to an increase in H + conductance of the inner membrane with increasing temperature. This results in a greater proportion of H + being shunted away from ATP synthase, thereby reducing the P/O ratio [59,60]. Temperature effects on the P/O ratio may therefore contribute to the non-proportional relationship between ATP production and the rate of oxygen consumption in poikilothermic ectotherms. The P/O ratio in endotherms is less directly affected by the ambient thermal regime, except when chronically exposed to cold temperatures [46,61,62]. In mammalian brown adipose tissue, prolonged cold exposure induces a severe reduction in mitochondrial coupling as a result of activation of uncoupling protein UCP1, and this mechanism clearly contributes to thermogenesis [46]. However, while acclimation to cold temperatures increases the rate of oxygen consumption in both mammals and birds, its effect on the efficiency of energy transduction appears to be taxon-specific: activation of UCPs has no effect on the coupling of ATP production to oxygen consumption in avian skeletal muscle [61]. The taxon-specific effect of cold acclimation on mitochondrial efficiency may be due to differences in the mechanism that is responsible for this acclimation, since, in birds, ANT rather than UCP is believed to be the principal mitochondrial uncoupler [62].

Food intake can also affect the efficiency of ATP production. Individuals with reduced food intake tend to exhibit an increase in the P/O ratio (e.g. by an average of 15% in fasting king penguins Aptenodytes patagonicus [35]). This is thought to be beneficial since an increase in P/O ratio minimizes the cost of ATP synthesis, thereby reducing energy substrate requirements [63]. Such plasticity may confer a physiological advantage by helping animals cope with periodic decreases in food intake [35]. It should be noted that this change in P/O ratio affects calculations of the metabolism of food-deprived animals, if these calculations are based on measures of oxygen consumption. For example, king penguins reduced their rate of oxygen consumption by 30% when fasting [35,64], but the reduction in ATP synthesis was much smaller than this would imply due to the associated 15% increase in P/O ratio [35].

Diet composition can also have an indirect effect on the P/O ratio (in addition to any direct effect of energy substrate on the ETC mentioned in §2), since it can affect the phospholipid properties of the inner mitochondrial membrane. For instance, the mitochondria of mice consuming a diet enriched in highly unsaturated fatty acids exhibited enhanced permeability to protons, greater mitochondrial proton leak and a decrease in the ΔΨM [65], which would have altered the P/O ratio [66].

4. Consequences of the P/O ratio for animal performance

The P/O ratio can affect performance in a range of whole-organism traits (table 1). One of the most widely documented effects of the P/O ratio is on the rate of growth. The synthesis of new tissue is energetically costly, so investment in growth must depend on the capacity to generate ATP. The remarkable natural variation between individuals in their growth efficiency has been found to be related to mitochondrial functioning, largely as a result of research undertaken by animal production scientists investigating why some individuals grow faster than others on the same food ration [31]. Studies designed to explore the physiological basis for differences in growth efficiency in poultry show that individuals with higher growth efficiencies exhibit lower UCP expression in their muscle mitochondria [71,73] and reduced proton leak, resulting in a higher P/O ratio [71]. A similar relationship has also been reported in the common frog Rana temporaria, where individuals from natural populations characterized by larger average body size had a higher P/O ratio [33]. Surprisingly, the opposite trend was found in wild populations of garter snakes Thamnophis elegans [34].

Table 1. Examples of the relationship between mitochondrial coupling efficiency (P/O ratio: high values indicate that relatively little oxygen is required to produce a given amount of ATP) and animal performance indicators such as growth (ז), reproduction (ר) and somatic maintenance and lifespan (M) among conspecifics. ‘Experimental’ indicates whether the P/O ratio was manipulated (i.e. by use of uncoupling agents), so providing stronger evidence of a causal relationship than a simple correlation. ‘Assumed’ indicates that P/O was not measured but was assumed to have been decreased by use of an uncoupling agent.

The interpretation of results derived from correlative approaches is limited since any relationship between the P/O ratio and performance cannot be presumed causal. Recently, researchers have sought to manipulate the level of the P/O ratio in order to more directly test the effects of mitochondrial efficiency on whole animal traits [36,37,67,68]. An experimental decrease in the P/O ratio can be induced by chronically exposing the animal to an uncoupling agent such as 2,4-dinitrophenol (DNP), which acts, analogous to endogenous UCPs, to increase the rate of H + translocation across the inner mitochondrial membrane. DNP exposure results in a decrease in the P/O ratio and a simultaneous increase in oxygen consumption [36,48,74]. Chronic exposure to DNP has revealed interesting effects of the P/O ratio on animal performance across a range of taxa (table 1). For example, rats Rattus norvegicus exposed to DNP had reduced exercise capacity [75], while mice exhibited a lower growth rate for a given food intake [72]. Common frogs exposed to DNP during the tadpole stage had a higher rate of oxygen consumption but grew more slowly than controls they did not increase their food consumption and so were unable to compensate for the energy loss elicited by the decreased efficiency of ATP production [36]. However, it should be noted that DNP-treated zebra finches Taeniopygia guttata compensated for their mitochondrial inefficiency by increasing their food intake, and so maintained a body mass and rate of growth equivalent to that of controls [37].

Variation in the P/O ratio can also influence reproductive output. DNP-treated zebra finches laid fewer eggs, despite having a higher food consumption than controls [37]. By contrast, the artificial induction of mild uncoupling in yeast Saccharomyces cerevisiae led to an increased reproductive output, as a result of a greater replicative lifespan (see the discussion below as to why lower P/O ratio may increase lifespan [67]). However, there are presently too few studies to say definitively whether such divergent effects of uncoupling on performance are taxon-specific responses, or are due to differences in the degree of uncoupling, which is not always directly quantified and is rarely screened within a single study (but see [76]).

5. Why has selection not eradicated inefficient mitochondria?

Given the pervasive viewpoint that limited resources constrain individual investment across competing life-history traits [77], and that this resource limitation should apply as much to ATP as to the substrates used to produce it, one would expect a strong evolutionary selection pressure to maximize the P/O ratio in order to make the greatest use of the resources available. So why does variation in the P/O ratio persist? Perhaps the main reason for a submaximal P/O ratio is that ATP production must trade off against ROS generation. ROS are highly reactive molecules that have many beneficial properties, but also have the potential to induce cellular damage to lipids, proteins and nucleic acids if they escape neutralization by a suite of endogenous and exogenous antioxidants [78]. ROS are an inevitable consequence of the flow of electrons through the mitochondrial ETC [79], and their rate of generation is positively related to Δp [23,80]. Therefore, a decrease in ΔΨM as a result of H + leakage, for instance, while reducing the efficiency of ATP production, also decreases ROS production [23,81]. Experimental increases in H + conductance (through DNP) can simultaneously reduce both the P/O ratio and oxidative damage [36,72] (but see also [37]). Since oxidative damage has been proposed as an important factor underlying both cellular and whole-organism senescence [78,82] (but see also [83]), a reduction in the P/O ratio could potentially be associated with a slower rate of ageing through its associated reduction in ROS production (the ‘uncoupling to survive’ hypothesis [23,84–86]). Lifespan has indeed been shown to be greater in individuals that have either a naturally lower Δp [13] or a higher H + conductance as a result of exposure to uncoupling agents [67,68,72]. However, to date there is no direct in vivo evidence to show that a longer lifespan associated with a reduced P/O ratio is also associated with a reduction in ROS production.

The consequences of the P/O ratio for animal performance depend crucially on the extent to which changes in mitochondrial functioning affect the relative production of ATP versus ROS. Δp is the main mediator between the rate of respiration, ATP and ROS generation [41,45,80]. בַּמַבחֵנָה experiments show that when ATP synthesis is artificially inhibited, ΔΨM increases (e.g. above 140 mV) and the rate of mitochondrial respiration drops to a low level the consequent slowed rate of electron flow leads to the ETC becoming highly reduced, which promotes ROS production [45,87]. The low rate of mitochondrial respiration also leads to a build-up in the partial pressure of oxygen, which also contributes to an increase in ROS production. Conversely, an increase in ATP synthesis causes a drop in ΔΨM (e.g. below 120 mV), thus accelerating the respiration rate and electron flow through the ETC [45,87]. This results in a decrease in the reduced state of the ETC and in oxygen partial pressure, both of which cause ROS production to drop to levels that are barely detectable [87] (but see also [88]). Thus, both ROS production and the efficiency of ATP production may be decreased by a slight drop in Δp [22,23]. However, the two phenomena occur at different Δp levels, and therefore the relationship between them is unlikely to be straightforward. Until recently, these processes could only be measured בַּמַבחֵנָה, resulting in an artificial alteration of Δp by modulating inhibitor and substrate supply. However, recent technological advances now allow researchers to simultaneously measure the rates of oxygen consumption and ATP production in vivo [28,57,86]. These studies have confirmed the בַּמַבחֵנָה finding that an experimental increase in H + conductance results in lower ATP generation [74]. However, the recent development of more sophisticated and less cytotoxic uncoupling agents [89] and chemical probes to assess ROS generation in vivo [90] should help investigate the relationship between ATP and ROS generation.

6. Conclusion and directions for future research

We contend that the lack of appreciation for the variability in mitochondrial efficiency could lead to misleading interpretations of the relationships between oxygen consumption and animal performance, since the amount of ATP generated per molecule of oxygen consumed can vary significantly both among and within individuals. Combining sub-cellular and whole-organism measurements of metabolism will provide a more robust framework for understanding organismal energy metabolism. For example, a high P/O ratio does not necessarily result in high ATP production since this ratio can also be offset by a decrease in oxygen consumption rate (e.g. [36]) nor is it the case that individuals with a relatively low P/O ratio are necessarily producing less ATP than those with a higher P/O ratio, since this will depend on the rate of work of their mitochondria. Therefore, measuring both levels of energetic processes may give a better insight into the energy metabolism, since the rate of ATP generation is dependent on both the rate of oxygen consumption and the efficiency with which that consumed oxygen is used to make ATP.

The biological relevance of the P/O ratio for animal performance has often been evaluated using only a single tissue [33–35,37,61]. However, mitochondrial functioning, and in turn P/O ratio, may differ significantly among tissues in the same individual [56,91,92], probably due to tissue-specific control of the mitochondria [93,94]. For example, the effect of fasting on the P/O ratio of cold-acclimated birds differs between pectoralis and gastrocnemius muscles [95], and the loss of mitochondrial efficiency in older humans is more evident in dorsal interosseous muscle than in tibialis anterior muscle [86]. Thus, there is a need for studies that assess P/O ratio across multiple tissues. New approaches, based on biopsy [35,96] or blood samples [97], now make it possible for ecologists to conduct longitudinal studies of mitochondrial function [6], although such an approach may be challenging, depending on the tissue of interest or the studied animal. A crucial step in this field will be to assess whether samples that can be collected without sacrificing animals provide a representative measure of P/O ratios of different tissues.


סיכום

Proteins can form enormously sophisticated chemical devices, whose functions largely depend on the detailed chemical properties of their surfaces. Binding sites for ligands are formed as surface cavities in which precisely positioned amino acid side chains are brought together by protein folding. In the same way, normally unreactive amino acid side chains can be activated to make and break covalent bonds. Enzymes are catalytic proteins that greatly speed up reaction rates by binding the high-energy transition states for a specific reaction path they also perform acid catalysis and base catalysis simultaneously. The rates of enzyme reactions are often so fast that they are limited only by diffusion rates can be further increased if enzymes that act sequentially on a substrate are joined into a single multienzyme complex, or if the enzymes and their substrates are confined to the same compartment of the cell.

Proteins reversibly change their shape when ligands bind to their surface. The allosteric changes in protein conformation produced by one ligand affect the binding of a second ligand, and this linkage between two ligand-binding sites provides a crucial mechanism for regulating cell processes. Metabolic pathways, for example, are controlled by feedback regulation: some small molecules inhibit and other small molecules activate enzymes early in a pathway. Enzymes controlled in this way generally form symmetric assemblies, allowing cooperative conformational changes to create a steep response to changes in the concentrations of the ligands that regulate them.

Changes in protein shape can be driven in a unidirectional manner by the expenditure of chemical energy. By coupling allosteric shape changes to ATP hydrolysis, for example, proteins can do useful work, such as generating a mechanical force or moving for long distances in a single direction. The three-dimensional structures of proteins, determined by x-ray crystallography, have revealed how a small local change caused by nucleoside triphosphate hydrolysis is amplified to create major changes elsewhere in the protein. By such means, these proteins can serve as input–output devices that transmit information, as assembly factors, as motors, or as membrane-bound pumps. Highly efficient protein machines are formed by incorporating many different protein molecules into larger assemblies in which the allosteric movements of the individual components are coordinated. Such machines are now known to perform many of the most important reactions in cells.


צפו בסרטון: What is ATP? (נוֹבֶמבֶּר 2022).