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ATP FÜR DAVID - Biologie

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ATP

Eine weitere chemische Verbindung, mit der wir uns vertraut machen müssen, ist Adenosintriphospat (ATP). Die wichtigste zelluläre Rolle von ATP ist die als "kurzfristige" Energieübertragungsvorrichtung für die Zelle. Die Hydrolysereaktionen, die eines oder mehrere der Phosphate von ATP freisetzen, sind exergonisch und viele, viele zelluläre Proteine ​​haben sich entwickelt, um mit ATP auf eine Weise zu interagieren, die den Energietransfer von der Hydrolyse auf unzählige andere zelluläre Funktionen erleichtert. Wir werden viele Beispiele von ATP "bei der Arbeit" in der Zelle sehen - halten Sie Ausschau nach ihnen und versuchen Sie, sie als funktionale Beispiele für die Verwendung von ATP in der Natur zu betrachten, die Sie in einer anderen Reaktion erwarten könnten, oder Kontext.

ATP-Struktur und -Funktion

Das Herzstück von ATP ist das Nukleotid Adenosinmonophosphat (AMP). Wie die anderen Nukleotide besteht AMP aus einer stickstoffhaltigen Base (einem Adeninmolekül), die an ein Ribosemolekül und eine einzelne Phosphatgruppe gebunden ist. Die Anlagerung einer zweiten Phosphatgruppe an dieses Kernmolekül führt zur Bildung von Adenosindiphosphat (ADP); die Addition einer dritten Phosphatgruppe bildet Adenosintriphosphat (ATP).

Abbildung 1: ATP (Adenosintriphosphat) hat drei Phosphatgruppen, die durch Hydrolyse entfernt werden können, um ADP (Adenosindiphosphat) oder AMP (Adenosinmonophosphat) zu bilden.

Die Phosphorylierung oder die Kondensation von Phosphatgruppen an AMP ist ein endergonischer Prozess. Im Gegensatz dazu ist die Hydrolyse von einer oder zwei Phosphatgruppen aus ATP, ein Prozess namens Dephosphorylierung, ist exergonisch. Wieso den? Erinnern wir uns, dass sich die Begriffe endergonisch und exergonisch auf das Vorzeichen der Differenz der freien Energie einer Reaktion zwischen den Produkten und Reaktanten beziehen, G. In diesem Fall weisen wir der Reaktion explizit eine Richtung zu, entweder in Richtung der Phosphorylierung oder Dephosphorylierung des Nukleotids. Bei der Phosphorylierungsreaktion sind die Reaktanten das Nukleotid und ein anorganisches Phosphat, während die Produkte ein phosphoryliertes Nukleotid und WASSER sind. Bei der Dephosphorylierungs/Hydrolyse-Reaktion sind die Reaktanten das phosphorylierte Nukleotid und WASSER, während die Produkte anorganisches Phosphat und das Nukleotid minus einem Phosphat sind.

Da die Freie Energie von Gibbs eine Zustandsfunktion ist, spielt es keine Rolle, wie die Reaktion abläuft, Sie betrachten nur den Anfangs- und Endzustand. Betrachten wir zum Beispiel die Hydrolyse von ATP. Die Reaktanten ATP und Wasser sind durch ihre atomare Zusammensetzung und die Art der Bindungen zwischen den konstituierenden Atomen charakterisiert, und jeder der Bindungen und ihren möglichen Konfigurationen kann eine gewisse freie Energie zugeordnet werden – ebenso für die Produkte. Wenn wir die Reaktion vom Standpunkt der Produkte und Reaktanten aus untersuchen und fragen: "Wie können wir Atome und Bindungen in den Reaktanten rekombinieren, um die Produkte zu erhalten?", stellen wir fest, dass eine Phosphoanhydrid-Bindung zwischen einem Sauerstoff und einem Phosphor im ATP, eine im Wasser gebrochene Bindung zwischen Sauerstoff und Wasserstoff, eine Bindung zwischen dem OH (das aus der Wasserspaltung stammt) und dem Phosphor (aus dem freigesetzten PO3-2), und es muss eine Bindung zwischen dem H (abgeleitet von der Wasserspaltung) und dem terminalen Sauerstoff am phosphorylierten Nukleotid. Es ist die Summe der Energien, die mit all diesen Bindungsumlagerungen verbunden sind (einschließlich derjenigen, die direkt mit Wasser verbunden sind), die diese Reaktion exergonisch machen. Eine ähnliche Analyse könnte mit der Umkehrreaktion durchgeführt werden.

Notiz:

Mögliche Übung: Verwenden Sie die obige Abbildung von ATP und Ihr Wissen darüber, wie ein Wassermolekül aussieht, um eine Abbildung der oben beschriebenen Reaktionsschritte zu zeichnen: Aufbrechen der Phosphoanhydrid-Bindung, Aufbrechen von Wasser und Bildung neuer Bindungen zu ADP und anorganischem Phosphat. Verfolgen Sie die Atome in verschiedenen Farben, wenn das hilft.

Gibt es etwas Besonderes an den spezifischen Bindungen dieser Moleküle? In verschiedenen Texten wird viel über die Art der Bindungen zwischen den Phosphaten von ATP gemacht. Sicherlich tragen die Eigenschaften der Bindungen in ATP dazu bei, die freie Energie und Reaktivität des Moleküls zu definieren. Obwohl es angemessen ist, Konzepte wie Ladungsdichte und Verfügbarkeit von Resonanzstrukturen auf diese Diskussion anzuwenden, ist es eine besondere Art von Handwinken, auf die wir uns lieber nicht einlassen möchten. Die meisten BIS2A-Studenten haben keine College-Chemie und diejenigen, die dies getan haben, haben diese Begriffe wahrscheinlich nicht in sinnvoller Weise diskutiert. Der Versuch, den Prozess mit den oben genannten Ideen zu erklären, würde also nichts anderes tun, als ein falsches Verständnis zu vermitteln, dazu neigen, ATP eine mystische Qualität zuzuordnen und es sind "besondere" Bindungen, die nicht existieren, und vom eigentlichen Punkt abzulenken, der die Hydrolysereaktion ist wegen der Eigenschaften von ATP exergonisch, aber AUCH wegen der chemischen Eigenschaften von Wasser und denen der Reaktionsprodukte. Für diese Klasse ist es ausreichend zu wissen, dass engagierte Physikochemiker noch immer den Prozess der ATP-Hydrolyse in Lösung und im Kontext von Proteinen untersuchen und dass sie immer noch versuchen, die enthalpischen und entropischen Schlüsselkomponenten der freien Energien der Komponenten zu erklären. Wir müssen nur ein gewisses Maß an mechanistischer chemischer Unkenntnis akzeptieren und uns mit einer Beschreibung der groben thermodynamischen Eigenschaften begnügen. Letzteres reicht vollkommen aus, um tiefe Diskussionen über die relevante Biologie zu führen.

„Hochenergie“-Anleihen

Was ist mit dem Begriff "Hochenergiebindungen", den wir so oft in Verbindung mit ATP hören? Wenn die Bindungen in ATP nichts "Besonderes" sind, warum hören wir dann immer den Begriff "Hochenergiebindungen" in Verbindung mit dem Molekül? Die Antwort ist täuschend einfach. In der Biologie wird der Begriff "hochenergetische Bindung" verwendet, um eine exergonische Reaktion zu beschreiben, die die Hydrolyse der betreffenden Bindung beinhaltet, die zu einer "großen" negativen Änderung der freien Energie führt. Denken Sie daran, dass diese Änderung der freien Energie nicht nur mit der fraglichen Bindung zu tun hat, sondern vielmehr mit der Summe aller Bindungsumlagerungen in der Reaktion. Was ist eine große Veränderung? Dies scheint eine ziemlich willkürliche Zuordnung zu sein, die normalerweise mit einer Energiemenge verbunden ist, die mit den Arten von anabolen Reaktionen verbunden ist, die wir typischerweise in der Biologie beobachten. Wenn die Bindungen in ATP etwas Besonderes haben, ist dies nicht ausschließlich an die freie Hydrolyseenergie gebunden, da es viele andere Bindungen gibt, deren Hydrolyse zu größeren negativen Unterschieden in der freien Energie führt.

Figur 2: Die freie Hydrolyseenergie verschiedener Bindungstypen kann mit der der Hydrolyse von ATP verglichen werden. Quelle: http://biowiki.ucdavis.edu/Biochemis...perties_of_ATP

Video zu Elektron und Elektron/Proton-Trägern

Für ein 7-minütiges YouTube-Video über die Rolle von Trägern bei der Atmung klicken Sie hier.

Das Radfahren von ATP-Pools

Schätzungen für die Anzahl der ATP-Moleküle in einer typischen menschlichen Zelle reichen von ~3x107 (~5x10-17 Mol ATP/Zelle) in einem weißen Blutkörperchen auf 5x109 (~9x10-15 Mol ATP/Zelle) in einer aktiven Krebszelle. Obwohl diese Zahlen groß und bereits erstaunlich erscheinen mögen, bedenken Sie, dass dieser ATP-Pool schätzungsweise 1,5 x pro Minute umschlägt (wird zu ADP und dann wieder zu ATP). Die Erweiterung dieser Analyse ergibt die Schätzung, dass dieser tägliche Umsatz ungefähr dem Äquivalent eines Körpergewichts an ATP entspricht, das pro Tag umgesetzt wird. Das heißt, wenn kein Umsatz/Recycling von ATP stattfand, würde der menschliche Körper ATP im Wert von 1 Körpergewicht benötigen, um zu funktionieren - daher unsere frühere Charakterisierung von ATP als "kurzfristiges" Energieübertragungsgerät für die Zelle.

Während der Pool von ATP/ADP recycelt werden kann, wird ein Teil der Energie, die bei den vielen Umwandlungen zwischen ATP, ADP und anderen Biomolekülen übertragen wird, auch an die Umwelt abgegeben. Um die zellulären Energiepools aufrechtzuerhalten, muss auch Energie aus der Umgebung zugeführt werden. Woher kommt diese Energie? Die Antwort hängt stark davon ab, wo Energie verfügbar ist und welche Mechanismen die Natur entwickelt hat, um Energie aus der Umgebung auf molekulare Träger wie ATP zu übertragen. In fast allen Fällen hat sich der Übertragungsmechanismus jedoch so entwickelt, dass er eine Form der Redoxchemie umfasst. In diesem und den folgenden Abschnitten beschäftigen wir uns mit einigen kritischen Beispielen des Energietransfers aus der Umgebung, Schlüsseltypen der Chemie und biologischen Reaktionen, die an diesem Prozess beteiligt sind, und einigen biologischen Schlüsselreaktionen und zellulären Komponenten, die mit dem Energiefluss zwischen verschiedenen Teilen des Körpers verbunden sind das lebende System. Wir konzentrieren uns zunächst auf Reaktionen, die an der (Wieder-)Erzeugung von ATP in der Zelle beteiligt sind (nicht solche, die an der Bildung des Nukleotids per se beteiligt sind, sondern eher diejenigen, die mit der Übertragung von Phosphaten auf AMP und ADP verbunden sind).

Video-Link

Für eine detailliertere Erklärung von ATP und wie dieses Molekül Energie speichert, sehen Sie sich dieses Video (10 Minuten) an, indem Sie hier klicken. (Vorbehalt - noch nicht BIS2A Instructor validiert)

Wie erzeugen Zellen ATP?

Im Laufe der 3,25 Milliarden Jahre der Evolution haben sich eine Vielzahl von Mechanismen entwickelt, um ATP aus ADP und AMP zu erzeugen. Die meisten dieser Mechanismen sind Modifikationen zu zwei Themen: direkte Synthese von ATP oder indirekte Synthese von ATP mit zwei grundlegenden Mechanismen, die jeweils als bekannt sind: Phosphorylierung auf Substratebene (SLP) und oxidative Phosphorylierung. Diese Themen sind so substanziell, dass sie in den nächsten Modulen ausführlich behandelt werden. Es genügt zu sagen, dass beide Mechanismen auf biochemischen Reaktionen beruhen, die Energie von einer Energiequelle auf ADP oder AMP übertragen, um ATP zu synthetisieren.


Warum ist ein Magnesiumion für die ATP-Aktivität bei enzymatischen Reaktionen essentiell?

Der Wikipedia-Eintrag zu Magnesium in der Biologie enthält Folgendes:

ATP (Adenosintriphosphat), die Hauptenergiequelle der Zellen, muss an ein Magnesiumion gebunden werden, um biologisch aktiv zu sein. Was als ATP bezeichnet wird, ist oft tatsächlich Mg-ATP.

Ich verstehe nicht, warum Magnesium wichtig ist, um die hochenergetische Bindung in ATP zu brechen?


Absorptions- und Aktionsspektren

Absorptionsspektrum

  • Zeigt die Lichtabsorption von photosynthetische Pigmente für alle Wellenlängen
  • "Chlorophyll a**"** absorbiert hauptsächlich Violett und Orange.
  • "Chlorophyll b" absorbiert hauptsächlich Blau und Gelb.
  • "Carotinoide" absorbieren hauptsächlich Blaugrün und Violett.


Absorptionsspektrum, Quelle

Aktionsspektrum

  • Zeigt die Photosyntheserate für Lichtwellenlängen als a % des Höchstsatzes.


Aktionsspektrum, Quelle


Methoden

Aufbau des Sensortransgens. Wir erhielten Plasmide, die die normalen und Kinase-toten Versionen des neuartigen Clover-ATP-mApple-Fusionsproteins (Mendelsohn et al., 2018). Diese wurden für die PCR und Gibson-Assemblierung verwendet, um 1407 bp des zu fusionieren pept-1 Promotor an die sensorkodierende Region und die 3’UTR von unc-54 aus Vektor pPD95.67.

Umgang mit Stämmen und Würmern. unc-119(ed4) Mutanten wurden transgen für die pept-1-angetriebener Sensor und ein unc-119(+) Plasmid durch Mikroinjektion retten. Arrays wurden integriert, um MS2495-Stammträger zu erzeugen irIs158 (normaler Sensor) und MS2499 tragend irIs162 (kinase-toter Sensor). RNAi wurde durch Fütterung der HT115-Bakterien durchgeführt, die den leeren Vektor trugen, daf-2 oder atp-3 Sequenzen mit Standardmethoden (Kamath und Ahringer, 2003).

Fluoreszenzmikroskopie. Der vordere Darm von 1 bis 2 Tage alten Erwachsenen wurde auf einem aufrechten Epifluoreszenzmikroskop Olympus BX-51 abgebildet, das mit einer 100-W-Quecksilberbogenlampe und einer Canon EOS 77D-Kamera mit LMScope C-Mount-Adapter ausgestattet war. Der mApple wurde mit einem Chroma 31002 TRITC-Filtersatz erkannt. Für die FRET-Detektion haben wir den HQ500/20x Exciter und den Q515lp Strahlteiler aus einem Chroma 41029 YFP Filterset mit einem 635/20 Emissionsbandpassfilter (ein Geschenk von Dr. David Carter, UCR Microscopy Core) kombiniert. Um die Variabilität der Fluoreszenzintensität zu minimieren, wurden innerhalb kurzer Zeit Bilder für eine Reihe von Experimenten mit der gleichen Quecksilberbirne und den gleichen Einstellungen aufgenommen.


Vortrag:Zellatmung

Wie gelangt Sauerstoff in die Mitochondrien? Der Inhalt dieser Seite stammt aus dem, was ich in der High School Biologie gelernt habe. Einiges davon kann falsch sein. Außerdem vermute ich, dass es nur ein wenig mehr könnte man noch hinzufügen. Tun Sie dies auf jeden Fall (natürlich geht es in der 'pedia' darum). --bdesham, aber wen interessiert das schon.


In der Biochemie wurde mir beigebracht, dass die Zellatmung ein Prozess ist, der die metabolischen Reaktionen und Prozesse beschreibt, die in einer Zelle stattfinden, um Energie zu gewinnen, indem Elektronen auf einen anorganischen Elektronenakzeptor, normalerweise Sauerstoff, übertragen werden. Bei den im Abschnitt "Anaerobe Atmung" beschriebenen Reaktionen handelt es sich überhaupt nicht um respiratorische, sondern um Fermentationsreaktionen. Sofern sich die Dinge in den letzten 10 Jahren nicht geändert haben, dient die Glykolyse (EMP-Weg) als Front-End sowohl für die Atmung (TCA-Zyklus und Elektronentransportsystem) als auch für die Fermentation (Übertragen von Elektronen auf organische Moleküle, die zu Dingen wie Ethanol und Milchsäure führen). Können sich andere zur grundlegenden Definition der Atmung äußern? Tokidoki25 (Daisy Martinez) Benutzerrezension: Ich dachte, dass dieser Artikel SEHR hilfreich war, aber einige der Diagramme waren sehr verwirrend. Rate! Bewertung geschrieben:8. Dezember 2011 @ 3:23 Nbjansen 04:18, 11. März 2007 (UTC) :)

Ich habe ein grundlegendes Diagramm hinzugefügt, das die Teilprozesse der aeroben Atmung abdeckt. Ich habe es als Tabelle erstellt, anstatt das Ganze als .png hochzuladen, damit andere die Informationen leicht ändern können. Auf der Bearbeitungsseite sieht die Tabelle jedoch kompliziert und abstoßend aus. Wenn jemand den Inhalt des Diagramms ändern möchte, aber von dem ganzen hässlichen HTML auf jeden Fall abgeschreckt wird, die Tabelle zu bearbeiten, lass es mich auf meiner Diskussionsseite wissen und ich werde die Tabelle für dich bearbeiten. Theresa knott 13:56 6. Juni 2003 (UTC)

Ja, diese Tabelle ist irgendwie abstoßend. Ich habe ein Flussdiagramm im PNG-Format erstellt, wenn jemand es ändern muss / möchte, besuchen Sie User Talk: Bdesham und sagen Sie es. --bdesham 19:43 9. Juni 2003

Bakterien haben natürlich keine Mitochondrien, daher wird diese Diskussion über die "Zellatmung" von ihrer ursprünglichen Suche nach der aeroben Atmung abgelenkt. Dies ist eine große Lücke für diejenigen, die wissen möchten, was Mikroorganismen tun, um ihr ATP zu erhalten. — Vorhergehender unsignierter Kommentar hinzugefügt von 172.78.42.204 (Vortrag) 01:15, 1. Februar 2018 (UTC)

==Falsche ATP-Anzahl?== Der Nettogewinn von ATP beträgt sowohl 38 ATP als auch 36 ATp. Es hängt tatsächlich vom aktiven Shunt ab (Malat-Aspartat-Shunt = 38 atp & Glycerinphosphat-Shunt = 36 atp). Ich wollte nichts sagen, da mein Wissen auf die High-School-Biografie beschränkt ist, aber wenn ich sehe, wurde diese Seite auch mit diesem Wissen erstellt. uns wurde ein Nettogewinn von 36 ATP beigebracht, nicht 38. Vielleicht haben Sie vergessen, die 2 bei der Glykolyse abzuziehen? BEARBEITEN: Tatsächlich stimmt der Glykolyse-Artikel mit mir überein - Krebs und die ETC machen 34 ATP / Glukose. 24.218.58.113 19:39, 26. November 2004 (UTC). Weitere Bearbeitung: der vorherige war ich, ich bin ein neuer Benutzer. Nachdem ich auf mein Biologie-Lehrbuch Bezug genommen habe, lautet die wahre Antwort (glaube ich), dass 38 ATP der *optimale* Gewinn ist, der im Allgemeinen aufgrund solcher Verluste wie der Energie, die benötigt wird, um Pyruvat in die Mitochondrien zu transportieren, nicht realisiert wird. Ich werde eine kleine Änderung vornehmen, um dies widerzuspiegeln. Bitte korrigieren Sie mich, wenn dies die falsche Aktion ist. Endersdouble 19:47, 26. November 2004 (UTC)

Hmm. Wenn ich auf meine Notizen von HS Biology zurückblicke, sagen sie, dass der Gesamtgewinn an ATP aus der Glykolyse und Die aerobe Atmung beträgt 38 (2 aus der Glykolyse und 36 aus der aeroben Atmung). Ich googelte jedoch nach "Zellatmung" und fand [1]. Wenn Sie unter "Wie viele ATPs?" In diesem Abschnitt heißt es, dass die theoretische Gesamtzahl 38 beträgt, aber aufgrund der Umstände die Zahl selten über 30 liegt. Ich werde mich näher damit befassen, wenn ich Zeit habe. Danke schön! --bdesham 19:49, 26. November 2004 (UTC)

So funktioniert es: In vitro (im Reagenzglas mit allen Enzymen, Substraten unter den richtigen Bedingungen) kann ein Biochemiker 38 Moleküle ATP aus einem Molekül Glukose herstellen. In einer eukaryontischen Zelle tritt jedoch Glykolyse (die ATP und NADH produziert) im Zytoplasma auf, während die Atmung (und das Recycling von NADH) in den Mitochondrien stattfindet. Und das ist das Problem: -- Das gesamte NAD im Zytoplasma würde zu NADH und die Glykolyse wird aufgrund des Mangels an NAD aufhören. Daher muss NADH im Zytoplasma in die Mitochondrien transportiert werden, um seine Protonen und Elektronen (dh NADH-- > NAD). Dieser Transport kostet also 2 ATP in Eukaryoten, wir sagten, sie produzieren 36 ATP. Diese Art der Berechnung ist jedoch bedeutungslos - Wenn Glukose dazu verpflichtet ist, ATP und CO2 zu produzieren, werden alle lebenden Organismen die gleichen ATP-Eimer sein! Tatsache ist, dass eine Zelle kein einziges Molekül ATP mehr produziert, als sie benötigt.

Okay, wenn ich mir das alles anschaue, ist alles in Ordnung und toll, aber ich nehme gerade Bio und bin mir sicher, dass es 36 ATP ist, aber dann, wenn man altert, liegt es falsch, dass dies ein ziemliches Leiden zu sein scheint. —Vorhergehender unsignierter Kommentar hinzugefügt von 67.58.207.41 (Talk) 38 und 36 sind rein theoretische Zahlen, lesen Sie den Abschnitt Theoretische_Erträge. Aber wenn wir mit 36 ​​oder 38 gehen müssen, dann ist 36 eine genauere Schätzung (aber immer noch ziemlich schlecht) des meisten ATP, das aus einem Glukosemolekül hergestellt werden kann. David D. (Vortrag) 15:36, 3. Oktober 2006 (UTC) Auch wenn 36 genauer als 38 ist, bleibt die Tatsache bestehen, dass die Zahlen rein theoretisch sind relevant. Nach dem, was ich in Biologie studiert habe, ist 38 die maximale Anzahl von ATP-Molekülen, die potenziell produziert werden könnten, daher sollte die theoretische Anzahl von ATP-Molekülen, die von einem Glukosemolekül produziert werden, 38 betragen. EatMana 17:14, 24. Januar 2007 (UTC) Das ist nicht richtig. 38 ist unmöglich, da sich die beiden NADHs außerhalb der Mitochondrien befinden. Wenn die Lehrbücher 38 verwenden, gehen sie davon aus, dass dieses NADH in den Mitochondrien verwendet werden kann. Das ist falsch. Wenn das in Ihrem Lehrbuch so steht, schreiben Sie an den Autor und lassen Sie ihn den Fehler korrigieren. David D. (Vortrag) 05:46, 25. Januar 2007 (UTC)

Stryer berichtet seit vielen Jahren über 30 ATP, basierend auf einem 1991 erschienenen Biochemistry-Papier 30:3576 von Hinckle, Kumar et al. Die meisten Lehrbücher und Lehrer auf niedrigem Niveau knabbern einfach an den 36 oder 38, ohne zu bemerken, dass sie sich wirklich geändert haben. Ich habe die Nummern so geändert, dass sie den Nummern von Styer auf Seite 552 seiner 3. Auflage entsprechen. Eperotao 08:57, 21. Juli 2007 (UTC)

Habe gerade die Summe von 42 auf 36 ATP geändert. Früher wurde geschrieben, dass 8 NADH aus dem TCA-Zyklus generiert wurde, dies ist laut Lippincotts falsch. Es werden tatsächlich nur 6 NADH erzeugt. (3 für jedes Pyruvat). Bei 38 vs 36 hängt es davon ab, ob Sie das Malat-Shuttle oder das Glyceraldehyd-Shuttle verwenden. —Der vorhergehende unsignierte Kommentar wurde von 162.129.60.86 (Talk) 20:37, 21. August 2007 (UTC) hinzugefügt.

Sieht so aus, als hätten Sie den Vandalismus der letzten Zeit korrigiert, es war vor einiger Zeit 6 und 36. David D. (Vortrag) 21:40, 21. August 2007 (UTC)

Wenn Sie genau sein wollen, beträgt die Gesamtzahl der ATP-Moleküle, die aus einem Molekül Glucose-6-Phosphat erzeugt werden, 30 plus 2 Moleküle GTP. Dies unterscheidet sich von dem, was zuvor angegeben wurde, da ältere Zahlen die tatsächliche Anzahl von ATP pro NADH und FADH(2H) auf 3 bzw. 2 gerundet haben. NADH macht jedoch 2,5 Moleküle ATP aus und FAD(2H) machen 1,5 aus. Dies liegt daran, dass NADH durch Komplex I der Elektronentransportkette oxidiert wird, was dazu führt, dass 4 Wasserstoffprotonen an diesem Komplex durch die Membran gepumpt werden. FAD(2H) hingegen deponiert seine Elektronen im Komplex II, der keine Protonen durch die innere Mitochondrienmembran pumpt. Somit trägt FAD(2H) vor Komplex III keine Protonen zur protonenmotorischen Kraft bei. Da 4 Wasserstoffprotonen benötigt werden, um 1 ATP zu erzeugen (3 Protonen für die ATP-Synthase und 1 für die ATP-ADP-Translocase), produziert FAD(2H) 1 ATP weniger. Die Zahlen sollten wegen der relativ kürzlich beschriebenen Aktivität von Komplex IV nicht aufgerundet werden, der nur 2 Protonen durch die innere Mitochondrienmembran pumpt und 2 Protonen bei der Reduktion von molekularem Sauerstoff verwendet. Somit kann die Wirkung von Komplex IV nur genügend Protonen liefern, um 0,5 ATP-Moleküle zu synthetisieren. —Vorhergehender unsignierter Kommentar hinzugefügt von 98.249.5.218 (Talk) 00:48, 2. Oktober 2009 (UTC)

Hallo, nur um meine Idee einzubringen, der aktuelle Kurs, den ich mache, hat uns (noch heute) beigebracht, dass die theoretische Netto-ATP 38 und die tatsächliche 32 beträgt, der einzige Unterschied besteht darin, dass redNAD und redFAD nur 2,5 und 1,5 pro produzieren Pyruvat bzw. Was halten Sie davon?--79.77.65.236 (Talk) 23:59, 4. Februar 2010 (UTC)

Beim Lesen dieses Artikels und Glykolyse ist mir aufgefallen, dass sie viele Informationen duplizieren. Sollen sie zusammengeführt werden?

Ich denke, es wäre besser, die Glykolyse auf dieser Seite zu unterstreichen. Diese Seite sollte einen Überblick geben, während die Seite Glykolyse detaillierter sein sollte. David D. (Gespräch) 20:06, 28. Oktober 2005 (UTC) Ich stimme zu, es ist gut, getrennte zu haben. Dies fasst zusammen und zeigt seinen Platz, Glykolyse kann für ausführlichere Details und allgemeines Interesse nicht mit anderen Zellatmungsprozessen in Verbindung gebracht werden. Tyciol 20:26, 5. Oktober 2006 (UTC)

Sollte die Linkreaktion hier nicht enthalten sein? Obwohl es sich um einen scheinbar kleinen Schritt im Atmungs- und Stoffwechselprozess handelt, ist er dennoch lebenswichtig, da ohne Acetyl-CoA der Krebs-Zyklus nicht stattfinden könnte. -Unbekannt

Die tatsächliche Ausbeute liegt eher bei 30 ATP-Molekülen. Benutzer:69.113.3.155

Übrigens stimme ich zu, dass die Ineffizienz mehr Arbeit braucht, aber was ist die Grundlage dafür, dass diese Anzahl von 30ATPs pro Glukose "normal" ist? Die Ineffizienz des Protonenpumpens, die Undichtigkeit der inneren Membran gegenüber Protonen oder dass ständig Zwischenprodukte von Glukose zu CO2 für andere Stoffwechselreaktionen abgeschöpft werden? Ich bin mir nicht sicher, ob wir dies beziffern wollen, da es den Anschein hat, dass die Effizienz je nach anderen Stoffwechselreaktionen, die in einer Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt stattfinden, variieren würde. Gleiches gilt für die Effizienz des ETC, die je nach Fluss durch den Pfad variieren kann. Ich kann mir zum Beispiel vorstellen, dass die Effizienz während einer Hypoxie oder bei hohen ATP-Werten abnimmt, da unter diesen Bedingungen das maximale PMF produziert wird. Es kann jedoch sehr effizient sein, wenn viel Sauerstoff und ADP verfügbar sind. Haben Sie weitere Informationen? David D. (Vortrag) 22:50, 21. November 2005 (UTC) Ich stimme zu, dass die Energieladung (ungefähr das Verhältnis von ATP zu ADP und AMP) und die Verfügbarkeit von Molekülen oder der Bedarf der Zelle in Bezug auf die Biosynthese beeinflusst, wie viel der Glucose und ihrer Metaboliten werden tatsächlich in die oxidative Phosphorylierung und ATP-Synthese transportiert. Auch Entkopplungsproteine, z.B. UCP-1 wurden in der inneren Mitrochondrienmembran gefunden und sollen als (streng regulierte) Protonenkanäle wirken, die es Protonen ermöglichen, in die Matrix zurückzukehren, jedoch ohne ATP-Bildung, wie eine Art Energie-Shunt. Ich denke, sie spielen eine wichtige Rolle bei der Wärmeerzeugung, der metabolischen Energieverarbeitung und sind vielleicht auch an der Entwicklung oder Kontrolle von Erkrankungen wie Fettleibigkeit beteiligt (dieser Artikel beschreibt beispielsweise einige der UCP-Proteine ​​​​und was ihre Funktionen in lebenden Organismen sein könnten). Ich kann mir auch vorstellen, dass das Blockieren der Elektronentransportkette, das Entfernen von Elektronen von den Elektronenträgern oder das Verringern der Fähigkeit der Proteine, Protonen zu pumpen, auch die ATP-Synthese weiter reduzieren kann. Agaricus 17:34, 26. November 2006 (UTC)

Auf den Diskussionsseiten zur Elektronentransportkette haben wir festgestellt, dass es viele Seiten zu diesem Thema ohne ausreichende Querverweise gibt. Ich habe einen Abschnitt Siehe auch hinzugefügt, um dieses Problem zu beheben. -Rozzychan 18:04, 23. Juni 2006 (UTC)

Ich habe den obigen Satz gerade gestrichen, da dieser Artikel diese Definition überhaupt nicht behandelt. Gibt es ein Zitat für Zellatmung eine Beschreibung des extrazellulären Gasaustausches? Vielleicht sind diese Informationen besser für die Begriffsklärungsseite geeignet? David D. (Vortrag) 22:52, 13. August 2006 (UTC)

Ich hoffe, dass mir jemand helfen kann zu verstehen, wo die Fettoxidation in diesem aeroben Stoffwechsel stattfindet, da ich sie im Artikel nicht finden kann (sind meine Beobachtungsfähigkeiten schlecht?). Auch wenn dies nicht erwähnt wird, könnte es relevant sein, da der Fettstoffwechsel mit Sauerstoff stattfindet, und die Rolle des Glukosestoffwechsels bei den laufenden Fettsäureoxidationsprozessen. Tyciol 20:26, 5. Oktober 2006 (UTC)

Die Fettsäureoxidation ist bei Mensch und Tier zwar aerob und beginnt mit dem Transport von Fettsäureketten in die Mitrochondrien durch das „Carnitin-Shuttle“. Die Fettsäureketten sind im Mitrochondrium mit Coenzym A (CoA) verbunden, um ein Acyl-CoA-Molekül zu bilden, und dann findet eine Reihe von Reaktionen statt, die als "Beta-Oxidation" bezeichnet werden. Der Beta-Kohlenstoff, Kohlenstoff 3 der Fettsäurekette, wird oxidiert und zu einer Ketogruppe hydratisiert, und ein weiteres CoA-Molekül spaltet dieses Molekül dann zwischen den Kohlenstoffen 2 und 3. Dies bildet ein Molekül Acetyl-CoA, das in den Krebs-Zyklus eintreten kann , und ein Acyl-CoA, das jetzt 2 Kohlenstoffe kürzer ist. Der Vorgang wird wiederholt, bis die Fettsäurekette vollständig zu Acetyl-CoA oder bei ungeradkettigen Fettsäuren zu Propionyl-CoA abgebaut ist. Propionyl-CoA wird in einer Reihe von Reaktionen zu Succinyl-CoA umgewandelt, das ebenfalls ein Zwischenprodukt des Krebs-Zyklus ist. Tiere können Acetyl-CoA nicht in Glukose umwandeln (Pflanzen können dies tun, indem sie den Glyoxylat-Zyklus nutzen, für den Tiere keine Enzyme besitzen), und daher muss fast die gesamte ATP-Energie, die aus der Fettsäureoxidation gewonnen wird, direkt aus dem Krebs-Zyklus und oxidative Phosphorylierung, die beide Sauerstoff benötigen, um zu funktionieren. Diese Unfähigkeit, Glukose aus Acetyl-CoA zu synthetisieren, bedeutet, dass der Glukosestoffwechsel für die Oxidation von Fettsäuren unerlässlich ist. Oxalacetat, die Verbindung, mit der Acetyl-CoA im ersten Schritt des Zyklus zu Citrat kondensiert, muss vorhanden sein, damit der Zyklus ablaufen kann. Es kann aus Pyruvat durch Pyruvat-Carboxylase (erzeugt aus Glukose, anderen Kohlenhydraten, Glycerin und einigen Aminosäuren bei der Glykolyse) erzeugt werden sowie durch die Zugabe von Zwischenprodukten in den Krebs-Zyklus selbst (wie aus einigen anderen Aminosäuren und ungeraden- Kettenfettsäuren). Ohne genügend Oxalacetat kann Acetyl-CoA dann nicht durch den Krebs-Zyklus metabolisiert werden und wird stattdessen in ketogene Wege geleitet, um "Ketonkörper" wie Acetoacetat zu bilden. In Zeiten des Hungers, wenn die Glykogen- und Kohlenhydratreserven erschöpft sind, ist der Abbau von Muskelgewebe sehr wichtig, da viele Aminosäuren in Pyruvat oder Krebs-Zyklus-Zwischenprodukte umgewandelt werden können, und diese können dann verwendet werden, um Oxalacetat zu erzeugen, um den Krebs-Zyklus am Laufen zu halten sowie die Gluconeogenese zu ermöglichen. (Die meisten dieser Informationen habe ich extrahiert aus Biochemistry, 6. Aufl., Borg et al., Kapitel 17, 22 und 27)) Agaricus 18:47, 26. November 2006 (UTC)


Es gibt ein paar Artikel wie diesen, wie Complete Glukoseabbau, Atmung (Physiologie) und Kohlenhydratkatabolismus, die ähnliche Bereiche vage, aber ziemlich unzusammenhängend und verwirrend abdecken. Ich persönlich denke, dass diese zusammengeführt oder deren Inhalte in einem einzigen Übersichtsartikel zur Atmung zusammengefasst werden sollten (d. Auf dieser einzigen Seite könnten dann Links zu allen wichtigen Reaktionswegen der Atmung platziert werden, was meiner Meinung nach dazu beitragen würde, einen allgemeinen Überblick über das gesamte Thema zu erhalten. Alternativ könnten diese in das Thema Zellstoffwechsel zusammengeführt werden, wobei diese Seite die Übersicht darstellt, aber ich persönlich denke, dass Katabolismus und Anabolismus zwei verschiedene Dinge sind und mindestens eine Seite haben sollte, die beide separat behandelt. Irgendwelche Meinungen? Agaricus 18:47, 26. November 2006 (UTC)

Ich denke, alle Punkte, die Sie machen, sind sinnvoll. Ich möchte Sie ermutigen, einfach mit der Bearbeitung zu beginnen, wenn Sie einen Plan haben. Andere werden wahrscheinlich eingreifen und helfen, sobald Sie den Ball ins Rollen bringen. David D. (Vortrag) 07:33, 27. November 2006 (UTC)

Ich habe gerade den einleitenden Absatz bearbeitet, um die Atmung allgemeiner zu behandeln (anstatt sich nur auf Glukose und aerobe Atmung zu konzentrieren), obwohl ich nicht sicher bin, ob der Schreibstil unklar ist oder nicht (bitte lassen Sie es mich wissen ist).

Was den Plan betrifft, so stelle ich mir vor, dass das übergeordnete Ziel dieses Artikels darin besteht, jeden der wichtigsten Stoffwechselwege, die an der Zellatmung beteiligt sind, zu beschreiben und zu verknüpfen, dies jedoch auf allgemeine und integrierte Weise. So könnten wir zum Beispiel zunächst die skizzenhaften Wege der Glykolyse, des Krebs-Zyklus und der oxidativen Phosphorylierung als die „wichtigsten“ Atmungswege beschreiben. Dann könnten wir die Eintrittspunkte anderer Kohlenhydrate (einschließlich Glykogen), Aminosäuren und Fettabbauprodukte in dieses Schema betrachten. Die ATP-Generierungstabelle in diesem Artikel ist nützlich, aber vielleicht ist sie in ihrer vollständigen Form besser geeignet, um stattdessen auf der Seite der oxidativen Phosphorylierung zu stehen (da sie hauptsächlich für diesen speziellen Prozess und nicht für die Atmung im Allgemeinen spezifisch ist). Am Ende (obwohl ich bezweifle, dass ich wirklich genug redigieren werde, um eine große Rolle zu spielen), stelle ich mir vor, dass wir alle Stoffwechselartikel auf diese Weise organisiert haben möchten, mit einer allgemeinen Übersichtsseite, die alle wichtigen abdeckt Pfade auf einmal, mit Links zu den Themen, die jeden der Pfade detaillierter behandeln (ich denke, es ist schwieriger, die Komplexität und Vernetzung von Stoffwechselwegen zu verstehen, ohne den Stoffwechsel als Ganzes zu betrachten).

Ich werde mit der Bearbeitung beginnen, wenn ich Zeit habe, aber wenn jemand anders etwas bearbeiten möchte oder Vorschläge zu dem oben vorgeschlagenen "Plan" hat, können Sie dies gerne tun. (Edit: Signatur vergessen) Agaricus 20:07, 27. November 2006 (UTC)

Bei der aeroben Atmung werden 38 ATP-Moleküle und bei der anaeroben Atmung 2 gebildet. Aerobe Atmung ist für vielzellige Organismen und anaerobe Atmung ist für Bakterien. 2 ATP-Moleküle würden unseren Energiebedarf nicht decken.

Es gibt kein Szenario, in dem 38 ATP möglich ist. Die beiden NADH aus der Glykolyse können niemals verwendet werden, um 3ATP zu geben, selbst wenn das gesamte System mit maximaler Effizienz läuft. Energie wird benötigt, um die reduzierende NADH-Energie zum ETC zu transportieren, damit Elektronen nicht durch den Komplex eins passieren, wenn glykolytisches NADH oxidiert wird. Hefen sind keine Bakterien und verwenden anaerobe Atmung. Es gibt auch viele aerobe Mikroben. Warum nehmen Sie an, dass 2ATP aus der glykolytischen Oxidation nicht ausreichen könnte, um mehrzelliges Leben aufrechtzuerhalten? David D. (Vortrag) 06:07, 1. Dezember 2006 (UTC)

Anaerobe Atmung und Fermentation sind zwei verschiedene Prozesse. Die Atmung ist immer ein Prozess, bei dem eine Elektronentransportkette beteiligt ist und ein anorganisches Molekül (Sauerstoff ist am häufigsten, aber Sulfat oder Nitrat funktionieren auch, wenn die beiden später verwendet werden, ist es anaerobe Atmung) wird als letzter Elektronenakzeptor verwendet, während die Fermentation fehlt Elektronentransportkette und verwendet einen organischen Elektronenakzeptor. —Vorhergehender unsignierter Kommentar hinzugefügt von 130.238.116.4 (Talk) 08:30, 12. Mai 2009 (UTC)

Anstatt Links zu den echten Artikeln wie anaerobe Atmung zu setzen, sollte vielleicht jemand eine Kopie in diesen Artikel einfügen.--75.28.161.31 03:59, 1. Dezember 2006 (UTC)

Nein, es wäre zu groß. Dieser Artikel ist ein Überblick über die beteiligten Prozesse. David D. (Vortrag) 06:07, 1. Dezember 2006 (UTC)

Atmung (Physiologie) ist eine kurze, übergreifende Wikiseite, die die Zellatmung recht gut akzeptieren könnte, da sie sie überlappt, indem sie über aeroben und anaeroben Stoffwechsel spricht. Irgendwelche Ideen hier? Rhetth 20:33, 21. Dezember 2006 (UTC)

Ich empfehle es nicht. Die Zellatmung ist ein sehr großes und spezifisches Fach, wie jeder Biochemiestudent, der es jemals erlebt hat, sehr gut weiß. Wirklich, die winzigen Details der oxidativen Phosphoylierung müssen nicht in einem breiter angelegten Artikel über die Physiologie leben. - UhrwerkSeele 23:44, 21. Dezember 2006 (UTC)

Ich möchte klarstellen, dass Sie unter anaerober Atmung von einem Fermentationsprozess sprechen. Hinweis: Anaerobe Atmung und Fermentation sind zwei völlig unterschiedliche Prozesse. Die anaerobe Atmung ist der aeroben Fermentation sehr ähnlich, sie nutzt den Pyruvat-Decarboxylase-Schritt, tritt in den TCA-Zyklus ein und unterliegt einem Elektronenkettentransport. Der Unterschied besteht darin, dass der letzte Elektronenakzeptor ein anderes Molekül als O . ist2. Es kann eine Vielzahl von Molekülen sein, wie z. B. NO3 - , SO4 2– usw. Die Fermentation erfährt andererseits eine Glykolyse, und dann kann Pyruvat in eine Vielzahl von Wegen eintreten, wie beispielsweise homolaktische/heterolaktische Fermentation, gemischte Säurefermentation und Ethanolfermentation. Und was die Anzahl der produzierten ATP betrifft, so haben viele Lehrbücher eine Spanne von 36-38 ATP-Nettoproduktion. Und ich stimme nicht zu, dass die Zellatmung mit der Glykolyse verschmolzen werden sollte. Die Glykolyse ist einer von vier Schritten der Zellatmung (4, wenn man die Umwandlung von Pyruvat über Pyruvat-Decarboxylase zählt). Man kann viele Verbindungen zur Glykolyse herstellen, aber ich empfehle nicht, die Informationen zusammenzuführen. Ambrish100 03:14, 14. März 2007 (UTC)

Betrachten Sie Ihre drei Punkte:

  1. Ich stimme der Unterscheidung zwischen anaerober Atmung und Fermentation zu.
  2. Was die 36-38 betrifft, so sind die Lehrbücher falsch. Und einige Lehrbücher, wie Workd of the Cell, Becker et al. mach es richtig.
  3. Ich bin mir nicht sicher, ob ich den letzten Punkt verstehe. Ist dieser Artikel nicht ein Überblick über die vier Schritte der Zellatmung, warum sollte hier nicht die Glykolyse erwähnt werden? Es gibt einen separaten Artikel über die Glykolyse, der die Details erweitert.

Antwort: In meinem letzten Punkt stimme ich Ihnen in einer Ihrer früheren Antworten nur zu. Ambrish100 19:20, 16. März 2007 (UTC)

Es sagt, wo die Zellatmung in eukaryotischen Zellen stattfindet, aber es sagt nicht, wo sie in prokaryotischen Zellen stattfindet.

Es wäre schön, wenn dieser Artikel Informationen über den Prozentsatz der durch die Atmung freigesetzten Energie liefern würde, die dann von einem Organismus verwendet werden kann - Prozentsätze wären nützlich. —Vorhergehender unsignierter Kommentar hinzugefügt von Save the Truth (Talk • Beiträge) 17:09, 3. September 2007 (UTC) ssssss – Vorhergehender unsignierter Kommentar hinzugefügt von 69.243.43.82 (Talk) 23:52, 16. Oktober 2007 (UTC)

Hauptartikel muss sich an < . wenden

>.68.148.164.166 (Gespräch) 07:57, 14. Januar 2008 (UTC)

Nicht sicher ob ich verstehe. Was meinen Sie? -- Paleorthid (Vortrag) 14:29, 14. Januar 2008 (UTC) Danke David D., jetzt verstehe ich. - Paleorthid (Vortrag) 16:32, 14. Januar 2008 (UTC)

Anaerobe Atmung ist nicht gleich Fermentation. In diesem Abschnitt des Artikels wird die Gärung beschrieben, bei der das nach der Glykolyse entstehende Pyruvat durch NADH zu Milchsäure (Milchsäuregärung) oder Ethanol (alkoholische Gärung) reduziert wird. Die Elektronen werden an Pyruvat abgegeben. Die anaerobe Atmung ähnelt der aeroben Atmung. Bei der anaeroben Atmung durchlaufen Sie Glykolyse, Pyruvat-Oxidation, den Kreb-Zyklus und dann die Elektronenübertragungskette wie bei der aeroben Atmung mit dem Unterschied, dass der terminale Elektronenakzeptor nicht sauerstoff.

"Solche Organismen findet man normalerweise an ungewöhnlichen Orten wie Unterwasserhöhlen oder in der Nähe von hydrothermalen Quellen am Meeresgrund." +- 40% der Bakterien, die in einem normalen nitrifizierenden Biofilm vorhanden sind, nutzen einen anaeroben Weg. Solche Organismen sind überall und nicht nur typisch für ungewöhnliche Orte. — Vorhergehender unsignierter Kommentar hinzugefügt von 2A02:A03F:4A31:200:71AB:845D:28FA:F604 (Talk) 16:51, 9. Januar 2020 (UTC)

In der folgenden Aussage hatte ich organisch in anorganisch geändert - aber es könnte eine Klärung erforderlich sein. "Es gibt jedoch Organismen, die atmen können, indem sie andere anorganische Moleküle als Elektronenakzeptoren anstelle von Sauerstoff verwenden."

Ich denke, dies könnte die Klarstellung sein: - Für die letzten Elektronenakzeptoren in der Elektronentransportkette bei der aeroben Atmung sind sie anorganisch - Für die letzten Elektronenakzeptoren bei der Fermentation (die aerob oder anaerob sein können) sind sie organisch (Brenztraubensäure oder Derivate von Brenztraubensäure)

Ich glaube, es geht um Lithotrophen. Tim Vickers (Vortrag) 17:37, 7. Juli 2008 (UTC)

Ich habe dieses Diagramm für meinen Biologieunterricht zusammengestellt und war der Meinung, dass es von Nutzen sein könnte. Es kann etwas ungenau oder unklar sein, also schlagen Sie bitte Änderungen vor und ich werde sie nach Möglichkeit vornehmen. Ich habe es hier eingefügt, aber nicht zum Artikel hinzugefügt, weil ich nicht sicher bin, wo oder wie es in die Seite eingefügt werden soll. --RegisFrey (Vortrag) 16:18, 16. Juli 2008 (UTC)

Sieht großartig aus! Ein paar Kommentare:

  1. Du hast einen Tippfehler in "fumarat"
  2. Besser wäre es, den Pfeil so zu verschieben, dass Wasser durch Komplex IV reduziert wird, es sieht derzeit so aus, als ob dies über die ATP-Synthase geschieht.
  3. Ich würde den Begriff "Übergangsreaktion" kürzen, da dies nicht häufig verwendet wird (ich musste es nachschlagen!)

Dankeschön. Tim Vickers (Vortrag) 16:34, 16. Juli 2008 (UTC)

Danke für die schnelle Antwort. Ich habe einige Änderungen vorgenommen (und hochgeladen), basierend auf Ihren Kommentaren, also hoffe ich, dass das hilft. Ich stelle fest, dass der Text im Rendering von Wikipedia seltsam ist ('Acetyl-CoA' ignoriert seinen Pfad, Überschneidungen usw.). das einfache SVG wird in Safari 3 zu 99% korrekt angezeigt (nur leichte Überlappungen) und in Firefox 3 vollständig korrekt angezeigt. Das hat sich jedenfalls geändert. --RegisFrey (Vortrag) 15:29, 17. Juli 2008 (UTC)

Hi. Ich schlage vor, die Pflanzenatmung hier einzubeziehen. Bei diesem Stub scheint es um die zelluläre Ebene der Dinge zu gehen, und soweit ich weiß (da ich kein Botaniker bin), ist die Zellatmung bei Pflanzen die gleiche wie bei Tieren oder sogar bei den meisten Eukaryoten. Ich würde es einfach tun, aber ich bin mir nicht sicher, dass es keinen Unterschied gibt, also dachte ich, ich würde sehen, ob es irgendwelche Einwände gibt. —Elipongo (Gesprächsbeiträge) 21:13, 24. September 2008 (UTC)

Wenn ich mir den Artikel ansehe, würde ich ihn einfach in eine Weiterleitung zu diesem umwandeln. Es gibt nichts, was nicht hier ist. Tim Vickers (Vortrag) 23:11, 24. September 2008 (UTC) Okay, ein positiver Kommentar scheint der einzige zu sein, ich fahre fort. —Elipongo (Gesprächsbeiträge) 15:51, 29. September 2008 (UTC)

was ich denke —Vorhergehender unsignierter Kommentar hinzugefügt von 86.162.137.252 (Vortrag) 17:32, 23. Januar 2009 (UTC)

Ich habe versucht, Ihre Gleichung für Glukose zu Pyruvat auszugleichen, mit wenig Erfolg. Möglicherweise möchten Sie Ihren Inhalt nach dem Betrachten dieser Seite überarbeiten. Während die allgemeine Zusammenfassung des Prozesses richtig ist, erzeugt die Endreaktion nur ein Proton und keine Wassermoleküle. Pdorion (Vortrag) 10:30, 3. Februar 2009 (UTC)

Ich habe kürzlich eine Tabelle in MS-Word erstellt, die den anaeroben und aeroben Abbau von Glukose zusammenfasst. Es enthält Spalten wie Schrittname, Reaktanten, Produkte, Standort und ATP-Ausbeute. Ich denke, es wäre nützlich, es direkt über "Siehe auch" zu platzieren. Wie reiche ich es zur Überprüfung ein?

Hallo, Sie müssen es zuerst in einem Formular formatieren, das Sie hier hinzufügen können. Anweisungen finden Sie unter Hilfe:Tabelle. Tim Vickers (Vortrag) 23:37, 5. Mai 2009 (UTC)


ATP FÜR DAVID - Biologie


ATP: Die perfekte Energie
Währung für die Zelle

Jerry Bergman, Ph.D.
&Kopie 1999 von Creation Research Society. Alle Rechte vorbehalten. Mit Genehmigung verwendet.
Dieser Artikel erschien zuerst in Vol. 36, Nr. 1 der Creation Research Society Quarterly ,
eine von Experten begutachtete Zeitschrift, die von der Creation Research Society herausgegeben wird.

Abstrakt

Das wichtigste Energiewährungsmolekül der Zelle, ATP, wird im Kontext des Kreationismus bewertet. Dieses komplexe Molekül ist von entscheidender Bedeutung für alles Leben, vom einfachsten bis zum komplexesten. Es ist nur eine von Millionen enorm komplizierter Nanomaschinen, die entwickelt werden müssen, damit Leben auf der Erde existieren kann. Dieser Motor ist ein hervorragendes Beispiel für irreduzible Komplexität, denn er ist in seiner Gesamtheit notwendig, damit selbst die einfachste Lebensform überleben kann.

Einführung

Abb. 1. Ansichten von ATP und verwandten Strukturen.

Ein äußerst wichtiges Makromolekül „von Bedeutung nur für die DNA„ist ATP. ATP ist eine komplexe Nanomaschine, die als primäre Energiewährung der Zelle dient (Trefil, 1992, S.93). Eine Nanomaschine ist eine komplexe Präzisionsmaschine von mikroskopischer Größe, die der Standarddefinition einer Maschine entspricht. ATP ist die „im menschlichen Körper am weitesten verbreitete energiereiche Verbindung&rdquo (Ritter, 1996, S. 301). Dieses allgegenwärtige Molekül ist dazu bestimmt, komplexe Moleküle aufzubauen, Muskeln zusammenzuziehen, Strom in Nerven zu erzeugen und Glühwürmchen zu entzünden. Alle Energiequellen der Natur, alle Lebensmittel der Lebewesen, produzieren ATP, das wiederum praktisch jede Aktivität der Zelle und des Organismus antreibt. Stellen Sie sich die metabolische Verwirrung vor, wenn dem nicht so wäre: Jedes der verschiedenen Lebensmittel würde unterschiedliche Energiewährungen erzeugen und jede der vielfältigen Zellfunktionen müsste in ihrer einzigartigen Währung handeln“ (Kornberg, 1989, S. 62).

ATP ist eine Abkürzung für Adenosintriphosphat, ein komplexes Molekül, das das Nukleosid Adenosin und einen aus drei Phosphaten bestehenden Schwanz enthält. (Siehe Abbildung 1 für eine einfache Strukturformel und ein raumfüllendes Modell von ATP.) Soweit bekannt, verwenden alle Organismen, von den einfachsten Bakterien bis zum Menschen, ATP als ihre primäre Energiewährung. Das Energieniveau, das es trägt, ist genau die richtige Menge für die meisten biologischen Reaktionen. Nährstoffe enthalten Energie in niederenergetischen kovalenten Bindungen, die für die meisten Arbeiten in den Zellen nicht sehr nützlich sind.

Diese niederenergetischen Bindungen müssen in hochenergetische Bindungen übersetzt werden, und dies ist eine Rolle von ATP. Eine stetige Zufuhr von ATP ist so wichtig, dass ein Gift, das eines der bei der ATP-Produktion verwendeten Proteine ​​angreift, den Organismus innerhalb von Minuten tötet. Bestimmte Cyanidverbindungen sind beispielsweise giftig, weil sie an das Kupferatom der Cytochromoxidase binden. Diese Bindung blockiert das Elektronentransportsystem in den Mitochondrien, wo die ATP-Produktion stattfindet (Goodsell, 1996, S.74).

Wie ATP Energie überträgt

Normalerweise wird aus dem ATP-Molekül Energie freigesetzt, um in der Zelle durch eine Reaktion zu arbeiten, bei der eine der Phosphat-Sauerstoff-Gruppen entfernt wird, wodurch Adenosindiphosphat (ADP) zurückbleibt. Wenn das ATP in ADP umgewandelt wird, wird das ATP ausgegeben. Dann wird das ADP normalerweise sofort in den Mitochondrien recycelt, wo es wieder aufgeladen wird und als ATP wieder herauskommt. In den Worten von Trefil (1992, S. 93) „das letzte Phosphat [auf ATP] ein- und auszuhaken, ist das, was die ganze Welt am Laufen hält.&rdquo

Die enorme Aktivität, die in jeder der etwa hundert Billionen menschlichen Zellen stattfindet, zeigt sich daran, dass jede Zelle zu jedem Zeitpunkt etwa eine Milliarde ATP-Moleküle enthält. Diese Menge reicht aus, damit die Zelle nur wenige Minuten braucht und schnell recycelt werden muss. Bei 100 Billionen Zellen eines durchschnittlichen Mannes existieren normalerweise etwa 10 23 oder eine Sextillion ATP-Moleküle im Körper. Für jedes ATP „das terminale Phosphat wird dreimal pro Minute hinzugefügt und entfernt” (Kornberg, 1989, S. 65).

Der Gesamtgehalt an ATP im menschlichen Körper beträgt nur etwa 50 Gramm, das täglich ständig recycelt werden muss. Die ultimative Energiequelle für den Aufbau von ATP ist die Nahrung ATP ist einfach die Träger- und Regulations-Speichereinheit von Energie. Die durchschnittliche tägliche Aufnahme von 2.500 Lebensmittelkalorien entspricht einem Umsatz von satten 180 kg (400 lbs) ATP (Kornberg, 1989, S. 65).

Die Struktur von ATP

ATP enthält die Purinbase Adenin und den Zucker Ribose, die zusammen das Nukleosid Adenosin bilden. Die Grundbausteine, die zum Aufbau von ATP verwendet werden, sind Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Phosphor, die zu einem Komplex zusammengesetzt sind, der die Anzahl der subatomaren Teile enthält, die über 500 Wasserstoffatomen entsprechen. Eine Phosphatesterbindung und zwei Phosphatanhydridbindungen halten die drei Phosphate (PO 4 ) und die Ribose zusammen. Die Konstruktion enthält auch eine b-N-Glycosidbindung, die die Ribose und das Adenin zusammenhält.

Abb. 2. Das zweidimensionale Stabmodell der Adenosinphosphat-Molekülfamilie, das die Atom- und Bindungsanordnung zeigt.

Phosphate sind bekannte hochenergetische Moleküle, d.h. beim Entfernen der Phosphatgruppen wird vergleichsweise viel Energie freigesetzt. Tatsächlich ist der hohe Energiegehalt nicht nur das Ergebnis der Phosphatbindung, sondern der totalen Wechselwirkung aller Atome innerhalb des ATP-Moleküls.

Da die Energiemenge, die beim Aufbrechen der Phosphatbindung freigesetzt wird, der typischen biologischen Reaktion sehr nahe kommt, wird wenig Energie verschwendet. Im Allgemeinen ist ATP mit einer anderen Reaktion verbunden, die als Kupplung bezeichnet wird, was bedeutet, dass die beiden Reaktionen gleichzeitig und am selben Ort ablaufen, wobei normalerweise derselbe Enzymkomplex verwendet wird. Die Freisetzung von Phosphat aus ATP ist exotherm (eine Reaktion, die Wärme abgibt) und die Reaktion, mit der es verbunden ist, ist endotherm (erfordert Energiezufuhr, um ablaufen zu können). Die endständige Phosphatgruppe wird dann durch Hydrolyse auf eine andere Verbindung übertragen, ein Prozess, der als Phosphorylierung bezeichnet wird, wodurch ADP, Phosphat (P i ) und Energie erzeugt werden.

Das Selbstregulationssystem von ATP wurde wie folgt beschrieben:

Die hochenergetischen Bindungen von ATP sind eigentlich eher instabile Bindungen. Da sie instabil sind, wird die Energie von ATP leicht freigesetzt, wenn ATP in zellulären Reaktionen hydrolysiert wird. Beachten Sie, dass ATP ein Energiekopplungsmittel und kein Kraftstoff ist. Es ist kein Energiespeicher, der für einen zukünftigen Bedarf reserviert ist. Es wird vielmehr von einer Reihe von Reaktionen produziert und fast sofort von einer anderen verbraucht. ATP wird nach Bedarf gebildet, vor allem durch oxidative Prozesse in den Mitochondrien. Sauerstoff wird nicht verbraucht, es sei denn, ADP und ein Phosphatmolekül sind verfügbar, und diese werden erst verfügbar, wenn ATP durch einen energieverbrauchenden Prozess hydrolysiert wird. Der Energiestoffwechsel ist daher größtenteils selbstregulierend (Hickman, Roberts und Larson, 1997, S.43). [Kursiv meins]

ATP ist nicht übermäßig instabil, aber es ist so konzipiert, dass seine Hydrolyse in Abwesenheit eines Katalysators langsam ist. Dies stellt sicher, dass seine gespeicherte Energie "nur in Gegenwart des entsprechenden Enzyms freigesetzt" wird (McMurry und Castellion, 1996, S. 601).

Die Funktion von ATP

Das ATP wird für viele Zellfunktionen verwendet, einschließlich der Transportarbeit, die Substanzen durch die Zellmembranen bewegt. Es wird auch für mechanische Arbeit verwendet und liefert die Energie, die für die Muskelkontraktion benötigt wird. Es versorgt nicht nur den Herzmuskel (für die Blutzirkulation) und die Skelettmuskulatur (zum Beispiel für die grobe Körperbewegung) mit Energie, sondern auch die Chromosomen und Geißeln, damit sie ihre vielen Funktionen ausführen können. Eine wichtige Rolle von ATP spielt in der chemischen Arbeit, indem es die erforderliche Energie liefert, um die Tausenden von Arten von Makromolekülen zu synthetisieren, die die Zelle zum Leben benötigt.

ATP wird auch als Ein-Aus-Schalter sowohl zur Steuerung chemischer Reaktionen als auch zum Senden von Nachrichten verwendet. Die Form der Proteinketten, die die Bausteine ​​​​und andere im Leben verwendete Strukturen herstellen, wird hauptsächlich durch schwache chemische Bindungen bestimmt, die leicht gebrochen und wiederhergestellt werden können. Diese Ketten können sich als Reaktion auf Energiezufuhr oder -entzug verkürzen, verlängern und ihre Form ändern. Die Veränderungen in den Ketten verändern die Form des Proteins und können auch seine Funktion verändern oder dazu führen, dass es aktiv oder inaktiv wird.

Das ATP-Molekül kann sich an einen Teil eines Proteinmoleküls binden, wodurch ein anderer Teil desselben Moleküls gleitet oder sich leicht bewegt, wodurch es seine Konformation ändert und das Molekül inaktiviert. Die anschließende Entfernung von ATP bewirkt, dass das Protein in seine ursprüngliche Form zurückkehrt und somit wieder funktionsfähig ist. Der Zyklus kann wiederholt werden, bis das Molekül recycelt ist, was effektiv als Ein- und Ausschalter dient (Hoagland und Dodson, 1995, S. 104). Sowohl das Hinzufügen eines Phosphors (Phosphorylierung) als auch das Entfernen eines Phosphors aus einem Protein (Dephosphorylierung) können entweder als Ein- oder Ausschalter dienen.

Wie wird ATP hergestellt?

ATP wird als Ergebnis mehrerer Zellprozesse einschließlich Fermentation, Atmung und Photosynthese hergestellt. Am häufigsten verwenden die Zellen ADP als Vorläufermolekül und fügen dann Phosphor hinzu. Bei Eukaryoten kann dies entweder im löslichen Teil des Zytoplasmas (Zytosol) oder in speziellen energieerzeugenden Strukturen, den Mitochondrien, auftreten. Das Aufladen von ADP zur Bildung von ATP in den Mitochondrien wird als chemiosmotische Phosphorylierung bezeichnet. Dieser Prozess findet in speziell konstruierten Kammern statt, die sich in den inneren Membranen des Mitochondriums befinden.

Abb. 3. Ein Umriss des ATP-Synthase-Makromoleküls mit seinen Untereinheiten und Nanomaschinenmerkmalen. Die ATP-Synthase wandelt ADP in ATP um, ein Vorgang, der als Aufladen bezeichnet wird. Hinter der ATP-Synthase ist die Membran gezeigt, in die die ATP-Synthase eingebaut ist. Für das in den Mitochondrien geladene ATP befindet sich die ATP-Synthase in der inneren Membran.

Das Mitochondrium selbst funktioniert, um einen elektrischen chemischen Gradienten zu erzeugen, „etwas wie eine Batterie“, indem es Wasserstoffionen im Raum zwischen der inneren und äußeren Membran ansammelt. Diese Energie kommt von den geschätzten 10.000 Enzymketten in den Membransäcken an den Mitochondrienwänden. Der größte Teil der Nahrungsenergie für die meisten Organismen wird durch die Elektronentransportkette produziert. Die zelluläre Oxidation im Krebs-Zyklus verursacht einen Elektronenaufbau, der verwendet wird, um H + -Ionen durch die innere Mitochondrienmembran nach außen zu drücken (Hickman et al., 1997, S. 71).

Während sich die Ladung aufbaut, stellt es ein elektrisches Potenzial bereit, das seine Energie freisetzt, indem es einen Fluss von Wasserstoffionen durch die innere Membran in die innere Kammer verursacht. Die Energie bewirkt, dass ein Enzym an ADP gebunden wird, das die Addition eines dritten Phosphors katalysiert, um ATP zu bilden. Pflanzen können auf diese Weise auch ATP in ihren Mitochondrien produzieren, Pflanzen können jedoch auch ATP produzieren, indem sie die Energie des Sonnenlichts in Chloroplasten nutzen, wie später erörtert wird. Bei eukaryontischen Tieren stammt die Energie aus der Nahrung, die in Pyruvat und dann in Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) umgewandelt wird. Acetyl-CoA tritt dann in den Krebs-Zyklus ein, der Energie freisetzt, die zur Umwandlung von ADP zurück in ATP führt.

Wie dient dieser Potentialunterschied dazu, die Phosphate wieder an ADP-Moleküle zu binden? Je mehr Protonen sich in einem Bereich befinden, desto mehr stoßen sie sich gegenseitig ab. Wenn die Abstoßung ein bestimmtes Maß erreicht, werden die Wasserstoffionen aus einer drehtürähnlichen Struktur herausgedrückt, die auf der inneren Mitochondrienmembran angebracht ist, die als ATP-Synthase-Komplexe bezeichnet wird. Dieses Enzym dient dazu, die Phosphate wieder an die ADP-Moleküle zu binden, wodurch wiederum ATP gebildet wird.

Die ATP-Synthase-Drehtür ähnelt einem molekularen Wasserrad, das den Fluss von Wasserstoffionen nutzt, um ATP-Moleküle aufzubauen. Jede Umdrehung des Rades erfordert die Energie von etwa neun Wasserstoffionen, die in die mitochondriale innere Kammer zurückkehren (Goodsell, 1996, S.74). Auf der ATP-Synthase befinden sich drei aktive Zentren, von denen jedes mit jeder Umdrehung des Rades ADP in ATP umwandelt. Unter maximalen Bedingungen dreht sich das ATP-Synthase-Rad mit einer Geschwindigkeit von bis zu 200 Umdrehungen pro Sekunde und produziert in dieser Sekunde 600 ATPs.

ATP wird in Verbindung mit Enzymen verwendet, um die Bindung bestimmter Moleküle zu bewirken. Das richtige Molekül dockt zunächst zusammen mit einem ATP-Molekül am aktiven Zentrum des Enzyms an. Das Enzym katalysiert dann die Übertragung eines der ATP-Phosphate auf das Molekül, wodurch die im ATP-Molekül gespeicherte Energie auf dieses Molekül übertragen wird. Als nächstes dockt ein zweites Molekül in der Nähe an einem zweiten aktiven Zentrum des Enzyms an. Das Phosphat wird dann darauf übertragen und liefert die Energie, die benötigt wird, um die beiden Moleküle zu binden, die jetzt an das Enzym gebunden sind. Sobald sie gebunden sind, wird das neue Molekül freigesetzt. Dieser Vorgang ähnelt der Verwendung einer mechanischen Vorrichtung, um zwei Metallstücke richtig zu positionieren, die dann zusammengeschweißt werden. Nach dem Verschweißen werden sie als Einheit freigegeben und der Prozess kann von vorne beginnen.

Ein doppeltes Energiepaket

Obwohl ATP die für die meisten Reaktionen notwendige Energiemenge enthält, wird manchmal mehr Energie benötigt. Die Lösung besteht darin, dass ATP zwei Phosphate statt eines freisetzt, wodurch ein Adenosinmonophosphat (AMP) plus eine Kette von zwei Phosphaten, die als Pyrophosphat bezeichnet werden, entsteht. Wie Adenosinmonophosphat zu ATP aufgebaut wird, verdeutlicht erneut die Präzision und Komplexität des Zellenergiesystems. Die Enzyme der Glykolyse, des Zitronensäurezyklus und des Elektronentransportsystems sind alle so präzise, ​​dass sie nur ein einziges Phosphat ersetzen. Sie können einem AMP-Molekül nicht zwei neue Phosphate hinzufügen, um ATP zu bilden.

Die Lösung ist ein kompliziertes Enzym namens Adenylatkinase, das ein einzelnes Phosphat von einem ATP auf das AMP überträgt und zwei ADP-Moleküle produziert. Die beiden ADP-Moleküle können dann in den normalen Krebs-Zyklus eintreten, der darauf ausgelegt ist, ADP in ATP umzuwandeln. Adenylatkinase benötigt ein Magnesiumatom und dies ist einer der Gründe, warum eine ausreichende Magnesiumzufuhr über die Nahrung wichtig ist.

Adenylatkinase ist ein hoch organisiertes, aber kompaktes Enzym, dessen aktives Zentrum tief im Molekül liegt. Das tiefe aktive Zentrum wird benötigt, da die von ihm katalysierten Reaktionen wasserempfindlich sind. Wenn sich Wassermoleküle zwischen ATP und AMP festsetzen, könnte das Phosphat ATP in ADP und ein freies Phosphat spalten, anstatt ein Phosphat von ATP auf AMP zu übertragen, um ADP zu bilden.

Um dies zu verhindern, wurde die Adenylatkinase so konzipiert, dass sich das aktive Zentrum am Ende eines Kanals tief in der Struktur befindet, der sich um AMP und ATP schließt und die Reaktion vor Wasser schützt. Viele andere Enzyme, die ATP verwenden, verlassen sich auf dieses System, um ihr aktives Zentrum zu schützen, um das Auftreten unangemessener Reaktionen zu verhindern. Dieses System stellt sicher, dass der einzige Abfall, der anfällt, der normale Verschleiß, die Reparatur und der Ersatz der Zellorganellen ist.

Pyrophosphate und Pyrophosphorsäure, beides anorganische Formen des Phosphors, müssen ebenfalls abgebaut werden, damit sie recycelt werden können. Dieser Phosphatabbau wird durch das anorganische Enzym Pyrophosphatase erreicht, das das Pyrophosphat spaltet, um zwei freie Phosphate zu bilden, die verwendet werden können, um ATP aufzuladen (Goodsell, 1996, S.79). Dieses System ist so erstaunlich effizient, dass praktisch kein Abfall entsteht, was angesichts seines enorm detaillierten Aufbaus verblüfft. Goodsell (1996, S. 79) fügt hinzu, dass „unsere energieerzeugende Maschinerie für die Produktion von ATP ausgelegt ist: schnell, effizient und in großen Mengen.&rdquo

Der Hauptenergieträger, den der Körper verwendet, ist ATP, aber auch andere energetisierte Nukleotide wie Thymin, Guanin, Uracil und Cytosin werden zur Herstellung von RNA und DNA verwendet. Der Krebs-Zyklus lädt nur ADP, aber die in ATP enthaltene Energie kann mit Hilfe eines Enzyms namens Nukleosid-Diphosphat-Kinase auf eines der anderen Nukleoside übertragen werden. Dieses Enzym überträgt das Phosphat von einem Nukleosidtriphosphat, üblicherweise ATP, auf ein Nukleosiddiphosphat wie Guanosindiphosphat (GDP), um Guanosintriphosphat (GTP) zu bilden.

Die Nukleosiddiphosphat-Kinase funktioniert, indem eines ihrer sechs aktiven Zentren Nukleosidtriphosphat bindet und das an ein Histidin gebundene Phosphat freisetzt. Dann wird das Nukleosidtriphosphat, das jetzt ein Diphosphat ist, freigesetzt, und ein anderes Nukleosiddiphosphat bindet an dieselbe Stelle und als Ergebnis wird das an das Enzym gebundene Phosphat übertragen und bildet ein neues Triphosphat. Unzählige andere Enzyme sind vorhanden, damit ATP seine Energie an die verschiedenen Stellen übertragen kann, an denen sie benötigt wird. Jedes Enzym muss speziell entwickelt werden, um seine einzigartige Funktion auszuführen, und die meisten dieser Enzyme sind für Gesundheit und Leben von entscheidender Bedeutung.

Der Körper besitzt eine gewisse Flexibilität, und manchmal ist Leben möglich, wenn eines dieser Enzyme defekt ist, aber die Person ist oft behindert. Außerdem gibt es manchmal Backup-Mechanismen, damit der Körper die gleichen Ziele auf einem alternativen biochemischen Weg erreichen kann. Diese wenigen einfachen Beispiele veranschaulichen beredt das Konzept des in die Karosserie eingebauten Overdesigns. Sie belegen auch die enorme Komplexität des Körpers und seiner Biochemie.

Die Botschaft des Moleküls

Ohne ATP könnte das Leben, wie wir es verstehen, nicht existieren.Es ist ein perfekt konstruiertes, kompliziertes Molekül, das eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung des Energiepakets der richtigen Größe für Tausende von Reaktionsklassen spielt, die in allen Lebensformen auftreten. Sogar Viren sind auf ein ATP-Molekül angewiesen, das mit dem des Menschen identisch ist. Das ATP-Energiesystem ist schnell, hocheffizient, produziert einen schnellen ATP-Umsatz und kann schnell auf Änderungen des Energiebedarfs reagieren (Goodsell, 1996, S.79).

Außerdem ist das ATP-Molekül so enorm komplex, dass wir erst jetzt anfangen zu verstehen, wie es funktioniert. Jedes ATP-Molekül hat über 500 atomare Masseneinheiten (500 AMUs). In fertigungstechnischer Hinsicht ist das ATP-Molekül eine Maschine mit einem Organisationsgrad in der Größenordnung eines Forschungsmikroskops oder eines Standardfernsehers (Darnell, Lodish und Baltimore, 1996).

Zu den Fragen, die Evolutionisten beantworten müssen, gehören die folgenden: &bdquoWie existierte das Leben vor ATP?&bdquo &bdquo&bdquoWie könnte das Leben ohne ATP überleben, da keine Lebensform, die wir heute kennen, dies kann&bdquo und &bdquoWie könnte sich ATP entwickeln und wo sind die vielen Übergangsformen? erforderlich, um das komplexe ATP-Molekül zu entwickeln?&rdquo Es gibt keine geeigneten Kandidaten und kann auch nicht existieren, weil nur ein perfektes ATP-Molekül seine Rolle in der Zelle richtig erfüllen kann.

Darüber hinaus würde ein potenzielles ATP-Kandidatenmolekül nicht von der Evolution ausgewählt, bis es funktionsfähig war und das Leben ohne ATP oder ein ähnliches Molekül mit der gleichen Funktion nicht existieren könnte. ATP ist ein Beispiel für ein Molekül, das eine irreduzible Komplexität aufweist, die nicht vereinfacht werden kann und dennoch funktioniert (Behe, 1996). ATP hätte nur als Einheit geschaffen werden können, um sofort im Leben zu funktionieren, und dasselbe gilt für die anderen komplizierten Energiemoleküle, die im Leben verwendet werden, wie zum Beispiel GTP.

Obwohl andere Energiemoleküle für bestimmte Zellfunktionen verwendet werden können, kann keines die vielen Funktionen von ATP auch nur annähernd zufriedenstellend ersetzen. Über 100.000 andere detaillierte Moleküle wie ATP wurden ebenfalls entwickelt, um dem Menschen das Leben zu ermöglichen, und für alle gibt es dieselben Probleme, die mit ihrer Herkunft zusammenhängen. Es gibt viele Makromoleküle, die detaillierter sind als ATP, ebenso wie einige, die weniger gut organisiert sind, und damit Leben existieren kann, müssen alle als Einheit zusammenarbeiten.

Der Kontrast zwischen Prokaryotik undEukaryotische ATP-Produktion

Zwischen prokaryoten (Bakterien und Cyanobakterien) Zellen und eukaryotischen (Protisten, Pflanzen und Tieren) Zellen besteht eine enorme Kluft:

. Prokaryoten und Eukaryoten unterscheiden sich grundlegend voneinander und repräsentieren eindeutig eine deutliche Dichotomie in der Evolution des Lebens. . . Die organisatorische Komplexität der Eukaryonten ist so viel größer als die der Prokaryonten, dass es schwierig ist, sich vorzustellen, wie ein Eukaryont aus irgendeinem bekannten Prokaryonten entstanden sein könnte (Hickman et al., 1997, S. 39).

Einige der Unterschiede bestehen darin, dass Prokaryonten Organellen, ein Zytoskelett und die meisten anderen Strukturen, die in eukaryontischen Zellen vorkommen, fehlen. Folglich müssen die Funktionen der meisten Organellen und anderer ultrastrukturierter Zellteile in Bakterien durch die Zellmembran und ihre Einfaltungen, die Mesosomen genannt werden, erfüllt werden.

Die vier wichtigsten Methoden zur Herstellung von ATP

Ein entscheidender Unterschied zwischen Prokaryoten und Eukaryoten sind die Mittel, mit denen sie ATP produzieren. Alles Leben produziert ATP nur durch drei grundlegende chemische Methoden: oxidative Phosphorylierung, Photophosphorylierung und Phosphorylierung auf Substratebene (Lim, 1998, S. 149). In Prokaryoten wird ATP sowohl in der Zellwand als auch im Zytosol durch Glykolyse produziert. In Eukaryoten wird das meiste ATP in Chloroplasten (bei Pflanzen) oder in Mitochondrien (bei Pflanzen und Tieren) produziert. Es existiert kein Mittel zur Herstellung von ATP, das zwischen diesen vier grundlegenden Methoden liegt, und es wurden nie Übergangsformen gefunden, die die Lücke zwischen diesen vier verschiedenen Formen der ATP-Produktion schließen. Die zur Herstellung von ATP erforderliche Maschinerie ist so kompliziert, dass Viren nicht in der Lage sind, ihr eigenes ATP herzustellen. Sie benötigen Zellen, um es herzustellen, und Viren haben außer Zellen keine Energiequelle.

In Prokaryoten sorgt die Zellmembran nicht nur für die Energieumwandlung der Zelle, sondern auch für die Nährstoffverarbeitung, die Synthese von strukturellen Makromolekülen und die Sekretion der vielen lebensnotwendigen Enzyme (Talaro und Talaro, 1993, S. 77). Aus diesem Grund muss die Zellmembran mit der gesamten eukaryotischen Zellultrastruktur verglichen werden, die diese vielen Funktionen erfüllt. Es ist kein einfaches Mittel zur Herstellung von ATP bekannt und Prokaryoten sind keineswegs einfach. Sie enthalten über 5.000 verschiedene Arten von Molekülen und können Sonnenlicht, organische Verbindungen wie Kohlenhydrate und anorganische Verbindungen als Energiequellen zur Herstellung von ATP nutzen.

Ein weiteres Beispiel für die Zellmembran in Prokaryonten, die eine Funktion der eukaryontischen Zellultrastruktur übernimmt, ist folgendes: Ihre DNA ist physikalisch an die bakterielle Zellmembran gebunden und die DNA-Replikation kann durch Veränderungen in der Membran initiiert werden. Diese Membranveränderungen stehen wiederum im Zusammenhang mit dem Wachstum des Bakteriums. Außerdem scheint das Mesosom die duplizierten Chromatinkörper während der Zellteilung in die beiden Tochterzellen zu leiten (Talaro und Talaro, 1993).

In Eukaryoten produzieren die Mitochondrien den größten Teil des zellulären ATP (anaerobe Glykolyse produziert auch etwas) und in Pflanzen können die Chloroplasten diese Funktion auch erfüllen. Die Mitochondrien produzieren ATP in ihrem inneren Membransystem, den Cristae. Da Bakterien keine Mitochondrien sowie ein internes Membransystem haben, müssen sie in ihrer Zellmembran ATP produzieren, was in zwei grundlegenden Schritten erledigt wird. Die bakterielle Zellmembran enthält eine einzigartige Struktur, die darauf ausgelegt ist, ATP zu produzieren, und in keiner eukaryotischen Zelle wurde eine vergleichbare Struktur gefunden (Jensen, Wright und Robinson, 1997).

In Bakterien befinden sich die ATPase und die Elektronentransportkette innerhalb der Zytoplasmamembran zwischen den hydrophoben Schwänzen der Innen- und Außenwände der Phospholipidmembran. Der Abbau von Zucker und anderen Nahrungsmitteln führt dazu, dass sich die positiv geladenen Protonen auf der Außenseite der Membran in einer viel höheren Konzentration anreichern als auf der Innenseite der Membran. Dadurch entsteht eine überschüssige positive Ladung an der Außenseite der Membran und eine relativ negative Ladung an der Innenseite.

Das Ergebnis dieser Ladungsdifferenz ist eine Dissoziation von H 2 O-Molekülen in H + und OH – Ionen. Die erzeugten H + Ionen werden dann aus der Zelle transportiert und die OH – Ionen verbleiben im Inneren. Dies führt zu einem potentiellen Energiegradienten ähnlich dem, der durch das Laden einer Taschenlampenbatterie erzeugt wird. Die Kraft, die der potentielle Energiegradient erzeugt, wird als Protonenantriebskraft bezeichnet, die eine Vielzahl von Zellaufgaben erfüllen kann, einschließlich der Umwandlung von ADP in ATP.

Bei einigen Bakterien wie Halobacterium wird dieses System durch die Verwendung von Bakteriorhodopsin modifiziert, einem Protein, das dem sensorischen Pigment Rhodopsin ähnlich ist, das in der Netzhaut von Wirbeltieren verwendet wird (Lim, 1998, S. 166). Die Beleuchtung bewirkt, dass das Pigment Lichtenergie absorbiert und Rhodopsin vorübergehend von einer trans- in eine cis-Form ändert. Die Umwandlung von trans zu cis bewirkt eine Deprotonierung und den Transfer von Protonen durch die Plasmamembran zum Periplasma.

Der resultierende Protonengradient wird verwendet, um die ATP-Synthese unter Verwendung des ATPase-Komplexes anzutreiben. Diese Modifikation ermöglicht es Bakterien, in sauerstoffarmen, aber lichtreichen Regionen zu leben. Dieses anaerobe ATP-Herstellungssystem, das für Prokaryonten einzigartig ist, verwendet eine andere chemische Verbindung als Sauerstoff als terminalen Elektronenakzeptor (Lim, 1998, S. 168). Die Lage des ATP-produzierenden Systems ist nur einer von vielen Hauptkontrasten, die zwischen bakteriellen Zellmembranen und Mitochondrien bestehen.

Chloroplasten

Chloroplasten sind doppelmembranige ATP-produzierende Organellen, die nur in Pflanzen vorkommen. In ihrer äußeren Membran befindet sich eine Reihe von dünnen Membranen, die in abgeflachten Säcken organisiert sind, die wie Münzen gestapelt sind, die Thylakoide genannt werden (griechisch thylac oder Sack, und oid bedeutet wie). Die Scheiben enthalten Chlorophyllpigmente, die Sonnenenergie absorbieren, die die ultimative Energiequelle für den gesamten Pflanzenbedarf darstellt, einschließlich der Herstellung von Kohlenhydraten aus Kohlendioxid und Wasser (Mader, 1996, S. 75). Die Chloroplasten wandeln die Sonnenenergie zunächst in gespeicherte ATP-Energie um, die dann zur Herstellung von Speicherkohlenhydraten verwendet wird, die bei Energiebedarf wieder in ATP umgewandelt werden können.

Die Chloroplasten besitzen auch ein Elektronentransportsystem zur Produktion von ATP. Die in das System eintretenden Elektronen werden dem Wasser entnommen. Bei der Photosynthese wird Kohlendioxid durch Energie aus ATP zu einem Kohlenhydrat reduziert (Mader, 1996, S. 12). Photosynthesebakterien (Cyanobakterien) verwenden noch ein weiteres System. Cyanobakterien stellen keine Chloroplasten her, sondern verwenden Chlorophyll, das an zytoplasmatische Thylakoide gebunden ist. Auch hier wurden nie plausible Übergangsformen gefunden, die diese Form der ATP-Produktion mit dem Chloroplasten-Photosynthesesystem verbinden können.

Die beiden häufigsten evolutionären Theorien über den Ursprung des Mitochondrien-Chloroplasten-ATP-Produktionssystems sind 1) die Endosymbiose von Mitochondrien und Chloroplasten aus dem bakteriellen Membransystem und 2) die allmähliche Evolution des prokaryontischen Zellmembransystems der ATP-Produktion in die Mitochondrien und Chloroplasten Systeme. Anhänger der Endosymbiose lehren, dass Mitochondrien einst frei lebende Bakterien waren und dass „früh in der Evolution eukaryotische Zellen der Vorfahren einfach ihre zukünftigen Partner fressen&rdquo (Vogel, 1998, S. 1633). Sowohl die allmähliche Umwandlung als auch die Endosymbiose-Theorie erfordern viele Übergangsformen, jede neue, die dem Tier einen Wettbewerbsvorteil gegenüber den unveränderten Tieren verschaffen muss.

Die vielen Gegensätze zwischen den prokaryotischen und eukaryotischen Mitteln zur Herstellung von ATP, von denen einige oben erwähnt wurden, sind ein starker Beweis gegen die Endosymbiose-Theorie. Es wurden noch nie Zwischenprodukte gefunden, um diese beiden Systeme zu überbrücken, und die Argumente, die in der Unterstützung der Theorie vorgebracht werden, sind alle hochspekulativ. Diese und andere Probleme sind in letzter Zeit als Ergebnis der jüngsten großen Herausforderungen an die Standard-Endosymbiose-Theorie deutlicher geworden. Die Standardtheorie wurde in letzter Zeit von mehreren Fronten angegriffen, und einige Forscher plädieren nun für eine neue Theorie:

Wissenschaftler, die darüber nachdenken, wie die erste komplexe Zelle entstanden ist, sagen, dass die neue Idee einige quälende Probleme mit der vorherrschenden Theorie lösen könnte. &bdquo[die neue Theorie ist]. elegant argumentiert&rdquo, sagt Michael Gray von der Dalhouisie University in Halifax, Nova Scotia, aber &ldquot;die Hypothese erklärt eine Menge Dinge&rdquo.&rdquo Im Standardbild der eukaryotischen Evolution war das Mitochondrium ein glücklicher Zufall. Erstens ist die Zelle der Vorfahren wahrscheinlich ein Archaebakterium, neuere genetische Analysen deuten darauf hin, dass die Fähigkeit erworben wurde, komplexe Moleküle zu verdauen und zu verdauen. Es begann, seine mikrobiellen Begleiter zu jagen. Irgendwann verdaut jedoch diese räuberische Zelle ihre Beute vollständig, und eine noch erfolgreichere Zelle entstand, als eine beabsichtigte Mahlzeit dauerhaften Wohnsitz nahm und zum Mitochondrium wurde. Jahrelang dachten Wissenschaftler, sie hätten Beispiele für die direkten Nachkommen dieser primitiven Eukaryoten: bestimmte Protisten, denen Mitochondrien fehlen. Aber eine neuere Analyse der Gene in diesen Organismen legt nahe, dass auch sie einst Mitochondrien trugen, sie aber später verloren (Science, 12. September 1997, S. 1604). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Eukaryoten ihre Mitochondrien möglicherweise irgendwie erworben haben, bevor sie die Fähigkeit entwickelt hatten, andere Zellen zu verschlingen und zu verdauen (Vogel, 1998, S. 1633).

Zusammenfassung

In diesem kurzen Überblick haben wir nur ein Zellmakromolekül, ATP, und die komplizierten Mechanismen, die es produzieren, untersucht. Wir haben uns auch den detaillierten unterstützenden Mechanismus angesehen, der die Funktion des ATP-Moleküls ermöglicht. ATP ist nur eines von Hunderttausenden essentieller Moleküle, von denen jedes eine Geschichte hat. Während jede dieser Geschichten erzählt wird, werden sie sowohl dem Genie als auch dem enorm komplexen Design der natürlichen Welt Tribut zollen. Alle Bücher in der größten Bibliothek der Welt können möglicherweise nicht die Informationen enthalten, die zum Verstehen und Konstruieren der geschätzten 100.000 komplexen Makromolekülmaschinen erforderlich sind, die beim Menschen verwendet werden. Beim Verständnis der Struktur und Funktion organischer Makromoleküle wurden große Fortschritte erzielt, und einige der einfacheren werden jetzt von Pharmaunternehmen hergestellt.

Jetzt, da Wissenschaftler verstehen, wie einige dieser hochorganisierten Moleküle funktionieren und warum sie für das Leben benötigt werden, muss ihr Ursprung erklärt werden. Wir kennen nur vier grundlegende Methoden zur Herstellung von ATP: in bakteriellen Zellwänden, im Zytoplasma durch Photosynthese, in Chloroplasten und in Mitochondrien. Es gibt keine Übergangsformen, um diese vier Methoden durch die Evolution zu überbrücken. Nach dem Konzept der irreduziblen Komplexität müssen diese ATP-produzierenden Maschinen als funktionierende Einheiten hergestellt worden sein und können sich nicht durch darwinistische Mechanismen entwickelt haben. Alles, was weniger als ein ganzes ATP-Molekül ist, wird nicht funktionieren und eine Produktionsanlage, die nicht vollständig ist, kann kein funktionierendes ATP produzieren. Einige glauben, dass die Biochemie, die dieses Verständnis erlangt hat, das darwinistische Weltbild bereits verfälscht hat (Behe, 1996).

Jerry Bergman hat sieben Abschlüsse, unter anderem in Biologie, Psychologie sowie Evaluation und Forschung, von der Wayne State University in Detroit, der Bowling Green State University in Ohio und dem Medical College of Ohio in Toledo. Er lehrte an der Bowling Green State University, der University of Toledo, dem Medical College of Ohio und an anderen Colleges und Universitäten. Derzeit lehrt er Biologie, Mikrobiologie, Biochemie und Anatomie des Menschen auf College-Ebene und ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich der Krebsgenetik. Er hat zahlreiche Publikationen in populären und wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht. [ZURÜCK NACH OBEN]


Diskussion

Spezifität des ATP FRET-Bildschirms

Unser Screen identifizierte genetische Faktoren, die ATP mit hoher Spezifität regulieren. Keines der >2.000 simulierten Gene, die wir untersuchten, produzierte Treffer, und 87,2% (136/156) unserer Gesamttreffer, die ATP unter Atemwegserkrankungen verringerten, hatten bekannte mitochondriale Funktionen. Die anderen 12,8% (20 Gene) wirken wahrscheinlich auch im Energiestoffwechsel und rechtfertigen weitere Untersuchungen. CRISPR- und RNAi-Screenings unter Verwendung von Ganzgenombibliotheken sind gängige und leistungsstarke Werkzeuge, um genetische Signalwege in Säugerzellen zu analysieren. Dennoch untersuchen die meisten einen Endpunkt (z. B. Überleben, Wachstum, Reportergenexpression), der heterogene molekulare Zwischenprodukte widerspiegeln kann. Die Messung eines Metaboliten in Echtzeit in einem Maßstab, der mit einem genomweiten Screening kompatibel ist, ist neu und ermöglicht eine mechanistische Analyse detaillierter biochemischer Prozesse.

Die in unserem Screen identifizierten Gene überlappten sich kaum mit dem einzigen Screen, der über genetische Regulatoren von ATP (Lanning und Kollegen) veröffentlicht wurde [4]. In dieser Studie wurden keine verringerten ATP-Phänotypen unter einer Nur-Atmung-Bedingung (Pyruvat) mit Hemmung der meisten mitochondrialen ribosomalen Gene beobachtet, und tatsächlich erhöhten 6 solcher Gene ATP um mehr als 25 %, wenn sie niedergeschlagen wurden, und sie fanden eine erhöhte ATP mit Hemmung einer Mehrheit der gescreenten CoQ10-Biosynthesegene. Während einige Unterschiede auf die verschiedenen verwendeten Zelltypen zurückzuführen sein können (K562-Zellen in dieser Studie HeLa in der Studie von Lanning und Kollegen), wird angenommen, dass das mitochondriale Ribosom und die CoQ10-Biosynthese für die aerobe Atmung über verschiedene Zelltypen hinweg entscheidend sind [20,23] . Die Diskrepanzen zwischen diesen Studien erfordern weitere Überlegungen. Lanning und Kollegen maßen ATP in vielen Zellen gleichzeitig, und ATP wurde auf den Gesamt-DNA-Gehalt normalisiert. Dieses Verfahren wäre anfällig für Artefakte, die durch Unterschiede in der Zellgröße (die den absoluten ATP-Gehalt verändern) oder dem Zellzyklus (die das ATP/DNA-Verhältnis beeinflussen) verursacht werden und die Änderungen der ATP-Konzentration nicht widerspiegeln. Andere Unterschiede umfassen die Verwendung von 2 siRNAs pro Gen durch Lanning und Kollegen gegenüber 10 sgRNAs pro Gen in dieser Studie und die Verwendung einer ATP-unempfindlichen Kontrolle zur Entfernung von ATP-unabhängigen Artefakten in dieser Studie. Wir glauben, dass die hier beschriebenen methodischen Vorteile – einschließlich unseres Nachweises fast aller Gene in einem mitochondrialen Kompartiment (dh des Ribosoms) und der genspezifischen Rettung von ATP durch CoQ10 – zeigen, dass unsere FRET-basierte Methode zum Screening auf ATP-Modifikatoren wesentlich zum aufstrebenden Gebiet des metabolitbasierten Screenings.

Der hier beschriebene Hochdurchsatz-Screen erforderte schnell wachsende Zellen, die zu einem effektiven CRISPRi-vermittelten Gen-Knockdown fähig sind. Jede Zelltypauswahl, insbesondere eine transformierte Zelllinie, wird wahrscheinlich die Ergebnisse eines Screenings beeinflussen. K562-Zellen haben in anderen verwandten Screenings erfolgreich eine wichtige Biologie aufgedeckt [17,18], und hier zeigten sie klare pfadspezifische Effekte, z. B. durch Knockdown von mitochondrialen ribosomalen Untereinheiten. Diese Effekte sind biologisch plausibel, werden durch zusätzliche Untersuchungen (z. B. Rettung durch CoQ10) unterstützt und können wahrscheinlich auf andere Zelltypen verallgemeinert werden. Die Kenntnis wesentlicher und neuer mitochondrialer Prozesse ermöglicht zukünftige detaillierte Studien in gezielten Krankheitsmodellen.

Es ist unwahrscheinlich, dass die Auswirkungen des pH-Werts auf den fluoreszierenden ATP-Biosensor den hier berichteten Ergebnissen zugrunde liegen. Wir verwendeten eine Dead-Sensor-Kontrolle, um Artefakte aufgrund von ATP-unabhängigen Wirkungen auf die Fluorophore zu eliminieren, und viele in dieser Studie identifizierte Treffer wurden durch den Luciferase-Assay, eine vollständig orthogonale Methode, validiert.

ATP-Spiegel sind einzigartig empfindlich gegenüber einer Störung mitochondrialer ribosomaler Proteine

Wir fanden Unterschiede in den Genklassen, die erforderlich sind, um den ATP-Spiegel aufrechtzuerhalten. Mitochondrial-abgeleitete ATP-Spiegel wurden durch Knockdown von 40% (27/67) der mitochondrialen Transkriptions-/Translationsgene und 85% (57/67) der mitochondrialen ribosomalen Gene gesenkt. Im Gegensatz dazu verringerte ein Knockdown von nur 23% (21/90) der gescreenten Gene der Atmungskette die ATP-Spiegel. Die in diesem Screening identifizierten spezifischen Atmungskettengene können für die Aufrechterhaltung des ATP-Spiegels entscheidend sein. Tatsächlich sind Mutationen in einigen der in unserem Screen identifizierten Gene, z. PDSS2 und COX10, von denen angenommen wird, dass sie menschliche mitochondriale Störungen durch den Abbau von ATP verursachen [24,25].

Unser Screen untersuchte auch andere Klassen von mitochondrialen Genen mit bekannter Rolle bei der Förderung der Atmung, aber nur eine Untergruppe der getesteten Gene wurde als Treffer identifiziert. Unser Screen identifizierte beispielsweise ausgewählte Komponenten des Komplexes mitochondrialer Kontaktstelle und des Cristae-Organizing-Systems (MICOS), der eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Cristae-Morphologie spielt (IMMT [26], MINOS1 [27]) und eine Untergruppe mitochondrialer Fusions- und Spaltproteine ​​(z. B. waren weder Mfn1 noch Mff Low-ATP-Treffer). In einem Fall ist der von kodierte Spaltrezeptor MIEF1 (Mid51) war ein Hit, während das verwandte Gen MIEF2 (Mid49) war es nicht, obwohl es auf dem gleichen Weg funktionierte. Es gibt wahrscheinlich mehrere Gründe, warum bestimmte Gene mit bekannten Funktionen bei der Atmung nicht getroffen wurden. Erstens sind diese Gene in vielen Fällen wahrscheinlich weniger kritisch für die Aufrechterhaltung des ATP-Spiegels als die als Treffer identifizierten Gene. Obwohl beispielsweise mitochondriale Dynamikproteine ​​die Atmung beeinflussen, können Mitochondrien weiterhin mit unterschiedlichen Morphologien atmen [28], und der Einfluss auf die Atmung kann nur bei Zelltypen und Bedingungen mit hohem Energiebedarf beobachtet werden [29]. In anderen Fällen kann es kompensatorische Pfade geben, die die Atmung aufrechterhalten, oder verzögerte Auswirkungen auf den ATP-Spiegel, die in unserem Assay-System übersehen würden.Wir untersuchten die Fähigkeit, ATP nach nur wenigen Tagen Gen-Knockdown aufrechtzuerhalten, und könnten Gene übersehen haben, die den ATP-Spiegel langsamer beeinflussen könnten, z. B. durch Kompromittierung von Prozessen wie der mitochondrialen DNA-Erhaltung [30]. In anderen Fällen kann ein unzureichender Knockdown durch CRISPRi aufgetreten sein oder die Genfunktion kann selbst bei einem erheblichen Knockdown erhalten bleiben. Daher werden zukünftige Studien erforderlich sein, um festzustellen, ob bestimmte Stoffwechselwege (z. B. einzelne Atmungskettenkomplexe) mehr oder weniger kritisch für die ATP-Synthese sind. Unser Befund, dass eine Mehrheit der mitochondrialen ribosomalen Untereinheiten als Treffer identifiziert wurde, legt nahe, dass die meisten Gene, die für die ATP-Erhaltung kritisch sind, in diesem Screening identifiziert werden würden und dass viele Gene, die nicht getroffen wurden, tatsächlich für die ATP-Aufrechterhaltung unter den in dieser Studie gescreenten Bedingungen weniger kritisch sein könnten.

Warum reagieren ATP-Spiegel so empfindlich auf Störungen von Genen, die an der mitochondrialen Proteinsynthese beteiligt sind? Gene im mitochondrialen Genom bleiben evolutionär erhalten, einschließlich Proteinen im Kern von Atmungskettenkomplexen [31], während periphere Untereinheiten leichter in den Zellkern verlagert wurden, möglicherweise aufgrund von Unterschieden in der Proteinhydrophobie. Die Störung von nukleär kodierten Genen, die die mitochondriale Transkription und Translation beeinträchtigen, kann die Mitochondrien stärker beeinflussen als einzelne Komponenten der Atmungskette, da sie die Expression von mitochondrial kodierten Untereinheiten mit mehreren Kernen stören. Diese Beobachtung legt nahe, dass kombinierte respiratorische Defekte aufgrund eines schwereren Energieversagens Krankheiten verursachen als die Dysfunktion eines einzelnen Atmungskettenkomplexes.

Mutationen in nur wenigen mitochondrialen ribosomalen Proteinen verursachen Krankheiten beim Menschen [23]. Andere wurden wahrscheinlich aufgrund von Seltenheit oder frühen tödlichen Phänotypen noch nicht mit einer Krankheit in Verbindung gebracht [32]. Tatsächlich hat die Sequenzierung des gesamten Exoms zur Entdeckung von Mutationen in mitochondrialen ribosomalen Untereinheiten als Ursache für neonatale tödliche Erkrankungen geführt [33]. Aus unseren Erkenntnissen geht hervor, dass der Verlust dieser Proteine ​​aufgrund von Energieversagen zu Krankheiten führen kann, aber ihr Verlust könnte auch andere mitochondriale Funktionen beeinträchtigen, einschließlich des Ca 2+ -Stoffwechsels und der ROS-Produktion, und Defizite in diesen Funktionen können zu Krankheiten beitragen.

Der hier präsentierte Screen war nicht erschöpfend für alle in Mitochondrien lokalisierten Gene (siehe S1-Tabelle für eine vollständige Genliste). Zum Beispiel wurden die meisten Komponenten des Tricarbonsäure(TCA)-Zyklus und einige Untereinheiten der Atmungskette, einschließlich vieler Untereinheiten des Komplexes III, nicht berücksichtigt, und es sind weitere Untersuchungen erforderlich, um den bioenergetischen Bedarf für diese Gene und für Vergleiche einzelner Atmungskettenkomplexe zu definieren .

Neue Gene im Zusammenhang mit dem Stoffwechsel

Wir identifizierten Gene ohne bekannte mitochondriale Funktionen, die, wenn sie ausgeschaltet wurden, ATP nur aus Mitochondrien reduzierten. Der stärkste solcher Hit war KPNB1, die eine Komponente des Kernporenkomplexes kodiert. Es ist noch keine menschliche Krankheit mit diesem Gen assoziiert, aber es könnte für die mitochondriale Biosynthese benötigt werden [34] weil Drosophila Larven ohne Importin-Beta hatten weniger Mitochondrien. Dies kann auf einen beeinträchtigten nuklearen Import von Nrf2 zurückzuführen sein [35]. Unsere Studien zeigen eine beeinträchtigte mitochondriale Funktion mit KPNB1 Knockdown (Fig. 6C und 6D), was auf eine konservierte Rolle im mitochondrialen Stoffwechsel, aber auf eine normale mitochondriale Masse (S6 Fig.) hinweist, was darauf hindeutet, dass der Defekt nicht auf eine verminderte mitochondriale Biosynthese zurückzuführen ist. Ebenfalls, PAF1, das die nukleäre Gentranskription reguliert [36], hat keine bekannte Verbindung zum Energiestoffwechsel, aber sein Knockdown verringert auch ATP nur dann, wenn ATP von den Mitochondrien produziert wird, wie durch FRET und Luciferase nachgewiesen (S1, S3 Tabellen, S3 Abb, Abb. 6C) . Insgesamt zeigen unsere Ergebnisse die Fähigkeit von funktionellen Screens, mitochondrienbezogene Gene zu identifizieren, deren Proteinprodukte möglicherweise nicht unbedingt in den Mitochondrien lokalisiert sind, und zeigen, dass weitere Untersuchungen mutmaßlicher mitochondrialer Gene Aufschluss darüber geben können, wie das Energieniveau aufrechterhalten wird, zu Krankheit und/oder können therapeutische Ziele sein.

Das metabolische Substrat bestimmt den Genbedarf für den ATP-Spiegel

Das Ausschalten der meisten mitochondrialen ribosomalen Proteingene beeinflusste die von Mitochondrien abgeleiteten ATP-Spiegel, verringerte jedoch nicht ATP, wenn die Zellen Glykolyse allein oder sowohl Atmung als auch Glykolyse verwendeten. Daher kann die Glykolyse eine Verringerung der aeroben Atmung kompensieren und/oder der Energieverbrauch kann verringert werden, um ein normales ATP aufrechtzuerhalten. Zur Unterstützung des ersteren erhöhte der Knockdown einiger mitochondrialer ribosomaler Proteine, wenn Zellen gezwungen wurden, nur von der Glykolyse abgeleitetes ATP zu verwenden, tatsächlich die Fähigkeit der Zellen, ATP-Spiegel über denen von Kontrollzellen im gleichen Zustand zu halten ( 3C und 3D ). Dies spiegelt wahrscheinlich eine hochregulierte Glykolyse wider, als die aerobe Atmung durch einen Gen-Knockdown beeinträchtigt wurde.

Welcher metabolische Kontext ist am relevantesten für in-vivo-Erkrankungen des menschlichen Energieversagens? Dies ist schlecht verstanden. Lokale Substratbedingungen sind oft nicht bekannt und unterscheiden sich je nach Zelltyp, Energiebedarf, Stressoren (z. B. Hunger) und möglicherweise genetischen Modifikatoren des Stoffwechsels. Das Entwicklungsstadium ist eine Überlegung, z. B. ist die In-Utero-Umgebung hypoxischer als nach der Geburt, was zu einer erhöhten Abhängigkeit von der Glykolyse während der Entwicklung führt [37].

In unseren Experimenten verursachte der Knockdown von nur wenigen Genen einen chronischen basalen ATP-Mangel. Mehr war wichtig, um den ATP-Spiegel während akuter Stoffwechselstörungen aufrechtzuerhalten. Wir gehen davon aus, dass Krankheiten häufiger aus akuten Störungen der ATP-Homöostase in einer Umgebung resultieren, die durch einen zugrunde liegenden Mangel an mitochondrialer Funktion als durch einen chronischen Mangel an ATP-Spiegeln sensibilisiert wird. Eine akute Exposition gegenüber respiratorischen oder glykolytischen Erkrankungen mag nicht repräsentativ für eine chronische Stoffwechselerkrankung erscheinen, aber viele Störungen des Energieversagens manifestieren sich eher als intermittierende akute klinische Episoden als als chronische Erkrankung. Beispielsweise weisen Patienten mit Leigh-Syndrom oder mitochondrialer Enzephalopathie, Laktatazidose und Schlaganfall-ähnlichen Episoden (MELAS) akute Schlaganfall-ähnliche Episoden auf [38]. In ähnlicher Weise sind Hypoxie/Ischämie, Rhabdomyolyse aufgrund einer mitochondrialen Erkrankung und Hypoglykämie aufgrund angeborener Fehler bei der Fettsäureoxidation akute Formen von Energieversagen und Verletzungen [39,40]. Die relativen Beiträge einer chronischen gegenüber einer intermittierenden ATP-Störung zu Stoffwechselerkrankungen bedürfen weiterer Untersuchungen.

ATP korreliert mit dem Zellwachstum, wird aber nicht benötigt

Was sind die zellulären Folgen von unzureichendem ATP? ATP wird für viele Zellfunktionen benötigt (z. B. neuronale Aktivität, Myokardkontraktilität, Insulinfreisetzung und Zellwachstum) [41]. Es ist jedoch selten bewiesen, dass unzureichendes ATP selbst Defiziten in diesen Funktionen zugrunde liegt. Wachstumsbasierte Screenings in menschlichen Zellen mit shRNA- oder CRISPR-Bibliotheken [17,42,43] erzeugen eine „Black Box“ zwischen Gen- und Wachstumsveränderung, die möglicherweise keine metabolische Ätiologie widerspiegelt. Um dies zu untersuchen, haben wir die Beziehung zwischen ATP-Spiegel und Wachstum unter verschiedenen Stoffwechselbedingungen untersucht. Unsere Daten legen nahe, dass speziell unzureichendes ATP (d. h. Energieausfall), nicht der Verlust anderer Funktionen, erklärt, warum abnehmende mitochondriale ribosomale Proteine ​​das Wachstum bei Atemwegserkrankungen beeinträchtigen. Darüber hinaus können Zellen das Wachstum verringern, um die ATP-Spiegel zu erhalten, wenn die ATP-Produktion verringert wird. Die Beziehung zwischen ATP-Spiegel und Zellwachstum erhöht auch die Möglichkeit einer Energieschwelle für das Wachstum. Darüber hinaus identifizierten wir mehrere Gene, bei denen CRISPRi ATP deutlich verringerte, ohne das Wachstum zu beeinträchtigen, oder das Wachstum verlangsamte, ohne ATP zu beeinträchtigen. Diese Ergebnisse unterstreichen die signifikante Nützlichkeit des ATP-Screenings, um den Beitrag des Metabolismus zu zellulären Funktionen zu definieren.

Eine wichtige Stärke unseres Screens ist die Fähigkeit, ATP-modulierende Gene unter verschiedenen Stoffwechselbedingungen (basal, respiratorisch, glykolytisch) zu identifizieren. Darüber hinaus stellen wir die Hypothese auf, dass Gene, die in diesen spezifischen Kontexten (metabolisch und/oder zellulär) identifiziert wurden, ähnliche Auswirkungen in anderen zellulären und experimentellen Kontexten haben werden. Unsere Daten zeigen zum Beispiel, dass METTL17 Verlust unterdrückt das Wachstum menschlicher Lungenkrebszellen signifikant und unterstützt die Idee, dass die Identifizierung von energiemodulierenden Genen die Entwicklung krebsrelevanter biochemischer Ansätze beeinflussen könnte. In der Zukunft erfordert die Definition der genauen zellulären und metabolischen Kontexte, die einer stoffwechselbasierten Therapie zugänglich sind, krebsartenspezifische Studien, wie unsere Ergebnisse nahelegen.

CoQ10-Reaktionsfähigkeit

Unseres Wissens berichten wir hier über den ersten Hochdurchsatz-Screen der Ansprechbarkeit auf CoQ10 (oder ein beliebiges Medikament) für einzelne Gen-Ursachen einer mitochondrialen Dysfunktion. Von mindestens 18 bekannten biosynthetischen CoQ10-Genen [44] wurden 10 in unserer Bibliothek gescreent, und von 5 ist bekannt, dass sie beim Menschen Krankheiten verursachen. Unter diesen 5, Knockdown von PDSS1, PDSS2, und COQ2 verringerte ATP speziell bei der Atemwegserkrankung in diesem Bildschirm. Eine CoQ10-Supplementierung verhinderte den Abfall von ATP bei Atemwegserkrankungen in allen 3 dieser Gene, wie durch wiederholtes FRET-basiertes Screening ( 8A und 8B ) und durch Luciferase ( 8C ) nachgewiesen wurde. Viele mitochondriale Erkrankungen haben jedoch klinisch nicht auf eine CoQ10-Supplementierung angesprochen [6]. Wir identifizierten auch mehrere Gene, in denen mitochondrial abgeleitetes ATP mit CoQ10 anstieg, auch wenn keine bekannte Rolle in der CoQ10-Biosynthese bekannt ist. Bestimmtes, COX11 zeigte durchweg verbesserte ATP mit CoQ10-Supplementierung (Abb. 8A–8C). Außerdem fehlen Zellen COX11 hatten keinen niedrigeren CoQ10-Gehalt, was darauf hindeutet, dass die ATP-Rettung auf eine Rolle von CoQ10 in anderen mitochondrialen Funktionen zurückzuführen sein muss. Wir vermuten, dass supraphysiologische CoQ10-Spiegel die mitochondriale ATP-Produktion verbessern können, z. B. durch eine Verbesserung der Effizienz der Atmungskette [45] oder eine Erhöhung der mitochondrialen Biogenese [46]. Tatsächlich wurde berichtet, dass CoQ10 in Abwesenheit eines bekannten Defekts in der CoQ10-Biosynthese die ATP-Verarmung durch mitochondriale Stressoren teilweise verhindert [47]. Alternativ hat Coenzym Q10 auch bekannte Funktionen als Antioxidans, das den Energiebedarf senken oder indirekt die Energieproduktion steigern könnte. Obwohl COX11 noch nicht mit einer Krankheit in Verbindung gebracht wird, vermuten wir, dass COX11 Wenn ein Mangel festgestellt wird, kann er auf die Behandlung mit CoQ10 ansprechen.

Wenn supraphysiologisches CoQ10 das mitochondrial gewonnene ATP steigern kann, warum ist CoQ10 dann nicht breiter wirksam? Vielleicht gibt es 2 CoQ10-Schwellenwerte, um ATP zu erhöhen: einen zur Wiederherstellung mangelhafter Spiegel bei Störungen der CoQ10-Biosynthese und einen zweiten zur Steigerung der mitochondrialen ATP-Produktion durch andere Mechanismen auf supraphysiologischen Ebenen. Die Schwierigkeit, einen ausreichend hohen CoQ10-Spiegel zu erreichen, kann den Mangel an klinischer Wirksamkeit beim Menschen erklären, bei dem die Bioverfügbarkeit von CoQ10 eingeschränkt ist, insbesondere in bestimmten Geweben wie dem Gehirn [48]. Ein sekundärer CoQ10-Mangel kann auch einigen mitochondrialen Störungen zugrunde liegen [49] und zum Grad der CoQ10-Reaktionsfähigkeit beitragen.

Unsere Ergebnisse hier legen nahe, dass die positiven Auswirkungen einer CoQ10-Supplementierung auf den mitochondrialen ATP-Spiegel auch über die einfache Wiederherstellung des CoQ10-Spiegels auf den Normalwert hinausgehen können. Darüber hinaus hat unsere Beobachtung, dass CoQ10 die ATP-Spiegel rettet, die durch den Knockdown einiger Gene verursacht werden und andere nicht, wichtige Auswirkungen auf die Nützlichkeit des Hochdurchsatz-Screenings zur gezielten Therapie von mitochondrialen Erkrankungen und anderen Störungen des Energieversagens. Es gibt Hunderte von mitochondrialen Einzelgen-Erkrankungen, und bis jetzt gab es keinen Mechanismus, um für jeden genetischen Mangel einzeln nach wirksamen Interventionen zu suchen. Der Hochdurchsatz-Charakter unserer Technologie sollte ein präklinisches Screening einer beliebigen Anzahl von Therapiekandidaten in unterschiedlichen Substrat-Wirkstoff-Kombinationen ermöglichen und unser Verständnis der Wechselwirkung zwischen mitochondrialer Dysfunktion eines einzelnen Gens und externen Belastungen und Therapien enorm verbessern. Ebenso wie wir unsere ATP-Daten mit anderen groß angelegten Wachstums-Screenings kombiniert haben, um neue Erkenntnisse zu gewinnen, kann das Metaboliten-Screening nach anderen Molekülen mit fluoreszierenden Biosensoren (z .


Biologie

Der Fachbereich Biologie bietet den Studierenden eine solide Grundlage, die es ihnen ermöglicht, kritisch über biologische Themen nachzudenken, technische Fähigkeiten zur Lösung biologischer Probleme zu erlernen und biologische Informationen in verschiedenen Formaten zu kommunizieren.

Durch das Angebot von Lehrveranstaltungen, die das Spektrum der biologischen Disziplinen umfassen, können sich die Studierenden auf ein weiterführendes Studium in den unterschiedlichsten Bereichen vorbereiten. Das Curriculum bereitet die Studierenden auch darauf vor, eine Führungsrolle in der Gesellschaft zu übernehmen, indem es ihnen die Werkzeuge an die Hand gibt, um fundierte Entscheidungen in wissenschaftlichen Fragen zu treffen.

Prof. Karen Hales spricht mit Studenten der Genetik über die DNA-Sequenzanalyse des Fruchtfliegengens, das sie durch gezielte CRISPR-Cas9-Mutagenese charakterisiert haben.

Die Sommerstipendiaten von Prof. Chris Paradise und dem Davidson Research Institute sammeln Daten über die Insektenpopulation einer lokalen Farm.

Studenten untersuchen die Auswirkungen auf das Dampfen mit einer Expositionskammer, die das Labor von Prof. Karen Bernd speziell für E-Zigaretten-Dampfexperimente entwickelt hat.


ATP

ATP 또는 ATP(영어: ATP-Synthase)는 모든 세포 활동의 에너지원인 아데노신 삼인산을 생성하는 효소이다. 이 효소는 미토콘드리아의 표면적이 넓은 내막에 위치를 하고 . 단백질은 세포 호흡의 하위 전자전달에 이온의 이동으로 . Paul D. Boyer와 John E. Walker는 1997년에.

1960년대에 Humberto Fernandez-Moran이 . Efraim Racker가 F1이란 . F1이란 가수분해하는 효소라는 . 생물학자들이 아데노신 삼인산을 생성하는 미토콘드리아가 왜 그것을 소모하는 효소를 가지고 있는지에 관한 의문을 .

Na+/K+-ATPase에 . 붙어있는 이 효소는 생리학적인 아데노신 삼인산 분자 소모하여 Na+이온 3개를 세포 밖으로 내보내는 K+이온 2개를 세포 안으로 . Na+ K+ . , 세포가 처한 조건에 효소가 촉매하는 방향이 바뀔 수 있다는 . Efraim Racker für Efraim Racker und Efraim Racker.

X-ray F1은 ATP . ATP . F1과 효소를 고정시키는 F0 요소가 . F1 지름이 90 . F0과 F1은 줄기(γ)와 외부적인 줄기(b)로 인해 서로 연결되어 .

F1

ATP 합성효소의 F1 α 3개, β 폴리펩타이드 3개, δ 폴리펩타이드 하나, γ 하나, 그리고 ε 폴리펩타이드 . 폴리펩타이드는 내에 DNA에 전사되고 세포질에서 미토콘드리아로 . α와 β 서브유닛은 번갈아가며 F1을 구성한다. 삼인산을 생성하는 부분은 β 서브유닛에 포함되어있다.

Fo 편집

내막에 묻힌 Fo 요소는 a 폴리펩타이드 하나, b 폴리펩타이드 2개, c 폴리펩타이드 10

14개로 . c 폴리펩타이드 개수는 세포의 종류에 의해 바뀐다. 들어 효모의 미토콘드리아에서 ATP 합성효소는 c 폴리펩타이드 10개를 가지지만 엽록체의 미토콘드리아의 ATP 합성효소는 14개를 가진다. Fo는 수소 이온이 내막을 통과할 있는 통로를 갖고 . 내막을 화학적으로 조각냈을 때 수포가 형성되어 계속 생성할 있지만 F1을 제거하는 아데노신 삼인산을 수 없다는 점에서 수 .

ATP 1979년에 UCLA의 Paul Boyer Bindungsänderungsmechanismus에 설명된다. 정설로 받아들여지고 있는 이 기작은 다음 세가지로 설명된다.

1994년에 John Walker와 F1의 Boyer의 Bindungsänderungsmechanismus을 뒷받침한다. 첫째로 Boyer가 F1요소에 β 반응 부위의 서로 . 회전축을 F0로부터 F1으로 . 줄기의 꼭대기는 비대칭적인데 β 서브유닛의 반응 부위가 어떤 접촉하고 있는지에 L, T, O 띈다. 360도를 한 L, T, O형태를 .

F1 1997년에 Masasuke Yoshida와 . F1 ATP 후 유전공학 γ 줄기의 형광처리가 된 . F1을 용액을 보았더니 프로펠러에 매달린 . 비슷하게 처리된 F1 꼭대기에 자기 아데노신 이인산과 용액을 첨가하고 자기장에 시계방향으로 돌게 했더니 . 360도를 3개씩 . 이런 일련의 실험을 통해 Bindungsänderungsmechanismus은 현재 정설로 받아들여진다.


Chemiosmotische Theorie

Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften hat beschlossen, 1978 den Nobelpreis für Chemie zu vergeben
DR Peter Mitchell, Glynn Research Laboratories, Bodmin, Cornwall, UK, für seinen Beitrag zum Verständnis von biologischer Energietransfer durch die Formulierung der chemiosmotischen Theorie.

Chemiosmotische Theorie der Energieübertragung

Peter Mitchell wurde am 29. September 1920 in Mitcham in der Grafschaft Surrey, England, geboren. Seine Eltern, Christopher Gibbs Mitchell und Kate Beatrice Dorothy (geb.) Taplin, unterschieden sich im Temperament sehr voneinander. Seine Mutter war eine schüchterne und sanfte Person mit sehr eigenständigem Denken und Handeln, mit starkem künstlerischem Scharfsinn. Als Rationalist und Atheist lehrte sie ihn, die Verantwortung für sein eigenes Schicksal und insbesondere für seine Fehler im Leben zu übernehmen Alter von etwa fünfzehn. Sein Vater war eine viel konventionellere Person als seine Mutter und wurde mit dem O.B.E. für seinen Erfolg als Beamter.

Peter Mitchell wurde am Queens College in Taunton und am Jesus College in Cambridge ausgebildet. In Queens profitierte er besonders vom Einfluss des Schulleiters C. L. Wiseman, der ein ausgezeichneter Mathematiklehrer und ein versierter Amateurmusiker war. Das Ergebnis der Stipendienprüfung, die er zum Eintritt in das Jesus College Cambridge ablegte, war so erbärmlich, dass er nur aufgrund eines persönlichen Briefes von C. L. Wiseman überhaupt an der Universität zugelassen wurde. Kurz nach Kriegsbeginn mit Deutschland im Jahr 1939 trat er in das Jesus College ein. Im ersten Teil des Naturwissenschaftlichen Tripos studierte er Physik, Chemie, Physiologie, Mathematik und Biochemie und erhielt einen Abschluss der Klasse III. In Teil II studierte er Biochemie und erhielt ein II-I-Ergebnis für seinen Honours Degree.

Auf Einladung von J. F. Danielli nahm er 1942 eine Forschungsstelle am Department of Biochemistry, Cambridge, an. Er hatte das große Glück, Daniellis einziger Ph.D. Student zu dieser Zeit und genoss und profitierte sehr von Daniellis freundlichem und unautoritärem Stil der Forschungsbetreuung. Danielli stellte ihn David Keilin vor, den er mehr als jeden anderen Wissenschaftler seiner Bekanntschaft liebte und schätzte.

Er erhielt den Grad des Ph.D. Anfang 1951 für Arbeiten zur Wirkungsweise von Penicillin und war von 1950 bis 1955 Demonstrator am Department of Biochemistry, Cambridge. 1955 wurde er von Professor Michael Swann eingeladen, eine biochemische Forschungseinheit aufzubauen und zu leiten , genannt Chemical Biology Unit, im Department of Zoology der Edinburgh University, wo er 1961 auf eine Senior Lectureship, 1962 auf eine Readership berufen wurde und wo er blieb, bis akute Magengeschwüre zu seinem Rücktritt nach einer Beurlaubung führten 1963.

Von 1963 bis 1965 zog er sich vollständig aus der wissenschaftlichen Forschung zurück und fungierte als Architekt und Baumeister, wobei er direkt die Restaurierung eines attraktiven Herrenhauses mit Regency-Front, bekannt als Glynn House, im wunderschönen bewaldeten Glynn Valley in der Nähe von Bodmin, Cornwall & #8211 einen Großteil davon für die Nutzung als Forschungslabor adaptieren und einrichten. Dabei hatte er das Glück, von seiner ehemaligen Forschungskollegin Jennifer Moyle tatkräftig unterstützt zu werden. Er und Jennifer Moyle gründeten ein gemeinnütziges Unternehmen, bekannt als Glynn Research Ltd., um die biologische Grundlagenforschung zu fördern und die Arbeit der Glynn Research Laboratories im Glynn House zu finanzieren. Die ursprüngliche Stiftung von etwa 250.000 Pfund wurde zu etwa gleichen Teilen von Peter Mitchell und seinem älteren Bruder Christopher John Mitchell gespendet.

1965 begannen Peter Mitchell und Jennifer Moyle mit praktischer Hilfe eines Technikers, Roy Mitchell (nicht mit Peter Mitchell verwandt) und mit administrativer Hilfe ihres Firmensekretärs, ein Forschungsprogramm über chemiosmotische Reaktionen und Reaktionssysteme, für das das Glynn Research Institute ist bekannt geworden. Seit seiner Gründung verfügt das Glynn Research Institute nicht über ausreichende finanzielle Mittel, um mehr als drei wissenschaftliche Mitarbeiter, einschließlich des Forschungsdirektors, in seinem ständigen Personal zu beschäftigen. Bis heute war er als Forschungsdirektor am Glynn Research Institute tätig. Ein akuter Geldmangel hat zuletzt dazu geführt, dass das Glynn Research Institute möglicherweise schließen muss.

Mitchell untersuchte das Mitochondrium, die Organelle, die Energie für die Zelle produziert. ATP wird im Mitochondrium durch Hinzufügen einer Phosphatgruppe zu ADP in einem als oxidative Phosphorylierung bekannten Prozess hergestellt. Mitchell konnte bestimmen, wie die verschiedenen Enzyme, die an der Umwandlung von ADP zu ATP beteiligt sind, innerhalb der Membranen verteilt sind, die das Innere des Mitochondriums aufteilen. Er zeigte, wie diese Anordnung der Enzyme ihre Verwendung von Wasserstoffionen als Energiequelle bei der Umwandlung von ADP in ATP erleichtert.

Peter Mitchells Abhandlung von 1961 zur Einführung der chemiosmotischen Hypothese leitete eine Revolution ein, die über die Bioenergetik hinaus in die gesamte Biologie ein Echo fand und unser Verständnis der grundlegenden Mechanismen der biologischen Energieerhaltung, des Ionen- und Metabolitentransports, der bakteriellen Motilität, der Organellenstruktur und Biosynthese, der Membranstruktur prägte und Funktion, Homöostase, die Evolution der eukaryotischen Zelle und tatsächlich jeden Aspekt des Lebens, in dem diese Prozesse eine Rolle spielen. Der Nobelpreis für Chemie 1978, das Peter Mitchell als alleinigen Preisträger verliehen wurde, würdigte seinen herausragenden Beitrag zur Bestätigung der Gültigkeit der chemiosmotischen Hypothese und ipso facto den langen Kampf um die Überzeugung eines zunächst feindseligen Establishments.

NOBELPREIS FÜR CHEMIE FÜR BIOLOGISCHEN ENERGIETRANSFER

Mitchells Forschungen wurden in einem Bereich der Biochemie durchgeführt, der in den letzten Jahren oft als ‘Bioenergetik’ bezeichnet wurde, nämlich die Erforschung der chemischen Prozesse, die für die Energieversorgung lebender Zellen verantwortlich sind. Lebensprozesse, wie alle Vorgänge, die Arbeit beinhalten, benötigen Energie, und es ist ganz natürlich, dass solche Aktivitäten wie Muskelkontraktion, Nervenleitung, aktiver Transport, Wachstum, Fortpflanzung sowie die Synthese aller für die Ausführung notwendigen Substanzen und Regulierung dieser Aktivitäten, ohne eine ausreichende Energieversorgung nicht möglich wäre.

Es ist mittlerweile gut bekannt, dass die Zelle die kleinste biologische Einheit ist, die in der Lage ist, mit Energie umzugehen. Allen lebenden Zellen gemein ist die Fähigkeit, mittels geeigneter Enzyme Energie aus ihrer Umgebung zu gewinnen, in eine biologisch nutzbare Form umzuwandeln und für den Antrieb verschiedener energieverbrauchender Prozesse zu nutzen. Zellen grüner Pflanzen sowie bestimmte Bakterien und Algen können mit Hilfe von Chlorophyll direkt aus Sonnenlicht Energie gewinnen – die ultimative Energiequelle für alles Leben auf der Erde – und nutzen sie durch Photosynthese, um Kohlendioxid und Wasser umzuwandeln in organische Verbindungen. Andere Zellen, darunter auch die aller Tiere und vieler Bakterien, sind in ihrer Existenz vollständig von organischen Verbindungen abhängig, die sie als Nährstoffe aus ihrer Umgebung aufnehmen. Durch einen Prozess namens Zellatmung werden diese Verbindungen durch Luftsauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert.

Sowohl bei der Photosynthese als auch bei der Atmung wird Energie in einer Verbindung namens Adenosintriphosphat, abgekürzt als ATP, gespeichert. Bei der Aufspaltung von ATP in Adenosindiphosphat (ADP) und anorganisches Phosphat (Pi) wird relativ viel Energie frei, die in Gegenwart spezifischer Enzyme genutzt werden kann, um verschiedene energieverbrauchende Prozesse anzutreiben. Somit kann ATP als die universelle ‘Energiewährung’ der lebenden Zellen angesehen werden. Die Prozesse, durch die ATP während der Photosynthese und Atmung aus ADP und Pi gebildet wird, werden üblicherweise als ‘Photophosphorylierung’ und ‘oxidative Phosphorylierung’ bezeichnet. Die beiden Prozesse haben mehrere Gemeinsamkeiten, sowohl in ihrer Enzymzusammensetzung – beide beinhalten eine Wechselwirkung zwischen oxidierenden (elektronenübertragenden) und phosphorylierenden Enzymen – als auch in ihrer Assoziation mit Zellmembranen. In höheren Zellen treten Photophosphorylierung und oxidative Phosphorylierung in spezifischen membranumschlossenen Organellen, Chloroplasten und Mitochondrien bzw. in Bakterien auf, beide Prozesse sind mit der Zellmembran verbunden.

Die obigen Konzepte wurden ungefähr Anfang der 1960er Jahre grob umrissen, aber die genauen Mechanismen, durch die der Elektronentransfer an die ATP-Synthese bei der oxidativen Phosphorylierung und bei der Photophosphorylierung gekoppelt wird, blieben unbekannt. Viele Hypothesen wurden formuliert, insbesondere im Hinblick auf den Mechanismus der oxidativen Phosphorylierung, die meisten postulierten eine direkte chemische Wechselwirkung zwischen oxidierenden und phosphorylierenden Enzymen. Trotz intensiver Forschung in vielen Labors konnten jedoch für keine dieser Hypothesen experimentelle Belege gefunden werden. Zu diesem Zeitpunkt schlug Mitchell 1961 einen alternativen Mechanismus für die Kopplung des Elektronentransfers an die ATP-Synthese vor, der auf einer indirekten Wechselwirkung zwischen oxidierenden und phosphorylierenden Enzymen beruht. Er schlug vor, dass der Elektronenfluss durch die Enzyme der respiratorischen oder photosynthetischen Elektronentransferketten positiv geladene Wasserstoffionen oder Protonen durch die Membranen von Mitochondrien, Chloroplasten und Bakterienzellen treibt. Als Ergebnis wird ein elektrochemischer Protonengradient über die Membran erzeugt. Der Gradient besteht aus zwei Komponenten: einem Unterschied in der Wasserstoffionenkonzentration oder dem pH-Wert und einem Unterschied im elektrischen Potenzial. Beides zusammen bildet das, was Mitchell die ‘protonmotorische Kraft’ nennt.Die Synthese von ATP wird durch einen umgekehrten Protonenfluss entlang des Gradienten angetrieben. Mitchells Vorschlag wurde als „chemiosmotische Theorie“ bezeichnet.

Diese Theorie wurde zunächst mit Skepsis aufgenommen, aber in den letzten 15 Jahren hat die Arbeit sowohl in Mitchells als auch in vielen anderen Labors gezeigt, dass die grundlegenden Postulate seiner Theorie richtig sind. Auch wenn wichtige Details der zugrunde liegenden molekularen Mechanismen noch unklar sind, wird die chemiosmotische Theorie heute allgemein als grundlegendes Prinzip in der Bioenergetik akzeptiert. Diese Theorie bietet eine rationale Grundlage für zukünftige Arbeiten zu den detaillierten Mechanismen der oxidativen Phosphorylierung und Photophosphorylierung. Darüber hinaus hat sich dieses Konzept der biologischen Kraftübertragung durch protonmotorische Kraft (oder ‘Proticity’, wie Mitchell es seit kurzem in Analogie zur Elektrizität nennt) bereits als anwendbar auf andere energieverbrauchende zelluläre Prozesse gezeigt. Dazu gehören die Aufnahme von Nährstoffen durch Bakterienzellen, zellulärer und intrazellulärer Transport von Ionen und Metaboliten, biologische Wärmeproduktion, bakterielle Bewegung usw. Darüber hinaus die Chloroplasten der Pflanzen, die die Lichtenergie der Sonne ernten, und die Mitochondrien der Tierzellen, die Hauptumwandler von Energie aus der Atmung, ähneln bemerkenswert miniaturisierten Solar- und Brennstoffzellensystemen. Mitchells Entdeckungen sind daher sowohl interessant als auch potenziell wertvoll, nicht nur für das Verständnis biologischer Energieübertragungssysteme, sondern auch in Bezug auf die Technologie der Energieumwandlung.


Schau das Video: ATP u0026 Respiration: Crash Course Biology #7 (Juni 2022).