Wikipedia

Bioenergetik

Bioenergetik ialah bidang dalam biokimia dan biologi sel berkenaan aliran tenaga melalui sistem hidup.[1] Ini ialah bidang penyelidikan biologi aktif yang merangkumi kajian tentang transformasi tenaga dalam organisma hidup dan kajian beribu-ribu proses selular yang berbeza seperti respirasi selular dan banyak proses metabolik dan enzimatik lain yang membawa kepada pengeluaran dan penggunaan tenaga dalam bentuk seperti molekul adenosina trifosfat (ATP).[2][3] Maksudnya, matlamat bioenergetik adalah untuk menerangkan bagaimana organisma hidup memperoleh dan mengubah tenaga untuk melaksanakan kerja biologi.[4] Oleh itu, kajian tentang laluan metabolik adalah penting untuk bioenergetik.

Gambaran keseluruhan

sunting

Bioenergetik ialah bahagian biokimia yang berkaitan dengan tenaga yang terlibat dalam membuat dan memecahkan ikatan kimia dalam molekul yang terdapat dalam organisma biologi.[5] Ia juga boleh ditakrifkan sebagai kajian tentang hubungan tenaga dan transformasi tenaga dan transduksi dalam organisma hidup.[6] Keupayaan untuk memanfaatkan tenaga daripada pelbagai laluan metabolik adalah hak milik semua organisma hidup. Pertumbuhan, perkembangan, anabolisme dan katabolisme adalah beberapa proses utama dalam kajian organisma biologi, kerana peranan tenaga adalah asas kepada proses biologi tersebut.[7] Kehidupan bergantung kepada perubahan tenaga; organisma hidup bertahan kerana pertukaran tenaga antara tisu/sel hidup dan persekitaran luar. Sesetengah organisma, seperti autotrof, boleh memperoleh tenaga daripada cahaya matahari (melalui fotosintesis) tanpa perlu mengambil nutrien dan memecahkannya.[8] Organisma lain, seperti heterotrof, mesti mengambil nutrien daripada makanan untuk dapat mengekalkan tenaga dengan memecahkan ikatan kimia dalam nutrien semasa proses metabolik seperti glikolisis dan kitaran asid sitrik. Satu hal yang penting, sebagai akibat langsung daripada hukum termodinamik pertama, autotrof dan heterotrof mengambil bahagian dalam rangkaian metabolik sejagat—dengan memakan autotrof (tumbuhan), heterotrof memanfaatkan tenaga yang pada mulanya diubah oleh tumbuhan semasa fotosintesis.[9]

Dalam organisma hidup, ikatan kimia dipecahkan dan dibuat sebagai sebahagian daripada pertukaran dan transformasi tenaga. Tenaga tersedia untuk kerja (seperti kerja mekanikal) atau untuk proses lain (seperti sintesis kimia dan proses anabolik dalam pertumbuhan), apabila ikatan lemah dipecahkan dan ikatan yang lebih kuat dibuat. Penghasilan ikatan yang lebih kuat membolehkan pembebasan tenaga yang boleh digunakan.

Adenosin trifosfat (ATP) ialah "mata wang tenaga" utama organisma; matlamat proses metabolik dan katabolik adalah untuk mensintesis ATP daripada bahan permulaan yang tersedia (daripada persekitaran), dan untuk memecahkan ATP (kepada adenosin difosfat (ADP) dan fosfat bukan organik) melalui proses biologi.[4] Dalam sel, nisbah kepekatan ATP kepada ADP dikenali sebagai "cas tenaga" sel. Sel boleh menggunakan caj tenaga ini untuk menyampaikan maklumat tentang keperluan sel; jika terdapat lebih ATP daripada ADP, sel boleh menggunakan ATP untuk melakukan kerja, tetapi jika terdapat lebih ADP daripada ATP, sel mesti mensintesis ATP melalui fosforilasi oksidatif.[5]

Organisma hidup menghasilkan ATP daripada sumber tenaga melalui fosforilasi oksidatif. Ikatan fosfat terminal ATP agak lemah berbanding dengan ikatan lebih kuat yang terbentuk apabila ATP dihidrolisiskan (dipecahkan oleh air) kepada adenosina difosfat dan fosfat bukan organik. Ini ialah tenaga bebas hidrolisis yang mungkin berdasarkan termodinamik yang menghasilkan pembebasan tenaga; ikatan fosfoanhidrida antara kumpulan fosfat terminal dan seluruh molekul ATP tidak sendiri mengandungi tenaga ini.[10] Stok simpanan ATP organisma digunakan sebagai bateri untuk menyimpan tenaga dalam sel.[11] Penggunaan tenaga kimia daripada penyusunan semula ikatan molekul tersebut menguatkan proses biologi dalam setiap organisma biologi.

Organisma hidup memperoleh tenaga daripada bahan organik dan bukan organik; iaitu ATP boleh disintesis daripada pelbagai prekursor biokimia. Contohnya, litotrof boleh mengoksidakan mineral seperti nitrat atau bentuk sulfur, seperti unsur sulfur, sulfit dan hidrogen sulfida untuk menghasilkan ATP. Dalam fotosintesis, autotrof menghasilkan ATP menggunakan tenaga cahaya, manakala heterotrof mesti menggunakan sebatian organik, kebanyakannya termasuk karbohidrat, lemak, dan protein. Jumlah tenaga yang sebenarnya diperolehi oleh organisma adalah lebih rendah daripada jumlah yang terdapat dalam makanan; terdapat kerugian dalam pencernaan, metabolisme, dan termogenesis.[12]

Bahan persekitaran yang diambil oleh organisma biasanya digabungkan dengan oksigen untuk membebaskan tenaga, walaupun sesetengah nutrien juga boleh dioksidakan secara anaerobik oleh pelbagai organisma. Penggunaan bahan-bahan ini adalah satu bentuk pembakaran perlahan kerana nutrien bertindak balas dengan oksigen (bahan-bahan dioksidakan dengan cukup perlahan sehingga organisma tidak menghasilkan api). Pengoksidaan membebaskan tenaga yang mungkin berkembang sebagai haba atau digunakan oleh organisma untuk tujuan lain seperti memecahkan ikatan kimia.

Jenis tindak balas

sunting
  • Tindak balas eksergonik ialah tindak balas kimia spontan yang membebaskan tenaga.[4] Ia digemari secara termodinamik, dan diwakili oleh nilai ΔG (tenaga bebas Gibbs) negatif. Sepanjang tindak balas, tenaga perlu dimasukkan, dan tenaga pengaktifan ini memacu bahan tindak balas daripada keadaan stabil kepada keadaan peralihan yang sangat tidak stabil kepada keadaan lebih stabil yang lebih rendah tenaganya (lihat: koordinat tindak balas). Bahan tindak balas biasanya merupakan molekul kompleks yang dipecahkan kepada produk yang lebih ringkas. Keseluruhan tindak balas biasanya katabolik.[13] Pembebasan tenaga (tenaga bebas Gibbs) adalah negatif (−ΔG) kerana tenaga dibebaskan daripada bahan tindak balas kepada produk.
  • Tindak balas endergonik ialah tindak balas kimia anabolik yang menggunakan tenaga.[3] Ia adalah bertentangan dengan tindak balas eksergonik. Ia mempunyai ΔG positif kerana ia memerlukan lebih banyak tenaga untuk memecahkan ikatan bahan tindak balas daripada tenaga yang ditawarkan oleh produk, iaitu produk mempunyai ikatan yang lebih lemah daripada bahan tindak balas. Oleh itu, tindak balas endergonik secara termodinamik tidak mungkin. Selain itu, tindak balas endergonik biasanya anabolik.[14]

Tenaga bebas (Δ G) yang diperoleh atau hilang dalam tindak balas boleh dikira seperti berikut: ΔG = ΔH − TΔS di mana ∆G = tenaga bebas Gibbs, ∆H = entalpi, T = suhu (dalam kelvin), dan ∆S = entropi.[15]

Contoh proses biotenaga utama

sunting
  • Glikolisis ialah proses memecahkan glukosa kepada piruvat, menghasilkan dua molekul ATP (setiap 1 molekul glukosa) dalam proses tersebut.[16] Apabila sel mempunyai kepekatan ATP yang lebih tinggi daripada ADP (iaitu mempunyai cas tenaga yang tinggi), sel tidak boleh menjalani glikolisis, dan membebaskan tenaga daripada glukosa yang ada untuk melakukan kerja biologi. Piruvat adalah salah satu produk glikolisis, dan boleh dialihkan ke laluan metabolik lain (glukoneogenesis, dll.) mengikut keperluan sel. Selain itu, glikolisis menghasilkan molekul penurunan setara dalam bentuk NADH (nikotinamida adenina dinukleotida), yang akhirnya akan digunakan untuk menderma elektron terhadap rantai pengangkutan elektron.
  • Glukoneogenesis adalah bertentangan dengan glikolisis; apabila cas tenaga sel rendah (kepekatan ADP lebih tinggi daripada ATP), sel mesti mensintesis glukosa daripada biomolekul yang mengandungi karbon seperti protein, asid amino, lemak, piruvat, dll.[17] Contohnya, protein boleh dipecahkan kepada asid amino, dan rangka karbon yang lebih ringkas ini digunakan untuk membina/mensintesis glukosa.
  • Ketosis ialah proses metabolik di mana badan mengutamakan badan keton hasilan lemak sebagai sumber bahan api utama dan bukannya glukosa.[20] Peralihan ini sering berlaku apabila paras glukosa rendah: dalam tempoh puasa berpanjangan, senaman berat, atau diet khusus seperti diet ketogenik, badan juga mungkin menggunakan ketosis sebagai alternatif yang cekap untuk pengeluaran tenaga.[21] Penyesuaian metabolik ini membolehkan badan memelihara glukosa berharga bagi organ yang bergantung kepadanya seperti otak sambil menggunakan simpanan lemak yang sedia ada sebagai bahan api.
  • Fosforilasi oksidatif dan rantai pengangkutan elektron ialah proses di mana molekul penurunan setara seperti NADPH, FADH2 dan NADH boleh digunakan untuk menderma elektron kepada satu siri tindak balas redoks yang berlaku dalam kompleks rantai pengangkutan elektron.[22][23] Tindak balas redoks ini berlaku dalam kompleks enzim yang terletak di dalam membran mitokondria. Tindak balas redoks ini memindahkan elektron "ke bawah" rantai pengangkutan elektron, yang digabungkan dengan daya motif proton. Perbezaan kepekatan proton antara matriks mitokondria dan ruang membran dalam digunakan untuk memacu sintesis ATP melalui ATP sintase.
  • Fotosintesis, satu lagi proses biotenaga utama, ialah laluan metabolik yang digunakan oleh tumbuhan di mana tenaga suria digunakan untuk mensintesis glukosa daripada karbon dioksida dan air. Tindak balas ini berlaku dalam kloroplas. Selepas glukosa disintesis, sel tumbuhan boleh menjalani fotofosforilasi untuk menghasilkan ATP.[22]

Gandingan tindak balas

sunting

Pergandingan tindak balas ialah pertautan tindak balas kimia dengan cara yang hasil daripada satu tindak balas menjadi substrat tindak balas yang lain.

Ini membolehkan organisma menggunakan tenaga dan sumber dengan cekap. Sebagai contoh, dalam respirasi selular, tenaga yang dikeluarkan oleh pemecahan glukosa digabungkan dalam sintesis ATP.

Pengangkutan bersama

sunting

Pada Ogos 1960, Robert K. Crane buat pertama kalinya membentangkan penemuan kopengangkut natrium-glukosa sebagai mekanisme penyerapan glukosa usus.[24] Penemuan pengangkutan bersama (kopengangkutan) Cren merupakan cadangan pertama gandingan fluks dalam biologi, dan merupakan peristiwa paling penting mengenai penyerapan karbohidrat pada abad ke-20.[25][26]

Teori kemiosmotik

sunting

Salah satu kejayaan utama bioenergetik ialah teori kimiosmotik oleh Peter D. Mitchell tentang bagaimana proton dalam larutan akueus berfungsi dalam penghasilan ATP dalam organel sel seperti mitokondria.[27] Hasil kerja ini memberikan Mitchell Hadiah Nobel Kimia 1978. Sumber selular ATP lain seperti glikolisis telah difahami terlebih dahulu, tetapi proses sedemikian dalam gandingan langsung aktiviti enzim kepada pengeluaran ATP bukanlah sumber utama tenaga kimia yang berguna dalam kebanyakan sel. Gandingan kimiosmotik ialah proses penghasilan tenaga utama dalam kebanyakan sel, digunakan dalam kloroplas dan beberapa organisma sel tunggal sebagai tambahan kepada mitokondria.

Keseimbangan tenaga

sunting

Homeostasis tenaga ialah kawalan homeostatik keseimbangan tenaga – perbezaan antara tenaga yang diperoleh melalui penggunaan makanan dan perbelanjaan tenaga - dalam sistem hidup.[28][29]

Rujukan

sunting
  1. ^ Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company, 2013. Sixth ed., pg 24.
  2. ^ Green, D. E.; Zande, H. D. (1981). "Universal energy principle of biological systems and the unity of bioenergetics". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 78 (9): 5344–5347. Bibcode:1981PNAS...78.5344G. doi:10.1073/pnas.78.9.5344. PMC 348741. PMID 6946475.
  3. ^ a b Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company, 2013. Sixth ed., pg. 27.
  4. ^ a b c Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company, 2013. Sixth ed., pg. 24.
  5. ^ a b Ferrick D.A., Neilson A., Beeson C (2008). Advances in measuring cellular bioenergetics using extracellular flux. Drug Discovery Today, 13 5 & 6: 268- 274. Accessed 9 April 2017.
  6. ^ Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company, 2013. Sixth ed., pg. 506.
  7. ^ Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company, 2013. Sixth ed., pg. 28.
  8. ^ Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company, 2013. Sixth ed., pg. 22.
  9. ^ Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company, 2013. Sixth ed., pgs. 22, 506.
  10. ^ Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company, 2013. Sixth ed., pg. 522- 523.
  11. ^ Hardie, D.G., Ross, F.A., Hawley, S.A (2012). AMPK: a nutrient and energy sensor that maintains energy homeostasis. Nature, 13 251- 262. Accessed 9 April 2017.
  12. ^ "CHAPTER 3: CALCULATION OF THE ENERGY CONTENT OF FOODS - ENERGY CONVERSION FACTORS". www.fao.org.
  13. ^ Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company, 2013. Sixth ed., pg. 502.
  14. ^ Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company, 2013. Sixth ed., pg. 503.
  15. ^ Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company, 2013. Sixth ed., p. 23.
  16. ^ Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company, 2013. Sixth ed., pg 544.
  17. ^ Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company, 2013. Sixth ed., pg 568.
  18. ^ Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company, 2013. Sixth ed., pg 633.
  19. ^ Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company, 2013. Sixth ed., pg 640.
  20. ^ Masood W, Annamaraju P, Khan Suheb MZ, et al. Ketogenic Diet. [Updated 2023 Jun 16]. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2024 Jan-. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK499830/
  21. ^ Devrim-Lanpir, Aslı, Lee Hill, and Beat Knechtle. 2021. "Efficacy of Popular Diets Applied by Endurance Athletes on Sports Performance: Beneficial or Detrimental? A Narrative Review" Nutrients 13, no. 2: 491. https://doi.org/10.3390/nu13020491
  22. ^ a b Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company, 2013. Sixth ed., pg 731.
  23. ^ Nelson, David L., Cox, Michael M. Lehninger: Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company, 2013. Sixth ed., pg 734.
  24. ^ Robert K. Crane, D. Miller and I. Bihler. "The restrictions on possible mechanisms of intestinal transport of sugars". In: Membrane Transport and Metabolism. Proceedings of a Symposium held in Prague, August 22–27, 1960. Edited by A. Kleinzeller and A. Kotyk. Czech Academy of Sciences, Prague, 1961, pp. 439-449.
  25. ^ Wright, Ernest M.; Turk, Eric (2004). "The sodium glucose cotransport family SLC5". Pflügers Arch. 447 (5): 510–8. doi:10.1007/s00424-003-1063-6. PMID 12748858. Crane in 1961 was the first to formulate the cotransport concept to explain active transport [7]. Specifically, he proposed that the accumulation of glucose in the intestinal epithelium across the brush border membrane was coupled to downhill Na+ transport cross the brush border. This hypothesis was rapidly tested, refined and extended [to] encompass the active transport of a diverse range of molecules and ions into virtually every cell type.
  26. ^ Boyd, C A R (2008). "Facts, fantasies and fun in epithelial physiology". Experimental Physiology. 93 (3): 303–14. doi:10.1113/expphysiol.2007.037523. PMID 18192340. the insight from this time that remains in all current text books is the notion of Robert Crane published originally as an appendix to a symposium paper published in 1960 (Crane et al. 1960). The key point here was 'flux coupling', the cotransport of sodium and glucose in the apical membrane of the small intestinal epithelial cell. Half a century later this idea has turned into one of the most studied of all transporter proteins (SGLT1), the sodium–glucose cotransporter.
  27. ^ Peter Mitchell (1961). "Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism". Nature. 191 (4784): 144–8. Bibcode:1961Natur.191..144M. doi:10.1038/191144a0. PMID 13771349.
  28. ^ Malenka RC, Nestler EJ, Hyman SE (2009). Sydor A, Brown RY (penyunting). Molecular Neuropharmacology: A Foundation for Clinical Neuroscience (ed. 2nd). New York: McGraw-Hill Medical. m/s. 179, 262–263. ISBN 9780071481274. Orexin neurons are regulated by peripheral mediators that carry information about energy balance, including glucose, leptin, and ghrelin. ... Accordingly, orexin plays a role in the regulation of energy homeostasis, reward, and perhaps more generally in emotion. ... The regulation of energy balance involves the exquisite coordination of food intake and energy expenditure. Experiments in the 1940s and 1950s showed that lesions of the lateral hypothalamus (LH) reduced food intake; hence, the normal role of this brain area is to stimulate feeding and decrease energy utilization. In contrast, lesions of the medial hypothalamus, especially the ventromedial nucleus (VMH) but also the PVN and dorsomedial hypothalamic nucleus (DMH), increased food intake; hence, the normal role of these regions is to suppress feeding and increase energy utilization. Yet discovery of the complex networks of neuropeptides and other neurotransmitters acting within the hypothalamus and other brain regions to regulate food intake and energy expenditure began in earnest in 1994 with the cloning of the leptin (ob, for obesity) gene. Indeed, there is now explosive interest in basic feeding mechanisms given the epidemic proportions of obesity in our society, and the increased toll of the eating disorders, anorexia nervosa and bulimia. Unfortunately, despite dramatic advances in the basic neurobiology of feeding, our understanding of the etiology of these conditions and our ability to intervene clinically remain limited.
  29. ^ "Neurobiology of food intake in health and disease". Nat. Rev. Neurosci. 15 (6): 367–378. 2014. doi:10.1038/nrn3745. PMC 4076116. PMID 24840801. However, in normal individuals, body weight and body fat content are typically quite stable over time2,3 owing to a biological process termed ‘energy homeostasis’ that matches energy intake to expenditure over long periods of time. The energy homeostasis system comprises neurons in the mediobasal hypothalamus and other brain areas4 that are a part of a neurocircuit that regulates food intake in response to input from humoral signals that circulate at concentrations proportionate to body fat content4-6. ... An emerging concept in the neurobiology of food intake is that neurocircuits exist that are normally inhibited, but when activated in response to emergent or stressful stimuli they can override the homeostatic control of energy balance. Understanding how these circuits interact with the energy homeostasis system is fundamental to understanding the control of food intake and may bear on the pathogenesis of disorders at both ends of the body weight spectrum.

Pautan luar

sunting
  • Persidangan Penyelidikan Gordon Bioenergetik Molekul & Selular (lihat).
Diambil daripada "https://ms.wikipedia.org/w/index.php?title=Bioenergetik&oldid=6109914"