Aufschlüsselung des Energieverbrauchs auf Ebene einer einzelnen Zelle

Die Stoffwechselrate misst, wie viel Energie ein Organismus in einer Zeiteinheit verbraucht . Seine Aufschlüsselung für den menschlichen Körper in Bezug auf seine Funktionen ist gut dokumentiert: so viel für das Herz, für das Gehirn usw.

In West et al., 2002, habe ich eine Schätzung für die Stoffwechselrate einer einzelnen Zelle gefunden. Aber wie funktioniert diese Aufschlüsselung in Bezug auf elementare Funktionen in der Zelle?

Wie viel der Energie, die durch Nährstoffe verfügbar gemacht wird, wird beispielsweise für den Prozess der Replikation des Genoms, der Expression von Proteinen, des Handels usw. verwendet?

Den Link-Vorschlägen von Jeremy Kemball folgend, finde ich in diesem Artikel den Anteil des ATP-Verbrauchs für die folgenden Prozesse:

Protein synthesis    0.34
Na+/K+ ATPase        0.16
Ca2+ ATPase          0.17
RNA/DNA synthesis    0.25
Unidentified         0.09

(was aus fadenscheinigen Gründen eher 1,01 als 1 ergibt). Ihre Messung erfolgt indirekt, basierend auf Ö 2 Verbrauch für eine angenommene Gleichgewichtsregeneration von ATP. Ich frage mich, wie GTP-basierte Prozesse berücksichtigt werden? Oder sind sie im Vergleich zu ATP vernachlässigbar?

Dies gilt für einen bestimmten Zelltyp, Rattenthymozyten. Gibt es einen Grund zu der Annahme, dass dies beispielsweise für einen Fibroblasten sehr unterschiedlich sein wird? Außerdem stimulieren sie ihre Thymozyten mit Concanavalin A. Ich habe verstanden, dass sie ohne Con-A kein RNA/DNA-Verbrauchssignal erhalten, aber ich habe nicht verstanden, warum das so sein sollte.

Was wäre schließlich in den verbleibenden 9 %? Ein von Jeremy Kemball vorgeschlagener Kandidat für den ATP-Verbrauch ist der Actin-Umsatz, ich denke, er passt nur in die "nicht identifizierte" Zeile. Tubulinumsatz ist ein GTP-Prozess, bei Zwischenfilamenten sind sie sich nicht sicher (drehen sie sich um?). Alle ATP-molekularen Motoren (mindestens Myosin, Kinesin, Dynein?) müssen auch da sein. Was sonst?

Ich interessiere mich besonders für die Gesamtmenge an ATP-Energie, die an Myosin geht.

@DevashishDas: Vielleicht war meine Frage nicht klar genug: Ich suche keine Beschreibung der ATP-Produktion aus Glukose (und anderer verwandter Prozesse, die Energie nutzbar machen), sondern ihrer Verwendung . Ein Teil davon muss tatsächlich in die Energieproduktion zurückfließen, aber ein Teil geht auch in die Proteinsynthese usw. Außerdem suche ich nach Zahlen (z. B. würde die DNA-Replikation so viel über 1 Zyklus von 24 Stunden verbrauchen, was so viel % des Zellstoffwechsels)
Mein Instinkt ist, dass diese Zahlen schwer zu finden sein werden. PET-Scans und Dinge, die fluoridierte Glukose verwenden, können den metabolischen Bedarf für einzelne Organe ziemlich leicht ausgleichen, aber zu verfolgen, wo und wann ATP verbraucht wird, wird viel schwieriger sein. Eine lustige Komplikation: Die ATP-Verbrauchs- und -Produktionsraten ändern sich während der normalen Zellreplikation in einer einzelnen Zelle stark, selbst wenn die Umgebung konstant ist. Ich wünsche Ihnen Glück.
@JeremyKemball: danke für deine Nachricht. Es ist hilfreich, bereits zu wissen, dass diese Zahlen möglicherweise nicht verfügbar sind ...! Ich wäre jedenfalls an jeder verfügbaren Schätzung interessiert: Es könnte einige aus einer Mischung von In-vitro- und In-vivo-Ansätzen geben, z. B. könnte eine niedrigere Schätzung für die DNA-Replikation vorhanden sein, da wir wissen, wie viele bp wir replizieren müssen und wahrscheinlich wie viel Energie es braucht, um einen zu replizieren.
@JeremyKemball: Haben Sie eine Referenz für die Tatsache, dass sich "ATP-Verbrauch und -Produktionsraten während der normalen Zellreplikation in einer einzelnen Zelle stark ändern"? Prost.
Ich muss mir angewöhnen, Quellen für Dinge zu finden, die ich sage, selbst in Kommentaren, wo sie nicht passen. Nur weil ich Dinge sage, die plausibel erscheinen, sich aber beim Nachrechnen als falsch herausstellen, äh, ziemlich oft. :/
Beachten Sie, dass jeder GTP-Prozess seine Energie indirekt von ATP bezieht.
@forest: Danke für deinen Kommentar, kannst du auf eine Erklärung dieser Energieflüsse verweisen? en.wikipedia.org/wiki/Guanosine_triphosphate#Biosynthesis zB ist darüber nicht so klar.
Was meinst du mit Energieflüssen?
Sie haben geschrieben, dass GTP-Prozesse ihre Energie aus ATP beziehen. In der Physik würde man das einen Energiefluss von einem biochemischen Speicher zum anderen nennen.

Antworten (2)

Ich habe darüber nachgedacht und etwas seltsam gegoogelt und einige Baseballzahlen für eine Reihe verschiedener Organismen gefunden. Es ist bei weitem keine vollständige Antwort, aber es ist zumindest ein Anfang, und all dies passt nicht in einen Kommentar.

Ich nahm an, dass die DNA-Replikation eine enorme metabolische Belastung für die Zelle darstellt. Es stellt sich heraus, dass das bei weitem nicht der Fall ist. Viele Helikasen sind passiv und benötigen kein ATP, und die Menge an ATP-äquivalenten Triphosphaten zur Synthese des gesamten Genoms ist ziemlich gering im Vergleich zu der Menge, die jeden Tag verwendet und recycelt wird.

Laut diesen Leuten gehen Menschen jeden Tag ihr Körpergewicht in ATP ein, wovon etwa 50 % Aktinumsatz und 30 % Synthese sind (60 % oder mehr bei schnellen Bakterien). Proteine ​​kosten etwa 4-5 ATP pro AA, um abgebaut und wieder aufgebaut zu werden.

Sie werden keine wirklich gute allgemeine Aufschlüsselung bekommen, glaube ich nicht, aber bei Nutzpflanzen oder E. coli gibt es dafür sozusagen Zahlen . Viele von ihnen basieren auf indirekten Messungen der Proteinaufnahme/des Proteinumsatzes und der ATP-Kosten pro AA oder BP. Sie sind faszinierend, aber verrückt und oft widersprüchlich.

Die 50 %, die in den Actin-Umsatz fließen, sind für Gehirngewebe bestimmt, wahrscheinlich überschätzt für anderes Gewebe. Ihr Link zur Synthese führte mich jedoch zu diesem Artikel , in dem Zahlen für Thymozyten angegeben sind: 1/3 des ATP-Verbrauchs für die Proteinsynthese, 1/3 für den Kalzium- und Natriumkreislauf, 1/4 für die DNA/RNA-Synthese und 1/10 für " der ganze Rest". Erstens, wie passt das zu dem zu erwartenden ATP-Verbrauch beim Aktin-Laufen? (Muss in die 10% für Thymozyten passen?) Was kann man sonst noch in diesen 10% erwarten?
Aktin-Laufband für Neuronen Ich erwarte, dass es einen ziemlich großen Teil des Energieverbrauchs ausmacht. Sie recyceln Neurotransmitter und ordnen ihre Dendriten und Dinge oft neu an, und all das hat seinen Preis. Thymozyten sind nur Blobs, also müssen sie nicht so viel Energie für das Zytoskelett aufwenden. genome.jp/dbget-bin/www_bget?cpd:C00002 ist eine Liste einiger Dinge, die ATP in der Zelle tut. Wo und wie das ATP-Budget ausgegeben wird, ist von Zelltyp zu Zelltyp sehr unterschiedlich. Muskeln und Nerven machen viele Ionenpumpen, Drüsen machen Synthese usw.

Eine signifikante Wärmemenge, die von der Zelle erzeugt wird, stammt nicht von der Hydrolyse eines NTP. ATP wird durch einen H+-Gradienten in den Mitochondrien erzeugt, und dieser Gradient wird durch Mechanismen erzeugt, die nur teilweise von ATP abhängen. Die meisten Energiespeicher in unserem Körper befinden sich nicht im NTP-Pool. Aus diesem Grund werden CO₂ und Urin verwendet, um den Energieverbrauch während körperlicher Betätigung zu messen. Auf der Skala einzelner Zellen ist es eine Herausforderung, ein Protokoll zu konzipieren, das alle verwirrenden Variablen berücksichtigt. Auf der Skala eines Menschen sind verwirrende Variablen im Energieverbrauch jedoch leicht zu kontrollieren. Wenn Sie sich für den Energieverbrauch eines einzelnen biologischen Prozesses interessieren, scheint dies ein besseres Projekt zu sein, als alle Prozesse gleichzeitig zu quantifizieren.

Danke für deine Antwort. In dem Artikel, den ich oben erwähnt habe, gibt es in der Tat eine Menge Atmung im Zellmaßstab, die nicht auf ATP-Prozesse zurückzuführen ist, sondern auf "Protonenleckage" zurückgeführt wird, und ich verstehe, dass dies mit der Wärmeerzeugung verbunden ist. Wie auch immer, was mich wirklich interessiert, ist der Energieverbrauch im Zellmaßstab, innerhalb dessen ich die ATP-basierte Energie besonders hervorheben möchte. Dann interessiere ich mich speziell für den Energieverbrauch durch Myosin (in Nicht-Muskelzellen).
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