In unserer ersten Vorlesung Pflanzenphysiologie sagte uns unser Lehrer, dass die Trennung der biochemischen Synthesewege vorteilhaft sei, weil sie sicherer und wirtschaftlicher sei. Das Problem, das ich bekam, als ich das zu Hause studierte, war, dass er nicht erklärte, warum das so ist.
Ich kann verstehen, warum es sicherer ist (zum Beispiel könnte ein Lysosom viele Hauptkomponenten der Zelle abbauen, wenn dieses Lysosom nicht auf seinen Bereich beschränkt wäre), aber es ist ziemlich schwierig für mich zu verstehen, warum es wirtschaftlicher ist in Begriffen von Energie. Jede klare/einfache Erklärung dazu wäre sehr willkommen.
Falsche Sparsamkeit?
Gott weiß, was der Lehrer des Posters meinte, als er sagte, dass die Trennung des biochemischen Weges „wirtschaftlicher“ sei! Dies ist kein Begriff, der normalerweise auf den Stoffwechsel angewendet wird, und ohnehin erhalten sparsame Menschen im Leben nicht immer einen Gegenwert für das Geld, das sie ausgeben, geschweige denn eine bessere Lebensqualität.
Die meisten Behandlungen der Trennung von biochemischen Wegen betonen zu Recht die Vorteile der Fähigkeit, Vorwärts- und Rückwärtsreaktionssequenzen unabhängig voneinander regulieren zu können. Aber lassen Sie uns einen Blick auf die energetische Trennung der Pfade werfen , wie das Poster forderte.
Einige grundlegende Thermodynamik
Das Poster forderte auch eine klare und einfache Erklärung. Das Folgende ist einfach, solange Sie mit einigen grundlegenden Ideen der chemischen Thermodynamik vertraut sind. Wenn nicht, empfehle ich Ihnen, die drei Seiten in Abschnitt 8.2 von Berg et al. online. (Ob es klar ist oder nicht, überlasse ich anderen zu beurteilen.)
Streit
Betrachten wir der Einfachheit halber eine Reihe von Reaktionen, bei denen die Verbindungen M und P ineinander umgewandelt werden:
M ⇄ N ⇄ O ⇄ P
Keine Trennung zwischen den Pfaden
Stellen Sie sich eine Situation vor, in der die biochemischen Vorwärts- (M➞P) und umgekehrten biochemischen Transformationen (P➞M) genau dieselben chemischen Veränderungen beinhalten, die von genau denselben Enzymen katalysiert werden, dh keine Trennung zwischen den Wegen . Damit dies funktioniert, muss das Gesamt-ΔG 0 nahe null sein, da sonst eine Reaktion in einer Richtung sehr schwierig zu erreichen ist (erfordert eine sehr hohe Konzentration des Ausgangsreaktanten). Für ein ΔG 0 nahe Null wird es bei gleichen Konzentrationen von M und P ein Gleichgewicht (keine Nettoreaktion) geben. Um einen Metabolitenfluss zu bewirken, beispielsweise in Vorwärtsrichtung, muss die Konzentration von M relativ zu P ansteigen .
Dabei gibt es zwei Probleme.
Erstens wäre beispielsweise ein ziemlich großes Verhältnis von M zu P erforderlich, um einen Nettofluss durch den Weg zu erreichen, und dies würde einen großen Pool an nicht umgesetztem M beinhalten. (Abschnitt 8.2 von Berg et al., oben zitiert, enthält einige Berechnungen, die dies veranschaulichen.) Dies kann oder darf als sparsamer Einsatz thermodynamischer Energie angesehen werden, ist aber nicht besonders sparsam im Umgang mit Ressourcen. Ein „Weg“, auf dem es eingesetzt wird, ist jedoch der Glukosetransport in der Leber (eigentlich ein einziger Transportprozess).
Zweitens wird die Richtung der Gesamtreaktion allein durch das Verhältnis von M zu P gesteuert, eine Situation, der es an Flexibilität mangelt.
Trennung zwischen Bahnen
Wenn getrennte Wege involviert sind, wird das erste oben erwähnte Problem eines einzelnen Weges auf folgende Weise überwunden. Jede Gesamtreaktion kann ein hohes negatives ΔG 0 haben , so dass sie keinen so großen Pool an Reaktanten erfordert und im Wesentlichen unidirektional ist. Man könnte fragen, wie das sein kann, da der Wert von ΔG 0 für die chemische Reaktion M ⇄ P feststeht. Die Antwort ist, dass an getrennten Reaktionswegen andere Reaktanten beteiligt sind, sodass die gesamte Hinreaktion
M + X ➞ P + Y sein könnte
, während die Rückreaktion
P + A ➞ M + B sein könnte. Dies wird in Abschnitt 16.3
für Glykolyse und Gluconeogenese betrachtet . 6 von Berg et al. — mit tatsächlichen Gleichungen. Das ΔG 0, für die Glykolyse wird mit – 84 kJ/mol und für die Gluconeogenese mit –38 kJ/mol angegeben.
Wenn beide Reaktionen thermodynamisch günstige Werte von ΔG 0 haben , ist es für die Zelle natürlich notwendig, den unwirtschaftlichen Kreislauf von P zurück zu M zu verhindern, nachdem es gebildet wurde. Die Tatsache, dass die Wege unterschiedlich sind, bedeutet jedoch, dass unterschiedliche Enzyme beteiligt sind, die die Ziele von regulatorischen Molekülen sind, die sie an- und ausschalten können. Diese regulatorischen Moleküle spiegeln normalerweise Angebot und Nachfrage wider, müssen aber keine Zwischenstufen in den Reaktionssequenzen sein, und sie können als viel raffiniertere "Schalter" für die Enzyme fungieren. Die Einzelheiten hierzu für die Glykolyse und Gluconeogenese finden sich auf der ersten Seite des Abschnitts 16.4 von Berg et al.
…der Preis von allem, der Wert von nichts
Sind getrennte biochemische Wege also energetisch wirtschaftlicher? Die große Änderung der freien Energie, die diese Reaktionen antreibt, geht als Wärme „verloren“, sodass man argumentieren könnte, dass tatsächlich das Gegenteil der Fall ist. Oder man könnte auch sagen: „Sie bekommen, wofür Sie bezahlen“ .
Stellen Sie sich das Enzym mit vier verschiedenen Aufgaben vor. Seine Hemmung unterbricht vier verschiedene Signalwege. Stattdessen verhindert die Aufteilung von Wegen in eine kontinuierliche Kette diskreter Prozesse, die von einzelnen Enzymen durchgeführt werden, „katastrophale Unterbrechungen“ und schafft eine energiearme Landschaft für die Entstehung neuer Wege.
Remi.b
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