Desglose del gasto de energía a nivel de una sola célula

La tasa metabólica mide cuánta energía gasta un organismo en una unidad de tiempo. Su desglose para el cuerpo humano en términos de sus funciones está bien documentado: tanto para el corazón, para el cerebro, etc.

En West et al, 2002 encontré una estimación de la tasa metabólica de una sola célula. Pero, ¿cómo funciona este desglose en términos de funciones elementales en la célula?

Por ejemplo, ¿cuánta de la energía disponible a partir de los nutrientes se utiliza en el proceso de replicación del genoma, de expresión de proteínas, de tráfico...?

Siguiendo las sugerencias de enlace de Jeremy Kemball, encuentro en este documento la fracción de consumo de ATP para los siguientes procesos:

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

(que suma 1,01 en lugar de 1 por razones espurias). Su medida es indirecta, basada en O 2 consumo para una supuesta regeneración de ATP en estado estacionario. Me pregunto cómo se contabilizan los procesos basados ​​en GTP. ¿O son insignificantes en comparación con los ATP?

Esto es para un tipo de célula específico, timocitos de rata, ¿hay alguna razón para esperar que esto sea muy diferente para, por ejemplo, un fibroblasto? Además, estimulan su timocito con concanavalina A. Entendí que no están recibiendo señal de consumo de ARN/ADN sin Con-A, pero no entendí por qué sería así.

Finalmente, ¿cuál sería el 9% restante? Un candidato para el consumo de ATP sugerido por Jeremy Kemball es el recambio de actina, supongo que solo encaja en la línea "no identificada". La rotación de tubulina es un proceso GTP, no estoy seguro acerca de los filamentos intermedios (¿se rotan?). Todos los motores moleculares de ATP (¿miosina, cinesina, dineína al menos?) también tienen que estar allí. ¿Qué otra cosa?

Estoy particularmente interesado en la cantidad total de energía ATP que va a la miosina.

@DevashishDas: Tal vez mi pregunta no fue lo suficientemente clara: no estoy buscando una descripción de la producción de ATP a partir de la glucosa (y otros procesos relacionados que hacen que la energía sea utilizable), sino de su uso . Parte de ella en realidad tiene que volver a la producción de energía, pero otra parte también va a la síntesis de proteínas, etc. Además, estoy buscando números (por ejemplo, la replicación del ADN consumiría tanto durante 1 ciclo de 24 horas, lo que hace tanto % de la tasa metabólica celular)
Mi instinto es que estas cifras van a ser difíciles de encontrar. Las tomografías por emisión de positrones (PET) y las cosas que usan glucosa fluorada pueden calcular con bastante facilidad la demanda metabólica de los órganos individuales, pero el seguimiento de dónde y cuándo se consume ATP va a ser mucho más difícil. Una complicación divertida: las tasas de consumo y producción de ATP cambian enormemente en una célula individual durante la replicación celular normal, incluso si el entorno es constante. Te deseo suerte.
@JeremyKemball: gracias por tu mensaje. Saber ya que estas cifras pueden no estar disponibles en absoluto es útil...! De todos modos, me interesaría cualquier estimación disponible: puede haber algunas de una combinación de enfoques in vitro e in vivo, por ejemplo, podría haber una estimación más baja para la replicación del ADN, ya que sabemos cuántos pb necesitamos para replicar y probablemente cuánta energía se necesita para replicar uno.
@JeremyKemball: ¿Tiene una referencia para el hecho de que "las tasas de consumo y producción de ATP cambian enormemente en una célula individual durante la replicación celular normal"? Salud.
Necesito adquirir el hábito de encontrar fuentes para las cosas que digo, incluso en comentarios donde no encajan. Solo porque digo cosas que parecen plausibles pero resultan ser incorrectas cuando realmente haces los cálculos, con bastante frecuencia. :/
Tenga en cuenta que cualquier proceso GTP obtiene su energía indirectamente del ATP.
@forest: Gracias por tu comentario, ¿puedes señalar una explicación de estos flujos de energía? en.wikipedia.org/wiki/Guanosine_trifosfato#Biosíntesis , por ejemplo, no es tan claro al respecto.
¿A qué te refieres con flujos de energía?
Estabas escribiendo que los procesos GTP obtienen su energía del ATP. En física, llamarías a esto un flujo de energía de un almacenamiento bioquímico a otro.

Respuestas (2)

Estaba reflexionando sobre esto e hice algunas búsquedas extrañas en Google, y tengo algunas cifras aproximadas para un montón de organismos diferentes. Está lejos de ser una respuesta completa, pero es al menos un comienzo, y todo esto no cabe en un comentario.

La replicación del ADN, supuse, era una enorme carga metabólica para la célula. Resulta que eso está lejos de ser el caso. Muchas helicasas son pasivas, no requieren ATP, y la cantidad de trifosfatos equivalentes a ATP para sintetizar el genoma completo es bastante pequeña en comparación con la cantidad que se usa y recicla todos los días.

Según estos muchachos , los humanos consumen su peso corporal en ATP todos los días, aproximadamente el 50% del cual es renovación de actina y el 30% es síntesis (60% o más en bacterias rápidas). Las proteínas cuestan alrededor de 4-5 ATP por AA para descomponerse y reconstruirse.

No creo que obtenga un desglose general realmente bueno, pero en plantas de cultivo o E. coli hay números para esto, más o menos. Muchos de ellos se basan en mediciones indirectas de consumo/rotación de proteínas y costo de ATP por AA o BP. Son fascinantes pero locos ya menudo contradictorios.

El 50% del recambio de actina es para el tejido cerebral, probablemente sobreestimado para otros tejidos. Sin embargo, su enlace sobre la síntesis me lleva a este documento donde hay números para los timocitos: 1/3 del consumo de ATP para la síntesis de proteínas, 1/3 para el ciclo de calcio+sodio, 1/4 para la síntesis de ADN/ARN y 1/10 para " todo el resto". En primer lugar, ¿cómo encaja esto con el consumo de ATP de la cinta de correr de actina que se debe esperar? (¿tiene que caber en el 10% de los timocitos?) ¿Qué más se puede esperar encontrar en este 10%?
La cinta de correr de actina para las neuronas espero que sea una parte bastante importante del gasto de energía. Reciclan neurotransmisores y reorganizan sus dendritas y cosas a menudo, y todo eso tiene un costo. Los timocitos son solo gotas, por lo que no tienen que gastar tanta energía en el citoesqueleto. genoma.jp/dbget-bin/www_bget?cpd:C00002 es una lista de algunas de las cosas que hace ATP en la célula. Dónde y cómo se gasta el presupuesto ATP variará mucho de un tipo de celda a otro. Los músculos y los nervios hacen muchas bombas de iones, las glándulas hacen síntesis, etc.

Una cantidad significativa de calor generado por la celda no proviene de la hidrólisis de un NTP. El ATP es generado por un gradiente de H+ en la mitocondria, y este gradiente es creado por mecanismos que dependen solo en parte del ATP. La mayoría de las reservas de energía en nuestros cuerpos no están en el grupo de NTP. Por eso, el CO₂ y la orina se utilizan para medir el gasto energético durante el ejercicio físico. En la escala de células individuales, es un desafío concebir un protocolo que tenga en cuenta todas las variables de confusión. Sin embargo, a escala humana, las variables de confusión en el uso de energía se controlan fácilmente. Si está interesado en el gasto de energía de un solo proceso biológico, este parecería un mejor proyecto en lugar de cuantificar todos los procesos simultáneamente.

Gracias por tu respuesta. De hecho, en el artículo que mencioné anteriormente, hay mucha respiración a escala celular que no se explica por los procesos de ATP sino que se atribuye a la "fuga de protones", y entiendo que esto está relacionado con la producción de calor. De todos modos, lo que me interesa es realmente el gasto de energía a escala celular, dentro del cual me gustaría particularizar la energía basada en ATP. Luego, específicamente, estoy interesado en el consumo de energía por parte de la miosina (en células no musculares).
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