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Bioénergétique des bioconversions : y a-t-il un surplus d'énergie ?

Bioénergétique des bioconversions : y a-t-il un surplus d'énergie ?


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Par bioconversion, j'entends un processus microbien au cours duquel des cellules au repos sont utilisées afin de convertir un substrat en un produit souhaité, sans croissance cellulaire. Par exemple, dans cet article, ils ont utilisé Lactobacillus reuteri convertir le glycérol en 3-hydroxypropionaldéhyde, tandis que L. reuteri ne peut pas pousser sur le glycérol. Fondamentalement, lors des bioconversions, les cellules produisent de l'énergie pour leur métabolisme, mais ne se développent pas.

L'énergie ainsi fournie par les cellules est censée assurer leur coût d'entretien énergétique. Je me demandais ce qu'il advient des cellules si le gain d'énergie est supérieur aux besoins d'entretien ? Existe-t-il une sorte de régulation homéostatique du rapport ATP/ADP ? Si non, quelles pourraient être les conséquences d'un excès d'ATP ?


Homéostasie énergétique

En biologie, homéostasie énergétique, ou la contrôle homéostatique du bilan énergétique, est un processus biologique qui implique la régulation homéostatique coordonnée de l'apport alimentaire (apport d'énergie) et de la dépense énergétique (sortie d'énergie). [1] [2] [3] Le cerveau humain, en particulier l'hypothalamus, joue un rôle central dans la régulation de l'homéostasie énergétique et la génération de la sensation de faim en intégrant un certain nombre de signaux biochimiques qui transmettent des informations sur l'équilibre énergétique. [2] [3] [4] Cinquante pour cent de l'énergie du métabolisme du glucose est immédiatement convertie en chaleur. [5]

L'homéostasie énergétique est un aspect important de la bioénergétique.


Bioénergétique des bioconversions : y a-t-il un surplus d'énergie ? - La biologie

Kathleen M. Botham, PhD, DSc & Peter A. Mayes, PhD, DSc

Après avoir étudié ce chapitre, vous devriez être capable de :

Énoncez les première et deuxième lois de la thermodynamique et comprenez comment elles s'appliquent aux systèmes biologiques.

Expliquez ce que signifient les termes énergie libre, entropie, enthalpie, exergonique et endergonique.

Comprendre comment les réactions endergoniques peuvent être entraînées par le couplage à celles qui sont exergoniques dans les systèmes biologiques.

Comprenez le rôle des phosphates à haute énergie, de l'ATP et d'autres nucléotides triphosphates dans le transfert d'énergie libre des processus exergoniques aux processus endergoniques, leur permettant d'agir comme la « monnaie énergétique » des cellules.

IMPORTANCE BIOMÉDICALE

La bioénergétique, ou thermodynamique biochimique, est l'étude des changements énergétiques accompagnant les réactions biochimiques. Les systèmes biologiques sont essentiellement isotherme et utiliser l'énergie chimique pour alimenter les processus vivants. La façon dont un animal obtient le carburant approprié de sa nourriture pour fournir cette énergie est fondamentale pour la compréhension de la nutrition et du métabolisme normaux. Mort de famine se produit lorsque les réserves d'énergie disponibles sont épuisées et que certaines formes de malnutrition sont associées à un déséquilibre énergétique (marasme). Les hormones thyroïdiennes contrôlent le taux de libération d'énergie (taux métabolique) et la maladie survient lorsqu'elles ne fonctionnent pas correctement. Le stockage excessif de l'énergie excédentaire provoque obésité, une maladie de plus en plus courante dans la société occidentale, qui prédispose à de nombreuses maladies, notamment les maladies cardiovasculaires et le diabète sucré de type 2, et réduit l'espérance de vie.

L'ÉNERGIE GRATUITE EST L'ÉNERGIE UTILE DANS UN SYSTÈME

Le changement de Gibbs dans l'énergie libre (AG) est la partie du changement d'énergie totale dans un système qui est disponible pour faire du travail, l'énergie utile, également connue sous le nom de potentiel chimique.

Les systèmes biologiques sont conformes aux lois générales de la thermodynamique

La première loi de la thermodynamique stipule que l'énergie totale d'un système, y compris son environnement, reste constante. Cela implique que dans le système total, l'énergie n'est ni perdue ni gagnée lors d'un changement. Cependant, l'énergie peut être transférée d'une partie du système à une autre ou peut être transformée en une autre forme d'énergie. Dans les systèmes vivants, l'énergie chimique peut être transformée en chaleur ou en énergie électrique, radiante ou mécanique.

La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie totale d'un système doit augmenter pour qu'un processus se produise spontanément. Entropie est l'étendue du désordre ou du caractère aléatoire du système et devient maximum à mesure que l'équilibre est approché. Dans des conditions de température et de pression constantes, la relation entre le changement d'énergie libre (&Deltag) d'un système réactif et le changement d'entropie (&DeltaS) s'exprime par l'équation suivante, qui combine les deux lois de la thermodynamique :

où &DeltaH est le changement de enthalpie (chaleur) et T est la température absolue.

Dans les réactions biochimiques, puisque &DeltaH est approximativement égal à &DeltaE, la variation totale de l'énergie interne de la réaction, la relation ci-dessus peut être exprimée de la manière suivante :

Si &Deltag est négatif, la réaction se déroule spontanément avec perte d'énergie libre, c'est-à-dire exergonique. Si, en plus, &Deltag est de grande ampleur, la réaction va pratiquement à son terme et est essentiellement irréversible. En revanche, si &Deltag est positif, la réaction ne se déroule que si de l'énergie libre peut être acquise, c'est-à-dire endergonique. Si, en plus, l'amplitude de &Deltag est grand, le système est stable, avec peu ou pas de tendance à réagir. Si &Deltag est nul, le système est à l'équilibre et aucun changement net n'a lieu.

Lorsque les réactifs sont présents à des concentrations de 1,0 mol/L, &Deltag 0 est le changement standard d'énergie libre. Pour les réactions biochimiques, un état standard est défini comme ayant un pH de 7,0. Le changement d'énergie libre standard à cet état standard est noté &Deltag 0 ’.

Le changement standard d'énergie libre peut être calculé à partir de la constante d'équilibre Kéq.

R est la constante des gaz et T est la température absolue (Chapitre 8). Il est important de noter que le &Delta réelg peut être plus grand ou plus petit que &DeltaG 0 ' en fonction des concentrations des divers réactifs, y compris le solvant, divers ions et protéines.

Dans un système biochimique, une enzyme ne fait qu'accélérer l'atteinte de l'équilibre, elle ne modifie jamais les concentrations finales des réactifs à l'équilibre.

LES PROCESSUS ENDERGONIQUES PROCÉDENT PAR COUPLAGE AUX PROCESSUS EXERGONIQUES

Les processus vitaux&mdasheg, les réactions synthétiques, la contraction musculaire, la conduction de l'influx nerveux et le transport actif&mdashobtiennent de l'énergie par liaison chimique, ou couplage, aux réactions oxydantes. Dans sa forme la plus simple, ce type de couplage peut être représenté comme indiqué dans Figure 11–1. La conversion du métabolite A en métabolite B se produit avec la libération d'énergie libre et est couplée à une autre réaction dans laquelle l'énergie libre est nécessaire pour convertir le métabolite C en métabolite D. Les termes exergonique et endergonique, plutôt que les termes chimiques normaux « exothermique » et « endothermique », sont utilisés pour indiquer qu'un processus s'accompagne respectivement d'une perte ou d'un gain d'énergie libre sous quelque forme que ce soit, pas nécessairement sous forme de chaleur. En pratique, un processus endergonique ne peut pas exister indépendamment, mais doit être un composant d'un système exergonique-endergonique couplé où le changement net global est exergonique. Les réactions exergoniques sont appelées catabolisme (généralement, la décomposition ou l'oxydation des molécules de carburant), tandis que les réactions synthétiques qui accumulent des substances sont appelées anabolisme. Les processus cataboliques et anaboliques combinés constituent métabolisme.

FIGURE 11–1 Couplage d'une réaction exergonique à une réaction endergonique.

Si la réaction indiquée dans Figure 11–1 est d'aller de gauche à droite, alors le processus global doit s'accompagner d'une perte d'énergie gratuite sous forme de chaleur. Un mécanisme possible de couplage pourrait être envisagé si un intermédiaire obligatoire commun (I) participait aux deux réactions, c'est-à-dire,

Certaines réactions exergoniques et endergoniques dans les systèmes biologiques sont couplées de cette manière. Ce type de système possède un mécanisme intégré de contrôle biologique de la vitesse des processus oxydatifs puisque l'intermédiaire obligatoire commun permet au taux d'utilisation du produit de la voie synthétique (D) de déterminer par action de masse la vitesse à laquelle A est oxydé. En effet, ces relations fournissent une base pour le concept de contrôle respiratoire, le processus qui empêche un organisme de brûler de façon incontrôlable. Une extension du concept de couplage est fournie par des réactions de déshydrogénation, qui sont couplées à des hydrogénations par un support intermédiaire (Figure 11–2).

FIGURE 11–2 Couplage des réactions de déshydrogénation et d'hydrogénation par un support intermédiaire.

Une méthode alternative de couplage d'un processus exergonique à un processus endergonique consiste à synthétiser un composé à potentiel énergétique élevé dans la réaction exergonique et à incorporer ce nouveau composé dans la réaction endergonique, effectuant ainsi un transfert d'énergie libre de la voie exergonique à la voie endergonique. (Figure 11–3). L'avantage biologique de ce mécanisme est que le composé d'énergie potentielle élevée,

/>, contrairement à I dans le système précédent, n'a pas besoin d'être structurellement lié à A, B, C ou D, permettant à /> de servir de transducteur d'énergie d'une large gamme de réactions exergoniques à une gamme tout aussi large de réactions endergoniques ou des processus, tels que les biosynthèses, la contraction musculaire, l'excitation nerveuse et le transport actif. Dans la cellule vivante, le principal composé intermédiaire ou vecteur de haute énergie (désigné

dans Figure 11–3) est adénosine triphosphate (ATP) (Figure 11–4).

FIGURE 11–3 Transfert d'énergie libre d'une réaction exergonique à une réaction endergonique via un composé intermédiaire de haute énergie (

).

FIGURE 11–4 L'adénosine triphosphate (ATP) et l'adénosine diphosphate sont représentés comme des complexes de magnésium.

LES PHOSPHATES À HAUTE ÉNERGIE JOUENT UN RLE CENTRAL DANS LA CAPTURE ET LE TRANSFERT D'ÉNERGIE

Afin de maintenir les processus vivants, tous les organismes doivent s'approvisionner en énergie gratuite à partir de leur environnement. Autotrophe les organismes utilisent des processus exergoniques simples, par exemple l'énergie de la lumière du soleil (plantes vertes), la réaction Fe 2+ &rarrFe 3+ (certaines bactéries). D'autre part, hétérotrophe les organismes obtiennent de l'énergie gratuite en couplant leur métabolisme à la décomposition de molécules organiques complexes dans leur environnement. Dans tous ces organismes, l'ATP joue un rôle central dans le transfert d'énergie libre des processus exergoniques aux processus endergoniques (Figure 11–3). L'ATP est un nucléoside triphosphate contenant de l'adénine, du ribose et trois groupes phosphate. Dans ses réactions dans la cellule, il fonctionne comme le complexe Mg 2+ (Figure 11–4).

L'importance des phosphates dans le métabolisme intermédiaire est devenue évidente avec la découverte du rôle de l'ATP, l'adénosine diphosphate (ADP) (Figure 11–4), et le phosphate inorganique (Pje) en glycolyse (Chapitre 18).

La valeur intermédiaire de l'énergie libre d'hydrolyse de l'ATP a une importance bioénergétique importante

L'énergie libre standard de l'hydrolyse d'un certain nombre de phosphates biochimiquement importants est montrée dans Tableau 11-1. Une estimation de la tendance comparative de chacun des groupes phosphate à transférer à un accepteur approprié peut être obtenue à partir du &Deltag 0' d'hydrolyse à 37°C. La valeur de l'hydrolyse du phosphate terminal de l'ATP divise la liste en deux groupes. Phosphates à basse énergie, illustré par les phosphates d'ester trouvés dans les intermédiaires de la glycolyse, ont g 0 ' valeurs inférieures à celle de l'ATP, tandis que dans phosphates à haute énergie la valeur est supérieure à celle de l'ATP. Les composants de ce dernier groupe, y compris l'ATP, sont généralement des anhydrides (par exemple, le 1-phosphate de 1,3-bisphosphoglycérate), des énolphosphates (par exemple, phosphoénolpyruvate) et des phosphoguanidines (par exemple, créatine phosphate, phosphate d'arginine).

TABLEAU 11-1 Énergie libre standard d'hydrolyse de certains organophosphates d'importance biochimique

indique que le groupe attaché à la liaison, lors du transfert à un accepteur approprié, entraîne le transfert de la plus grande quantité d'énergie libre. Pour cette raison, le terme potentiel de transfert de groupe, plutôt que « liaison à haute énergie », est préféré par certains. Ainsi, l'ATP contient deux groupes phosphate à haute énergie et l'ADP en contient un, alors que le phosphate de l'AMP (adénosine monophosphate) est de type basse énergie puisqu'il s'agit d'une liaison ester normale. (Figure 11–5).

FIGURE 11–5 Structure de l'ATP, de l'ADP et de l'AMP montrant la position et le nombre de phosphates à haute énergie (

).

La position intermédiaire de l'ATP lui permet de jouer un rôle important dans le transfert d'énergie. Le changement élevé d'énergie libre lors de l'hydrolyse de l'ATP est dû au soulagement de la répulsion de charge des atomes d'oxygène adjacents chargés négativement et à la stabilisation des produits de réaction, en particulier du phosphate, en tant qu'hybrides de résonance. (Figure 11–6). D'autres « composés à haute énergie » sont les esters de thiols impliquant la coenzyme A (par exemple, l'acétyl-CoA), la protéine porteuse d'acyle, les esters d'acides aminés impliqués dans la synthèse des protéines, la S adénosylméthionine (méthionine active), l'UDPGlc (uridine diphosphate glucose) et le PRPP ( 5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate).

FIGURE 11-6 Le changement d'énergie libre lors de l'hydrolyse de l'ATP en ADP.

LES PHOSPHATES À HAUTE ÉNERGIE AGISSENT COMME LA « MONNAIE ÉNERGÉTIQUE » DE LA CELLULE

L'ATP est capable d'agir en tant que donneur de phosphate à haute énergie pour former les composés en dessous dans Tableau 11-1. De même, avec les enzymes nécessaires, l'ADP peut accepter du phosphate à haute énergie pour former de l'ATP à partir des composés au-dessus de l'ATP dans le tableau. En effet, un Cycle ATP/ADP relie les processus qui génèrent

à ces processus qui utilisent

(Figure 11–7), consommant et régénérant en continu de l'ATP. Cela se produit à un rythme très rapide car le pool ATP/ADP total est extrêmement petit et suffisant pour maintenir un tissu actif pendant quelques secondes seulement.

FIGURE 11–7 Rôle du cycle ATP/ADP dans le transfert de phosphate à haute énergie.

Il existe trois sources principales de

prendre part à conservation de l'énergie ou captation d'énergie :

1. Phosphorylation oxydative. La plus grande source quantitative de

dans les organismes aérobies. L'énergie libre provient de l'oxydation de la chaîne respiratoire à l'aide de l'O moléculaire2 dans les mitochondries (Chapitre 12).

2. Glycolyse. Une formation nette de deux

résulte de la formation de lactate à partir d'une molécule de glucose, généré dans deux réactions catalysées par la phosphoglycérate kinase et la pyruvate kinase, respectivement (Figure 18–2).

3. Le cycle de l'acide citrique. Une

est généré directement dans le cycle à l'étape succinate thiokinase (Figure 17–3).

Phosphagènes agissent comme des formes de stockage de phosphate à haute énergie et comprennent le phosphate de créatine, qui se produit dans le muscle squelettique des vertébrés, le cœur, les spermatozoïdes et le cerveau, et le phosphate d'arginine, qui se produit dans le muscle des invertébrés. Lorsque l'ATP est rapidement utilisé comme source d'énergie pour la contraction musculaire, les phosphagènes permettent de maintenir ses concentrations, mais lorsque le rapport ATP/ADP est élevé, leur concentration peut augmenter pour agir comme une réserve de phosphate à haute énergie. (Figure 11–8).

FIGURE 11–8 Transfert de phosphate à haute énergie entre l'ATP et la créatine.

Lorsque l'ATP agit comme un donneur de phosphate pour former ces composés d'énergie libre d'hydrolyse inférieure (Tableau 11-1), le groupe phosphate est invariablement converti en un groupe de faible énergie, par exemple

L'ATP permet le couplage de réactions thermodynamiquement défavorables à des réactions favorables

La phosphorylation du glucose en glucose 6-phosphate, la première réaction de la glycolyse (Figure 18–2), est hautement endergonique et ne peut se dérouler dans des conditions physiologiques :

Pour avoir lieu, la réaction doit être couplée à une autre réaction plus exergonique telle que l'hydrolyse du phosphate terminal de l'ATP.

Lorsque (1) et (2) sont couplés dans une réaction catalysée par l'hexokinase, la phosphorylation du glucose se déroule facilement dans une réaction hautement exergonique qui, dans des conditions physiologiques, est irréversible. De nombreuses réactions d'« activation » suivent ce schéma.

L'adénylyl kinase (myokinase) interconvertit les nucléotides d'adénine

Cette enzyme est présente dans la plupart des cellules. Il catalyse la réaction suivante :

1. Phosphate à haute énergie dans l'ADP à utiliser dans la synthèse de l'ATP.

2. L'AMP, formé à la suite de plusieurs réactions d'activation impliquant l'ATP, doit être récupéré par rephosphorylation en ADP.

3. L'AMP augmente en concentration lorsque l'ATP s'épuise et agit comme un signal métabolique (allostérique) pour augmenter le taux de réactions cataboliques, qui à leur tour conduisent à la génération de plus d'ATP (Chapitre 20).

Lorsque l'ATP forme de l'AMP, le pyrophosphate inorganique (PPje) Est produit

L'ATP peut également être hydrolysé directement en AMP, avec libération de PPje. (Tableau 11-1). Cela se produit, par exemple, dans l'activation des acides gras à longue chaîne (Chapitre 22).

Cette réaction s'accompagne d'une perte d'énergie libre sous forme de chaleur, ce qui garantit que la réaction d'activation ira vers la droite et est en outre facilitée par la division hydrolytique du PP.je, catalysé par pyrophosphatase inorganique, une réaction qui a elle-même un grand &Deltag 0 ' de -19,2 kJ/mol. Notez que les activations via la voie du pyrophosphate entraînent la perte de deux

plutôt qu'un, comme cela se produit lorsque ADP et Pje sont formés.

Une combinaison des réactions ci-dessus permet le recyclage du phosphate et l'échange des nucléotides d'adénine (Figure 11–9).

FIGURE 11-9 Cycles des phosphates et échange de nucléotides d'adénine.

D'autres nucléosides triphosphates participent au transfert du phosphate à haute énergie

Grâce à l'enzyme nucléoside diphosphate kinase, UTP, GTP et CTP peuvent être synthétisés à partir de leurs diphosphates, par exemple, l'UDP réagit avec l'ATP pour former l'UTP.

Tous ces triphosphates participent aux phosphorylations dans la cellule. De même, des nucléosides monophosphates kinases spécifiques catalysent la formation de nucléosides diphosphates à partir des monophosphates correspondants.

Ainsi, l'adénylyl kinase est une monophosphate kinase spécialisée.

Les systèmes biologiques utilisent l'énergie chimique pour alimenter les processus vivants.

Les réactions exergoniques se produisent spontanément avec perte d'énergie libre (&Deltag est négatif). Les réactions endergoniques nécessitent le gain d'énergie libre (&Deltag est positif) et ne se produisent que lorsqu'ils sont couplés à des réactions exergoniques.

L'ATP agit comme la «monnaie énergétique» de la cellule, transférant l'énergie libre dérivée de substances à potentiel énergétique supérieur à celles à potentiel énergétique inférieur.

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Modification des protéines par les métabolites réactifs de l'éthanol : structure des adduits, conséquences fonctionnelles et pathologiques

Adduits 5-désoxy-D-xylulose-1-phosphate (DXP)

La formation de DXP à partir d'acétaldéhyde et de fructose-1,6-bisphosphate a été démontrée pour la première fois par Meyerhof et al. (1936) en utilisant des extraits musculaires pour catalyser la réaction. On pense que les enzymes glycolytiques aldolase et triose isomérase sont impliquées. Ces enzymes sont présentes dans pratiquement tous les types de cellules, ce qui suggère que la plupart des cellules peuvent être capables de synthétiser le DXP si l'acétaldéhyde est disponible. Les preuves de la formation de DXP dans le foie proviennent d'études de Hoberman qui ont montré que des extraits de foie perfusés in situ avec le [ 3 H]acétaldéhyde contenait une petite quantité d'un composé radiomarqué non volatil, hautement acide, contenant du phosphate. Hoberman a émis l'hypothèse que ce composé était le DXP formé par l'action de l'aldolase sur l'acétaldéhyde et le phosphate de dihydroxyacétone et l'a confirmé par comparaison chromatographique avec le DXP synthétisé chimiquement. Hoberman a en outre caractérisé la synthèse du DXP en utilisant des érythrocytes, des cellules qui subissent activement la glycolyse pour fournir du phosphate de dihydroxyacétone dans un système non compliqué par les influences régulatrices de la respiration mitochondriale ( Hoberman, 1979 une). Des études ultérieures ont montré que le DXP pouvait réagir avec l'hémoglobine pour former un produit d'addition stable aux précipitations répétées par l'acide trichloracétique ( Hoberman, 1979 b). Cet adduit est susceptible d'être formé par une série de réactions similaires à celles de la glycation non enzymatique. Initialement, le DXP forme probablement une base de Schiff sur un groupe amino qui subit ensuite le réarrangement d'Amadori pour finalement produire un adduit de cétoamine (Fig. 6). Le produit contient un groupe α-hydroxycétone qui peut réagir avec un autre groupe amino d'une manière similaire et pourrait provoquer une réticulation si le deuxième groupe amino était sur un peptide différent. Séparé de in vitro étude montrant que le DXP réagit avec l'hémoglobine pour produire des modifications covalentes, il n'y a aucune preuve pour montrer que des adduits similaires sont formés in vivo.

Graphique 6 . Un schéma potentiel pour la formation d'adduits par DXP.


Conférence sur l'écosystème de la mer des Salish

L'estuaire du fleuve Fraser est un maillon important d'une chaîne d'habitats côtiers du Pacifique qui abritent la sauvagine migratrice et hivernante, et de nombreux oiseaux y convergent lors de leurs déplacements vers le nord et le sud. Entre 800 000 et 2,3 millions de sauvagine fréquentent l'estuaire de septembre à avril, y compris d'importantes populations de canards canards d'Amérique, de canards colverts, de canards pilets, de macreuses tachetées, d'oies des neiges et de bernaches cravants. La sauvagine utilise principalement les terres agricoles, les terres humides d'eau douce et saumâtre et les habitats intertidaux tels que les herbiers de zostère, qui continuent tous à être perdus ou dégradés par la croissance démographique et l'étalement urbain. Nous avons utilisé un modèle bioénergétique (TRUEMET) pour lier explicitement les objectifs de population de sauvagine aux objectifs d'habitat pour la conservation des terres agricoles. TRUEMET indique s'il existe un surplus ou un déficit d'habitat pour un niveau de population donné. Nous avons combiné cinq des espèces les plus abondantes en deux guildes d'alimentation : les « brouteurs » comprenaient le canard d'Amérique et l'oie des neiges, et les « barboteurs » comprenaient le canard colvert, le canard pilet et la sarcelle à ailes vertes. Nous avons évalué les conditions à partir de 2009 et testé une variété de scénarios impliquant des changements dans la disponibilité de l'habitat, y compris les pertes futures d'habitats agricoles ou intertidaux. Les résultats du modèle ont indiqué que les brouteurs ont connu un excès d'énergie pendant la saison de non-reproduction, mais il était prévu que cela devienne un déficit au milieu de l'hiver d'ici 20 ans selon des scénarios probables. Pour les barboteurs, la demande a dépassé l'offre en décembre et la situation n'a fait qu'empirer dans les scénarios futurs. Assurer leur présence continue aux niveaux actuels face aux facteurs de stress croissants du développement nécessitera une stratégie de conservation à multiples facettes pour la conservation des zones intertidales et des terres agricoles. Nous avons fixé un objectif d'habitat d'alimentation prudent de 50 % des besoins énergétiques de la sauvagine sur les terres agricoles pendant les périodes de migration et d'hivernage, ce qui équivaut à 15 000 x10^6 kcal d'énergie. Du point de vue du programme d'habitat, cela nécessitera de protéger les terres agricoles et d'encourager les cultures fourragères vertes sur l'ensemble du paysage.

Titre de la session

Surveillance des oiseaux de rivage dans la mer des Salish

Mots clés

Sauvagine, Bioénergétique, TruMet, Canards Illimités Canada

Piste de conférence

SSE7 : Suivi : Espèces et habitats

Nom de la conférence

Conférence sur l'écosystème de la mer des Salish (2018 : Seattle, Washington)

Type de document

Identifiant SSEC

Date de début

Date de fin

Type de présentation

Genre/Forme

présentations (événements de communication)

Référentiel contributeur

Contenu numérique mis à disposition par University Archives, Heritage Resources, Western Libraries, Western Washington University.

Sujets – Topique (LCSH)

Sauvagine--Migration--Facteurs climatiques--Colombie-Britannique--Fleuve Fraser Sauvagine--Habitat--Conservation--Colombie-Britannique--Fraser

Couverture géographique

Fleuve Fraser (C.-B.) Mer des Salish (C.-B. et Washington)

Droits

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Utilisation d'un modèle bioénergétique pour établir des objectifs en matière d'habitat de la sauvagine pour le delta du fleuve Fraser

L'estuaire du fleuve Fraser est un maillon important d'une chaîne d'habitats côtiers du Pacifique qui abritent la sauvagine migratrice et hivernante, et de nombreux oiseaux y convergent lors de leurs déplacements vers le nord et le sud. Entre 800 000 et 2,3 millions de sauvagine fréquentent l'estuaire de septembre à avril, y compris d'importantes populations de canards d'Amérique, de canards colverts, de canards pilets, de macreuses tachetées, d'oies des neiges et de bernaches cravants. La sauvagine utilise principalement les terres agricoles, les terres humides d'eau douce et saumâtre et les habitats intertidaux tels que les herbiers de zostère, qui continuent tous à être perdus ou dégradés par la croissance démographique et l'étalement urbain. Nous avons utilisé un modèle bioénergétique (TRUEMET) pour lier explicitement les objectifs de population de sauvagine aux objectifs d'habitat pour la conservation des terres agricoles. TRUEMET indique s'il existe un surplus ou un déficit d'habitat pour un niveau de population donné. Nous avons combiné cinq des espèces les plus abondantes en deux guildes d'alimentation : les « brouteurs » comprenaient le canard d'Amérique et l'oie des neiges, et les « barboteurs » comprenaient le canard colvert, le canard pilet et la sarcelle à ailes vertes. Nous avons évalué les conditions à partir de 2009 et testé une variété de scénarios impliquant des changements dans la disponibilité de l'habitat, y compris les pertes futures d'habitats agricoles ou intertidaux. Les résultats du modèle ont indiqué que les brouteurs ont connu un excès d'énergie pendant la saison de non-reproduction, mais il était prévu que cela devienne un déficit au milieu de l'hiver d'ici 20 ans selon des scénarios probables. Pour les barboteurs, la demande a dépassé l'offre en décembre et la situation n'a fait qu'empirer dans les scénarios futurs. Assurer leur présence continue aux niveaux actuels face aux facteurs de stress croissants du développement nécessitera une stratégie de conservation à multiples facettes pour la conservation des zones intertidales et des terres agricoles. Nous avons fixé un objectif d'habitat d'alimentation prudent de 50 % des besoins énergétiques de la sauvagine sur les terres agricoles pendant les périodes de migration et d'hivernage, ce qui équivaut à 15 000 x10^6 kcal d'énergie. Du point de vue du programme d'habitat, cela nécessitera de protéger les terres agricoles et d'encourager les cultures fourragères vertes sur l'ensemble du paysage.


Un examen complet de la bioénergétique du métabolisme des acides gras et du glucose dans le cœur sain et défaillant dans un état non diabétique

La fonction du cœur est définie par sa capacité à fournir un débit cardiaque adéquat pour répondre aux besoins du corps à la fois au repos et à l'effort. Pour remplir ce rôle, le cœur démontre une capacité impressionnante à réguler étroitement la production et la consommation d'énergie. La production et le transfert d'énergie dans les myocytes cardiaques reposent principalement sur le processus de phosphorylation oxydative. Dans le cœur défaillant, il existe un déséquilibre entre le travail du système cardiaque et l'énergie nécessaire pour générer ce travail. Cette présence de cette inadéquation a donné naissance au concept connu sous le nom de théorie de la famine d'énergie. Ce concept englobe des observations telles qu'une consommation de substrat perturbée, un transfert et une ingestion d'énergie insuffisants, une disponibilité réduite du substrat et de l'oxygène et une production d'énergie réduite dans le cœur défaillant. La diminution de l'énergie cellulaire disponible peut en outre résulter d'une réduction de la biosynthèse des mitochondries et de leur synthèse protéique et du désarroi global de l'architecture cellulaire. En substance, la théorie de la privation d'énergie postule que la fonction de la pompe cardiaque diminue en raison d'une réduction de la disponibilité de l'oxygène et du substrat, et conduit ainsi à une privation totale d'énergie systémique du corps. Ce nouveau cadre cognitif a conduit à encourager de nouvelles directions dans une « approche thérapeutique métabolique » pour le cœur défaillant.

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Discussion

Les schémas de dimorphisme sexuel chez le doré jaune et la perchaude étaient très similaires, suggérant que des forces et/ou des contraintes évolutives comparables pourraient agir sur les cycles biologiques de ces deux poissons étroitement apparentés. Ceci est remarquable, étant donné les différences écologiques entre les espèces, le doré jaune est principalement piscivore et vit en moyenne deux fois plus longtemps que la perche, qui est généralement benthivore/zooplanctivore. Cette similitude du dimorphisme sexuel entre les espèces suggère que les différences bioénergétiques entre les perchaudes mâles et femelles décrites ici s'appliquent probablement aussi au doré jaune et peut-être à d'autres espèces ayant des cycles biologiques similaires ( Roff 1983 ).

Nos résultats ne supportent pas une hypothèse précédente ( Henderson et al. 2003 ) que l'efficacité réduite de la croissance des mâles est due à une activité accrue associée à la reproduction. En considérant uniquement les caractéristiques de croissance, on pourrait conclure que les mâles investissent davantage dans la reproduction que les femelles parce que les estimations de gLes valeurs étaient 1,2 à 1,3 fois plus élevées que celles observées chez les femelles. Pour le doré jaune et la perchaude (ainsi que d'autres espèces de poissons), il a été démontré que les estimations des femelles g basées sur le modèle de croissance biphasique sont corrélées avec (et approximativement égales à) l'indice gonadosomatique femelle (Shuter et al. 2005). Étant donné que la production de gonades est un coût énergétique majeur de la reproduction chez les femelles, les estimations des femelles g semblent fournir une bonne mesure de l'investissement reproductif. Une extension logique de cet argument est que les estimations fondées sur la croissance des hommes g reflètent les coûts de reproduction des mâles. Ainsi, on pourrait conclure que les mâles atteignent une taille asymptotique plus petite car les pertes énergétiques associées à la reproduction sont plus élevées pour les mâles que pour les femelles. Si tel était le cas, une analyse bioénergétique devrait révéler une activité métabolique plus élevée chez les mâles en post-maturation. Cela n'a pas été corroboré par notre étude. Les résultats bioénergétiques de la perchaude indiquent que les différences de taux de croissance liées au sexe sont dues à une acquisition et à une assimilation réduites de l'énergie chez les mâles par rapport aux femelles au début de la maturité. Le taux de croissance réduit des mâles chez les perchaudes et les dorés jaunes sexuellement matures ne peut pas être expliqué par une hypothèse d'activité (c.

Notre observation d'une diminution de la consommation et de l'activité métabolique chez les perches mâles est cohérente avec l'hypothèse de Roff (1983) selon laquelle la taille plus petite des mâles chez les téléostéens par rapport aux femelles (en l'absence de comportement territorial ou de soins parentaux) est une réponse sélective pour augmenter la survie en réduisant l'activité de recherche de nourriture. , en supposant qu'une activité accrue entraîne un risque de prédation accru. Une application précédente du modèle de bilan massique du mercure a également signalé une activité plus élevée chez les femmes Esox lucius (Trudel et al. 2000). La différence n'était pas significativement plus grande que chez les hommes, mais était basée sur un échantillon de populations relativement petit. De même, une application d'un modèle 137 Cs a également signalé une activité plus élevée chez les femmes E. lucius et Salvelinus namaycush basé sur un petit (un à trois) nombre d'observations ( Rowan & Rasmussen 1996 ). Une autre étude qui a examiné les concentrations de mercure entre les sexes chez quatre espèces de poissons centrarchidés a conclu que les taux d'alimentation des mâles diminuaient par rapport à ceux des femelles au début de la maturité ( Nicoletto et Hendricks 1988 ). Nos résultats peuvent également s'appliquer plus généralement aux espèces où le sexe plus petit (mâle ou femelle) affiche une activité et une recherche de nourriture réduites. Par exemple, un homme plus grand Anax junius (damselflies) were found to be more active than smaller females during foraging trials ( Fuselier et al. 2007 ).

However, the hypothesis presented by Henderson et al. (2003 ) is not without support in the literature. Reproductively active male gerrids (hemipteran water striders) exhibited greater activity than immatures or mature females, but were also the poorest foragers ( Blanckenhorn & Perner 1996 ). Also, female Coenagrion puella (damselflies) were less active than males in the presence of food and predators, and emerged at larger sizes ( Mikolajewski et al. 2005 ). Given literature support for both the reduced foraging hypothesis ( Roff 1983 ) and the increased activity hypothesis ( Henderson et al. 2003 ), feeding and activity budgets should be considered together when attempting to explain proximate mechanisms of SSD.

Our results indicate that the onset of sexual maturity plays a major role in generating SSD in percids. Bioenergetic differences between male and female yellow perch were obvious only after the onset of maturity, when many organisms experience changes in endocrine activity. Laboratory experiments by Malison et al. (1985 , 1988 ) demonstrated that consumption and FCE differences between male and female yellow perch probably result from differential hormonal effects on males and females at the onset of maturation. In yellow perch, ovarian oestrogens stimulated and testicular androgens inhibited growth ( Malison et al. 1985 ). However, the effect was observed only in larger juveniles, suggesting that the action of these hormones would manifest in fish where a certain maturational status had been achieved. Growth and consumption of larger juvenile male and female yellow perch fed ad libitum both increased when individuals were exposed to oestrogens ( Malison et al. 1988 ). Consistent with our bioenergetic results, Malison et al. (1988 ) observed faster female growth, higher consumption and higher FCE relative to males regardless of oestrogen exposure level. Analogous negative effects of androgens on consumption and FCE have been documented in juvenile Eurasian perch (P. fluviatilis Mandiki et al. 2004 Mandiki et al. 2005 ), where consumption rates increased in females exposed to oestrogens and decreased in males exposed to androgens. The action of both these hormones (positive effect of oestrogens on female growth, negative effects of androgens on male growth) and the dependence of hormone action on perch developmental stage corresponds with our observed onset of SSD in yellow perch and walleye at sexual maturation. Hormonal activity has also been tied to changes in maturation status, SSD and metabolic rate in other taxonomic groups ( Cox et al. 2005 John-Alder, Cox & Taylor 2007 Wudy, Hartman & Remer 2007 ).

Bioenergetic submodels of consumption and respiration were parameterized originally under the assumption that males and females have comparable physiology ( Kitchell et al. 1977 ), and potential gender differences in these submodels have not been evaluated. Although published accounts show that standard metabolism and assimilation efficiencies can differ between males and females ( Shillington 2005 Valle et al. 2005 ), sufficient data are currently lacking to parameterize accurately gender-based submodels for consumption and metabolism in percids. However, our analysis best reflects the evaluation of gender differences between male and female fish given the manner in which these submodels were parameterized, as we examined residual differences of bioenergetic patterns from the common slope (across both sexes) with body weight. Clearly, this work calls for investigations into the dependence of bioenergetic and contaminant allometries on gender. In the absence of this information, our findings suggest that investigators use caution in interpreting bioenergetic results from models applied to both males and females in the absence of information regarding population sex ratio.

One aspect of our bioenergetic analysis that remains difficult to resolve is that relative differences in FCE residuals between males and females are greater than would be expected by the male–female differences in bioenergetic residuals of loss terms. Total metabolism, egestion and excretion residuals were all higher in females than in males, after controlling for body size and temperature differences among sexes and lakes, which seems inconsistent with the greater observed growth per unit energy consumed in females. The reason for this apparent discrepancy is not clear however, it suggests further that conventional mercury accumulation or bioenergetics models may be incapable of accurately modelling gender differences, as these models do not reflect potential physiological differences between sexes (e.g. Malison et al. 1985 , 1988 Mandiki et al. 2004 , 2005 ). Gender differences in assimilation could explain some of the discrepancy outlined above if the assimilation of energy (and/or Hg) from diet is higher in males under the influence of hormones associated with the onset of maturity (e.g. Valle et al. 2005 ), then consumption estimates for males would be overestimated. A reduction in male consumption estimates would reduce the observed difference in FCE residuals between male and female perch and help to resolve this apparent discrepancy. Similarly, if standard metabolic rates (i.e. weight exponent of standard metabolism) were higher in males than in females (e.g. Shillington 2005 ), total metabolic costs of males in this study might be underestimated. Another possibility is that females are experiencing compensatory growth as a response to more variable intake relative to males. Fish undergoing compensatory growth due to variable intake have higher growth efficiencies and/or assimilation than those with constant intake ( Skalski et al. 2005 ). Also, bioenergetics models applied to fish exposed to variable intake have underestimated consumption ( Whitledge et al. 1998 ). However, it is not clear why female perch might demonstrate more variable intake patterns than males.

In summary, our study provides a test of two competing hypotheses for the explanation of female-biased SSD in two species of fish, and highlights the importance of measuring both consumption and activity costs in evaluating proximate mechanisms for SSD. Our study and the literature reviewed here suggests that sex-specific bioenergetics models are warranted. Further, we provide a detailed comparison of SSD in yellow perch and walleye, and demonstrate important similarities between these species that transcend the trophic differences that separate them.


Les références

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Bioenergetics of bioconversions: is there a surplus of energy? - La biologie

Dr. Molly Roberts completed her PhD with Dr. Emily Carrington in 2019 in the Biology Department at UW. Her research involved both experimental work at FHL and fieldwork at Penn Cove Shellfish in Coupeville, WA. Prior to her time in graduate school she was a technician in the FHL Ocean Acidification Environmental Laboratory. She is now working with Dr. Sarah Gilman to predict barnacle growth at a field site at Friday Harbor using an energetics framework.

Mussels are bivalve mollusks that live in a wave-swept environment, and the ability to strongly anchor to the habitat is key to their survival. Mussels attach to surfaces by producing a network of protein-based fibers called byssal threads (Figure 1). I was interested in the cost of producing these threads, and the effect of food availability and energetics on their production. I worked with two species, Mytilus trossulus et Mytilus galloprovincialis, a native mussel species and an identical-looking cultured mussel species, both of which end up in stores and restaurants in Washington. Fig. 1: Mussels anchor themselves to their habitat by producing a network of collagen-like fibers known as byssal threads. Credit: E. Carrington.

The question that remained was: what does this loss of growth tell us about the energetic cost of producing byssal threads? I calculated the cost of thread production with a bioenergetics model using information about how much energy it takes to grow new tissue, and the relationship between growth and the number of threads made (Scope for Growth). I found that for mussels in the control group, about 10% of the energy budget was spent on byssal thread production, but that this ranged up to 50% of the energy budget for mussels whose byssal threads were severed daily. In other words, mussels being "forced" to make new threads frequently had much less energy available for growth.

Finally, I was interested in whether these ideas also held in a mussel aquaculture setting. I worked with Penn Cove Shellfish in Coupeville, WA. At this farm mussels are grown on ropes that hang vertically in the water (Figure 3). The seawater conditions at the farm provided a "natural experiment" to test whether mussels that have greater resources­ – given food availability and seawater temperature­ – produced a greater number of byssal threads. Would fluctuations in temperature and food availability over time end up affecting byssal thread production or growth? To answer this question, I used published relationships between temperature, feeding rate and respiration to calculate mussel energy surplus under different conditions, and measured growth and byssal thread production. I found that the calculated energy surplus fait correlate with mussel growth over the two-year period, but this value was ne pas a predictor of the quantity of byssal threads produced by mussels at the farm. Instead, mussels experiencing longer periods of low oxygen and acidic water produced fewer byssal threads.


Paper on the origin of life (abiogenesis) shows bioenergetic properties of living cells came from nothing more than rocks, water, and carbon dioxide

The author of the paper, Nick Lane, has written some great popular books on evolution. My favorite one was "Power, Sex, Suicide: Mitochondria and the Meaning of Life." A little bit of a hyped up title but overall a great description of how mitochondria most likely developed with eukaryotic cells and the impact that's had. I would highly recommend his books to anyone who's interested in these subjects.

I agree, that is a great book.

Ok, so the core argument in this paper seems to be that a) a common feature of life as we know it is the harnessing of energy in the form of ion gradients across membranes and b) these gradients can be shown to form naturally from otherwise inert materials in situations like undersea vents, therefore demonstrating that life as we know it is a kind of byproduct of energy. Am I getting that right? Any science ppl able to comment? Extremely succinct and provable origin of life hypothesis.

Yep - that's a perfect TLDR. Lets hope it's provable! Nick Lane actually has a ɻio-reactor' running in the basement of my university labs trying to test just that.

I'm not exactly a 'science person' but overall yes. However, use of ion gradients is a well established fact and has been essential to biochemistry for a long time, however the bigger question was exactly how the use of gradients came into being, which is proposed in this paper. The fact that these gradients are so complicated nowadays is what raised a lot of questions. They have essentially drawn out, "step-by-step" how these gradients could have come into being, likely derived from the non-living chemical gradients in rocks in sea floor vents. Later on, the use of a membrane transporter, a protein, that sends protons one way and sodium the other was one of the first steps in changing from simpler, proton gradients (present in lots of non-living things), to more complex, chemical gradients (like sodium ions and, later on, even more complicated transmitters).

I believe the biggest point of their paper is actually that changing from a proton pump in protocells to a sodium pump appears to be both energetically neutral (in terms of costs), and possible with the genes and proteins present.

The use of ion gradients over membranes for energy con- servation, as in chemiosmotic coupling, is as universal as the genetic code itself, yet its origins are obscure. Insofar as phylogenetics can give any indication of the deepest branches of a ‘‘tree of life,’’ autotrophic, chemiosmotic cells invariably cluster at its base (Say and Fuchs, 2010 Stetter, 2006 Maden, 1995). Although there is little doubt that the last universal common ancestor (LUCA) was chemiosmotic with a mem- brane-bound ATP synthase (Mulkidjanian et al., 2007), how proton and sodium pumping across membranes arose has rarely been addressed. The issue harbors several severe evolutionary problems, but important clues to the early evolution of energy conservation are emerging from biochemical studies of metha- nogens and acetogens that live from the reduction of CO2, using electrons from H2 (Fuchs, 2011 Kaster et al., 2011 Buckel and Thauer, 2012).

I believe that the second law of physics is that all things left alone deteriorate, or something to that effect. So for this to happen, what outside force operated on it to make it do the opposite?

EDIT: Please don't downvote the parent comment. He's asking a legitimate question that deserves an answer.

The second law of thermodynamics states that the entropy of an isolated system never decreases, because isolated systems spontaneously evolve towards thermodynamic equilibrium -- the state of maximum entropy.

The key phrase to note in relation to your question is "isolated system." The earth is not an isolated system. As someone else noted, the earth receives energy from its sun.

It is important to note that the earth is not an isolated system: it receives energy from the sun, and radiates energy back into space. The second law doesn't claim that the entropy of any part of a system increases: if it did, ice would never form and vapor would never condense, since both of those processes involve a decrease of entropy. Rather, the second law says that the total entropy of the whole system must increase. Any decrease of entropy (like the water freezing into ice cubes in your freezer) must be compensated by an increase in entropy elsewhere (the heat released into your kitchen by the refrigerator).


Gas Biological Conversions: The Potential of Syngas and Carbon Dioxide as Production Platforms

Contemporary challenges in decreasing Green House Gas emissions and finding alternative carbon and energy sources for fueling our society brought in the forefront processes based on biological conversions of gaseous substrates, such as syngas and carbon dioxide. Generation of synthesis gas or syngas (a gaseous mixture mainly of CO, H2 et Cie2 generated during thermal decomposition of carbonaceous material in the presence of limited amount of an oxidizing agent) is known since the beginning of the 17th century and discovery of Fischer–Tropsch synthetic route in the beginning of the 20th century allowed the development of various routes for chemical catalytic synthesis of fuels and chemicals from syngas. Biological processing of syngas came in the forefront much later, following important advances within Microbiology and Biochemistry disciplines. This thermo-biochemical route for production of low-value products like fuels is considered competitive and advantageous compared to the thermochemical route when small-scale installations are concerned. Production of higher value products via the carboxylate platform is also a promising, and certainly worth-investigating route. Biological conversion of syngas and valorization of CO2 via biological means, besides contributing in greening our world, come with similar product portfolio and share the same technological challenges. Therefore, the target of the current study is to provide an overview of the latest scientific advances within syngas and CO2 valorization to fuels and chemicals and industrial applications and propose a way forward taking into account contemporary challenges and needs.

Graphical Abstract

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Voir la vidéo: Enzyme Function and Inhibition (Janvier 2023).