معلومة

لماذا يتم تقليل FAD ، بدلاً من NAD + ، في تفاعل نازعة هيدروجين السكسينات لدورة حمض الكربوكسيل؟


FADH2 يتم إنتاجه في تحويل السكسينات إلى فومارات في دورة حمض الكربوكسيليك. لماذا هو كذلك؟ لماذا لا NADH؟


بشكل عام ، $ ce {NADH} $ و $ ce {FADH2} $ عبارة عن أنزيمات مساعدة. تحدد بنية الجزء الرئيسي من الإنزيم أي إنزيم أو أي مجموعة صناعية ستعمل مع الإنزيم المعني. على عكس معظم إنزيمات دورة TCA الأخرى ، فإن Succinic Dehydrogenase ينطوي على مشاركة $ ce {FAD} $ بدلاً من $ ce {NAD} $ وهذا نتيجة لهيكله المحدد.

قد يكون هناك سبب آخر محتمل يتعلق بفجوة الطاقة المتاحة. يحرر تحويل السكسينات إلى فومارات طاقة حرة أقل مقارنة بتفاعلات الأكسدة الأخرى. عادةً ما يكون للخطوات المقترنة بتقليل NADH تغير حر في الطاقة يبلغ حوالي $ Delta G = -100 $ إلى $ -150 ~ pu {kcal / mol} $ لكن التحويل المحفز بواسطة هيدروجيناز السكسين له تغير حر في الطاقة من -80 دولارًا أمريكيًا ~ pu {kcal / mol} $ (أرقام تقريبية) وبالتالي يطلق طاقة أقل. لذلك قد لا يكون من الممكن الاقتران بتخفيض $ ce {NADH} $ ولكن سيكون من الأفضل (من الناحية الديناميكية الحرارية) الاقتران بسهولة تقليل (نظرًا لأن إمكانية التخفيض أعلى وبالتالي يكون التخفيض أكثر ملاءمة) وبالتالي جزيء أقل نشاطا $ ce {FADH2} $.

بصرف النظر عن المتطلبات الهيكلية والديناميكية الحرارية ، قد يكون أحد الأسباب المحتملة الأخيرة هو أن إنزيم نازعة الهيدروجين السكسيني جزء من غشاء الميتوكوندريا ويشارك في سلسلة نقل الإلكترون. هنا ، جزيئات الفلافين هي ناقلات إلكترون ممتازة (بالمقارنة مع اختزال النيكوتيناميد) ، وبالتالي قد يكون من المربح استخدام الاختزال القائم على الفلافين لتسهيل نقل الإلكترون ونقل البروتون بسهولة لاحقًا.
مرة أخرى ، كل هذه أسباب محتملة ولا أعرف على وجه اليقين.


هناك إجابة بسيطة ومباشرة على هذا السؤال ، والتي أقدمها هنا لأن ملصق الإجابة المقبولة يبدو غير متأكد من صحة أي من اقتراحاته الثلاثة ، وبالتالي هناك خطر من أن يفكر القارئ في تفسير من حيث المرونة أو الغشاء. الموقع صحيح. ليس.

يتعلق الأمر كله بالديناميكا الحرارية - تتغير الطاقة الحرة في تفاعلات الأكسدة والاختزال المختلفة. وهكذا ، في الفصل الخاص بهم حول دورة حمض الكربوكسيليك بيرج وآخرون. اكتب:

يتأكسد سكسينات إلى فومارات بواسطة نازعة هيدروجين السكسينات. متقبل الهيدروجين هو FAD بدلاً من NAD+، والذي يستخدم في تفاعلات الأكسدة الثلاثة الأخرى في الدورة. في نازعة هيدروجين السكسينات ، يتم ربط حلقة إيزوالوكسازين من FAD تساهميًا بسلسلة جانبية هيستيدين من الإنزيم (يُشار إليها بـ E-FAD).

E-FAD + سكسينات ⇋ E-FADH2 + فومارات

FAD هو متقبل الهيدروجين في هذا التفاعل لأن تغيير الطاقة الحرة غير كافٍ لتقليل NAD+. دائمًا ما يكون FAD هو مستقبل الإلكترون في عمليات الأكسدة التي تزيل ذرتين من الهيدروجين من الركيزة.

يُظهر البحث على الإنترنت أي مجموعات عديدة من ملاحظات المحاضرات الجامعية التي توفر أرقامًا لدعم هذا الأمر. على سبيل المثال ، ملاحظات من Bryant Miles في Texas A & M (أعيد تنسيقها قليلاً من قبلي):

لماذا يعتبر FAD متقبل الإلكترون بدلاً من NAD+?

هو أكسدة الألكان ليس قوي بما فيه الكفاية لتقليل NAD+ - ه' = -0.315 فولت

أكسدة ألكان يكون قوي بما فيه الكفاية لتقليل FAD. - ه' = -0.031 فولت

فومارات + 2 هـ- → 2 ح+ سكسينات - E' = 0.031 فولت

∆E˚' = -0.0002 فولت ∴ ∆G˚' = +0.04 كيلوجول / مول

إن التغير في الطاقة الحرة بناءً على تركيزات الحالة الثابتة لجميع المواد المتفاعلة والمنتجات في الميتوكوندريا المعزولة من قلوب الخنازير يساوي صفرًا تقريبًا ، وهو تفاعل شبه متوازن.


أعتقد أن بروتينات الفلافوبروتينات أكثر مرونة من NAD. يحمل NAD إلكترونين بالضبط ، بينما يحمل FAD إلكترونًا واحدًا أو إلكترونين. هذا مهم ، لأن إنزيم نازعة الهيدروجين السكسينات يقع على مفترق الطرق بين دورة كريبس وسلسلة نقل الإلكترون. أفضل ما يمكنني قوله هو أن دورات كريبس تقضي على إلكترونين لكل إنزيم ، بينما تقوم سلاسل نقل الإلكترون بإخراج إلكترون واحد لكل معقد. إذن ربما تجعل FAD الترجمة بين النظامين تعمل؟


مناهج الكيمياء الطبية لمرض السل وداء المثقبيات

أندرو إم طومسون ، ويليام أ.ديني ، في التقارير السنوية في الكيمياء الطبية ، 2019

3 مثبطات إنزيم نازعة هيدروجين السكسينات (SDH)

3.1 دور الإنزيم

يؤكسد نازعة هيدروجين سكسينات سكسينات إلى فومارات ، وبالتالي التبرع بالإلكترونات إلى ETC. يلعب اثنان من إنزيمات نازعة هيدروجين السكسينات (SDH-1 و SDH-2) أدوارًا تكميلية في الجزء الأول من مسار الأكسفوس. SDH-1 هو الأكثر أهمية ، حيث يعمل أثناء النمو الهوائي للتحكم في حالة الأكسدة والاختزال في تجمع الميناكينون. إنه حذف هدف محتمل للمخدرات لـ SDH1 يزيد أوبرون من مستويات ميناكينول ، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك الأكسجين والحفاظ على المرحلة الثابتة للبكتيريا. 14

3.2 مثبطات SDH

السموم النباتية والفطرية ، حمض 3-نيتروبروبيونيك (5) ، هو مثبط انتحار محدد لـ SDH. إنه يشكل معقدًا تساهميًا مع موقع نشط أرجينين. 15 دراسات تثبيط في م بجرعة عالية (200 ميكرومتر) أدت إلى خسارة تعتمد على الوقت في بقاء البكتيريا أثناء التكيف مع نقص الأكسجة. 16 لسوء الحظ ، كان هناك القليل من العمل الآخر حتى الآن على مثبطات إنزيمات SDH في م.


مسارات ودورات التمثيل الغذائي

كريستينا فيرنر. مايكل شوارزر ، في The Scientist & # x27s Guide to Cardiac Metabolism ، 2016

دورة حمض الستريك

يمثل CAC مركز الطاقة المترابطة التي توفر المسارات والدورات. في مصفوفة الميتوكوندريا ، تنتج إنزيمات CAC (المعروفة أيضًا باسم دورة كريبس أو دورة حمض الكربوكسيليك -TCA) المعادلات المختزلة NADH و FADH2. إنها توصل الإلكترونات إلى معقدات سلسلة نقل الإلكترون في الميتوكوندريا ، والتي تبني تدرج بروتوني يقود إنتاج ATP. تربط هذه العملية الرئيسية بين تحلل السكر وأكسدة الأحماض الدهنية وأكسدة الأحماض الأمينية. على النقيض من تحلل السكر وأكسدة الأحماض الدهنية ، والتي يمكن وصفها بأنها مسارات خطية ، فإن الدورات مثل CAC تكون أكثر فعالية من حيث الطاقة. يظهر ناتج ATP لدورة كاملة في الجدول 4.3 [31،32]. إن مركزية دورة كريبس لعملية التمثيل الغذائي لافتة للنظر. إنه لا يربط فقط جميع مسارات أكسدة الركيزة التقويضية بالسلسلة التنفسية ، ولكنه يمثل أيضًا مصدر المنتجات التخليقية للعديد من عمليات الابتنائية [33]. وهكذا ، على الرغم من أن الدورة لا تفقد المواد الوسيطة (أي الشقوق) من خلال ردود أفعالها الخاصة ، إلا أنها لا تزال بحاجة إلى التجديد باستمرار (anaplerosis ، انظر لاحقًا في الفصل).

الجدول 4.3. الكفاءة التحفيزية لدورة حامض الستريك

خطوة التمثيل الغذائيتخفيض المكافئخرج ATP
Isocitrate → α- كيتوجلوتاراتNAD + → NADH + H + 2.7
α-Ketoglutarate → Succinyl-CoANAD + → NADH + H + 2.7
Succinyl-CoA → سكسيناتسلسلة الفسفرة الركيزة
الناتج المحلي الإجمالي + P → GTP1.0
سكسينات ← فوماراتFAD → FADH21.6
Malate → OxaloacetateNAD + → NADH + H + 2.7
مجموع 10.7

تعمل CAC على تقويض جزيء واحد من أسيتيل CoA ، وهو المنتج النهائي عالي الطاقة من تحلل السكر والأكسدة إلى جزيئين من ثاني أكسيد الكربون والمكافئات المختزلة NADH و FADH2. نظرة عامة تخطيطية على CAC الكامل مبينة في الشكل 4.6. في البداية ، يتفاعل acetyl-CoA مع oxaloacetate الوسيطة للدورة. يتم تحريك هذا التفاعل بواسطة سينزاس السترات ، وهو الإنزيم الرئيسي للدورة ويمكن أيضًا اعتباره علامة على نشاط الميتوكوندريا. يتم تجفيف سترات المنتج إلى وسيط غير مستقر رابطة الدول المستقلة-الكونت ، الذي يتم ترطيبه لاحقًا ليصبح متساويًا. يتم تحفيز كلا التفاعلين بواسطة الأكونيتاز. في الخطوة الثالثة من CAC ، يقوم نازع هيدروجين الأيزوسيترات المعتمد على NAD + بتحويل isocitrate إلى oxalosuccinate نتيجة أول NADH مكافئ مختزل. نزع الكربوكسيل من أوكسالوسكسينات يؤدي إلى تكوين ألفا كيتوجلوتارات وثاني أكسيد الكربون2. في الخطوة التالية ، يحفز نازعة الهيدروجين ألفا كيتوجلوتارات الأكسدة والكربوكسيل في α-ketoglutarate إلى السكسينات عن طريق تكوين succinyl-CoA باعتباره وسيطًا غير مستقر. هذا التفاعل مشابه لتفاعل البيروفات ديهيدروجينيز ويؤدي إلى تكوين جزيء واحد من GTP عالي الطاقة. كفاءة نازعة هيدروجين α-ketoglutarate أمر بالغ الأهمية ويتحكم في تدفق الركيزة من خلال CAC الكامل [34]. المزيد من أكسدة السكسينات بواسطة نازعة هيدروجين السكسينات المعتمد على FAD + ينتج عنه تقليل FADH المكافئ2 والفومارات ، والتي يتم هدرجة بعد ذلك إلى malate بواسطة fumarase. في الخطوة "الأخيرة" من CAC ، يقوم نازع هيدروجين المالات المعتمد على NAD + بتحويل malate إلى oxaloacetate و NADH آخر. وبالتالي ، قد يتفاعل أوكسالو أسيتات مع جزيء آخر من أسيتيل CoA ويبدأ جولة جديدة من الدورة.

الشكل 4.6. خطوات تفاعل دورة حامض الستريك.

يتم تنظيم CAC بشكل صارم كعنصر محوري في استقلاب الطاقة. يتم تشغيل الدورة بواسطة ADP والفوسفات غير العضوي والكالسيوم بينما يتم تثبيطها بواسطة NADH و ATP. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تنظيم معظم إنزيمات CAC من خلال تثقيفها ومنتجاتها بطريقة حركية. على سبيل المثال ، يتم تثبيط هيدروجيناز السكسينات بواسطة أوكسالو أسيتات ولكن يتم تنشيطه بواسطة السكسينات. على الرغم من أن كمية المواد الوسيطة في CAC منظمة بشكل صارم ، إلا أنها تمثل أيضًا اللبنات الأساسية للعديد من عمليات التوليف. وبالتالي ، فإن مجموعة المواد الوسيطة CAC "تتغير" باستمرار وتحتاج إلى التجديد إذا كانت عمليات التخليق منتشرة - وهي عملية تسمى anaplerosis.


س: 5. افحص الرسم أدناه وأجب عن الأسئلة حول الإنزيم الذي راجعناه في المحاضرة. 1.0 0.

ج: الإنزيمات هي المحفزات الحيوية التي تحفز التفاعلات الكيميائية الحيوية عن طريق تحويل الركيزة المرتبطة بـ th.

س: المتفطرة السلية هي بكتيريا داخل الخلايا تسبب مرض السل. إن M. tuberculos.

ج: المتفطرة السلية تسبب مرض السل (TB). تهاجم هذه البكتيريا الرئتين ، لكن السل يمكن أن يهاجمها.

س: ماذا سيحدث إذا تم تبديل المجال داخل الخلايا لمستقبلات سطح الخلية مع المجال.

ج: يتم إطلاق الإشارات الكيميائية عن طريق إشارات الخلايا على شكل إشارات صغيرة ، وعادة ما تكون متطايرة أو قابلة للذوبان.

س: ما هو (هو) المنتج (المنتجات) التي يتم نقلها إلى سلسلة نقل الإلكترون من الستريك.

ج: تُعرف دورة حمض الستريك أيضًا باسم حمض الكربوكسيل أو دورة كريب. يحدث في الميتوكوندر.

س: 8. يمتلك الإنزيم القدرة على تحفيز تفاعلات العديد من المركبات غير ذات الصلة. آلية.

ج: إن تفاعل الإنزيم المحفز هو التفاعل الذي يرتبط فيه المحفز الحيوي المعروف باسم الإنزيم بـ trans.

س: أعطِ الاسم المنهجي لما يلي.

ج: الاسم المنهجي هو الاسم الذي يُعطى بطريقة منهجية لمجموعة فريدة ، أو كائن ، أو كائن ، أو كيمياء.

س: عندما يتم حساب عدد وحدات تكوين المستعمرات لكل مليلتر ، سوف تركز التعدادات الخاصة بك عليها.

ج: يستخدم طبق بتري أو طبق ثقافة الخلية في زراعة الثقافات الميكروبية مثل البكتيريا والفطريات. معهم.

س: صح / خطأ مع التبرير. بيان ما إذا كانت العبارة صحيحة أو خاطئة. ثم ، بغض النظر عن.

ج: دورة الخلية هي تسلسل الأحداث المختلفة التي تحدث بطريقة محددة وينتج عنها.

س: أحجام متساوية من نترات الرصاص (II) 1.0M مختلطة مع 1.0M كلوريد الصوديوم. اكتب رد فعل متوازن. د.

ج: يكون التفاعل الجزيئي المتوازن بين نترات الرصاص وكلوريد الصوديوم كما يلي Pb (NO3) 2 (aq).


التفاعل 3: أكسدة الأيزو سترات إلى α-Ketoglutarate

في هذه الخطوة ، يحفز نازعة هيدروجين isocitrate المؤكسد نزع الكربوكسيل متساوي السيترات لتشكيل ألفا كيتوجلوتارات.

في رد الفعل ، يتم رؤية توليد NADH من NAD. الانزيم نازعة هيدروجين الأيزوسترات يحفز أكسدة مجموعة –OH في الموضع 4 & # 8242 من isocitrate لإنتاج وسيط ثم يتم إزالة جزيء ثاني أكسيد الكربون منه لإنتاج ألفا كيتوجلوتارات.


هيكل مركب بيروفات ديهيدروجينيز

على الرغم من أن مركب نازعة هيدروجين البيروفات يتكون من نسخ متعددة من ثلاثة إنزيمات مختلفة ويحفز نفس التفاعلات بآليات مماثلة في جميع الكائنات الحية التي يوجد فيها ، إلا أنه يحتوي على هيكل رباعي مختلف جدا.
هيكل بكتريا قولونية كان مجمع multienzyme ، الذي يبلغ وزنه ∼4600 كيلو دالتون وقطره ∼300 ، أول ما تم تمييزه ، وذلك بفضل أعمال Lester Reed. في هذا المجمع ، تشكل 24 وحدة من ثنائي هيدروليبويل تران أسيتيل هيكل به تناظر مكعب، وهي الإنزيمات المرتبطة بأدوات التشذيب ، توضع في زوايا المكعب. ترتبط قواطع هيدروجين البيروفات بنواة ثنائي هيدروليبويل تران أسيتيلاز ، في وسط كل حافة من المكعب ، ليصبح المجموع 24 وحدة. أخيرًا ، توجد ثنائيات ثنائي هيدروليبويل ديهيدروجينيز في وسط كل من الوجوه الستة للمكعب ، بإجمالي 12 وحدة. لاحظ أن المجمع بأكمله يتكون من 60 وحدة. تم العثور على هيكل مماثل مع تناظر مكعب في معظم البلدان الأخرى البكتيريا سالبة الجرام.
في بعض البكتيريا موجبة الجرام وفي حقيقيات النوى، يحتوي مركب نازعة هيدروجين البيروفات على شكل ثنائي السطوح ، أي الشكل متعدد السطوح المنتظم مع 20 رأسًا ، و 12 وجهًا خماسيًا ، و 30 حافة ، مع تناظر عشروني الوجوه، وتسمى أيضا أنا تناظر. بالنظر على سبيل المثال إلى المركب متعدد الإنزيمات الموجود في الميتوكوندريا ، فهو أكبر مجمع متعدد الإنزيمات معروف ، ويبلغ وزنه 10،000 كيلو دالتون وقطره ∼500 Å ، أي أكثر من 5 أضعاف حجم الريبوسوم. جدير بالذكر أنه يمكن تصويره بالمجهر الإلكتروني. يتكون المجمع من نواة دوديكاهدرا ، يبلغ قطرها حوالي 25 نانومتر ، وتتكون ، كما هو الحال في البكتيريا سالبة الجرام ، بواسطة ثنائي هيدروليبويل ترانس أسيتيلاز ، ولكنها تتكون من 20 قاطعًا من الإنزيم ، ليصبح المجموع 60 وحدة ، وتقع في القمم من الهيكل. النواة محاطة بـ 30 وحدة من نازعة هيدروجين البيروفات ، واحدة متمركزة على كل حافة ، و 12 وحدة من نازعة هيدروجين ثنائي هيدروليبويل ، واحدة متمركزة على كل وجه. لذلك يتكون المجمع بأكمله من 102 وحدة.

الهيكل الرباعي للمجمع أكثر تعقيدًا ، كما ذكرنا سابقًا ، من خلال وجود ثلاث وحدات فرعية إضافية: كيناز بيروفات ديهيدروجينيز ، وفوسفاتاز بيروفات ديهيدروجينيز ، وبروتين E3 المرتبط.
كيناز والفوسفاتيز مرتبطان بنواة ثنائي هيدروليبويل ترانس أسيتيلاز.
يرتبط E3BP بكل من الوجوه الخماسية الاثني عشر ، وبالتالي فهو موجود في حوالي 12 نسخة. مطلوب ربط ثنائي هيدروجيناز ثنائي هيدروليبويل بجوهر ثنائي هيدروليبويل ترانس أسيتيلاز ، كما يتضح من حقيقة أن تحلل البروتين الجزئي يقلل من قدرة الارتباط لنزعة الهيدروجين. في E.3- بروتين ملزم من الممكن تحديد المجال الطرفي C ، الذي لا يحتوي على نشاط تحفيزي ، ومجال يحتوي على أميد دهني ، مشابه لمجال ثنائي هيدروليبويل ترانس أسيتيل ، قادر على قبول مجموعة أسيتيل أيضًا. ومع ذلك ، فإن إزالة هذا المجال لا يسبب أي انخفاض في النشاط التحفيزي للمركب متعدد الإنزيم.

هيكل نازعة هيدروجين البيروفات أو E.1

بيروفات ديهيدروجينيز حقيقيات النوى وبعض البكتيريا موجبة الجرام يتكون من سلسلتين مختلفتين من عديد الببتيد ، تسمى α و ، مرتبطة بتكوين متماثل من شقين α2β2 heterotetramer. على العكس من ذلك ، في بكتريا قولونية وغيرها من البكتيريا سالبة الجرام يتم دمج الوحدتين الفرعيتين لتشكيل سلسلة بولي ببتيد واحدة ، ويكون الإنزيم a homodimer.
الانزيم له موقعين نشطين.
النظر في الهيكل غير المتجانسة من Bacillus stearothermophilus بيروفات ديهيدروجينيز ، بكتيريا موجبة الجرام ، كل بيروفوسفات ثيامين يربط بين نطاقات N- الطرفية للوحدة الفرعية α و ، في نهاية قناة عميقة على شكل قمع 21 Å تؤدي إلى الموقع النشط ، مع مجموعتها التفاعلية ، ال حلقة ثيازول (انظر الشكل 3) ، الأقرب إلى مدخل القناة. عند مدخل هذه القناة هناك أيضا حلقتين محفوظتين، ضروري للنشاط التحفيزي للإنزيم وتنظيمه. تحليل الأشعة السينية B. stearothermophilus الإنزيم ، عندما يربط كل من TPP ومجال ربط الوحدة الطرفية (PSBD) من ثنائي هيدروليبويل ترانس أسيتيلاز ، والذي يرتبط بالمجال الطرفي C للوحدات الفرعية ، قد كشف أنه بالإضافة إلى هيكل مغاير ذو هيكل ضيق للغاية ، موقعان نشطان لهما هيكل مختلف ، لا سيما فيما يتعلق بترتيب الحلقتين المحفوظتين. في الواقع ، في وحدة إنزيمية فرعية ، في وجود الشكل المنشط لبيروفوسفات الثيامين ، يتم ترتيب الحلقة الداخلية بطريقة تمنع دخول الموقع النشط ، في حين أن الحلقة الموجودة عند مدخل الموقع النشط الآخر تكون مضطربة ولا يسد المدخل. هذا ما يفسر ، من أ الهيكلي من وجهة نظر ، الاختلافات الملحوظة في معدل ربط الركيزة التي أظهرها الموقعان النشطان. وقد لوحظ وجود ترتيب مماثل وعدم تناسق في جميع الإنزيمات المعتمدة على بيروفوسفات الثيامين والتي تم حل هيكلها.
بالإضافة إلى TPP وأيون المغنيسيوم (Mg 2+) ، الموجودان في كل من الموقعين النشطين ، يوجد Mg 2+ ثالث في وسط رباعي الأسطوانات ، ضمن ∼20 Å نفق عميق مملوء بالمذيبات الذي - التي يربط بين الموقعين النشطين. يتم تبطين النفق إلى حد كبير بواسطة 10 بقايا من الأحماض الأمينية المحفوظة من جميع الوحدات الفرعية الأربعة ، ولا سيما الغلوتامات (Glu) والأسبارتات (Asp) ، ستة وأربعة ، على التوالي ، بالإضافة إلى بقايا حمضية أخرى حول حلقة TPP أمينوبيريميدين. وينبغي التأكيد على عدم وجود مخلفات أساسية لتحييدها. تم العثور على أنفاق مماثلة في جميع الإنزيمات المعتمدة على بيروفوسفات الثيامين مع بنية بلورية معروفة ، مع بنية ثنائية أو رباعية ، على سبيل المثال في ترانسكيتولاز ، وهو إنزيم لمسار فوسفات البنتوز.

ملحوظة: B. stearothermophilus ينتمي إلى phylum Firmicutes وتم تغيير اسمه مؤخرًا Geobacillus stearothermophilus.

ما هي وظيفة النفق الحمضي؟

من خلال تجارب الطفرات على B. stearothermophilus بيروفات ديهيدروجينيز ، النفق قد تبين تلعب دورًا في آلية التحفيز.
لا يتغير تغيير بعض المخلفات الحمضية المذكورة أعلاه إلى أحماض أمينية محايدة ، مقارنةً بنزع هيدروجين البيروفات من النوع البري:

  • كفاءة دمج الإنزيم المعدل في مجمع الإنزيم المتعدد
  • هيكل المواقع النشطة
  • التركيب الرباعي للإنزيم.

ومع ذلك ، يتم تقليل معدل نزع الكربوكسيل بأكثر من 70٪ مقارنة بالأنزيم من النوع البري ، وكذلك بمجرد تجميع المركب متعدد الإنزيمات مع نازعة هيدروجين البيروفات المتحولة ، فإن نشاط PDC ، والذي يتم تقليله بنسبة تزيد عن 85٪ مقارنة بالأنزيم البري. -نوع المركب. لكن كيف يحدث هذا؟
نظرًا لأن المسافة بين الأحماض الأمينية المستبدلة والمواقع النشطة هي 7 ، أي أن هذه الأحماض الأمينية بعيدة عن المواقع النشطة لنزعة هيدروجين البيروفات ، فلا يمكنها التأثير بشكل مباشر على نشاطها التحفيزي. بعد ذلك ، تم اقتراح آلية التحفيز الموضحة أدناه.
بالنظر إلى الأبوينزيم ، يرتبط بيروفوسفات الثيامين بسرعة وبقوة بالموقع النشط الأول ، ويتم تنشيطه ، ويتم إغلاق الموقع النشط ، وبالتالي حماية الثيازوليوم zwitterionic من البيئة الخارجية.
بالمقابل في الموقع النشط الثاني يرتبط TPP ، لكن لم يتم تنشيطه ، ويظل الموقع النشط في شكل مفتوح.
في الموقع النشط الأول ، يتفاعل البيروفات مع الثيازوليوم C-2 ، ويتبرع بيروفوسفات الثيامين من الموقع النشط الثاني ، وهو حمض عام ، ببروتون للموقع الأول. والنتيجة هي نزع الكربوكسيل في الموقع الأول وتفعيل الإنزيم المساعد في الموقع الثاني ، والذي يتم إغلاقه بعد ذلك.
وتجدر الإشارة إلى أنه في حين أن تنشيط بيروفوسفات الثيامين الأول هو نتيجة ربط بالنسبة للموقع النشط ، فإن تنشيط الإنزيم الثاني ، وبالتالي الموقع النشط الثاني ، هو إلى جانب نزع الكربوكسيل البيروفات في أول موقع نشط. أو ، من وجهة نظر أخرى ، بينما يتطلب الموقع النشط حمضًا عامًا ، يتطلب الآخر قاعدة عامة.
البروتونات ضرورية للنشاط التحفيزي ، ويتم نقلها بين الموقعين النشطين عبر النفق الحمضي. هم قابلون للعكس مكوك على طول سلسلة من مجموعات المتلقين المانحين التي توفرها بقايا الغلوتامات والأسبارتات والمياه الجوفية ، والتي تعمل بمثابة سلك بروتون.
لذلك ، يبدو أنه على عكس العديد من الإنزيمات الأخرى ، حيث يحدث الاتصال بين المواقع النشطة من خلال التغييرات التوافقية وإعادة ترتيب الوحدة الفرعية ، في نازعة هيدروجين البيروفات وفي الإنزيمات الأخرى المعتمدة على TPP ، فإن سلك البروتون هو الأساس الجزيئي من هذا التواصل.
في هذه المرحلة ، تم تشكيل الإنزيم المجسم والمواقع النشطة في حالة توازن ديناميكي ، كل تبادل بين حالة السكون والحالة النشطة. يبدو أن هذه هي الحالة التي يوجد فيها الإنزيم في الجسم الحي في بداية كل دورة تحفيزية.
نتيجة لمثل هذه الآلية ، عندما تحدث الدورات التحفيزية ، فإن الموقعين النشطين هما خارج المرحلة مع بعضها البعض، أي عندما يحتاج موقع نشط إلى حمض عام ، يتطلب الآخر قاعدة عامة ، والعكس صحيح.
أخيرًا ، تجدر الإشارة إلى أن هذه الآلية تسمح بتبديل الحلقات التي تغلق المواقع النشطة وذلك من أجل:

  • تنسيق امتصاص الركيزة وإطلاق المنتج
  • شرح عدم التناسق الموجود بين الموقعين النشطين.

ملاحظة: أبوينزيم هو إنزيم يفتقر إلى ارتباط عوامله المساعدة. على العكس من ذلك ، فإن ملف هولوزيم هو إنزيم مع عوامله المساعدة. إنزيم الإنزيم هو إنزيم غير نشط تحفيزيًا ، في حين أن الإنزيم الهولندي هو إنزيم نشط تحفيزيًا.

هيكل ثنائي هيدروليبويل ترانس أسيتيلاز أو إي2

ثلاثة مجالات وظيفية متميزة يمكن التعرف عليه في بنية تران أسيتيل ثنائي هيدروليبويل: مجال ليبويل طرفي N ، مجال ربط وحدة فرعية محيطية ، مجال تحفيزي طرفي C أو مجال نقل أسيل. ترتبط هذه المجالات بـ 20 إلى 40 من بقايا الأحماض الأمينية الغنية بالألانين والبرولين والأحماض الأمينية الكارهة للماء والتي تتخللها بقايا مشحونة. هذه الروابط مرنة للغاية وممتدة إلى حد كبير ، مما يسمح للمجالات الثلاثة بالابتعاد عن بعضها البعض.

ملاحظة: الروابط المرنة موجودة في E3BP أيضًا.

  • ال المجال الدهني الطرفي N يتكون من ∼80 من بقايا الأحماض الأمينية ، ويسمى كذلك لأنه يرتبط حامض يبويك. يعتمد عدد هذه المجالات على الأنواع ، وتتراوح من واحد إلى ثلاثة. على سبيل المثال ، هناك مجال واحد في B. stearothermophilus وفي الخمائر ، اثنان في العقدية البرازية وفي الثدييات ، وثلاثة في Azotobacter vinelandii و بكتريا قولونية.
    يؤدي الارتباط بين مجموعة ɛ-amino من بقايا ليسين وحمض الليبويك إلى تكوين ذراع مرن ، ليبويل ليسين، والتي يبلغ طولها الأقصى 14 Å. إضافة مقطع متعدد الببتيد الذي يربط المجال الطرفي N بالمجال المجاور ، الذي يزيد طوله عن 140 Å ، يكون الحبل المرن الناتج قادرًا على تأرجح مجموعة الدهون بين المواقع النشطة لنزعة هيدروجين البيروفات و dihydrolipoyl dehydrogenase ، بالإضافة إلى تتفاعل مع ثنائي هيدروليبويل تران أسيتيلازات النواة المجاورة.
    وتجدر الإشارة إلى أن عدد هذه الحبال هو 3 × 24 = 72 بوصة بكتريا قولونية، بينما في الثدييات 2 × 60 = 120 ، بناءً على عدد المجالات الطرفية N ووحدات ثنائي هيدروليبويل ترانس أسيتيلاز.
    لذلك يمكن أن يقوم نازع هيدروجين البيروفات باستيل العديد من ترانزيستيلاز ثنائي هيدروليبويل ، ويمكن أن يعيد نازعة هيدروجين ثنائي هيدروليبويل تأكسد العديد من مجموعات ثنائي هيدروليبو أميد.
    علاوة على ذلك ، يحدث أيضًا:

تبادل مجموعات الأسيتيل بين مجموعات الدهون في نواة ثنائي هيدروليبويل ترانس أسيتيلاز
تبادل كل من مجموعات الأسيتيل وثاني كبريتيد بين الأذرع المربوطة.

  • PSBD يتكون من ∼35 من بقايا الأحماض الأمينية مرتبة لتشكيل بنية كروية ترتبط بكل من نازعة هيدروجين البيروفات و dihydrolipoyl dehydrogenase ، أي أنه يحمل مجمع multienzyme سويا.
  • ال المجال الحفاز C- المحطة، والتي ، بالطبع ، تحتوي على ملف موقع نشط، يتكون من ∼250 من بقايا الأحماض الأمينية مرتبة لتشكيل هيكل يشبه القفص المجوف يحتوي على قنوات كبيرة بما يكفي للسماح للركائز والمنتجات بالانتشار للداخل والخارج. على سبيل المثال ، يرتبط مركب CoA ad lipoamide ، وهما الركيزة ثنائية هيدروليبويل تران أسيتيلاز ، في شكلهما الممتد ، على الأطراف المقابلة لقناة تقع في الواجهة بين كل زوج من الوحدات الفرعية في كل قاطع.

هيكل نازعة هيدروجين ثنائي هيدروليبويل أو E.3

تم استنتاج بنية ديهيدروليبويل ديهيدروجينيز من دراسات الإنزيم في العديد من الكائنات الحية الدقيقة. لديها هيكل متماثل، مع كل سلسلة بقايا حمض أميني ∼470 مطوية في أربعة مجالات ، من الطرف N إلى الطرف C: مجال ربط FAD ، مجال ربط NAD + ، مجال مركزي ، ومجال واجهة. تشارك جميع المجالات في تشكيل الموقع النشط.
موضة عابرة يكاد يكون شبه كامل مخبأة في الداخل البروتين لأنه ، على عكس thiol أو NADH ، هو كذلك يتأكسد بسهولة وبالتالي يجب حمايتها من المحلول المحيط ، أي من O2. في الواقع ، في غياب الإنزيم المساعد للنيكوتيناميد ، فإن السلسلة الجانبية للفينول لبقايا التيروزين (Tyr) ، على سبيل المثال Tyr 181 في البكتيريا سالبة الجرام Pseudomonas putida، ويغطي جيب ربط NAD + وذلك لحماية FADH2 من ملامسة المحلول المحيط.
على العكس من ذلك ، عندما يقع NAD + في الموقع النشط ، يتم تداخل السلسلة الجانبية للفينول لبقايا التيروزين المذكورة أعلاه بين حلقة النيكوتيناميد وحلقة الفلافين.
في الموقع النشط للشكل المؤكسد للإنزيم يوجد أيضًا أ جسر ثنائي كبريتيد الأكسدة والاختزال. يتشكل بين اثنين من بقايا السيستين الموجودة في جزء محفوظ للغاية من سلسلة البولي ببتيد ، على سبيل المثال ، Cys 43 و Cys 48 in P. putida، ويقع على الجانب الآخر من حلقة الفلافين فيما يتعلق بحلقة نيكوتيناميد. يربط جسر ثاني كبريتيد المنعطفات المتتالية في جزء من حلزون ألفا مشوه ، وجدير بالملاحظة ، في حالة عدم وجود مثل هذا التشويه ،α ستكون ذرات بقايا السيستين بعيدة جدًا للسماح بتكوين جسر ثاني كبريتيد.
لذلك فإن ديهيدروليبويل ديهيدروجينيز اثنين من متقبلات الإلكترون: FAD وجسر ثاني كبريتيد الأكسدة والاختزال.
ملاحظة: الحلقات الحلقية غير المتجانسة لـ NAD و FAD متوازية ومتصلة من خلال تفاعلات فان دير فال س48 هو أيضًا على اتصال من خلال تفاعلات van der Waals مع حلقة flavin ، على الجانب الآخر منها من حلقة NAD.


الأيض

تستخدم الخلايا جزيء يسمى أدينوسين ثلاثي الفوسفات (أو ATP) كمصدر للطاقة (انظر الشكل 2). يمكن للفوسفات في هذا الجزيء توفير الطاقة للركائز في خلايانا. توجد إنزيمات في خلايانا يمكنها إزالة الفوسفات من ATP وربطه بجزيء مختلف - عادة ما يكون بروتينًا (انظر الشكل 3). عندما يحدث هذا ، نقول أن البروتين قد تمت فسفرته. فكر في الفوسفات الثالث على أنه كيس صغير من الطاقة. عندما يتم نقلها إلى بروتين ، يمكن استخدام هذه الطاقة للقيام بشيء ما. على سبيل المثال ، في الشكل 3 ، يغير البروتين شكله عندما يتحول إلى فسفرة. عندما تغير البروتينات شكلها ، فإننا غالبًا ما نطلق على هذا التغيير التوافقي في بنية البروتين. هناك العديد من البروتينات في الجسم التي تستخدم الفوسفات من ATP لإحداث تغيير في التركيب. يسمح هذا التحول في شكل البروتين في النهاية بأشياء مثل تقلص العضلات ، وحركة الخلايا ، ونقل الغشاء ، وعمل الإنزيم. توجد الخلايا والحياة فقط في حالة توفر إمداد ثابت وثابت من ATP.

صورة تم إنشاؤها بواسطة JS في BYU Idaho F2013.

الصورة أعلاه هي تمثيل للتركيب الكيميائي لـ ATP. يشتمل ATP على قاعدة نيتروجينية تسمى الأدينين مرتبطة بسكر كربون مكون من 5 مجموعات تسمى الريبوز و 3 مجموعات فوسفاتية.

صورة تم إنشاؤها بواسطة JS في BYU Idaho F2013.

يستخدم ATP لفوسفوريلات البروتين. يزيل إنزيم يسمى كيناز (غير موضح) الفوسفات من ATP ويسهل الرابطة بين الفوسفات وبعض البروتينات الأخرى. يسمى ارتباط الفوسفات بالبروتين بهذه الطريقة الفسفرة. يحتوي عظم الفوسفات الذي يحتوي على البروتين على طاقة أعلى. لاحظ أن الفسفرة تستخدم هذه الطاقة لإحداث تغيير في تكوين شكل البروتين.

NAD و FAD

نيكوتيناميد Adenine ثنائي النوكليوتيد (NAD) و فلافين ثنائي النوكليوتيد الأدينين (FAD) عبارة عن أنزيمات مساعدة تشارك في تفاعلات الأكسدة والاختزال القابلة للعكس. غالبًا ما يُذكر أن هذه المركبات هي ناقلات إلكترون لأنها تقبل الإلكترونات (تصبح مختزلة) أثناء خطوات تقويضية في تكسير الجزيئات العضوية مثل الكربوهيدرات والدهون. بعد ذلك ، يمكن لهذه الإنزيمات المساعدة المختصرة التبرع بهذه الإلكترونات لبعض التفاعلات الكيميائية الحيوية الأخرى التي تشارك عادة في عملية الابتنائية (مثل تخليق ATP).

NAD + / NADH

نيكوتيناميد Adenine ثنائي النوكليوتيد في حالته المؤكسدة يسمى NAD + ، بعد اختزالها (أو قبولها للإلكترونات) ، يشار إليها باسم NADH. انظر الشكل 4 للتوضيح الجزيئي. يستخدم فيتامين النياسين (ويسمى أيضًا B3) لاشتقاق هذا المركب. يوفر النياسين بنية الحلقة العضوية التي ستشارك بشكل مباشر في نقل ذرة الهيدروجين وإلكترونين. غالبًا ما يتم العثور على NAD + جنبًا إلى جنب مع "dهيدروجيناز"إنزيم. يزيل تفاعل نازعة الهيدروجين ذرتين من الهيدروجين إحداهما على شكل هيدريد (: H -) (الهيدريد عبارة عن ذرة هيدروجين بها إلكترونان) وواحد كاتيون هيدروجين (H +) (وبالطبع ، كاتيون الهيدروجين لا يحتوي على إلكترونات). روابط الهيدريد مع NAD + وتخلق مركبًا مخفضًا من Nictinamide Adenine Dinucleotide (NADH). يتم تحرير ذرة الهيدروجين الثانية (H +) في محلول انظر الشكل 4.

أثناء فحص تفاعلات التمثيل الغذائي ، ابحث عن التفاعلات التي تنتج NADH. سيكون NADH مهمًا لأنه سيوفر الهيدروجين والإلكترونات التي تلتقطها للعمليات الكيميائية الحيوية التي يمكن أن تستخدم الإلكترونات والهيدروجين لصنع ATP.

صورة تم إنشاؤها بواسطة JS في BYU Idaho F2013.

في التفاعلات الأيضية التي تتضمن NAD ، تتم إزالة ذرتين من الهيدروجين وإلكترونين من الركيزة ونقلها إلى NAD +. يقبل NAD + أيون الهيدريد (هيدروجين به إلكترونان) ويصبح نيكوتيناميد Adenine Dinucleotide في الشكل المختزل (NADH). يتم تحرير كاتيون الهيدروجين الذي يتم التقاطه أيضًا في التفاعل في المحلول المحيط. تذكر أن رد الفعل هذا قابل للعكس.

في شرح التفاعلات التي تحدث في عملية التمثيل الغذائي ، من الشائع تجاهل H + الذي تم إطلاقه في المحلول وسيصور هذا النص نتيجة تقليل NAD على أنه NADH ببساطة ، بدلاً من NADH + H +.

FAD / FADH2

فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد في حالته المؤكسدة يسمى FAD. بعد أن يتم تقليله ، يطلق عليه اسم FADH2. انظر الشكل 5 للتوضيح الجزيئي. يستخدم فيتامين أو ريبوفلافين (أو ب 2) لاشتقاق هذا المركب. يوفر الريبوفلافين الهياكل الحلقية التي ستشارك بشكل مباشر في نقل ذرتين من الهيدروجين (لكل منهما إلكترون واحد هذه المرة). على غرار NAD ، تعمل FAD بالتعاون مع "نازعة الهيدروجين"الإنزيم. التفاعل يزيل ذرتين من الهيدروجين كل منهما بروتون مع إلكترون واحد. كلتا ذرتين الهيدروجين تترابطان مع FAD. هذا التفاعل لا يطلق H + في محلول كما يفعل اختزال NAD.

صورة تم إنشاؤها بواسطة JS في BYU Idaho F2013.

يقبل فلافين الأدينين ثنائي النوكليوتيد في الشكل المؤكسد (FAD) ذرتين من الهيدروجين (لكل منهما إلكترون واحد) ويصبح FADH2.

أثناء فحص تفاعلات التمثيل الغذائي ، ابحث عن تفاعل ينتج FADH2. على غرار NADH، FADH2 ستكون مهمة لأنها ستوصل الهيدروجين والإلكترونات إلى العمليات الكيميائية الحيوية التي يمكن أن تستخدم الإلكترونات والهيدروجين لصنع ATP.

** يمكنك استخدام الأزرار أدناه للانتقال إلى القراءة التالية أو السابقة في هذه الوحدة **


لماذا يتم تقليل FAD ، بدلاً من NAD + ، في تفاعل نازعة هيدروجين السكسينات لدورة حمض الكربوكسيل؟ - مادة الاحياء

Which statement best explains how electrons are transferred and the role of each species. Remember that R represents a hydrocarbon molecule and RH represents the same molecule with a particular hydrogen identified.

  1. RH acts as a reducing agent and donates its electrons to the oxidizing agent NAD+ , forming NADH and R .
  2. NAD+ , the oxidizing agent, donates its electrons to the reducing agent RH , forming R and NADH .
  3. RH acts as an oxidizing agent and donates electrons to the reducing agent NAD+ , producing NADH and R .
  4. NAD+ , the reducing agent, accepts electrons from the oxidizing agent RH , producing NADH and R .
  1. To be present in so many different organisms, glycolysis was probably present in a common ancestor rather than evolving many separate times.
  2. Glycolysis is present in nearly all organisms because it is an advanced and recently evolved pathway that has been widely used as it is so beneficial.
  3. Glycolysis is absent in a few higher organisms. This contradicts the fact that it is one of the oldest metabolic pathways.
  4. Glycolysis is present in some organisms and absent in others. The mentioned fact may or may not support this assertion.
  1. Cells require energy to perform certain basic functions. Blocking glycolysis in RBCs causes imbalance in the membrane potential, leading to cell death.
  2. Cells need energy to perform cell division. Blocking glycolysis in RBCs interrupts the process of mitosis leading to nondisjunction.
  3. Cells maintain the influx and efflux of organic substances using energy. Blocking glycolysis stops the binding of CO2 to the RBCs, causing cell death.
  4. Cells require energy to recognize attacking pathogens. Blocked glycolysis inhibits the process of recognition, causing invasion of the RBCs by a pathogen.
  1. The reactant and the product are the same in a circular pathway but different in a linear pathway.
  2. The circular pathway components get exhausted whereas those of the linear pathway do not and are continually regenerated.
  3. Circular pathways are not suited for amphibolic pathways whereas linear pathways are.
  4. Circular pathways contain a single chemical reaction that is repeated while linear pathways have multiple events.
  1. Removal of a carboxyl group from pyruvate releases carbon dioxide. The pyruvate dehydrogenase complex comes into play.
  2. Removal of an acetyl group from pyruvate releases carbon dioxide. The pyruvate decarboxylase complex comes into play.
  3. Removal of a carbonyl group from pyruvate releases carbon dioxide. The pyruvate dehydrogenase complex comes into play.
  4. Removal of an acetyl group from pyruvate releases carbon dioxide. The pyruvate dehydrogenase complex comes into play.
  1. Pyruvate dehydrogenase removes a carboxyl group from pyruvate producing carbon dioxide. Dihydrolipoyl transacetylase oxidizes a hydroxyethyl group to an acetyl group, producing NADH. Lastly, an enzyme-bound acetyl group is transferred to CoA, producing a molecule of acetyl-CoA.
  2. Pyruvate dehydrogenase oxidizes hydroxyethyl group to an acetyl group, producing NADH. It further removes a carboxyl group from pyruvate producing carbon dioxide. Lastly, dihydrolipoyl transacetylase transfers enzyme-bound acetyl group to CoA forming an acetyl-CoA molecule.
  3. Pyruvate dehydrogenase transfers enzyme-bound acetyl group to CoA forming an acetyl CoA molecule. It then oxidizes a hydroxyethyl group to an acetyl group, producing NADH. Dihydrolipoyl transacetylase removes a carboxyl group from pyruvate producing carbon dioxide.
  4. Pyruvate dehydrogenase removes carboxyl group from pyruvate producing carbon dioxide. Dihydrolipoyl dehydrogenase transfers enzyme-bound acetyl groups to CoA forming an acetyl-CoA molecule. Lastly, a hydroxyethyl group is oxidized to an acetyl group, producing NADH.
  1. CoQ and cytochrome c are mobile electron carriers while NADH dehydrogenase and succinate dehydrogenase are bound to the inner mitochondrial membrane.
  2. CoQ and cytochrome covalently bind electrons while NADH dehydrogenase and succinate dehydrogenase are bound to the inner mitochondrial membrane.
  3. CoQ and cytochrome c are bound to the inner mitochondrial membrane while NADH dehydrogenase and succinate dehydrogenase are mobile electron carriers.
  4. CoQ and cytochrome c covalently bind electrons while NADH dehydrogenase and succinate dehydrogenase are mobile electron carriers.
  1. Transport of NADH from cytosol to mitochondria is an active process that decreases the number of ATP produced.
  2. The ATPs produced are utilized in the anaplerotic reactions that are used for the replenishment of the intermediates.
  3. Most of the ATP’s produced are rapidly used for the phosphorylation of certain compounds found in plants.
  4. A large number of ATP molecules are used in the detoxification of xenobiotic compounds produced during cellular respiration.
  1. Complex IV consists of an oxygen molecule held between the cytochrome and copper ions. The electrons flowing finally reach the oxygen, producing water.
  2. Complex IV contains a molecule of flavin mononucleotide and iron-sulfur clusters. The electrons from NADH are transported here to coenzyme Q.
  3. Complex IV contains cytochrome b, c, and Fe-S. Here, the proton motive Q cycle takes place.
  4. Complex IV contains a membrane-bound enzyme that accepts electrons from FADH2 to make FAD. This electron is then transferred to ubiquinone.
  1. Fermentation uses only glycolysis and its final electron acceptor is an organic molecule, whereas anaerobic respiration uses glycolysis, TCA and the ETC but finally give electrons to an inorganic molecule.
  2. Fermentation uses glycolysis, TCA and ETC but finally gives electrons to an inorganic molecule, whereas anaerobic respiration uses only glycolysis and its final electron acceptor is an organic molecule.
  3. Fermentation uses glycolysis and its final electron acceptor is an inorganic molecule, whereas anaerobic respiration uses glycolysis, TCA and ETC but finally give electrons to an organic molecule.
  4. Fermentation uses glycolysis, TCA and ETC but finally gives electrons to an organic molecule, whereas anaerobic respiration uses only glycolysis and its final electron acceptor is an inorganic molecule.

What type of cellular respiration is represented in the following equation, and why?

  1. Anaerobic respiration, because the final electron acceptor is inorganic.
  2. Aerobic respiration, because oxygen is the final electron acceptor.
  3. Anaerobic respiration, because NADH donates its electrons to a methane molecule.
  4. Aerobic respiration, because water is being produced as a product.
  1. Metabolic pathways are economical due to feedback inhibition. Also, intermediates from one pathway can be utilized by other pathways.
  2. Metabolic pathways are wasteful as they perform uncoordinated catabolic and anabolic reactions that wastes some of the energy that is stored.
  3. Metabolic pathways are economical due to the presence of anaplerotic reactions that replenish the intermediates.
  4. Metabolic pathways are wasteful as most of the energy produced is utilized in maintaining the reduced environment of the cytosol.
  1. Cholesterol and triglycerides can be converted to glycerol-3-phosphate that continues through glycolysis.
  2. Glucagon and glycogen can be converted to 3-phosphoglyceraldehyde that is an intermediate of glycolysis.
  3. Chylomicrons and fatty acids get converted to 1,3-bisphosphoglycerate that continues in glycolysis, forming pyruvate.
  4. Sphingolipids and triglycerides form glucagon that can be fed into glycolysis.
  1. Citrate and ATP are negative regulators of phosphofructokinase-1.
  2. Citrate and ATP are negative regulators of hexokinase.
  3. Citrate and ATP are positive regulators of phosphofructokinase-1.
  4. Citrate and ATP are positive regulators of hexokinase.
  1. Negative feedback mechanisms maintain homeostasis whereas positive feedback drives the system away from equilibrium.
  2. Positive feedback mechanisms maintain a balanced amount of substances whereas negative feedback restricts them.
  3. Negative feedback turns the system off, making it deficient of certain substances. Positive feedback balances out these deficits.
  4. Positive feedback brings substance amounts back to equilibrium while negative feedback produces excess amounts of the substance.
  • أنت هنا: & # 160
  • الصفحة الرئيسية
  • Andover Biology Department Textbooks
  • Openstax Biology for AP Courses (textbook for Bio58x sequence)
  • بيو 581
  • Chapter 7 Cellular Respiration
  • 7.4 الفسفرة المؤكسدة

يستند هذا النص إلى Openstax Biology لدورات AP ، المؤلفين المساهمين الكبار Julianne Zedalis ، مدرسة Bishop في La Jolla ، كاليفورنيا ، John Eggebrecht ، المؤلفون المساهمون بجامعة كورنيل Yael Avissar ، كلية رود آيلاند ، Jung Choi ، معهد جورجيا للتكنولوجيا ، Jean DeSaix ، University of North Carolina at Chapel Hill، Vladimir Jurukovski، Suffolk County Community College، Connie Rye، East Mississippi Community College، Robert Wise، University of Wisconsin، Oshkosh

هذا العمل مُرخص بموجب ترخيص Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 Unported License بدون قيود إضافية


CBSE Class 11 Biology Chapter 14 Respiration in Plants Study Materials

All living organisms require a continuous supply of energy for their survival. Energy is used to carry out various functions such as uptake of materials, absorption, growth, development, movement and even breathing. About 50% of the energy produced by the cell is utilized by these cellular activities and rest of it is changed into heat and get lost. Now, the question arises from where does this energy comes to carry out all these processes of life.

Topic 1 Respiration : The Basics

We eat food in order to obtain energy. The food we eat in the form of macro molecules is oxidized to fulfill energy requirement of body for caring out all the basic life processes.
As we have already studied in last chapter, that only green plants and cyanobacteria can prepare their own food by the process called photosynthesis. They use trapped energy in order to obtain their food by converting light energy into chemical energy, which thereby gets stored into the bonds of carbohydrates such as glucose, sucrose, starch, etc.
But all cells, tissues and organs in plants do not photosynthesise instead, photosynthesis takes place in only some parts of plants, i.e., only cells that contain chloroplasts (mosdy areas located in superficial layers).
Hence, all other organs, tissues and cells in green plant that are non-green are need food for oxidation. Hence, food has to be translocated from the green parts to the non-green parts for oxidation processes.
Need of Photosynthesis
Animals on the other hand are heterotrophic in nature, i.e., they either obtain their food directly from the plants (herbivores) or indirectly, dependent on herbivores for their food (carnivores).
Saprophytes are dependent on dead and decaying matter for their food (e.g., Fungi). Thus, it can be concluded that all the food that is respired for life processes ultimately comes from photosynthesis.
Cellular Respiration
Cellular respiration or the mechanism of breakdown of food materials within-the cell to release energy and trapping the same energy for synthesis of ATP.
Respiration is the process of breaking of the C-C bonds of complex compounds through oxidation within the cells, leading to release of considerable amount of energy.
It is to be noted that site of breaking down of complex molecules to yield energy is cytoplasm and mitochondria (also only in eukaryotes) which is different from the site of photosynthesis, which is chloroplast in plants.
Respiratory Substrates
The compounds that are oxidised during the process of respiration are called respiratory substrates. Carbohydrates are used as major respiratory substrates are oxidised in high amounts, to release energy, but under some conditions in some plants, proteins, fats and organic acids are also used as respiratory substrates.
Differences between Respiration and Combustion

ATP : Energy Currency of the Cell
During the process of oxidation of food within a cell, all the energy contained in the respiratory substrates is not released free into the cell, or in a single step. Instead it gets released in a series of step-wise reactions controlled by enzymes and is trapped as chemical energy in the form of ATP.
Hence, the energy released in respiration by the process of oxidation is not used directly but is used in synthesising ATP (which is utilised whenever energy needs to be utilised).
Thus, it is said that ATP acts as the energy currency of the cell. The energy trapped in ATP is utilised in many energy requiring processes of the organisms, and the carbon skeleton produced during respiration is used as precursors for the biosynthesis of other molecules in a cell.
Do Plants Breathe : Exchange of Gases in Plants
For the process of respiration, plant takes O2 and releases CO2. Plants have stomata and lenticles for gaseous exchange instead of specialised organs that are present in animals for exchange of gases.
Following are the reasons which shows, how plants can get along without respiratory organs
(i) Every part of the plant has the ability to take care of its own needs of gas exchange and also very little transport of gases occur from one part of the plant to another.
(ii) It is only during the process of photosynthesis that large volumes of gases are exchanged and each leaf of the plant has ability to take care of its own needs during these periods.
Thus, when cells photosynthesis, availability of O2 is not a problem in these cells due to a continuous release of O2 that takes place within the cell.
(iii) Gases may easily diffuse in large, bulky plants as distance for diffusion is not so great because living cells in a plant are located quite close to the surface of the plant.
In case of stems, which are thick and woody in nature, the organisation of living cells is in the form of thin layers, which are found inside and beneath the bark. Like leaves which have stomata for gaseous exchange, these stems also have openings called lenticels. Internal cells are dead and provide only mechanical support to the plant.
This depicts that most cells of plant have atleast a part of their surface in contact with the air. The loose packing of parenchyma cells in leaves, stems and roots and provides an interconnected network of air spaces helps in facilitating this process.
Types of Respiration
We know that during the process of respiration, utilisation of O2 takes place with the release of CO2, water and energy as products.
According to the dependence of cells on oxygen, cellular respiration may be classified into two types as given below
1 Aerobic Respiration
This is the type of respiration in which organism utilise oxygen for the complete oxidation of organic food into CO2 و الماء. It occurs inside the mitochondria.
Aerobic respiration yields more energy as the respiratory substrate gets completely oxidised in the presence of O2.
2. Anaerobic Respiration
This is the type of respiration in which organic food is oxidised incompletely without utilising energy as oxidant. It occurs in cytoplasm and often releases small amount of energy.
It is believed that the first cells on this planet lived in an oxygen free environment, i.e., they were anaerobes. Even among present day living organisms, several are adapted to anaerobic conditions.
Some of them are facultative anaerobes (organisms that have capability of switching from aerobic to anaerobic conditions according to the availability of oxygen) while others are obligate anaerobes (organisms that are killed by normal atmospheric concentration of oxygen of 21%).
Thus, in any case, all living organisms retain the enzymatic machinery for partial oxidation of glucose in the absence of oxygen. And this breakdown of glucose to pyruvic acid is called glycolysis.

Topic 2 Respiration: The Mechanism

Cellular respiration occurs inside the cell and proceeds with the help of enzymes. The first step in respiration (taking glucose as substrate) is the glycolysis (glucose oxidised to pyruvic acid). After which the pyruvic acid may enter the Krebs’ cycle (aerobic respiration) or undergo fermentation (anaerobic respiration).
تحلل السكر
Glycolysis (Gr. Glycor-sugar lysis-splitting), is a step-wise process by which one molecule of glucose (6C) breaks down into two molecules of pyruvic acid (3C).
The scheme of glycolysis was given by Gustav Embden, Otto Meyerhof and J Parnas and is often referred as the EMP pathway. It is a common pathway in both aerobic and anaerobic modes of respiration. But in case of anaerobic organisms, it is the only process of respiration.
Glycolysis occurs in the cytoplasm of the cell. During the process glucose gets partially oxidised. In plants this glucose is derived from sucrose (end product of photosynthesis) or from storage carbohydrates.
During the course of process in plant this sucrose is first converted into glucose and fructose by the action of invertase enzyme after this, these two monosaccharides enter the glycolytic pathway.
Steps Involved in Glycolysis
In glycolysis, a chain of 10 reactions often reactions occur under the control of different enzymes.
It involves the following steps
Step I Phosphorylation of glucose occur under the action of an enzyme hexokinase and Mg2+ that gives rise to glucose-6-phosphate by the utilisation of ATP.
Step II Isomerisation of this phosphorylated glucose-6-phsophate takes place to form fructose-6-phosphate with the help of an enzyme phosphohexose isomerase (Reversible Reaction).
Step III This fructose-6-phosphate is again phosphorylated by ATP in order to form fructose 1, 6-bisphosphate in the presence of an enzyme phosphofructokinase and Mg 2+ .
The steps of phosphorylation of glucose to fructose 1, 6-bisphosphate (i.e., from step 1 to 3) activates the sugar thus, preventing it from getting out of the cell.
Step IV Splitting of fructose 1, 6-bisphosphate takes place into two triose phosphate molecules, i.e., dihydroxyacetone 3-phosphate and 3-phosphoglyceraldehyde (i.e., PGAL). This reaction is catalysed by an enzyme aldolase.
Step V Each molecule of PGAL removes two redox equivalents in the form of hydrogen atom and transfer them to a molecule of NAD + (This NAD+ forms NADH + H + ) and accepts inorganic phosphate (Pi) from phosphoric acid. This reaction in turn leads to the conversion to PGAL (which gets oxidised) to 1, 3-bisphosphoglycerate (BPGA) (Reversible reaction).


Step VI 1, 3-bisphosphoglycerate is converted to 3-phosphoglycerate with the formation of ATP.
This reaction is catalysed by an enzyme phosphoglycerate kinase.
It is also known as energy yielding process. The formatibn of ATP directly from metabolites constitutes substrate level phosphorylation (Reversible reaction).
Step VII In the next step, 3-phosphoglycerate is subsequently isomerised to form 2-phosphoglycerate, catalysed by enzyme phosphoglyceromutase (Reversible reaction).
Step VIII In the presence of enzyme enolase and Mg 2+ , with the loss of a water molecule, 2-phosphoglycerate is converted to Phosphoenol Pyruvate (PEP) (Reversible reaction).
Step IX High energy phosphate group of Phosphoenol Pyruvate (PEP) is transferred to a molecule of ADP, by the action of enzyme pyruvate kinase in the presence of Mg2+ and K+ This in turn produces two molecules of pyruvic acid (pyruvate) and a molecule of ATP by substrate level phosphorylation. The pyruvic acid thus, produced is the key product of glycolysis.
Metabolic Fate of Glycolysis
The overall reaction of glycolysis can be depicted as
* Glucose + 2Pi + 2ADP + 2NAD + —> 2 Pyruvate + 2ATP + 2NADH + 2H +
* Two molecules of NADH on oxidation produce 6 molecules of ATP. Therefore, a net gain of 8ATP molecules occurs during glycolysis.
* The fete of glycolysis depends upon the availability of oxygen in the cell. In the presence of oxygen, pyruvic acid will enter the mitochondrion and undergo complete oxidation of glucose to CO 2 andH20 in aerobic respiration (Krebs’ cycle).
* On the other hand in the absence of oxygen, the pyruvic acid will undergo anaerobic respiration (lactic acid fermentation or alcoholic fermentation).
ملحوظة:
* Kostytcher (1902) coined the term anaerobic respiration.
* Glycolysis has two phases, i.e., preparatory (glucose is broken down to glyceraldehyde-3-phosphate) and pay off phase (the GAL-3-PD4 is changed into pyruvate producing NADH and ATP).
التخمير
Various microorganisms, bacteria, animals and plants are known to catabolise pyruvic acid into various organic compounds depending upon the specific enzymes they possess.
Some of these types are as follows
(i) During alcoholic fermentation, in fungi (e.g., yeast), and some higher plants, the incomplete oxidation of glucose is achieved under anaerobic condition by a series of reactions in which pyruvic acid is converted to CO2 and ethanol.
It is done under two steps
(а) Pyruvic acid is first decarboxylated to acetaldehyde in the presence of enzyme pyruvic acid decarboxylase.

(b) This acetaldehyde is further reduced to ethyl alcohol or ethanol in the presence of enzyme, i.e., alcohol dehydrogenase.

(ii) During lactic acid fermentation, organisms like some bacteria produces lactic acid as an end product from pyruvic acid.
During the reduction, the pyruvic acid produced in glycolysis is reduced by NADH2 to form lactic acid, CO2 is not produced and NADH2 is oxidised to NAD + .
This reaction is catalysed by an lactic acid dehydrogenase, FMN proteins and Zn2 + ions.

Likewise, in case of animal cells also (such as muscles) during exercise, when there is inadequate amount of oxygen for cellular respiration, pyruvic acid is reduced to lactic acid by lactate dehydrogenase.
Thus, in both the processes reoxidation of reducing (NADH + H + ) agent takes place.
Energy Yield in Fermentation
In both alcoholic and lactic acid fermentation, the energy released is very less, i.e., not more than 7% of the energy is released from glucose and not all of it is trapped as high energy bonds of ATP.
Also, the fermentation processes are proved to be hazardous in nature because either acid or alcohol is produced on oxidation. Apart from this, yeasts may also poison themselves to death if the concentration of alcohol reaches about 13%.
Drawback of this process is that organisms cannot carryout complete oxidation of glucose and are also unable to extract out the energy stored to synthesise a larger number of ATP molecules required for cellular metabolism.
Differences between Glycolysis and Fermentation

التنفس الهوائي
Aerobic respiration is the next step (after glycolysis) that leads to complete oxidation of organic substances. It occurs in the presence of oxygen. The oxygen acts as a final acceptor of electron and protons are removed from the substrate. For aerobic respiration to take place within the mitochondria, the final product of glycolysis, i.e., pyruvic acid is transported into from the cytoplasm mitochondria and thus, the second phase of respiration is initiated.
The process of aerobic respiration involves two crucial events
(i) The complete oxidation of pyruvate occurs by the step-wise removal of all the hydrogen atoms, thereby, leaving three molecules of CO2. This occurs in the matrix of mitochondria.
(ii) The electrons removed as part of the hydrogen atoms are then passed on to molecular 02 with the simultaneous synthesis of ATP. This on the contrary takes place on the inner membrane of the mitochondria.
Oxidative Decarboxylation of Pyruvic Acid
In mitochondria, pyruvic acid (formed by the glycolytic catabolism of carbohydrates in cytosol) undergoes oxidative decarboxylation (i.e., removal of CO2 in aerobic conditions) forming a key compound, i.e., acetyl Co-A by the action of pyruvic acid dehydrogenase (in mitochondrial matrix) through a series of reactions.

Thus, acetyl Co-A acts as a connecting link between glycolysis and citric acid cycle.
During this process, two molecules of NADH are produced from the metabolism of two molecules of pyruvic acid (produced from one glucose molecule during glycolysis).
Tricarboxylic Acid (TCA) Cycle
The acetyl Co-A then enters a cyclic pathway, Krebs’ cycle (or tricarboxylic acid cycle, TCA) in mitochondrial matrix. Various coenzymes including NAD + and Co-A also participates in the reaction catalysed by pyruvic acid dehydrogenase.
It was first elucidated by Sir Hans Kreb, a British Biochemist in 1940.
The whole cycle explains how pyruvate is broken down to CO2 و الماء.
Following are the steps of Krebs ’ cycle
(i) Condensation The Krebs’ cycle starts with the condensation of acetyl group with oxaloacetic acid and water to yield citric acid, a 6C compound. This is the first stable product of the cycle.
This step is catalysed by an enzyme citrate synthetase. Co-A is liberated during this reaction.
(ii) Citric acid then undergoes reorganisation in two steps in order to form in the presence of an enzyme acinotase. intermediate
(iii) Oxidative decarboxylation Isocitrate is followed by two successive steps of oxidative decarboxylation, that leads to the formation of a-ketoglutaric acid, (a 5C compound in the presence of an enzyme isocitrate dehydrogenase and Mn1 ) and then succinyl Co-A, catalysed by a-complex. .
The succinyl Co-A then splits into a 4C compound succinic acid and Co-A with the addition of water. During this conversion, a molecule of GTP (guanosine triphosphate) is synthesised catalysed by an enzyme succinyl Co-A synthetase (this occurs when co-enzyme A transfers its high energy to a phosphate group that joins GDP forming GTP).
(i) GTP is also an energy carrier like ATP. Thus, this is the only high energy phosphate produced in the Krebs’ cycle.
(ii) In plants cells, this reaction also produces ATP from ADP.
In the remaining steps of Krebs’ cycle, succinyl Co-A is oxidised to oxaloacetic acid, a 4C compound following the formation of fumaric acid and malic acid catalysed by enzymes succinate dehydrogenase and fumacase respectively.

Output of Krebs’ Cycle or Citric Acid Cycle
During this cycle of reactions, 3 molecules of NAD + are reduced to NADH + H + , and one molecule of FAD + is reduced to FADH2. And also one molecule of ATP is reduced directly from GTP (by substrate level phosphorylation).
For continuous oxidation of acetyl Co-A, continued replenishment of oxaloacetic acid is necessary. In addition to this regeneration of NAD + and FAD + from NADH and FADH2 respectively are also required.
The summary equation for this phase of respiration is as follows

Till now, glucose has been broken down to release CO2 and 8 molecules of NADH+H + , two FADH2 are synthesised and just two molecules of ATP.
Importance of Citric Acid Cycle
The citric acid cycle is important in thefollowing ways
(i) This is the major pathway for the formation for ATP molecules.
(ii) Many intermediate compounds of this cycle are used in the synthesis of other biomolecules.
Differences between glycolysis and Krebs’cycle


Substrate Oxidation: Krebs Reactions

Most texts and lecture courses start with glycolysis, then proceed to describe Krebs' cycle as the "next step" in metabolism of sugars. Unfortunately, such a presentation may leave students with the impression that metabolites follow a linear progression through glycolysis to acetyl-coenzyme A to citric acid, through the Krebs intermediates to oxaloacetate, which is then coupled to the two carbons of another acteyl-coenzyme A to regenerate citric acid. Even in biochemistry texts, chapters on Krebs' cycle may start with a picture showing only pyruvate as the starting point.

This figure is what sticks in the minds of most introductory level students, and it isn't complete at all. First, it isn't just glycolysis that leads to the generation of acetyl coenzyme A. Carbohydrates, fats, and proteins are all nutrients, and in fact fatty acid metabolism results in the generation of acetyl coenzyme A as well.

Second, the 'starting point' for Krebs' cycle need not be acetyl-coenzyme A at all. In fact, it really isn't appropriate to refer to a cycle as having a starting point (e.g., where does a circle start?). Amino acids and odd-chain fatty acids can be metabolized into Krebs intermediates, and enter at several points.

Finally, intermediates can be 'siphoned off' for use in biosynthetic pathways. They must be replaced in order to maintain energy balance, however the fate of a Krebs intermediate is not necessarily to cycle through the enzymes until it is completely oxidized to carbon dioxide and water.

Since cycle intermediates can be incorporated into both anabolic and catabolic pathways, the cycle is really amphibolic, not just catabolic.

Glutamate to alpha-ketoglutarate

The enzyme complex known as glutamate dehydrogenase binds the glutamate molecule, a molecule of oxidized nicotine adenine dinucleotide (NAD), and a water molecule. Off comes the amino group, and glutamate is partially oxidized to alpha-ketoglutarate, which you should recognize as a Krebs intermediate. In vivo, the alpha-ketoglutarate would be further oxidized to succinyl-coenzyme A by alpha-ketoglutarate dehydrogenase, then the succinyl-coenzyme A would be oxidized to succinate, etc. However, remember the amphibolic nature of Krebs cycle - substrates may be utilized for biosynthesis rather than undergoing further oxidations. In addition, limitations on Krebs cycle in isolated mitochondria must be considered.

The oxidation of organic compounds releases free energy. This energy would be wasted as heat, except the enzyme also catalyzes the reduction of the NAD. The enzyme is designed so that the reaction cannot take place unless all of the reactants are present. Free energy from the partial oxidation of glutamate is used to reduce the NAD. The result is a molecule of NADH, which retains in its structure some of the free energy lost by the glutamate.

Glutamate dehydrogenase catalyzes a reaction in which the energy from an exothermic reaction is used to power an endothermic reaction. Therefore it performs what we call a coupled reaction. The second law of thermodynamics, paraphrased, states that some of the useful energy in any system is converted to useless energy during any process. That is, any spontaneous process causes the entropy of the universe to increase. In coupled reactions, only some of the free energy is conserved in the form of a reduced product. The remainder is released as heat.

NADH is an energy carrier. After release from glutamate dehydrogenase it can be used to power other reactions. It can also bind a specific enzyme on the mitochondria inner membrane, transferring some of its free energy to the electron transport system. In mitochondria, this is the principle role of NADH.

Succinate to fumarate

An important substrate in our studies of mitochondria function is succinic acid (succinate). When succinate is brought into or generated in the mitochondria matrix in sufficient quantity, succinate molecules bind the enzyme complex called succinate dehydrogenase. The succinate dehydrogenase complex is also known as complex II of the electron transport system, thus the oxidation of succinate to fumarate is the only Krebs reaction that takes place on the inner membrane itself, as opposed to the other reactions that are catalyzed by soluble enzymes. The energy carrier flavin adenine dinucleotide (FAD) is also a part of the succinate dehydrogenase complex.

Because the enzyme and FAD are both part of the same complex, the only step needed to initiate succinate oxidation is the binding of succinate to the enzyme. Even in severely compomised mitochondria succinate supported respiration can usually be accomplished, as long as fragments of the inner membrane remain.