Информация

Защо NAD+ се намалява, ако получи водороден протон?

Защо NAD+ се намалява, ако получи водороден протон?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Чувал съм, че $ce{NAD^+}$ получава водороден протон по време на гликолизата и цикъла на Кребс и се намалява до $ce{NADH}$. Не е ли обаче редукцията, когато една молекула получи електрон?

Може би съм бил дезинформиран? $ce{NADH}$ получава ли водороден електрон, а не протон?


Прав си, че редуцирането е просто печалба от електрони. Това води до намаляване на степента на окисление.

Знаете, че NAD+ се намалява от този процес, защото започва с положителен заряд (+1) и завършва с неутрален заряд (0).

Редуциращият агент, който дарява електроните, е водородът. По-правилно, електроните идват от хидрида (H-).

Хидридът е представен от 2 електрона на тази редокс диаграма:

Както можете да видите, реакцията на редукция прехвърля протон (H+) и хидридни електрони (H- или 2д-) към NAD+. Единият електрон отива към азота, а другият към въглерода, където се свързва протонът. Повече подробности за редокс реакцията на NAD можете да намерите тук.


Защо натрупването на водород се нарича редукция, когато натрупването на електрони се нарича редукция? Те не са ли противоположности

Дали защото водородът има електрон, така че получаването на водород технически означава получаване на електрони? Но това не изглежда правилно, тъй като кислородите също имат електрони и получаването на кислород е окисляване.

Това, което ме обърква е, когато обикновено говорим за водород, това е водороден йон. А водородните йони и електроните са противоположни. Осъзнавам, че тази ситуация не е водороден йон, а пълен водород, но все още ми върви главата.


Съдържание

Никотинамид аденин динуклеотид се състои от два нуклеозида, свързани с пирофосфат. Всеки от нуклеозидите съдържа рибозен пръстен, единият с аденин, прикрепен към първия въглероден атом (1' позиция) (аденозин дифосфат рибоза), а другият с никотинамид в тази позиция. [12]

Съединението приема или дарява еквивалента на H − . [3] Такива реакции (обобщени във формулата по-долу) включват отстраняване на два водородни атома от реагента (R), под формата на хидриден йон (H − ) и протон (H + ). Протонът се освобождава в разтвор, докато редуктанта RH2 се окислява и NAD + се редуцира до NADH чрез прехвърляне на хидрида към никотинамидния пръстен.

От хидридната електронна двойка един електрон се прехвърля към положително заредения азот на никотинамидния пръстен на NAD +, а вторият водороден атом се прехвърля към въглеродния атом C4 срещу този азот. Потенциалът на средната точка на NAD + /NADH редокс двойката е -0,32 волта, което прави NADH силен намаляване агент. [4] Реакцията е лесно обратима, когато NADH редуцира друга молекула и се окислява повторно до NAD+. Това означава, че коензимът може непрекъснато да цикли между формите NAD + и NADH, без да се консумира. [2]

На външен вид всички форми на този коензим са бели аморфни прахове, които са хигроскопични и силно разтворими във вода. [5] Твърдите вещества са стабилни, ако се съхраняват на сухо и на тъмно. Разтворите на NAD + са безцветни и стабилни за около седмица при 4 °C и неутрално pH, но се разлагат бързо в киселини или основи. При разлагане те образуват продукти, които са ензимни инхибитори. [6]

И NAD +, и NADH силно абсорбират ултравиолетовата светлина поради аденина. Например, пиковата абсорбция на NAD + е при дължина на вълната от 259 нанометра (nm), с коефициент на екстинкция от 16 900 M -1 cm -1 . NADH също абсорбира при по-високи дължини на вълната, с втори пик на UV абсорбция при 339 nm с коефициент на екстинкция от 6,220 M -1 cm -1 . [7] Тази разлика в спектрите на ултравиолетовата абсорбция между окислените и редуцираните форми на коензимите при по-високи дължини на вълната улеснява измерването на преобразуването на един в друг в ензимни анализи – чрез измерване на количеството UV абсорбция при 340 nm с помощта на спектрофотометър . [7]

NAD + и NADH също се различават по своята флуоресценция. Свободно дифундиращ NADH във воден разтвор, когато се възбужда от никотинамидната абсорбция на

335 nm (близо до UV), флуоресцира при 445-460 nm (виолетово до синьо) с живот на флуоресценция от 0,4 наносекунди, докато NAD + не флуоресцира. [8] [9] Свойствата на флуоресцентния сигнал се променят, когато NADH се свързва с протеини, така че тези промени могат да се използват за измерване на константи на дисоциация, които са полезни при изследването на ензимната кинетика. [9] [10] Тези промени във флуоресценцията се използват също за измерване на промените в редокс състоянието на живите клетки чрез флуоресцентна микроскопия. [11]

В черния дроб на плъх общото количество NAD + и NADH е приблизително 1 μmole на грам мокро тегло, около 10 пъти концентрацията на NADP + и NADPH в същите клетки. [12] Действителната концентрация на NAD + в клетъчния цитозол е по-трудна за измерване, като последните оценки в животински клетки варират около 0,3 mM, [13] [14] и приблизително 1,0 до 2,0 mM в дрождите. [15] Въпреки това, повече от 80% от NADH флуоресценцията в митохондриите е от свързана форма, така че концентрацията в разтвора е много по-ниска. [16]

Концентрациите на NAD + са най-високи в митохондриите, съставляващи 40% до 70% от общия клетъчен NAD +. [17] NAD + в цитозола се пренася в митохондриите от специфичен мембранен транспортен протеин, тъй като коензимът не може да дифундира през мембраните. [18] Твърди се, че вътреклетъчният полуживот на NAD + е между 1-2 часа от един преглед, [19] докато друг преглед дава различни оценки въз основа на компартмент: вътреклетъчен 1-4 часа, цитоплазмен 2 часа и митохондриален 4 -6 часа. [20]

Балансът между окислените и редуцираните форми на никотинамид аденин динуклеотид се нарича съотношение NAD +/NADH. Това съотношение е важен компонент на това, което се нарича редокс състояние на клетка, измерване, което отразява както метаболитните дейности, така и здравето на клетките. [21] Ефектите на съотношението NAD +/NADH са комплексни, контролиращи активността на няколко ключови ензима, включително глицералдехид 3-фосфат дехидрогеназа и пируват дехидрогеназа. При здрави тъкани на бозайници оценките на съотношението между свободен NAD + и NADH в цитоплазмата обикновено са около 700:1, като по този начин съотношението е благоприятно за окислителни реакции. [22] [23] Съотношението на общия NAD + /NADH е много по-ниско, като оценките варират от 3-10 при бозайници. [24] Обратно, съотношението NADP +/NADPH обикновено е около 0,005, така че NADPH е доминиращата форма на този коензим. [25] Тези различни съотношения са ключови за различните метаболитни роли на NADH и NADPH.

NAD + се синтезира чрез два метаболитни пътя. Произвежда се или в а de novo път от аминокиселини или в спасителни пътища чрез рециклиране на предварително образувани компоненти като никотинамид обратно към NAD+. Въпреки че повечето тъкани синтезират NAD + по пътя на спасяването при бозайници, много повече de novo синтезът се осъществява в черния дроб от триптофан, а в бъбреците и макрофагите от никотинова киселина. [26]

De novo производство Редактиране

Повечето организми синтезират NAD + от прости компоненти. [3] Специфичният набор от реакции се различава при различните организми, но обща черта е генерирането на хинолинова киселина (QA) от аминокиселина - или триптофан (Trp) при животни и някои бактерии, или аспарагинова киселина (Asp) в някои бактерии и растения. [27] [28] Хинолиновата киселина се превръща в мононуклеотид на никотинова киселина (NaMN) чрез прехвърляне на фосфорибозна част. След това една аденилатна част се прехвърля за образуване на аденин динуклеотид на никотинова киселина (NaAD). Накрая, никотиновата киселина в NaAD се амидира до никотинамидна (Nam) част, образувайки никотинамид аденин динуклеотид. [3]

В следваща стъпка част от NAD + се превръща в NADP + от NAD + киназа, която фосфорилира NAD +. [29] В повечето организми този ензим използва АТФ като източник на фосфатната група, въпреки че няколко бактерии като напр. Mycobacterium tuberculosis и хипертермофилен археон Pyrococcus horikoshii, използвайте неорганичен полифосфат като алтернативен донор на фосфорил. [30] [31]

Пътища за спасяване Редактиране

Въпреки наличието на de novo пътя, спасителните реакции са от съществено значение при хората, липсата на ниацин в диетата причинява заболяването с дефицит на витамини пелагра. [32] Това високо изискване за NAD + е резултат от постоянната консумация на коензима в реакции като посттранслационни модификации, тъй като цикълът на NAD + между окислени и редуцирани форми в редокс реакции не променя общите нива на коензима. [3] Основният източник на NAD+ при бозайниците е спасителният път, който рециклира никотинамида, произведен от ензими, използващи NAD+. [33] Първата стъпка и ензимът, ограничаващ скоростта в спасителния път, е никотинамид фосфорибозилтрансфераза (NAMPT), която произвежда никотинамид мононуклеотид (NMN). [33] NMN е непосредствен предшественик на NAD+ в спасителния път. [34]

Освен сглобяването на NAD + de novo от прости аминокиселинни прекурсори, клетките също спасяват предварително образувани съединения, съдържащи пиридинова основа. Трите витаминни прекурсора, използвани в тези спасителни метаболитни пътища, са никотинова киселина (NA), никотинамид (Nam) и никотинамид рибозид (NR). [3] Тези съединения могат да се приемат от диетата и се наричат ​​витамин В3 или ниацин. Тези съединения обаче също се произвеждат в клетките и чрез смилане на клетъчния NAD+. Някои от ензимите, участващи в тези спасителни пътища, изглежда са концентрирани в клетъчното ядро, което може да компенсира високото ниво на реакции, които консумират NAD + в тази органела. [35] Има някои съобщения, че клетките на бозайниците могат да поемат извънклетъчния NAD + от заобикалящата ги среда, [36] и както никотинамид, така и никотинамид рибозид могат да се абсорбират от червата. [37]

Пътищата за спасяване, използвани в микроорганизмите, се различават от тези на бозайниците. [38] Някои патогени, като дрожди Candida glabrata и бактерията Haemophilus influenzae са NAD + ауксотрофи – те не могат да синтезират NAD + – но притежават спасителни пътища и по този начин зависят от външни източници на NAD + или неговите предшественици. [39] [40] Още по-изненадващо е вътреклетъчният патоген Chlamydia trachomatis, на който липсват разпознаваеми кандидати за гени, участващи в биосинтезата или спасяването както на NAD +, така и на NADP +, и трябва да придобие тези коензими от своя гостоприемник. [41]

Никотинамид аденин динуклеотид има няколко основни роли в метаболизма. Той действа като коензим в редокс реакции, като донор на ADP-рибозни части в реакциите на ADP-рибозилиране, като прекурсор на втората молекула-пратеник циклична ADP-рибоза, както и действа като субстрат за бактериални ДНК лигази и група на ензими, наречени сиртуини, които използват NAD + за отстраняване на ацетилните групи от протеините. В допълнение към тези метаболитни функции, NAD + се появява като аденинов нуклеотид, който може да бъде освободен от клетките спонтанно и чрез регулирани механизми, [43] [44] и следователно може да има важни извънклетъчни роли. [44]

Оксидоредуктазно свързване на NAD Edit

Основната роля на NAD + в метаболизма е прехвърлянето на електрони от една молекула към друга. Реакциите от този тип се катализират от голяма група ензими, наречени оксидоредуктази. Правилните имена за тези ензими съдържат имената и на двата техни субстрата: например NADH-убихинон оксидоредуктазата катализира окисляването на NADH от коензим Q. [45] Тези ензими обаче се наричат ​​още дехидрогенази или редуктази, като обикновено се нарича NADH-убихинон оксидоредуктаза NADH дехидрогеназа или понякога коензим Q редуктаза. [46]

Има много различни суперсемейства ензими, които свързват NAD + / NADH. Едно от най-често срещаните суперфамилии включва структурен мотив, известен като гънката на Росман. [47] [48] Мотивът е кръстен на Майкъл Росман, който е първият учен, забелязал колко разпространена е тази структура в нуклеотид-свързващите протеини. [49]

Пример за NAD-свързващ бактериален ензим, участващ в метаболизма на аминокиселините, който няма Rossmann fold е открит в Pseudomonas syringae pv домат ( PDB: 2CWH ​ InterPro: IPR003767). [50]

Когато се свързва в активния център на оксидоредуктаза, никотинамидният пръстен на коензима е разположен така, че да може да приеме хидрид от другия субстрат. В зависимост от ензима, хидридният донор е разположен или "над", или "под" равнината на равнинния C4 въглерод, както е дефинирано на фигурата. Клас А оксидоредуктазите пренасят атома отгоре, ензими от клас В го пренасят отдолу. Тъй като въглеродът С4, който приема водорода, е прохирален, това може да се използва в ензимната кинетика, за да даде информация за механизма на ензима. Това се прави чрез смесване на ензим със субстрат, който има деутериеви атоми, заместени с водородите, така че ензимът ще намали NAD + чрез прехвърляне на деутерий, а не водород. В този случай един ензим може да произведе един от двата стереоизомера на NADH. [51]

Въпреки сходството в начина, по който протеините свързват двата коензима, ензимите почти винаги показват високо ниво на специфичност за NAD + или NADP +. [52] Тази специфичност отразява отделните метаболитни роли на съответните коензими и е резултат от различни набори от аминокиселинни остатъци в двата типа коензим-свързващи джобове. Например, в активното място на NADP-зависимите ензими се образува йонна връзка между основната странична верига на аминокиселина и киселинната фосфатна група на NADP+. Обратно, при NAD-зависимите ензими зарядът в този джоб е обърнат, предотвратявайки свързването на NADP +. Има обаче няколко изключения от това общо правило и ензими като алдозоредуктаза, глюкозо-6-фосфат дехидрогеназа и метилентетрахидрофолат редуктаза могат да използват и двата коензима при някои видове. [53]

Роля в редокс метаболизма Редактиране

Редокс реакциите, катализирани от оксидоредуктази, са жизненоважни във всички части на метаболизма, но една особено важна функция на тези реакции е да позволят на хранителните вещества да отключат енергията, съхранявана в относително слабата двойна връзка на кислорода. [54] Тук редуцирани съединения като глюкоза и мастни киселини се окисляват, като по този начин се освобождава химическата енергия на O2. При този процес NAD + се редуцира до NADH, като част от бета окислението, гликолизата и цикъла на лимонената киселина. При еукариотите електроните, пренасяни от NADH, който се произвежда в цитоплазмата, се прехвърлят в митохондриите (за намаляване на митохондриалния NAD +) чрез митохондриални совалки, като совалката малат-аспартат. [55] След това митохондриалната NADH се окислява на свой ред от веригата за транспорт на електрони, която изпомпва протони през мембраната и генерира АТФ чрез окислително фосфорилиране. [56] Тези совалкови системи също имат същата транспортна функция в хлоропластите. [57]

Тъй като и окислената, и редуцираната форма на никотинамид аденин динуклеотид се използват в тези свързани набори от реакции, клетката поддържа значителни концентрации както на NAD +, така и на NADH, като високото съотношение NAD + /NADH позволява на този коензим да действа едновременно като окислител и редуциращ агент. [58] Обратно, основната функция на NADPH е като редуциращ агент в анаболизма, като този коензим участва в пътища като синтез на мастни киселини и фотосинтеза. Тъй като NADPH е необходим за задвижване на редокс реакции като силен редуктор, съотношението NADP +/NADPH се поддържа много ниско. [58]

Въпреки че е важен за катаболизма, NADH се използва и в анаболни реакции, като глюконеогенеза. [59] Тази нужда от NADH в анаболизма създава проблем за прокариотите, които растат на хранителни вещества, които освобождават само малко количество енергия. Например, нитрифициращи бактерии като Нитробактер окисляват нитритите до нитрати, които освобождават достатъчно енергия за изпомпване на протони и генериране на АТФ, но недостатъчно за директно производство на NADH. [60] Тъй като NADH все още е необходим за анаболни реакции, тези бактерии използват нитрит оксидоредуктаза, за да произведат достатъчно протонна движеща сила, за да управлява част от веригата за транспорт на електрони в обратен ред, генерирайки NADH. [61]

Нередокс роли Редактиране

Коензимът NAD + също се консумира в реакциите на пренос на ADP-рибоза. Например, ензими, наречени ADP-рибозилтрансферази, добавят ADP-рибозната част на тази молекула към протеините в посттранслационна модификация, наречена ADP-рибозилиране. [62] ADP-рибозилирането включва или добавяне на единична ADP-рибозна част, в моно-ADP-рибозилиране, или прехвърлянето на ADP-рибоза към протеини в дълги разклонени вериги, което се нарича поли(АДФ-рибозил)ация. [63] Моно-ADP-рибозилирането за първи път е идентифицирано като механизъм на група бактериални токсини, по-специално холерен токсин, но също така участва в нормалната клетъчна сигнализация. [64] [65] Поли(ADP-рибозилиране) се извършва от поли(АДФ-рибоза) полимеразите. [63] [66] Структурата на поли(ADP-рибоза) участва в регулирането на няколко клетъчни събития и е най-важна в клетъчното ядро, в процеси като възстановяване на ДНК и поддържане на теломерите. [66] В допълнение към тези функции в клетката наскоро беше открита група извънклетъчни ADP-рибозилтрансферази, но техните функции остават неясни. [67] NAD + може също да бъде добавен към клетъчната РНК като 5'-терминална модификация. [68]

Друга функция на този коензим в клетъчното сигнализиране е като прекурсор на циклична ADP-рибоза, която се произвежда от NAD + от ADP-рибозил циклази, като част от втора система за изпращане на съобщения. [69] Тази молекула действа в сигнализирането на калций чрез освобождаване на калций от вътреклетъчните депа. [70] Той прави това чрез свързване и отваряне на клас калциеви канали, наречени рианодинови рецептори, които се намират в мембраните на органелите, като ендоплазмения ретикулум. [71]

NAD + също се консумира от сиртуини, които са NAD-зависими деацетилази, като Sir2. [72] Тези ензими действат чрез прехвърляне на ацетилова група от техния субстратен протеин към ADP-рибозната част на NAD +, което разцепва коензима и освобождава никотинамид и О-ацетил-АДФ-рибоза. Изглежда, че сиртуините участват главно в регулирането на транскрипцията чрез деацетилиране на хистони и промяна на структурата на нуклеозомите. [73] Въпреки това, нехистонови протеини могат да бъдат деацетилирани и от сиртуини. Тези дейности на сиртуините са особено интересни поради тяхното значение за регулирането на стареенето. [74]

Други NAD-зависими ензими включват бактериални ДНК лигази, които свързват два края на ДНК чрез използване на NAD + като субстрат за даряване на аденозин монофосфатна (AMP) част на 5' фосфата на единия край на ДНК. След това този междинен продукт се атакува от 3' хидроксилната група на другия край на ДНК, образувайки нова фосфодиестерна връзка. [75] Това контрастира с еукариотните ДНК лигази, които използват АТФ за образуване на междинния продукт на ДНК-АМР. [76]

Li et al. са открили, че NAD + директно регулира взаимодействията протеин-протеин. [77] Те също така показват, че една от причините за свързано с възрастта намаляване на възстановяването на ДНК може да бъде повишеното свързване на протеина DBC1 (изтрит при рак на гърдата 1) с PARP1 (поли[ADP-рибоза] полимераза 1) като нива на NAD + намаляват по време на стареенето. [77] По този начин, модулирането на NAD + може да предпази от рак, радиация и стареене. [77]

Извънклетъчни действия на NAD + Edit

През последните години NAD + също беше признат като извънклетъчна сигнална молекула, участваща в комуникацията между клетка. [44] [78] [79] NAD + се освобождава от неврони в кръвоносните съдове, [43] пикочния мехур, [43] [80] дебелото черво, [81] [82] от невросекреторните клетки, [83] и от мозъка синаптозоми, [84] и се предполага, че е нов невротрансмитер, който предава информация от нервите към ефекторните клетки в гладкомускулните органи. [81] [82] В растенията извънклетъчният никотинамид аденин динуклеотид предизвиква резистентност към патогенна инфекция и първият извънклетъчен NAD рецептор е идентифициран. [85] Необходими са допълнителни изследвания, за да се определят основните механизми на неговите извънклетъчни действия и тяхното значение за човешкото здраве и жизнените процеси в други организми.

Ензимите, които произвеждат и използват NAD + и NADH, са важни както във фармакологията, така и в изследванията за бъдещи лечения на болести. [86] Дизайнът на лекарства и разработването на лекарства използват NAD + по три начина: като директна мишена на лекарства, чрез проектиране на ензимни инхибитори или активатори въз основа на неговата структура, които променят активността на NAD-зависимите ензими, и като се опитват да инхибират NAD + биосинтеза . [87]

Тъй като раковите клетки използват повишена гликолиза и тъй като NAD засилва гликолизата, никотинамид фосфорибозилтрансфераза (NAD спасителен път) често се усилва в раковите клетки. [88] [89]

Проучван е за потенциалната му употреба при терапията на невродегенеративни заболявания като болестта на Алцхаймер и Паркинсон. [3] Плацебо-контролирано клинично изпитване на NADH (което изключва NADH прекурсори) при хора с Паркинсон не успя да покаже никакъв ефект. [90]

NAD + също е директна мишена на лекарството изониазид, което се използва при лечението на туберкулоза, инфекция, причинена от Mycobacterium tuberculosis. Изониазидът е пролекарство и след като влезе в бактериите, се активира от ензим пероксидаза, който окислява съединението във форма на свободен радикал. [91] Този радикал след това реагира с NADH, за да произведе адукти, които са много мощни инхибитори на ензимите еноил-ацил носител протеин редуктаза, [92] и дихидрофолат редуктаза. [93]

Тъй като голям брой оксидоредуктази използват NAD + и NADH като субстрати и ги свързват с помощта на силно запазен структурен мотив, идеята, че инхибиторите на базата на NAD + могат да бъдат специфични за един ензим, е изненадваща. [94] Това обаче може да е възможно: например, инхибитори на базата на съединенията микофенолова киселина и тиазофурин инхибират IMP дехидрогеназата на мястото на свързване на NAD +. Поради важността на този ензим в метаболизма на пурините, тези съединения могат да бъдат полезни като противоракови, антивирусни или имуносупресивни лекарства. [94] [95] Други лекарства не са ензимни инхибитори, а вместо това активират ензими, участващи в метаболизма на NAD+. Сиртуините са особено интересна цел за такива лекарства, тъй като активирането на тези NAD-зависими деацетилази удължава живота на някои животински модели. [96] Съединения като ресвератрол повишават активността на тези ензими, което може да е важно за способността им да забавят стареенето както при гръбначни, [97] и безгръбначни модели организми. [98] [99] В един експеримент, мишки, получавали NAD за една седмица, са подобрили ядрено-митохрондриалната комуникация. [100]

Поради разликите в метаболитните пътища на NAD + биосинтеза между организмите, като например между бактериите и хората, тази област на метаболизма е обещаваща област за разработването на нови антибиотици. [101] [102] Например, ензимът никотинамидаза, който превръща никотинамида в никотинова киселина, е цел за проектиране на лекарства, тъй като този ензим липсва при хората, но присъства в дрожди и бактерии. [38]

В бактериологията NAD, понякога наричан фактор V, се използва като добавка към хранителната среда за някои придирчиви бактерии. [103]

Коензимът NAD + е открит за първи път от британските биохимици Артър Хардън и Уилям Джон Йънг през 1906 г. [104] Те забелязали, че добавянето на варен и филтриран екстракт от дрожди значително ускорява алкохолната ферментация в неварените екстракти от дрожди. Те нарекоха неидентифицирания фактор, отговорен за този ефект кофермент. Чрез продължително и трудно пречистване от екстракти от дрожди, този термостабилен фактор е идентифициран като нуклеотиден захарен фосфат от Ханс фон Ойлер-Челпин. [105] През 1936 г. немският учен Ото Хайнрих Варбург показва функцията на нуклеотидния коензим при хидридния трансфер и идентифицира никотинамидната част като място на редокс реакции. [106]

Витаминните предшественици на NAD+ са идентифицирани за първи път през 1938 г., когато Конрад Елвехем показа, че черният дроб има активност срещу "черен език" под формата на никотинамид. [107] След това, през 1939 г., той предоставя първите убедителни доказателства, че ниацинът се използва за синтезиране на NAD+. [108] В началото на 40-те години на миналия век Артър Корнберг е първият, който открива ензим в биосинтетичния път. [109] През 1949 г. американските биохимици Морис Фридкин и Албърт Л. Ленингер доказаха, че NADH свързва метаболитни пътища като цикъла на лимонената киселина със синтеза на АТФ при окислително фосфорилиране. [110] През 1958 г. Джак Прейс и Филип Хендлър откриват междинните съединения и ензимите, участващи в биосинтезата на NAD + [111] [112], спасителният синтез от никотинова киселина се нарича път на Прейс-Хендлер. През 2004 г. Чарлз Бренър и колеги разкриват пътя на никотинамид рибозид киназа към NAD +. [113]

Нередокс ролите на NAD(P) бяха открити по-късно. [2] Първото идентифицирано е използването на NAD + като донор на ADP-рибоза в реакциите на ADP-рибозилиране, наблюдавани в началото на 60-те години. [114] Проучвания през 1980-те и 1990-те разкриват активността на NAD + и NADP + метаболитите в клетъчното сигнализиране – като действието на цикличната ADP-рибоза, която е открита през 1987 г. [115]

Метаболизмът на NAD + остава област на интензивни изследвания в 21-ви век, като интересът се засилва след откриването на NAD +-зависимите протеинови деацетилази, наречени сиртуини през 2000 г., от Шин-ичиро Имаи и колеги в лабораторията на Леонард П. Гуаренте . [116] През 2009 г. Имай предложи хипотезата „NAD World“, че ключови регулатори на стареенето и дълголетието при бозайниците са сиртуин 1 и първичният NAD + синтезиращ ензим никотинамид фосфорибозилтрансфераза (NAMPT). [117] През 2016 г. Имай разшири своята хипотеза до „NAD World 2.0“, който постулира, че извънклетъчният NAMPT от мастната тъкан поддържа NAD + в хипоталамуса (контролния център) във връзка с миокини от клетките на скелетните мускули. [118]


Въведение в мобилните енергийни носители

Резюме на раздел

Енергията се движи и пренася в клетката по различни начини. Един критичен механизъм, който природата е развила, е използването на рециклируеми молекулярни енергийни носители. Въпреки че има няколко основни рециклируеми енергийни носители, всички те споделят някои общи функционални характеристики:

Свойства на ключови клетъчни молекулярни енергийни носители

  • Ние мислим за енергийните носители като за съществуващи в "пулове" от налични носители. По аналогия може да се разглеждат тези мобилни енергийни носители за аналогични на превозните средства за доставка на колетните превозвачи - компанията разполага с определен "пул" от налични превозни средства по всяко време, за да вземе и да извърши доставки.
  • Всеки отделен носител в пула може да съществува в едно от множество различни състояния: той или носи "товар" с енергия, частичен товар, или е "празен". Молекулата може да се преобразува между "заредена" и празна и по този начин може да бъде рециклирана. Отново по аналогия, превозните средства за доставка могат или да носят пакети, или да са празни и да превключват между тези състояния.
  • Балансът или съотношението в пула между "заредени" и "разтоварени" носители е важно за клетъчната функция, регулира се от клетката и често може да ни каже нещо за състоянието на клетката. По същия начин, услугата превозвач на колети следи отблизо колко пълни или празни са превозните им средства за доставка - ако те са твърде пълни, може да няма достатъчно "празни" камиони за вземане на нови пакети, ако те са твърде празни, бизнесът трябва да не върви добре или е така изключване има подходящ баланс за различни ситуации.

В този курс ще разгледаме два основни типа молекулярни рециклируеми енергийни носители: (1) никотинамид аденин динуклеотид (NAD+), близък роднина никотинамид аденин динуклеотид фосфат (NADP+), и флавин аденин динуклеотид (FAD 2+) и (2) нуклеотидни моно-, ди- и трифосфати, като се обръща особено внимание аденозин трифосфат (АТФ). Всеки от тези два вида молекули участва в преноса на енергия, който включва различни класове химични реакции. Интересно е, че докато единият клас носител доставя електрони (и енергия), другият доставя фосфати (и енергия), но и двата включват аденинов нуклеотид(и). Може би адениновите нуклеотиди са били важна част от ранния живот? Вижте теорията за "РНК свят".

Редокс химия и електронни носители

Окислението на или отстраняването на електрон от молекула (независимо дали е придружено с отстраняване на придружаващ протон или не) води до промяна на свободната енергия за тази молекула - материята, вътрешната енергия и ентропията са се променили в процеса . По същия начин намаляването на (усилването на електрон върху) на молекула също променя нейната свободна енергия. Големината на промяната в свободната енергия и нейната посока (положителна или отрицателна) за редокс реакция диктува спонтанността на реакцията и колко енергия се пренася. В биологичните системи, където голяма част от преноса на енергия се осъществява чрез редокс реакции, е важно да се разбере как тези реакции се медиират и да започнем да обмисляме идеи или хипотези защо тези реакции се медиират в много случаи от малко семейство носители на електрони .

Възможна дискусия: Свържете изгарянето на целулоза (захарен полимер) с последния параграф по-горе. Какво общо има тази демонстрация с предстоящата ни дискусия за редокс носителите. Вече има споменаване по-горе - можете ли да го намерите?

Възможна дискусия: Проблемът, споменат в предишния въпрос за дискусия, е чудесно място да започнете да въвеждате рубриката за предизвикателството за дизайн. Ако си спомняте, първата стъпка от рубриката изисква да дефинирате проблем или въпрос. В този случай нека си представим, че има проблем за дефиниране, за който мобилните носители на електрони по-долу са помогнали на природата да разреши.

***--- Помнете, че еволюцията НЕ предава инженерни решения на проблемите, но в ретроспекция можем да използваме въображението и логиката си, за да заключим, че това, което виждаме, запазено от естествения подбор, е осигурило селективно предимство, тъй като естествената иновация "реши" проблем, който ограничава успеха . ---***

Предизвикателство за дизайн за носители на редокс

  • Какъв беше проблемът(ите), който еволюцията на мобилните носители на електрон/редокс помогна за разрешаването?
  • Следващата стъпка от дизайнерското предизвикателство ви изисква да определите критерии за успешни решения. Какви са критериите за успех в проблема, който идентифицирате?
  • Стъпка 3 в предизвикателството за проектиране ви помоли да идентифицирате възможни решения. Е, тук природата е идентифицирала някои за нас - ние разглеждаме три в четенето по-долу. Изглежда, че природата е щастлива да има множество решения на проблема.
  • Предпоследната стъпка от рубриката предизвикателство за дизайн ви моли да оцените предложените решения спрямо критериите за успех. Това трябва да ви накара да помислите/обсъдите защо има множество различни носители на електрони? Има ли различни критерии за успех? Всеки от тях решава ли малко различни проблеми? Какво мислиш? Бъдете нащрек, докато преминаваме през метаболизма за улики.

NAD + /H и FADH/H2

В живите системи малък клас съединения функционират като електронни совалки: те свързват и пренасят електрони между съединенията в различни метаболитни пътища. Основните носители на електрони, които ще разгледаме, произлизат от групата на витамин В и са производни на нуклеотиди. Тези съединения могат да бъдат както редуцирани (тоест приемат електрони), така и окислени (те губят електрони) в зависимост от редукционния потенциал на потенциален донор или акцептор на електрони, към който могат да прехвърлят електрони към и от. Никотинамид аденин динуклеотид (NAD+) (структурата е показана по-долу) се получава от витамин В3, ниацин. NAD + is the oxidized form of the molecule NADH is the reduced form of the molecule after it has accepted two electrons and a proton (which together are the equivalent of a hydrogen atom with an extra electron).

We are expecting you to know which is the oxidized and which is the reduced form of NAD+/NADH, and be able to recognize either form on-the-spot in the context of a chemical reaction.

NAD + can accept electrons from an organic molecule according to the general equation:

A bit of vocabulary review: When electrons are added to a compound, the compound is said to have been намален. A compound that reduces another (donates electrons) is called a reducing agent. In the above equation, RH is a reducing agent, and NAD + is reduced to NADH. When electrons are removed from a compound, it becomes oxidized. A compound that oxidizes another is called an окислител. In the above equation, NAD+ is an oxidizing agent, and RH is oxidized to R.

You need to get this down! We will (a) test specifically on your ability to do so - as "easy" questions and (b) we will use the terms with the expectation that you know what they mean and can relate them to biochemical reactions correctly (in class and on tests).

You will also encounter a second variation of NAD + , NADP + . It is structurally very similar to NAD + but it contains an extra phosphate group and plays an important role in anabolic reactions such as photosynthesis. Another nucleotide-based electron carrier that you will also encounter in this course and beyond, flavin adenine dinucleotide (FAD + ) is derived from vitamin B2, наричан още рибофлавин. Неговата редуцирана форма е FADH2. Learn to recognize these molecules as electron carriers as well.

The oxidized form of the electron carrier (NAD + ) is shown on the left and the reduced form (NADH) is shown on the right. Азотната основа в NADH има още един водороден йон и два електрона повече, отколкото в NAD +.

NAD + is used by the cell to "pull" electrons off of compounds and to carry them to other locations within the cell, thus they are called носители на електрони. NAD + /H compounds are used in many of the metabolic processes we will discuss in this class. For example, in its oxidized form NAD + is used as a reactant in glycolysis and the TCA cycle, whereas in its reduced form (NADH) it is a reactant in fermentation and the electron transport chain (ETC). Each of these processes will be discussed in later modules.

Energy Story for a Redox Reaction

***As a rule of thumb, when we see NAD + /H as a reactant or product we know we are looking at a redox reaction.***

When NADH is a product and NAD + is a reactant we know that NAD + has become reduced (forming NADH) therefore the other reactant must have been the electron donor and become oxidized. The vice versa is also true. If NADH has become NAD + , then the other reactant must have gained electrons from NADH and become reduced.

This reaction shows the conversion of pyruvate to lactic acid coupled with the conversion of NADH to NAD + . Source: en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Enzyme/sequential_reactions

In the figure above we see the reaction of pyruvate becoming lactic acid, coupled with the conversion of NADH into NAD+. This reaction is catalyzed by LDH. Using our 'rule of thumb' above, we categorize this reaction as a redox reaction. NADH is the reduced form of the electron carrier and NADH is converted into NAD + . This half of the reaction results in the oxidation of the electron carrier. Pyruvate is converted into lactic acid in this reaction. Both of these sugars are negatively charged so it would be difficult to see which compound is more reduced using the charges of the compounds. However, we know that pyruvate has become reduced to form lactic acid because this conversion is coupled to the oxidation of NADH into NAD + . But how can we tell that lactic acid is more reduced than pyruvate? The answer is to look at the carbon-hydrogen bonds in both compounds. As electrons are transferred, they are often accompanied by a hydrogen atom. There are a total of 3 C-H bonds in pyruvate and there are a total of 4 C-H bonds in lactic acid. When we compare these two compounds in the before and after state, we see that lactic acid has one more C-H bond, therefore, lactic acid is more reduced than pyruvate. Note also lactic acid it has picked up 2 complete hydrogen atoms (and the source of these was. ). This holds true for multiple compounds. For example, the figure below, you should be able to rank the compounds from most to least reduced using the C-H bonds as your guide.

Above are a series of compounds than can be ranked or reorganized from most to least reduced. Compare the number of C-H bonds in each compound. Carbon dioxide has no C-H bonds and is the most oxidized form of carbon we will discuss in this class. Answer: Most reduced is methane (compound 3), then methanol (4), formaldehyde (1), carboxylic acid (2), and finally carbon dioxide (5).

This reaction shows the conversion of G3P, Pi, NAD+ into NADH and 1,3-BPG. This reaction is catalyzed by Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase.

Energy story for the reaction catalyzed by Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase:

Let's make an energy story for the reaction above.

First, let's characterize the reactants and products. The reactants are Glyceraldehyde-3-phosphate (a carbon compound), Pi (inorganic phosphate) and NAD + . These three reactants enter into a chemical reaction to produce two products, NADH and 1,3-Bisphosphoglycerate. If you look closely you can see that the 1,3-BPG contains two phosphates. This is important when we are double checking that no mass has been lost. There are two phosphates in the reactants so there need to be two phosphates in the products (conservation of mass!). You can double check that all the other atoms are also accounted for. The enzyme that catalyzes this reaction is called Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase. The standard free energy change of this reaction is

6.3 kJ/mol so under standard conditions we can say that the free energy of the products is higher than that of the reactants and that this reaction is not spontaneous under standard conditions.

What can we say about this reaction catalyzed by glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase?

This is a redox reaction. We know that because we have produced a reduced electron carrier (NADH) as a product and NAD + is a reactant. Where did the electron come from to make NADH? The electron must have come from the other reactant (the carbon compound).

Recommended discussion: We will spend some time examining the reaction catalyzed by glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase in more detail as we move through the lectures and text. The first thing to discuss here is that the figure above is a highly simplified or condensed version of the steps that take place - one could in fact break that reaction above into TWO conceptual reactions. Can you imagine what those two "subreactions" might be? Обсъдете помежду си.

Recommended discussion: The text above notes that the standard change in free energy for this complex reaction is

+6.3 kJ/mol. Under standard conditions this reaction is NOT spontaneous. However, this is one of the key reactions in the oxidation of glucose. It needs to GO in the cell. The questions are: why is it important to note things like "standard change of free energy" or "under standard conditions" when reporting that &DeltaG°? What could possibly be going on in the cell to make what is under standard conditions an endergonic reaction "go" under real-life conditions?


Why does NAD+ become reduced if it gains a hydrogen proton? - Биология

DEFINITIONS OF OXIDATION AND REDUCTION (REDOX)

This page looks at the various definitions of oxidation and reduction (redox) in terms of the transfer of oxygen, hydrogen and electrons. It also explains the terms oxidising agent and reducing agent.

Oxidation and reduction in terms of oxygen transfer

Oxidation is gain of oxygen.

Reduction is loss of oxygen.

For example, in the extraction of iron from its ore:

Because both червенuction and волidation are going on side-by-side, this is known as a редокс реакция.

Oxidising and reducing agents

An oxidising agent is substance which oxidises something else. In the above example, the iron(III) oxide is the oxidising agent.

A reducing agent reduces something else. In the equation, the carbon monoxide is the reducing agent.

Oxidising agents give oxygen to another substance.

Reducing agents remove oxygen from another substance.

Oxidation and reduction in terms of hydrogen transfer

These are old definitions which aren't used very much nowadays. The most likely place you will come across them is in organic chemistry.

Oxidation is loss of hydrogen.

Reduction is gain of hydrogen.

Notice that these are exactly the opposite of the oxygen definitions.

For example, ethanol can be oxidised to ethanal:

You would need to use an oxidising agent to remove the hydrogen from the ethanol. A commonly used oxidising agent is potassium dichromate(VI) solution acidified with dilute sulphuric acid.

Забележка: The equation for this is rather complicated for this introductory page. If you are interested, you will find a similar example (ethanol to ethanoic acid) on the page dealing with writing equations for redox reactions.

Ethanal can also be reduced back to ethanol again by adding hydrogen to it. A possible reducing agent is sodium tetrahydridoborate, NaBH4. Again the equation is too complicated to be worth bothering about at this point.

An update on oxidising and reducing agents

Oxidising agents give oxygen to another substance or remove hydrogen from it.

Reducing agents remove oxygen from another substance or give hydrogen to it.

Oxidation and reduction in terms of electron transfer

This is easily the most important use of the terms oxidation and reduction at A' level.

Oxidation is loss of electrons.

Reduction is gain of electrons.

It is essential that you remember these definitions. There is a very easy way to do this. As long as you remember that you are talking about electron transfer:

The equation shows a simple redox reaction which can obviously be described in terms of oxygen transfer.

Copper(II) oxide and magnesium oxide are both ionic. The metals obviously aren't. If you rewrite this as an ionic equation, it turns out that the oxide ions are spectator ions and you are left with:

A last comment on oxidising and reducing agents

If you look at the equation above, the magnesium is reducing the copper(II) ions by giving them electrons to neutralise the charge. Magnesium is a reducing agent.

Looking at it the other way round, the copper(II) ions are removing electrons from the magnesium to create the magnesium ions. The copper(II) ions are acting as an oxidising agent.

This is potentially very confusing if you try to learn both what oxidation and reduction mean in terms of electron transfer, and also learn definitions of oxidising and reducing agents in the same terms.

Personally, I would recommend that you work it out if you need it. The argument (going on inside your head) would go like this if you wanted to know, for example, what an oxidising agent did in terms of electrons:

An oxidising agent oxidises something else.

Oxidation is loss of electrons (OIL RIG).

That means that an oxidising agent takes electrons from that other substance.

So an oxidising agent must gain electrons.

Or you could think it out like this:

An oxidising agent oxidises something else.

That means that the oxidising agent must be being reduced.

Reduction is gain of electrons (OIL RIG).

So an oxidising agent must gain electrons.

Understanding is a lot safer than thoughtless learning!

Questions to test your understanding

If this is the first set of questions you have done, please read the introductory page before you start. You will need to use the BACK BUTTON on your browser to come back here afterwards.


Cellular respiration results when chemical redox reactions transfer electrons

In metabolic reactions, the most free energy is released by chemical reactions known as redox reactions. Redox reactions transfer electrons between molecules. A molecule that gains electrons is намален a molecule that loses electrons is oxidized, which is how “redox” gets its name. You can use the phrase “OIL RIG” to remember that Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain. Different molecules have different tendencies to gain electrons, called the redox potential. A redox reaction between a pair of molecules with a large difference in redox potential results in a large release of free energy.

Cellular energy metabolism features a series of redox reactions. Heterotrophs oxidize (take electrons from) organic molecules (food) and give those electrons to an electron carrier molecule, called NAD+ (in the oxidized form) that accepts electrons from food to become NADH (the reduced form). NADH then cycles back to NAD+ by giving electrons to (reducing) an electron acceptor protein in a membrane, thus becoming oxidized to NAD+ again. In the membrane, the electrons are transferred down an electron transport chain, consisting of a series of membrane proteins and molecules with increasing redox potential. Components of the electron transport chain use the sequential releases of free energy to pump protons across the membrane against their electrochemical gradient.

The electron transport chain, part of cellular respiration, transfers electrons from donors to acceptors,operating in the cell membrane. The process generates an gradient of protons, in the form of hydrogen ions, outside the membrane. [Image modified by C. Spencer from a Wikimedia image by Fvasconcellos in the public domain.]

Cellular respiration is the cascade of electrons transfers (redox reactions) that culminates in the reduction of the terminal electron acceptor. The amount of energy released by these redox reactions, and thus the amount of energy available for ATP synthesis, depends on the redox potential of the terminal electron acceptor. Кислород (О2) has the greatest redox potential, and thus respiration in an oxygen-rich environment like earth’s current environment results in the most ATP synthesized. Bacteria and Archaea (and some Eukarya) can use other terminal electron acceptors with lower redox potential when oxygen is not available type of respiration produces less ATP.


Веригата за транспортиране на електрони

Firstly, electrons enter the transport chain through delivery by electron carriers НАДХ и FADH. These reduced electron carriers from the previous steps of cellular respiration transfer their electrons to molecules near the beginning of the transport chain. Following loss of their electrons, they are oxidised into NAD+ и FADH when can then be рециклирани to other steps of respiration.

More specifically, NADH starts the process by depositing its electrons at Комплекс I., turning into NAD+ and releasing a proton into the matrix. FADH2 is not as good at donating electrons as NADH (its electrons are at a lower energy level), so it cannot transfer its electrons to Complex I. Instead, FADH2 deposits electrons at Complex II. It is then reduced to FAD and releases 2 hydrogen atoms.

The electrons from Complexes I and II are then passed to another carrier, ubiquinone (Q). Q (now in the reduced form QH2) is a mobile electron carrier, free to travel through the membrane. Q transports the electrons to Комплекс III. As electrons pass through Complex III, more hydrogen ions are pumped across the membrane, and the electrons are passed to cytochrome C, which is also mobile and free to pass through the membrane.

Cytochrome C passes the electrons to Комплекс IV. Complex IV passes the electrons to кислород, the terminal electron acceptor. Oxygen is split into two oxygen atoms, and accepts H+ from the matrix to form water. It takes two electrons, one oxygen (1/2 O2 molecule), and 2 H+ ions to form one water molecule. Complexes I, III, and IV use the energy released from electrons moving from higher to lower energy levels to move protons out of the matrix and into the intermembrane space. This generates a proton gradient.


Gain and Loss of Electrons

The original view of oxidation and reduction is that of adding or removing oxygen. An alternative view is to describe oxidation as the losing of electrons and reduction as the gaining of electrons. One example in which this approach is of value is in the high temperature reaction of lead dioxide .

In this reaction the lead atoms gain an electron (reduction) while the oxygen loses electrons (oxidation).

This electron view of oxidation and reduction helps you deal with the fact that "oxidation" can occur even when there is no oxygen! The definition of redox reactions is extended to include other reactions with nonmetals such as chlorine and bromine. For example, the reaction

Magnesium loses electrons and is therefore said to be "oxidized", whereas the chlorines gain electrons and are said to be reduced. Another way to judge that the chlorine has been reduced is the fact that the charge on the atoms is made more negative, or reduced. Treating that charge as an "oxidation number" is another way to characterize oxidation and reduction.

The view of oxidation and reduction as the loss and gain of electrons, respectively, is particularly appropriate for discussing reactions in electrochemical cells. For example, in the zinc-copper cell, the oxidation and reduction half-reactions are


Consider the reaction between zinc metal and hydrochloric acid.

If this reaction where broken down to the ion level:

First, look at what happens to the zinc atoms. Initially, we have a neutral zinc atom. As the reaction progresses, the zinc atom loses two electrons to become a Zn 2+ ion.

The zinc was oxidized into Zn 2+ ions. This reaction is an oxidation reaction.

The second part of this reaction involves the hydrogen ions. The hydrogen ions are gaining electrons and bonding together to form dihydrogen gas.

The hydrogen ions each gained an electron to form the neutrally charged hydrogen gas. The hydrogen ions are said to be reduced and the reaction is a reduction reaction. Since both processes are going on at the same time, the initial reaction is called an oxidation-reduction reaction. This type of reaction is also called a redox reaction (REDuction/OXidation).


The nature of the respiratory chain

Four types of hydrogen or electron carriers are known to participate in the respiratory chain, in which they serve to transfer two reducing equivalents (2H) from reduced substrate (АЗ2) to molecular oxygen (reaction [49]) the products are the oxidized substrate (А) и вода (H2О).

The carriers are NAD + and, less frequently, NADP + the flavoproteins FAD and FMN (flavin mononucleotide) ubiquinone (or coenzyme Q) and several types of cytochromes. Each carrier has an oxidized and reduced form (e.g., FAD and FADH2, respectively), the two forms constituting an oxidation-reduction, or redox, couple. Within the respiratory chain, each redox couple undergoes cyclic oxidation-reduction i.e., the oxidized component of the couple accepts reducing equivalents from either a substrate or a reduced carrier preceding it in the series and in turn donates these reducing equivalents to the next oxidized carrier in the sequence. Reducing equivalents are thus transferred from substrates to molecular oxygen by a number of sequential redox reactions.

Most oxidizable catabolic intermediates initially undergo a dehydrogenation reaction, during which a dehydrogenase enzyme transfers the equivalent of a hydride ion (H + + 2д − , with д − representing an electron) to its coenzyme, either NAD + or NADP + . The reduced NAD + (or NADP + ) thus produced (usually written as NADH + H + or NADPH + H + ) diffuses to the membrane-bound respiratory chain to be oxidized by an enzyme known as NADH dehydrogenase the enzyme has as its coenzyme FMN. There is no corresponding NADPH dehydrogenase in mammalian mitochondria instead, the reducing equivalents of NADPH + H + are transferred to NAD + in a reaction catalyzed by a transhydrogenase enzyme, with the products being reduced NADH + H + and NADP + . A few substrates (e.g., acyl coenzyme A and succinate reactions [22] and [44]) bypass this reaction and instead undergo immediate dehydrogenation by specific membrane-bound dehydrogenase enzymes. During the reaction, the coenzyme FAD accepts two hydrogen atoms and two electrons (2H + 2д − ). The reduced flavoproteins (i.e., FMNH2 and FADH2) donate their two hydrogen atoms to the lipid carrier ubiquinone, which is thus reduced.

The fourth type of carrier, the cytochromes, consists of hemoproteins—i.e., proteins with a nonprotein component, or prosthetic group, called heme (or a derivative of heme), which is an iron-containing pigment molecule. The iron atom in the prosthetic group is able to carry one electron and oscillates between the oxidized, or ferric (Fe 3+ ), and the reduced, or ferrous (Fe 2+ ), forms. The five cytochromes present in the mammalian respiratory chain, designated cytochromes б, ° С1, ° С, а, и а3, act in sequence between ubiquinone and molecular oxygen. The terminal cytochrome of this sequence (а3, also known as cytochrome oxidase) is able to donate electrons to oxygen rather than to another electron carrier а3 is also the site of action of two substances that inhibit the respiratory chain, potassium cyanide and carbon monoxide. Special Fe-S complexes play a role in the activity of NADH dehydrogenase and succinate dehydrogenase.

In each redox couple, the reduced form has a tendency to lose reducing equivalents (i.e., to act as an electron or hydrogen donor) similarly, the oxidized form has a tendency to gain reducing equivalents (i.e., to act as an electron or hydrogen acceptor). The oxidation-reduction characteristics of each couple can be determined experimentally under well-defined standard conditions. The value thus obtained is the standard oxidation-reduction (redox) potential (Еó). Values for respiratory chain carriers range from Еó = −320 millivolts (one millivolt = 0.001 volt) for NAD + /reduced NAD + to Еó = +820 millivolts for 1 /2 О22O the values for intermediate carriers lie between. Reduced NAD + is the most electronegative carrier, oxygen the most electropositive acceptor. During respiration, reducing equivalents undergo stepwise transfer from the reduced form of the most electronegative carrier (reduced NAD + ) to the oxidized form of the most electropositive couple (oxygen). Each step is accompanied by a decline in standard free energy (ΔG′) proportional to the difference in the standard redox potentials (ΔЕ0) of the two carriers involved.

Overall oxidation of reduced NAD + by oxygen (ΔЕ0 = +1,140 millivolts) is accompanied by the liberation of free energy (ΔG′ = −52.4 kilocalories per mole). In theory, this energy is sufficient to allow the synthesis of six or seven molecules of ATP. In the cell, however, this synthesis of ATP, called oxidative phosphorylation, proceeds with an efficiency of about 46 percent. Thus, only three molecules of ATP are produced per atom of oxygen consumed—this being the so-called P/2д - , P/O, or ADP/O ratio. The energy that is not conserved as ATP is lost as heat. The oxidation of succinate by molecular oxygen (ΔЕ0 = +790 millivolts), which is accompanied by a smaller liberation of free energy (ΔG′ = −36.5 kilocalories per mole), yields only two molecules of ATP per atom of oxygen consumed (P/O = 2).


Гледай видеото: What is NAD+? (Февруари 2023).