Информация

При гликолизата какъв е източникът на електрона, който превръща NAD+ в NADH вместо NADH+?

При гликолизата какъв е източникът на електрона, който превръща NAD+ в NADH вместо NADH+?


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.

Разгледах формулата за реакцията на гликолиза. Цялостната реакция изглежда балансирана, но не виждам нищо от лявата страна на уравнението, което би осигурило електрона за преобразуване на NAD+ в NADH. Откъде идва този електрон?


Въглехидратен метаболизъм за MCAT: Всичко, което трябва да знаете

(Забележка: Това ръководство е част от нашата серия MCAT Biochemistry.)

Част 1: Въведение

Част 2: Храносмилане на въглехидратите

а) Ензимно разграждане

б) Регулация на панкреаса

в) Гликогенеза и гликогенолиза

Част 3: Гликолиза и ферментация

а) гликолиза

б) Млечнокисела ферментация

в) Глюконеогенеза

Част 4: Окисление на пируват и цикълът на TCA

а) Митохондриална структура

б) Окисление на пируват

в) Цикълът на лимонената киселина

Част 5: Електронна транспортна верига и окислително фосфорилиране

а) Веригата за транспортиране на електрони

б) Електрохимичният градиент

в) Окислително фосфорилиране

Част 6: Пентозофосфатен път

Част 7: Условия с висока доходност

Част 8: Въпроси и отговори, базирани на пасаж

Част 9: Самостоятелни въпроси и отговори


Контрол на катаболните пътища

Катаболните пътища се контролират от ензими, протеини, носители на електрони и помпи, които гарантират, че останалите реакции могат да продължат.

Цели на обучението

Обяснете как се контролират катаболните пътища

Ключови изводи

Ключови точки

  • Гликолизата, цикълът на лимонената киселина и веригата за транспортиране на електрони са катаболни пътища, които предизвикват необратими реакции.
  • Контролът на гликолизата започва с хексокиназа, която катализира фосфорилирането на глюкозата, нейният продукт е глюкозо-6-фосфат, който се натрупва при инхибиране на фосфофруктокиназата.
  • Цикълът на лимонената киселина се контролира чрез ензимите, които разграждат реакциите, които образуват първите две молекули NADH.
  • Скоростта на транспортиране на електрони през електронната транспортна верига се влияе от нивата на ADP и ATP, докато специфичните ензими от веригата за транспортиране на електрони не се влияят от инхибирането на обратната връзка.

Ключови условия

  • фосфофруктокиназа: всеки от групата киназни ензими, които превръщат фруктозните фосфати в бифосфат
  • гликолиза: клетъчният метаболитен път на простата захар глюкоза за получаване на пирогроздна киселина и АТФ като енергиен източник
  • киназа: всеки от група ензими, който пренася фосфатни групи от високоенергийни донорни молекули, като АТФ, към специфични целеви молекули (субстрати) процесът се нарича фосфорилиране

Контрол на катаболните пътища

Ензимите, протеините, носителите на електрони и помпи, които играят роля в гликолизата, цикъла на лимонената киселина и веригата за транспортиране на електрони, са склонни да катализират необратими реакции. С други думи, ако се осъществи първоначалната реакция, пътят се ангажира да продължи с останалите реакции. Дали определена ензимна активност се освобождава зависи от енергийните нужди на клетката (както е отразено от нивата на ATP, ADP и AMP).

Гликолиза

Контролът на гликолизата започва с първия ензим в пътя, хексокиназа. Този ензим катализира фосфорилирането на глюкозата, което помага да се подготви съединението за разцепване на по-късен етап. Наличието на отрицателно зареден фосфат в молекулата също предотвратява напускането на захарта от клетката. Когато хексокиназата е инхибирана, глюкозата дифундира извън клетката и не се превръща в субстрат за дихателните пътища в тази тъкан. Продуктът на хексокиназната реакция е глюкозо-6-фосфат, който се натрупва, когато по-късен ензим, фосфофруктокиназа, се инхибира.

гликолиза: Пътят на гликолизата се регулира основно в трите ключови ензимни етапа (1, 2 и 7), както е посочено. Имайте предвид, че първите две стъпки, които са регулирани, се появяват в началото на пътя и включват хидролиза на АТФ.

Фосфофруктокиназата е основният ензим, контролиран при гликолизата. Високите нива на АТФ, цитрат или по-ниско, по-кисело рН намаляват активността на ензима. Повишаване на концентрацията на цитрат може да възникне поради блокиране на цикъла на лимонената киселина. Ферментацията, с производството на органични киселини като млечна киселина, често отчита повишената киселинност в клетката, но продуктите на ферментацията обикновено не се натрупват в клетките.

Последната стъпка в гликолизата се катализира от пируват киназа. Полученият пируват може да продължи да се катаболизира или да се превърне в аминокиселината аланин. Ако не е необходима повече енергия и аланинът е в достатъчно количество, ензимът се инхибира. Ензимната активност се повишава, когато нивата на фруктоза-1,6-бифосфат се повишават. (Припомнете си, че фруктозо-1,6-бифосфатът е междинно съединение в първата половина на гликолизата.) Регулирането на пируват киназата включва фосфорилиране, което води до по-малко активен ензим. Дефосфорилирането от фосфатаза го реактивира. Пируват киназата също се регулира от АТФ (отрицателен алостеричен ефект).

Ако е необходима повече енергия, повече пируват ще се превърне в ацетил CoA чрез действието на пируват дехидрогеназа. Ако се натрупат ацетилни групи или NADH, има по-малка нужда от реакцията и скоростта намалява. Пируват дехидрогеназата също се регулира чрез фосфорилиране: киназата го фосфорилира, за да образува неактивен ензим, а фосфатазата го реактивира. Киназата и фосфатазата също се регулират.

Цикъл на лимонена киселина

Цикълът на лимонената киселина се контролира чрез ензимите, които катализират реакциите, които образуват първите две молекули NADH. Тези ензими са изоцитрат дехидрогеназа и α-кетоглутарат дехидрогеназа. Когато са налични адекватни нива на ATP и NADH, скоростта на тези реакции намалява. Когато е необходимо повече АТФ, което се отразява в нарастващите нива на ADP, скоростта се увеличава. α-кетоглутарат дехидрогеназата също ще бъде повлияна от нивата на сукцинил CoA, последващо междинно съединение в цикъла, което води до намаляване на активността. Намаляването на скоростта на действие на пътя в този момент не е непременно отрицателно, тъй като повишените нива на α-кетоглутарат, които не се използват от цикъла на лимонената киселина, могат да бъдат използвани от клетката за синтез на аминокиселини (глутамат).

Цикъл на лимонена киселина: Ензимите, изоцитрат дехидрогеназа и α-кетоглутарат дехидрогеназа, катализират реакциите, които образуват първите две молекули NADH в цикъла на лимонената киселина. Скоростта на реакцията намалява, когато се достигнат достатъчни нива на ATP и NADH.

Електронна транспортна верига

Специфичните ензими от веригата за транспортиране на електрони не се влияят от инхибирането на обратната връзка, но скоростта на транспортиране на електрони през пътя се влияе от нивата на ADP и ATP. По-голямата консумация на АТФ от клетката се показва от натрупването на ADP. Тъй като използването на ATP намалява, концентрацията на ADP намалява: ATP започва да се натрупва в клетката. Тази промяна в относителната концентрация на ADP към ATP задейства клетката да забави веригата за транспорт на електрони.

Електронно верижен транспорт: Нивата на ADP и ATP влияят върху скоростта на електронен транспорт чрез този тип верижен транспорт.


Преглед на клетъчното дишане

Фигура 1. Високоенергийни молекули: ATP и NADH. Горният панел илюстрира хидролизата на ATP до ADP. Стандартната свободна енергия на тази реакция е

7,3 kcal/mol. Долният панел илюстрира намаляването на NAD+ до NADH + H+.

Всички клетки се нуждаят от някакъв източник на енергия, за да изпълняват нормалните си функции. Енергията в клетките обикновено се съхранява под формата на химични връзки. В следващите няколко урока ще научите за метаболитни пътища (пътища на химичните реакции в клетката), вкл катаболни пътища, които описват реакции, които разграждат молекулите, и анаболни пътища, които описват реакции, които изграждат молекули. Често катаболните пътища освобождават енергия, когато химическите връзки са счупени, докато анаболните пътища може да изискват енергия за образуване на химически връзки. В растителните клетки енергията се извлича от слънчевата светлина и се използва в анаболните пътища за синтезиране на прости захари. Тези захари могат да се съхраняват и използват по-късно в анаболен или катаболен път. В животинските клетки енергията се извлича от катаболизма на погълнати макромолекули, като нишесте и мазнини от други организми (например хамбургер, който сте обядвали). Големите макромолекули се катаболизират в прости захари и други градивни елементи, освобождавайки енергия по пътя. Тази енергия се улавя под формата на два вида високоенергийни молекули: АТФ и носители на електрони.

Този урок описва катаболизма на глюкозата, най-често срещаната проста захар, намираща се както в животните, така и в растенията. Спомнете си от предишен урок (Свойства на макромолекулите II: нуклеинови киселини, полизахариди и липиди), глюкозата се намира както в гликогена, така и в нишестето. Пълният катаболизъм на глюкозата в CO2 и Х2O се обозначава като клетъчно дишане защото се нуждае от кислород. Нетната реакция за клетъчното дишане е C6З12О6 + 6O2 -> 6CO2 +6Н2O + 38ATP. Катаболизмът на глюкозата се осъществява чрез поредица от реакции на окисление. Припомнете си от Биология 110, че окисляванена молекула включва отстраняване на електрони. Окислението на органичните молекули става чрез отстраняване на електрони и протони (Н+). В биологичните реакции реакцията на окисление е свързана с a намаление реакция (прибавяне на електрони и протони), така че едната молекула се окислява, а другата се редуцира. При катаболизма на глюкозата захарите се окисляват в реакции, които са свързани с редукцията на най-често срещания електронен носител, никотинамид аденин динуклеотид (NAD+), (Фигура 1). Например, в следната реакция: малат + NAD+ -> оксалоацетат + NADH + H+, малатът се окислява и NAD-> се редуцира. Клетъчното дишане протича поетапно, като първоначално се произвеждат много молекули от редуцирани носители на електрони (NADH и FADH2). Тези редуцирани носители на електрони в крайна сметка ще бъдат окислени в митохондриите в процес, който е свързан със синтеза на АТФ. Само в тази последна стъпка реално се използва кислород. Редуцираните носители на електрони даряват своите електрони на верига за транспортиране на електрони и в крайна сметка кислородът се редуцира, за да се получи вода. Тази последна стъпка на клетъчното дишане дава най-голямо количество енергия под формата на АТФ.

Има четири различни етапа на клетъчното дишане: гликолиза, окисляването на глюкозата до тривъглеродната захар пируват окисление на пируват, окисляване на пируват до ацетил коензим А (ацетил КоА) на цикъл на лимонена киселина(наричан още цикъла на Креб или TCA цикъл), пълното окисление на ацетил CoA и накрая, окисляването на редуцираните електронни носители, свързани със синтеза на АТФ. Първите три етапа (гликолиза, окисление на пируват и цикъл на лимонена киселина) ще бъдат описани в този урок. Освен това ще разгледаме процеса на ферментация, който протича при липса на кислород, при което пируватът се редуцира и се генерират различни странични продукти. Последната стъпка от клетъчното дишане, окисляването на електронните носители, свързани със синтеза на АТФ, ще бъде разгледана в следващия урок.


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]


Ферментация и регенерация на NAD+

Всяка дискусия, която се фокусира върху ферментацията, трябва да се спре на ферментацията на пируват. Въпреки това, някои от основните принципи на ферментацията са видими в много примери в ежедневните дейности. Няма значение колко малка е една молекула, ферментацията и регенерацията на NAD+ е възможна.

Ролята на ферментацията

Окисляването на малки органични съединения се осъществява чрез микроорганизми, които получават енергията си от поддържането и растежа на клетките. Пример за това е окисляването на глюкозата чрез гликози.

Някои основни стъпки, необходими за ферментацията на глюкозата, включват редукция на електрон NAD+ до NADH. По време на гликоза клетките ще генерират големи количества NADH и ще изчерпят цялото количество NAD+. За да продължи гликозата, клетката трябва да намери начин да регенерира NAD+ чрез синтез или рециклиране.

Ако няма друга опция или процес, който да се осъществи, никой не може да каже какво може да направи клетката. Можем да опитаме да върнем електроните, които преди това са били отстранени от глюкозата, в продукта надолу по веригата или в едно от неговите производни. Ферментацията е, когато се опитваме да възстановим басейни от окислители (по-рано отстранения електрон).

Пример за ферментация: млечна киселина

Това е ежедневен пример, при който редуцирането на съединението до лактат от млечната киселина се извършва чрез ферментация.

Тази реакция се случва с мускулите ви по време на упражнения. По време на упражнението мускулите ви изискват големи количества аденозин трифосфат (АТФ), за да изпълняват избраната дейност. След като АТФ спадне, мускулните влакна няма да се справят с нарастващото търсене на дишане, тъй като нивата на кислород стават ограничени и никотинамид аденин динуклеотид (NADH) се натрупва. Клетките трябва да се отърват от излишъка и да регенерират NAD+ и така пируватът ще поеме ролята на акцептор на електрони и ще започне да генерира лактат и да окислява NADH до NAD+. Повечето бактерии ще използват този път за завършване на цикъла NADH/NAD+. Точно това се случва в киселото мляко.

Откъде идва енергията при ферментацията?

Реакционните агенти в този случай са протонът, NADH и пируватът. Продуктите са NAD+ и лактат. Целият процес на ферментация дава редуциран пируват чрез образуване на млечна киселина, окисляване на NADH до образуване на NAD+. Електроните от NADH и протона се комбинират, за да редуцират пируват в лактат. Ако разгледаме тази реакция, ще видим, че при нормални условия прехвърлянето на електрони от NADH към пируват за образуване на лактат е екзогенна реакция и следователно термодинамичен резултат. Фазите на редукция и окисляване на процеса на ферментация са свързани и катализирани от ензима лактат дехидрогеназа.

Природата има няколко пътя на ферментация

Природата, каквато я познаваме, се е развила, за да завърши цикъла NADH/NAD+. Важно е да разберем общите понятия за ферментация. Обикновено клетките се опитват да поддържат баланс или постоянно съотношение между NADH и NAD+, когато съотношението стане нестабилно, клетките се опитват да компенсират чрез модулиране на клетъчните си дейности. Единственото изискване, което прави ферментацията възможна, е използването на малко съединение (органично) като акцептор на електрони за NADH и се регенерира до NAD+. Прочетете повече за естествените източници на NAD+.


Ферментация без фосфорилиране на ниво субстрат

Ферментацията е процес на извличане на енергия от окисляването на органични съединения като въглехидрати.

Цели на обучението

Дайте примери за различни видове ферментация: хомолактична, хетеролактична и алкохолна

Ключови изводи

Ключови точки

  • Ферментацията без фосфорилиране на ниво субстрат използва ендогенен акцептор на електрони, който обикновено е органично съединение.
  • Ферментацията е важна при анаеробни условия, когато няма окислително фосфорилиране, за да се поддържа производството на АТФ (аденозин трифосфат) чрез гликолиза.
  • По време на ферментацията пируватът се метаболизира до различни съединения като млечна киселина, етанол и въглероден диоксид или други киселини.

Ключови условия

  • ферментация: Всяка от многото анаеробни биохимични реакции, при които ензим (или няколко ензима, произведени от микроорганизъм) катализира превръщането на едно вещество в друго, особено превръщането (с помощта на дрожди) на захари в алкохол или оцетна киселина с отделяне на въглероден диоксид.
  • субстрат: повърхност, върху която расте или към която е прикрепен организъм
  • окислително фосфорилиране: Окислителното фосфорилиране (или накратко OXPHOS) е метаболитен път, който използва енергията, освободена от окисляването на хранителните вещества, за производство на аденозин трифосфат (АТФ).
  • акцептор на електрони: Електронният акцептор е химическа единица, която приема електрони, прехвърлени към него от друго съединение. Той е окислител, който поради приемането на електрони сам се редуцира в процеса.

Пирогрозна киселина: Пирогроздовата киселина може да се получи от глюкоза чрез гликолиза, да се превърне обратно във въглехидрати (като глюкоза) чрез глюконеогенеза или до мастни киселини чрез ацетил-КоА. Може също да се използва за конструиране на аминокиселината аланин и да се превърне в етанол. Пирогроздната киселина доставя енергия на живите клетки чрез цикъла на лимонената киселина (известен също като цикъла на Кребс), когато присъства кислород (аеробно дишане), и алтернативно ферментира, за да произвежда млечна киселина, когато кислородът липсва (ферментация).

Ферментацията е процес на извличане на енергия от окисляването на органични съединения, като въглехидрати, като се използва ендогенен акцептор на електрони, който обикновено е органично съединение. За разлика от това, дишането е мястото, където електроните се даряват на екзогенен акцептор на електрони, като кислород, чрез верига за транспорт на електрони. Ферментацията е важна при анаеробни условия, когато няма окислително фосфорилиране, за да се поддържа производството на АТФ (аденозин трифосфат) чрез гликолиза.

По време на ферментацията пируватът се метаболизира до различни съединения. Хомолактичната ферментация е производството на млечна киселина от пируват алкохолната ферментация е превръщането на пирувата в етанол и въглероден диоксид, а хетеромлечната ферментация е производството на млечна киселина, както и на други киселини и алкохоли. Ферментацията не е задължително да се извършва в анаеробна среда. Например, дори в присъствието на изобилие от кислород, дрождевите клетки много предпочитат ферментацията пред окислителното фосфорилиране, стига захарите да са лесно достъпни за консумация (феномен, известен като ефекта на Crabtree). Антибиотичната активност на хмела също инхибира аеробния метаболизъм в дрождите.

Захарите са най-често срещаният субстрат за ферментация, а типични примери за ферментационни продукти са етанол, млечна киселина, лактоза и водород. Въпреки това, по-екзотични съединения могат да бъдат получени чрез ферментация, като маслена киселина и ацетон. Дрождите извършват ферментация при производството на етанол в бира, вино и други алкохолни напитки, заедно с производството на големи количества въглероден диоксид. Ферментацията настъпва в мускулите на бозайниците по време на периоди на интензивни упражнения, когато доставката на кислород става ограничена, което води до създаването на млечна киселина.


Първа половина на гликолизата (стъпки, изискващи енергия)

Фигура 2. Първата половина на гликолизата използва две молекули АТФ при фосфорилирането на глюкозата, която след това се разделя на две три-въглеродни молекули.

Стъпка 1. Първата стъпка в гликолизата се катализира от хексокиназа, ензим с широка специфичност, който катализира фосфорилирането на шествъглеродни захари. Хексокиназата фосфорилира глюкозата, използвайки АТФ като източник на фосфат, произвеждайки глюкоза-6-фосфат, по-реактивна форма на глюкоза. Тази реакция не позволява на фосфорилираната глюкозна молекула да продължи да взаимодейства с GLUT протеините и тя вече не може да напусне клетката, тъй като отрицателно зареденият фосфат няма да й позволи да премине през хидрофобната вътрешност на плазмената мембрана.

Стъпка 2. Във втория етап на гликолизата, изомераза превръща глюкозо-6-фосфат в един от неговите изомери, фруктозо-6-фосфат. Ан изомераза е ензим, който катализира превръщането на молекула в един от нейните изомери. Тази промяна от фосфоглюкоза към фосфофруктоза позволява евентуалното разделяне на захарта на две три-въглеродни молекули.

Стъпка 3. Третата стъпка е фосфорилирането на фруктоза-6-фосфат, катализирано от ензима фосфофруктокиназа. Втора молекула АТФ дарява високоенергиен фосфат на фруктозо-6-фосфат, произвеждайки фруктозо-1,6-бифосфат. По този път фосфофруктокиназата е ензим, ограничаващ скоростта. Той е активен, когато концентрацията на ADP е висока, е по-малко активен, когато нивата на ADP са ниски и концентрацията на ATP е висока. По този начин, ако има “достатъчно” ATP в системата, пътят се забавя. Това е вид инхибиране на краен продукт, тъй като АТФ е краен продукт на катаболизма на глюкозата.

Стъпка 4. Новодобавените високоенергийни фосфати допълнително дестабилизират фруктозо-1,6-бифосфата. Четвъртата стъпка в гликолизата използва ензим, алдолаза, за разцепване на 1,6-бифосфата на два тривъглеродни изомера: дихидроксиацетон-фосфат и глицералдехид-3-фосфат.

Стъпка 5. В петата стъпка, изомераза трансформира дихидроксиацетон-фосфата в неговия изомер, глицералдехид-3-фосфат. Така пътят ще продължи с две молекули от един изомер. В този момент от пътя има нетна инвестиция на енергия от две молекули АТФ в разграждането на една молекула глюкоза.


Колко АТФ се произвеждат от всеки NADH, който влиза във веригата за транспортиране на електрони?

NADH 2.5 или 3 ATP е? За преминаване на електроните от НАДХ до последния акцептор на кислород, общо 10 протона се транспортират от матрикса до интермитохондриалната мембрана. 4 протона през комплекс 1,4 чрез комплекс 3 и 2 чрез комплекс 4. Така за НАДХ&mdash 10/4=2.5 ATP е произведени всъщност. По същия начин за 1 FADH2 се преместват 6 протона, така че 6/4= 1,5 АТФ е произведени.

Следователно, колко АТФ могат да бъдат направени от всеки NADH по време на процеса на транспортиране на електрони?

Транспорт на електрони започва с няколко молекули на НАДХ и FADH2 от цикъла на Кребс и прехвърля енергията си в като много като още 34 АТФ молекули. Всичко казано, тогава, до 38 молекули АТФ може се произвежда само от една молекула глюкоза в процес на аеробно дишане.

Клетъчно дишане произвежда 36 обща сума АТФ на молекула глюкоза през три етапа. Разрушаването на връзките между въглеродните атоми в глюкозната молекула освобождава енергия. Има и високоенергийни електрони, уловени под формата на 2 NADH (електронни носители), които ще бъдат използвани по-късно във веригата за транспорт на електрони.


Резюме – NAD+ срещу NADH срещу NADPH

NAD + NADH и NADPH са коензими, които участват в биологичните реакции. Те са производни на витамин В3 или ниацин. Те участват в редокс реакции. В обобщение на разликата между NAD + NADH и NADPH, NAD + е в окислена форма на NADH, докато NADH е редуцираната форма на NAD +. NADPH, от друга страна, се състои от допълнителна фосфатна група от NADH и се генерира чрез пентозофосфатния път. Освен това NAD + и NADH участват в катаболните реакции, докато NADPH участва в анаболните реакции. Също така, NAD + е окислител, докато NADH и NADPH са редуциращи агенти.

Справка:

1. Ying, W. "NAD /NADH и NADP /NADPH в клетъчните функции и клетъчната смърт: регулация и биологични последици." Текущи доклади по неврология и невронаука., Национална медицинска библиотека на САЩ, февруари 2008 г. Достъпно тук

Изображение с любезното съдействие:

1.”NAD+ Окисление и редукция”От JacobShalk – Собствена работа, (CC BY-SA 4.0) чрез Commons Wikimedia
2.”NADH phys”От NEUROtiker – Собствена работа, (Public Domain) чрез Commons Wikimedia
3.”NADPH”От Tagm2A във френската Wikipedia – Собствена работа (обществено достояние) чрез Commons Wikimedia


Гледай видеото: NADPH and NADH (Февруари 2023).