معلومة

2017_SS1_Lecture_06 - علم الأحياء

2017_SS1_Lecture_06 - علم الأحياء


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.

التمثيل الغذائي في BIS2A

يمثل التمثيل الغذائي الخلوي ما يقرب من ثلث منهج BIS2A. سوف تتعلم عن بعض التفاعلات الكيميائية الشائعة المرتبطة بتحول اللبنات الجزيئية للحياة وحول الأنماط الأساسية المختلفة لنقل الطاقة التي ستواجهها غالبًا في علم الأحياء. ستصبح قصة الطاقة ونماذج تحدي التصميم المقدمة سابقًا ذات أهمية متزايدة في هذه الوحدات القليلة التالية وما بعدها.

ماذا تعلمنا؟ كيف سترتبط بعملية التمثيل الغذائي؟

  1. لقد ركزنا على تحديد الخصائص الكيميائية للمجموعات الوظيفية البيولوجية الشائعة. بينما نغوص في عملية التمثيل الغذائي ، سيساعدك هذا على التعرف على الطبيعة الكيميائية / تفاعل المركبات التي لم ترها من قبل وأحيانًا حتى التنبؤ بها.
  2. لقد تدربنا على التعرف على الجزيئات وتصنيفها إلى أربع مجموعات وظيفية رئيسية. سيساعدك هذا عندما نبدأ في مناقشة كيفية بناء وتفكيك هذه الجزيئات.
  3. لقد تعلمنا بعض الديناميكا الحرارية الأساسية ، مما أعطانا مجموعة مشتركة من المفاهيم التي يمكننا من خلالها مناقشة ما إذا كان من المحتمل حدوث تفاعل كيميائي حيوي أو عملية ، وإذا كان الأمر كذلك ، في أي اتجاه ومدى السرعة. سيكون هذا أمرًا بالغ الأهمية عندما نبدأ في النظر في بعض الأنواع الرئيسية من التفاعلات التي تحدث في عملية التمثيل الغذائي.
  4. لقد تعلمنا وتدربنا على عنوان قصة الطاقة. سيسمح لنا هذا أيضًا بفحص التفاعلات والعمليات الكيميائية الحيوية الجديدة بشكل منهجي ومناقشتها بلغة مشتركة ونهجًا متسقًا ويعزز الدروس التي تعلمناها حول الديناميكا الحرارية.

لمحة موجزة عن هذا القسم

  • سوف تتعرف على مفهوم هام يسمى إمكانية التخفيض وستتاح لك الفرصة لاستخدام برج الأكسدة والاختزال. هناك أيضًا مناقشة حول كيمياء الأكسدة والاختزال في دليل المناقشة الخاص بك. تأكد من استخدام كلا المصدرين.
  • سوف تتعرف على لاعبين رئيسيين في التمثيل الغذائي ، ATP و NADH. يُتوقع منك التعرف على هياكلها إذا تم عرضها في الامتحان.
  • سيتم تغطية تحلل السكر في المسار الأيضي بالتفصيل. ضع في اعتبارك أننا نريدك أن تكون قادرًا على النظر إلى أي تفاعل وإخبارنا بقصة طاقة عن هذا التفاعل. لا ينبغي بأي حال من الأحوال قضاء الوقت في محاولة حفظ هذه المسارات (على الرغم من أنه سيساعد بشكل كبير على تذكر بعض الأشياء ذات الصورة الكبيرة - سيتم التأكيد عليها). غالبًا ما نعطيك المسار كشخصية في الامتحانات. ينتج تحلل السكر في النهاية 2 ATP عبر عملية تسمى الفسفرة على مستوى الركيزة ، 2 NADH و 2 من مركبات البيروفات.
  • سنستخدم تفاعلات دورة TCA لإنشاء أمثلة متعددة لقصص الطاقة. ستنتج دورة TCA أيضًا المزيد من ATP و NADH وتؤكسد الجلوكوز تمامًا في CO2.
  • سننظر في مسار بديل لمسار دورة TCA ، التخمير. في التخمير لأول مرة سنرى NADH يستخدم كمتفاعل في تفاعل التمثيل الغذائي.
  • سوف نتبع NADH حتى نهاية رحلتها ، حيث تتبرع بإلكتروناتها إلى سلسلة نقل الإلكترون (ETC). في هذه الوحدة ، ستحتاج إلى أن تكون قادرًا على استخدام برج الأكسدة والاختزال. ينتج ETC تدرج بروتون. لا يتم إنشاء ATP مباشرة في هذه العملية. ومع ذلك ، يتم استخدام التدرج البروتوني من قبل الخلية (من بين أشياء أخرى) لتشغيل إنزيم يسمى سينسيز ATP الذي يحفز التفاعل ADP + Pi -> ATP. ينتج عن طريقة إنتاج ATP (التي تسمى التنفس التأكسدي) إنتاج المزيد من ATP أكثر من عملية الفسفرة على مستوى الركيزة.
  • وأخيرًا ، سوف نمر بعملية التمثيل الضوئي.

تفاعلات الأكسدة والاختزال

في هذه الفئة ، فإن غالبية تفاعلات الأكسدة / الاختزال تحدث التفاعلات التي نناقشها في سياق المسارات الأيضية (مجموعات متصلة من التفاعلات الأيضية) حيث يمكن للخلية أن تستهلك المركبات ، وتنقسم إلى أجزاء أصغر ثم يعاد تجميعها في جزيئات كبيرة.

لنبدأ ببعض ردود الفعل العامة

يؤدي نقل الإلكترونات بين مركبين إلى فقدان أحد هذين المركبين إلكترونًا ، ويكتسب أحد المركبات إلكترونًا. على سبيل المثال ، انظر إلى الشكل أدناه. إذا استخدمنا نموذج تقييم قصة الطاقة لإلقاء نظرة على التفاعل الكلي ، فيمكننا مقارنة خصائص المواد المتفاعلة والمنتجات قبل وبعد. ماذا يحدث للمادة (الأشياء) قبل وبعد التفاعل؟ يبدأ المركب A كمحايد ويصبح مشحونًا بشكل إيجابي. يبدأ المركب B كمحايد ويصبح سالبًا. نظرًا لأن الإلكترونات مشحونة سالبًا ، يمكننا متابعة حركة الإلكترونات من المركب A إلى B من خلال النظر إلى التغير في الشحنة. يفقد A إلكترونًا (يصبح شحنة موجبة) ، وبذلك نقول إن A قد أصبح مؤكسدًا. أكسدةيرتبط بفقدان الإلكترون (الإلكترونات). يكتسب B الإلكترون (يصبح سالبًا) ، ونقول أن B قد انخفض. تخفيضيرتبط باكتساب الإلكترونات. نعلم أيضًا ، نظرًا لحدوث شيء ما ، يجب نقل الطاقة و / أو إعادة تنظيمها في هذه العملية وسننظر في ذلك قريبًا.

شكل 1. تفاعل أحمر / ثور عام. رد الفعل الكامل هو أن A + B يذهب إلى A+ + ب-. يظهر رد الفعل النصفين في المربع الأزرق. يتأكسد A بالتفاعل ويقلل B بالتفاعل.

بعبارة أخرى ، عند فقد إلكترون (إلكترون) ، أو عند فقد الجزيء مؤكسد، يجب أن ينتقل الإلكترون (الإلكترونات) بعد ذلك إلى جزيء آخر. يقال إن الجزيء الذي يكتسب الإلكترون هو انخفاض. *** تفاعلات الأكسدة والاختزال يقترن دائما في ما يعرف ب تفاعل الأكسدة والاختزال (وتسمى أيضًا تفاعل أحمر / ثور). ****

نتوقع منك في Bis2A التعرف على هذه المصطلحات. حاول تعلمها وتعلم كيفية استخدامها في أسرع وقت ممكن - سنستخدم المصطلحات بشكل متكرر ولن يكون لدينا الوقت لتعريفها في كل مرة.

تذكر التعاريف:

رد الفعل النصف

لإضفاء الطابع الرسمي على فهمنا المشترك لتفاعلات الأحمر / الثور ، نقدم مفهوم نصف رد الفعل. مطلوب نصفي رد الفعل لعمل رد فعل كامل أحمر / ثور. يمكن اعتبار كل نصف تفاعل على أنه وصف لما يحدث لأحد الجزيئين المتورطين في تفاعل الأحمر / الثور. هذا موضح أدناه. في هذا المثال ، يتم أكسدة المركب AH بواسطة المركب B+؛ تتحرك الإلكترونات من AH إلى B.+ لتوليد أ+ و BH. يمكن اعتبار كل تفاعل على أنه تفاعلان نصفيان: حيث يتأكسد AH وتفاعل ثان حيث B+ يتم تخفيضه إلى BH. تعتبر ردود الفعل هذين مقرون، وهو مصطلح يشير إلى أن هذين التفاعلين يحدثان معًا في نفس الوقت.

الشكل 2. تفاعل أحمر / ثور عام حيث يتم أكسدة المركب AH بواسطة المركب B+. يمثل كل نصف تفاعل نوعًا واحدًا أو مركبًا إما لفقد أو اكتساب إلكترونات (وبروتون لاحق كما هو موضح في الشكل أعلاه). في رد فعل نصف # 1 AH تفقد بروتون وإلكترونين: في رد فعل النصف الثاني ، B+ يكتسب 2 إلكترون وبروتون. في هذا المثال يتأكسد HA إلى A.+ بينما ب+ يتم تقليله إلى BH.

مناقشة ممكنة

إذا كنت تفكر في تفاعل أحمر / ثور عام وعاودت التفكير في المحاضرات الديناميكية الحرارية ، فما العامل الذي سيحدد ما إذا كان تفاعل الأحمر / الثور "سيذهب" في اتجاه معين تلقائيًا وما الذي قد يحدد معدله؟

إمكانية التخفيض

وفقًا للاتفاقية ، نقوم بتحليل ووصف تفاعلات الأحمر / الثور فيما يتعلق بـ إمكانات التخفيض، وهو مصطلح يصف كميًا "قدرة" المركب على اكتساب الإلكترونات. يتم تحديد قيمة إمكانية الاختزال هذه تجريبيًا ولكن لغرض هذه الدورة التدريبية ، نفترض أن القارئ سيقبل أن القيم المبلغ عنها صحيحة بشكل معقول. يمكننا تجسيد إمكانات الاختزال بالقول إنها مرتبطة بالقوة التي يمكن للمركب من خلالها "جذب" أو "سحب" أو "التقاط" الإلكترونات. ليس من المستغرب أن يرتبط هذا بالسلبية الكهربية ولكنه لا يتطابق معها.

ما هي هذه الخاصية الجوهرية لجذب الإلكترونات؟

المركبات المختلفة ، بناءً على بنيتها وتكوينها الذري ، لها عوامل جذب جوهرية ومميزة للإلكترونات. هذه الجودة تسمى إمكانية التخفيض أو E0 'وهي كمية نسبية (مقارنة ببعض "اساسي" تفاعل). إذا كان لمركب الاختبار "جاذبية" أقوى للإلكترونات من المعيار (إذا تنافس الاثنان ، فإن مركب الاختبار "سيأخذ" الإلكترونات من المركب القياسي) ، فإننا نقول إن مركب الاختبار لديه إمكانية تخفيض موجبة يتناسب حجمها مع فكم بالحري الذي يريده من الإلكترونات أكثر من المركب القياسي. يتم قياس القوة النسبية للمركب مقارنة بالمعيار والإبلاغ عنها بوحدات فولت (V)(يكتب أحيانًا على هيئة إلكترون فولت أو eV) أو مللي فولت (بالسيارات). المركب المرجعي في معظم أبراج الثور الأحمر هو H2.

مناقشة ممكنة

أعد الصياغة بنفسك: كيف تصف أو تفكر في الفرق بين مفهوم الكهربية وإمكانية الأحمر / الثور؟

برج الثور الأحمر

يمكن لجميع أنواع المركبات المشاركة في تفاعلات الأحمر / الثور. تم تطوير أداة لجدولة تفاعلات نصف الأحمر / الثور بيانياً بناءً على E.0' القيم ولمساعدتنا على التنبؤ باتجاه تدفق الإلكترون بين المتبرعين والمقبلين للإلكترون المحتملين. يعتمد ما إذا كان مركب معين يمكن أن يعمل كمتبرع للإلكترون (مختزل) أو متقبل للإلكترون (مؤكسد) بشكل حاسم على المركب الآخر الذي يتفاعل معه. عادةً ما يصنف برج الإلكترون مجموعة متنوعة من المركبات الشائعة (تفاعلاتها النصفية) من معظم E سالب0'، المركبات التي تتخلص بسهولة من الإلكترونات ، إلى الموجبة E الأكثر0'والمركبات الأكثر احتمالاً لقبول الإلكترونات. بالإضافة إلى ذلك ، تتم كتابة كل نصف تفاعل بالاتفاق مع الشكل المؤكسد على اليسار / متبوعًا بالصيغة المختصرة على يمين الشرطة المائلة.
على سبيل المثال رد الفعل النصف للحد من NAD+ إلى NADH هو مكتوب:
NAD+/ NADH. في البرج أدناه ، يتم أيضًا سرد عدد الإلكترونات التي يتم نقلها. على سبيل المثال الحد من NAD+ ل NADH يتضمن إلكترونين ، مكتوبين في الجدول كـ 2e-.

يظهر برج الإلكترون أدناه.

شكل مؤكسد

قلل من

ن (إلكترونات)

Eo´ (فولت)

PS1 * (ثور)

PS1 * (أحمر)

-

-1.20

أسيتات + كو2

البيروفات

2

-0.7

فيلفيروكسين (ثور) النسخة 1

فيفيروكسين (أحمر) النسخة 1

1

-0.7

سكسينات + كو2 + 2 ح+

أ- كيتوجلوتارات + H.2ا

2

-0.67

PSII * (ثور)

PSII * (أحمر)

-

-0.67

P840 * (ثور)

PS840 * (أحمر)

-

-0.67

خلات

أسيتالدهيد

2

-0.6

الجلسرات -3 ف

جليسيرالدهيد -3 ف + ح2ا

2

-0.55

ا2

ا2-

1

-0.45

فيلفيروكسين (ثور) الإصدار 2

فيفيروكسين (أحمر) الإصدار 2

1

-0.43

كو2

الجلوكوز

24

-0.43

كو2

فورمات

2

-0.42

2 س +

ح2

2

-0.42

ألفا كيتوجلوتارات + كو2 + 2 ح+

متساوي السيترات

2

-0.38

أسيتو أسيتات

ب-هيدروكسي بوتيرات

2

-0.35

سيستين

سيستين

2

-0.34

بيروفات + كو2

مالات

2

-0.33

NAD+ + 2 ح+

NADH + H+

2

-0.32

NADP+ + 2 ح+

NADPH + H+

2

-0.32

مجمع أنا FMN (مرتبط بالإنزيم)

FMNH2

2

-0.3

حمض ليبويك (ثور)

حمض ليبويك (أحمر)

2

-0.29

1.3 بيسفوسفوجليسيرات + 2 ح+

غليسرالدهيد-3-ف + فأنا

2

-0.29

الجلوتاثيون (الثور)

الجلوتاثيون (أحمر)

2

-0.23

موضة عابرة+ (مجاني) + 2H+

FADH2

2

-0.22

أسيتالدهيد + 2 ح+

الإيثانول

2

-0.2

بيروفات + 2 ح+

اللاكتات

2

-0.19

أوكسالاسيتات + 2 ح+

مالات

2

-0.17

ألفا كيتوجلوتارات + NH4+

الغلوتامات

2

-0.14

موضة عابرة+ + 2 ح+ (مقيد)

FADH2 (مقيد)

2

0.003-0.09

الميثيلين الأزرق ، (ثور)

الميثيلين الأزرق (أحمر)

2

0.01

فومارات + 2 ح+

سكسينات

2

0.03

CoQ (يوبيكوينون - UQ + H.+)

UQH.

1

0.031

جامعة قطر +2 ح+

UQH2

2

0.06

حمض ديهيدرواسكوربيك

حمض الاسكوربيك

2

0.06

بلاستوكينون. (ثور)

بلاستوكينون. (أحمر)

-

0.08

يوبيكوينون. (ثور)

يوبيكوينون. (أحمر)

2

0.1

المجمع الثالث السيتوكروم ب2؛ الحديد3+

السيتوكروم ب2؛ Fe2+

1

0.12

Fe3+ (الرقم الهيدروجيني = 7)

الحديد2+ (الرقم الهيدروجيني = 7)

1

0.20

المجمع الثالث السيتوكروم ج1؛ Fe3+

السيتوكروم ج1؛ الحديد2+

1

0.22

السيتوكروم ج ؛ Fe3+

السيتوكروم ج ؛ الحديد2+

1

0.25

المجمع الرابع السيتوكروم أ ؛ الحديد3+

السيتوكروم أ ؛ الحديد2+

1

0.29

1/2 س2 + ح2ا

ح2ا2

2

0.3

P840ع (ثور)

PS840ع (أحمر)

-

0.33

المجمع الرابع السيتوكروم أ3؛ الحديد3+

السيتوكروم أ3؛ الحديد2+

1

0.35

فيريسيانيد

فيروسيانيد

2

0.36

السيتوكروم و ؛ الحديد3+

السيتوكروم و ؛ الحديد2+

1

0.37

PSIع (ثور)

PSIع (أحمر)

.

0.37

نترات

النتريت

1

0.42

الحديد3+ (الرقم الهيدروجيني = 2)

Fe2+ (الرقم الهيدروجيني = 2)

1

0.77

1/2 س2 + 2 ح+

ح2ا

2

0.816

PSIIع (ثور)

PSIIع (أحمر)

-

1.10

* الحالة المثارة ، بعد امتصاص فوتون من الضوء

GS Ground State ، الحالة السابقة لامتصاص فوتون من الضوء

PS1: نظام ضوئي أكسجين I

P840: مركز تفاعل بكتيري يحتوي على جرثومي كلوروفيل (غير مؤكسد)

PSII: نظام ضوئي أكسجين II

الجدول 1. برج الثور الأحمر الشائع المستخدم في Bis2A. وفقًا للاتفاقية ، تتم كتابة تفاعلات نصف البرج بالشكل المؤكسد للمركب على اليسار والشكل المختزل على اليمين. المركبات التي تجعل مانحًا جيدًا للإلكترون لها إمكانات اختزال سلبية للغاية. تعتبر المركبات مثل الجلوكوز وغاز الهيدروجين مانحين ممتازين للإلكترون. على النقيض من ذلك ، فإن المركبات التي تصنع متقبلات إلكترون ممتازة ، مثل الأكسجين والنتريت لها.

فيديو على برج الإلكترون

للحصول على فيديو قصير حول كيفية استخدام برج الإلكترون في مشاكل الأحمر / الثور ، انقر هنا أو أدناه. هذا الفيديو من صنع د. إيسلون لطلاب Bis2A. (هذا مفيد للغاية.)

ما هي العلاقة بين ΔE0' و ΔG?

يصبح السؤال الآن: كيف نعرف ما إذا كان أي رد فعل معطى من الأحمر / الثور تلقائيًا أم لا (طارد للطاقة أو مفاقم الطاقة) وبغض النظر عن الاتجاه ، ما هو فرق الطاقة الحرة؟ تكمن الإجابة في الاختلاف في إمكانات الاختزال للمركبين. الفرق في احتمال الاختزال للتفاعل أو E0 ' لرد الفعل ، هو الفرق بين E.0' ل مؤكسد (المركب الذي يحصل على الإلكترونات ويسبب أكسدة المركب الآخر) و مختزل (المركب الذي يفقد الإلكترونات). في المثال العام أدناه ، AH هو الاختزال و B+ هو المؤكسد. تتحرك الإلكترونات من AH إلى B.+. باستخدام حرف E.0' من -0.32 للمختزل و +0.82 للمؤكسد ، التغيير الكلي في E0' أو ΔE0 ' هو 1.14 فولت.

الشكل 3. تفاعل أحمر / ثور عام مع نصف تفاعلات مكتوبة بإمكانية الاختزال (E.0') من نصفي ردود الفعل المشار إليها.

التغيير في ΔE0' يرتبط بالتغييرات في طاقة جيبس ​​الحرة ، ΔG. بشكل عام كبير ΔE إيجابي0' يتناسب مع ΔG سالب كبير. ردود الفعل مفرطة وعفوية. لكي يكون التفاعل مفرط الطاقة ، يجب أن يكون للتفاعل تغير سلبي في الطاقة الحرة أو -ΔG، هذا سوف يتوافق مع الإيجابية ΔE0'. بعبارة أخرى ، عندما تتدفق الإلكترونات "منحدرًا" في تفاعل أحمر / ثور من مركب بقدرة اختزال أعلى (أكثر إيجابية) إلى مركب آخر بإمكانية اختزال أقل (أقل إيجابية) ، فإنها تطلق طاقة حرة. كلما زاد الجهد ، ΔE0'بين المكونين ، كلما زادت الطاقة المتاحة عند حدوث تدفق الإلكترون. في الواقع ، من الممكن تحديد كمية الطاقة المجانية المتاحة. يتم إعطاء العلاقة بواسطة معادلة Nernst:

الشكل 4. تتعلق معادلة نرنست بالطاقة الحرة لتفاعل أحمر / ثور مع الاختلاف في جهد الاختزال بين المنتجات المختزلة للتفاعل والمتفاعل المؤكسد.
الإسناد: مارك T. Facciotti

أين:

  • ن هو عدد مولات الإلكترونات المنقولة
  • F هو ثابت فاراداي البالغ 96.485 كيلو جول / فولت. في بعض الأحيان يتم إعطاؤه بوحدات kcal / V وهي 23.062 kcal / V ، وهي كمية الطاقة (بالكيلو جول أو كيلو كالوري) التي يتم إطلاقها عندما يمر مول واحد من الإلكترونات عبر انخفاض محتمل قدره 1 فولت

ملحوظة

ما يجب أن تلاحظه هو أن ΔG و E لهما علاقة عكسية: عندما تكون G موجبة ، تكون E سالبة وعندما تكون G سالبة ، تكون E موجبة. للحصول على مراجعة إضافية ، راجع مناقشة red / ox في دليل مناقشة Bis2A.

مقدمة عن ناقلات الطاقة المتنقلة

ملخص القسم

يتم تحريك الطاقة ونقلها داخل الخلية بعدة طرق. إحدى الآليات المهمة التي طورتها الطبيعة هي استخدام ناقلات الطاقة الجزيئية القابلة لإعادة التدوير. في حين أن هناك العديد من ناقلات الطاقة الرئيسية القابلة لإعادة التدوير ، فإنها تشترك جميعًا في بعض الميزات الوظيفية المشتركة:

خصائص ناقلات الطاقة الجزيئية الخلوية الرئيسية

  • نعتقد أن ناقلات الطاقة موجودة في "مجمعات" من شركات النقل المتاحة. يمكن للمرء ، على سبيل القياس ، أن يعتبر ناقلات الطاقة المتنقلة هذه مماثلة لمركبات التوصيل الخاصة بشركات نقل الطرود - تمتلك الشركة "مجموعة" معينة من المركبات المتاحة في أي وقت لالتقاطها وتسليمها.
  • يمكن أن يتواجد كل ناقل فردي في البركة في واحدة من عدة حالات متميزة: إما أنها تحمل "حمولة" من الطاقة ، أو حمولة جزئية ، أو "فارغة". يمكن للجزيء أن يتحول بين "محمّل" وفارغ وبالتالي يمكن إعادة تدويره. مرة أخرى عن طريق القياس ، يمكن أن تكون مركبات التوصيل إما تحمل طرودًا أو تكون فارغة وتتحول بين هذه الحالات.
  • التوازن أو النسبة في المجموعة بين الحاملات "المحملة" و "غير المحملة" مهمة للوظيفة الخلوية ، تنظمها الخلية ، ويمكن أن تخبرنا في كثير من الأحيان بشيء عن حالة الخلية. وبالمثل ، تحتفظ خدمة نقل الطرود بعلامات تبويب وثيقة حول مدى امتلاء أو تفريغ سيارات التوصيل الخاصة بهم - إذا كانت ممتلئة جدًا ، فقد لا تكون هناك شاحنات "فارغة" كافية لالتقاط طرود جديدة ؛ إذا كانت فارغة جدًا ، يجب ألا تسير الأعمال على ما يرام أو يتم إغلاقها. هناك توازن مناسب لمواقف مختلفة.

في هذه الدورة ، سوف ندرس نوعين رئيسيين من ناقلات الطاقة الجزيئية القابلة لإعادة التدوير: (1) نيوكليوتيدات الأدينين ، على وجه التحديد: نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD+)قريب قريب ، نيكوتيناميد فوسفات الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NADP+)، و فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD2+) و (2) النوكليوتيدات أحادية وثنائية وثلاثي الفوسفات ، مع إيلاء اهتمام خاص ل ثلاثي فوسفات الأدينوزين (ATP). يشارك كل نوع من هذين النوعين من الجزيئات في نقل الطاقة الذي يتضمن فئات مختلفة من التفاعلات الكيميائية. ترتبط نيوكليوتيدات الأدينين بشكل أساسي بكيمياء الأكسدة والاختزال ، بينما ترتبط النوكليوتيدات ثلاثية الفوسفات بنقل الطاقة المرتبطة بالتحلل المائي أو تكثيف الفوسفات غير العضوي.

كيمياء الأحمر / الثور وحاملات الإلكترون

تؤدي أكسدة أو إزالة الإلكترون من جزيء (سواء كان مصحوبًا بإزالة البروتون المصاحب أم لا) إلى تغيير الطاقة الحرة لذلك الجزيء - تغيرت المادة والطاقة الداخلية والإنتروبيا في هذه العملية . وبالمثل ، فإن تقليل (اكتساب الإلكترون على) الجزيء يغير أيضًا طاقته الحرة. يحدد حجم التغيير في الطاقة الحرة واتجاهها (موجب أو سلبي) لتفاعل أحمر / ثور عفوية التفاعل ومقدار الطاقة المنقولة. في الأنظمة البيولوجية ، حيث يحدث قدر كبير من نقل الطاقة عبر تفاعلات الأحمر / الثور ، من المهم فهم كيفية توسط هذه التفاعلات والبدء في التفكير في الأفكار أو الفرضيات عن سبب توسط هذه التفاعلات في كثير من الحالات بواسطة عائلة صغيرة من ناقلات الإلكترون.

ملاحظة: مناقشة ممكنة

تعد المشكلة التي تم الإشارة إليها في سؤال المناقشة السابق مكانًا رائعًا لبدء تقديم نموذج تقييم تحدي التصميم. إذا كنت تتذكر ، فإن الخطوة الأولى من نموذج التقييم تطلب منك تحديد مشكلة أو سؤال. في هذه الحالة ، دعنا نتخيل أن هناك مشكلة في تحديد أي من الشركات الحاملة للإلكترون المحمولة أدناه ساعدت Nature في حلها.

*** تذكر أن التطور لا يمثل حلولًا للمهندس المتقدم للمشكلات ، ولكن في وقت لاحق ، يمكننا استخدام خيالنا ومنطقنا لاستنتاج أن ما نراه محفوظًا بالانتقاء الطبيعي يوفر ميزة انتقائية ، لأن الابتكار الطبيعي "حل" مشكلة هذا النجاح المحدود. ***

تحدي التصميم لناقلات الأحمر / الثور

  • ما هي المشكلة (المشكلات) التي ساعد تطور حاملات الإلكترون / الأحمر / الثور في حلها؟
  • تطلب منك الخطوة التالية من تحدي التصميم تحديد معايير الحلول الناجحة. ما هي معايير النجاح في المشكلة التي حددتها؟
  • تطلب منك الخطوة 3 في تحدي التصميم تحديد الحلول الممكنة. حسنًا ، لقد حددت الطبيعة بعضًا لنا - نأخذ في الاعتبار ثلاثة في القراءة أدناه. يبدو أن الطبيعة سعيدة بوجود حلول متعددة لهذه المشكلة.
  • تطلب منك الخطوة قبل الأخيرة من نموذج تقييم تحدي التصميم تقييم الحلول المقترحة وفقًا لمعايير النجاح. يجب أن يجعلك هذا تفكر / تناقش سبب وجود العديد من ناقلات الإلكترون المختلفة. هل هناك معايير مختلفة للنجاح؟ هل كل منهما يحل مشاكل مختلفة قليلاً؟ ماذا تعتقد؟ كن على اطلاع بينما نمر بعملية التمثيل الغذائي بحثًا عن أدلة.

NAD + / H و FADH / H.2

في الأنظمة الحية ، تعمل فئة صغيرة من المركبات كمكوكات إلكترونية: فهي تربط الإلكترونات وتحملها بين المركبات في مسارات أيضية مختلفة. ناقلات الإلكترون الرئيسية التي سننظر فيها مشتقة من مجموعة فيتامين ب وهي مشتقات من النيوكليوتيدات. يمكن اختزال هذه المركبات (أي أنها تقبل الإلكترونات) أو تتأكسد (تفقد الإلكترونات) اعتمادًا على إمكانات الاختزال لمتبرع أو متقبل للإلكترون محتمل أنها قد تنقل الإلكترونات من وإلى. نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD+) (الهيكل الموضح أدناه) مشتق من فيتامين ب3النياسين. NAD+ هو الشكل المؤكسد للجزيء ؛ NADH هو الشكل المختزل للجزيء بعد أن يقبل إلكترونين وبروتون (وهما معًا ما يعادل ذرة هيدروجين مع إلكترون إضافي).

نتوقع منك حفظ شكلي NAD+/ NADH ، تعرف على الشكل الذي يتأكسد والذي يتم تقليله ، ويكون قادرًا على التعرف على أي شكل على الفور في سياق تفاعل كيميائي.

NAD+ يمكن أن يقبل الإلكترونات من جزيء عضوي وفقًا للمعادلة العامة:

فيما يلي مراجعة بعض المفردات: عند إضافة إلكترونات إلى مركب ، يُقال أن المركب كان كذلك انخفاض. يُطلق على المركب الذي يقلل (يتبرع بالإلكترونات) الآخر أ الحد من وكيل. في المعادلة أعلاه ، RH هو عامل مختزل ، و NAD+ يتم تقليله إلى NADH. عندما تُزال الإلكترونات من المركب ، تتأكسد. يسمى المركب الذي يؤكسد آخر عامل مؤكسد. في المعادلة أعلاه ، NAD+ هو عامل مؤكسد ، ويتأكسد ر.

تحتاج إلى الحصول على هذا! سنقوم (أ) باختبار قدرتك على القيام بذلك على وجه التحديد (كأسئلة "سهلة") ، و (ب) سنستخدم المصطلحات مع توقع أنك تعرف ما تعنيه ويمكن ربطها بالتفاعلات الكيميائية الحيوية بشكل صحيح (في الفصل وفي الاختبارات).

ستواجه أيضًا نوعًا آخر من NAD+، NADP+. إنه مشابه جدًا من الناحية الهيكلية لـ NAD+، لكنها تحتوي على مجموعة فوسفات إضافية وتلعب دورًا مهمًا في التفاعلات الابتنائية ، مثل التمثيل الضوئي. حامل إلكترون آخر قائم على النوكليوتيدات ستواجهه أيضًا في هذه الدورة التدريبية وما بعدها ، وهو فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD+) ، مشتق من فيتامين ب2، ويسمى أيضًا الريبوفلافين. شكله المصغر هو FADH2. تعلم كيفية التعرف على هذه الجزيئات كحاملات للإلكترون أيضًا.

شكل 1. الشكل المؤكسد لحامل الإلكترون (NAD+) على اليسار ، والنموذج المصغر (NADH) يظهر على اليمين. تحتوي القاعدة النيتروجينية في NADH على أيون هيدروجين واحد وإلكترونين أكثر من NAD+.

NAD+ تستخدمه الخلية "لسحب" الإلكترونات من المركبات و "حملها" إلى مواقع أخرى داخل الخلية ؛ وهكذا يطلق عليه حامل الإلكترون. NAD+تُستخدم مركبات / H في العديد من عمليات التمثيل الغذائي التي سنناقشها في هذه الفئة. على سبيل المثال ، في شكله المؤكسد ، NAD+ يستخدم كمتفاعل في تحلل السكر ودورة TCA ، بينما في شكله المختزل (NADH) ، فهو متفاعل في تفاعلات التخمير وسلسلة نقل الإلكترون (ETC). ستتم مناقشة كل من هذه العمليات في وحدات لاحقة.

قصة طاقة لتفاعل أحمر / ثور

*** كقاعدة عامة ، عندما نرى NAD + / H كمتفاعل أو منتج ، فإننا نعلم أننا ننظر إلى تفاعل أحمر / ثور. ***

عندما يكون NADH منتجًا و NAD+ متفاعل ، ونحن نعلم أن NAD+ قد انخفض (تشكيل NADH) ؛ لذلك ، يجب أن يكون المتفاعل الآخر هو المتبرع للإلكترون ويتأكسد. والعكس صحيح أيضا. إذا أصبح NADH NAD+، ثم يجب أن يكون المتفاعل الآخر قد اكتسب الإلكترون من NADH وأصبح مختزلًا.

الشكل 2. يوضح هذا التفاعل تحويل البيروفات إلى حمض اللاكتيك إلى جانب تحويل NADH إلى NAD+. المصدر: https://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Enzyme/sequential_reactions

في الشكل أعلاه ، نرى البيروفات يصبح حمض اللاكتيك ، إلى جانب تحويل NADH إلى NAD+. يتم تحفيز هذا التفاعل بواسطة LDH. باستخدام "قاعدة التجربة" أعلاه ، نصنف رد الفعل هذا على أنه تفاعل أحمر / ثور. NADH هو الشكل المصغر لحامل الإلكترون ، ويتم تحويل NADH إلى NAD+. ينتج عن هذا النصف من التفاعل أكسدة حامل الإلكترون. يتم تحويل البيروفات إلى حمض اللاكتيك في هذا التفاعل. كل من هذه السكريات مشحونة سالبة ، لذلك سيكون من الصعب معرفة المركب الذي يتم تقليله بشكل أكبر باستخدام شحنات المركبات. ومع ذلك ، فإننا نعلم أن البيروفات قد تقلص لتكوين حمض اللاكتيك ، لأن هذا التحويل يقترن بأكسدة NADH إلى NAD+. ولكن كيف يمكننا معرفة أن حمض اللاكتيك أقل من البيروفات؟ الجواب هو النظر إلى روابط الكربون والهيدروجين في كلا المركبين. أثناء نقل الإلكترونات ، غالبًا ما تكون مصحوبة بذرة هيدروجين. يوجد إجمالي ثلاثة روابط C-H في البيروفات ، ويوجد إجمالي أربعة روابط C-H في حمض اللاكتيك. عندما نقارن هذين المركبين في الحالات السابقة واللاحقة ، نرى أن حمض اللاكتيك يحتوي على رابطة C-H أخرى ؛ لذلك ، يتم تقليل حمض اللاكتيك أكثر من البيروفات. هذا صحيح بالنسبة للمركبات المتعددة. على سبيل المثال ، في الشكل أدناه ، يجب أن تكون قادرًا على ترتيب المركبات من الأكثر إلى الأقل مخفضة باستخدام روابط C-H كدليل لك.

الشكل 3. أعلاه عبارة عن سلسلة من المركبات التي يمكن تصنيفها أو إعادة تنظيمها من الأكثر إلى الأقل انخفاضًا. قارن عدد روابط C-H في كل مركب. لا يحتوي ثاني أكسيد الكربون على روابط C-H وهو أكثر أشكال الكربون المؤكسدة التي سنناقشها في هذه الفئة. الإجابة: الميثان (المركب 3) هو الأكثر اختزالًا ، ثم الميثانول (4) ، والفورمالديهايد (1) ، وحمض الكربوكسيل (2) ، وأخيراً ثاني أكسيد الكربون (5).

الشكل 4. يظهر رد الفعل هذا تحويل G3P ، NAD+، و صأنا في NADH و 1،3-BPG. يتم تحفيز هذا التفاعل بواسطة نازعة هيدروجين الغليسيرالديهيد -3 فوسفات.

قصة الطاقة للتفاعل المحفز نازعة هيدروجين غليسرالديهيد -3 فوسفات:

دعنا نصنع قصة طاقة للتفاعل أعلاه.

أولاً ، دعنا نميز المتفاعلات والمنتجات. المواد المتفاعلة هي glyceraldehyde-3-phosphate (مركب كربون) ، Pأنا (الفوسفات غير العضوي) و NAD+. تدخل هذه المواد المتفاعلة الثلاثة في تفاعل كيميائي لإنتاج منتجين ، NADH و 1،3-bisphosphoglycerate. إذا نظرت عن كثب ، يمكنك أن ترى أن 1،3-BPG تحتوي على اثنين من الفوسفات. هذا مهم عندما نتحقق مرة أخرى من عدم فقدان أي كتلة. هناك نوعان من الفوسفات في المواد المتفاعلة ، لذلك يجب أن يكون هناك نوعان من الفوسفات في المنتجات (حفظ الكتلة!). يمكنك التحقق مرة أخرى من احتساب جميع الذرات الأخرى أيضًا. الإنزيم الذي يحفز هذا التفاعل يسمى glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase. التغيير القياسي للطاقة الحرة لهذا التفاعل هو 6.3 كيلو جول / مول ، لذلك في ظل الظروف القياسية ، يمكننا القول أن الطاقة الحرة للمنتجات أعلى من تلك الخاصة بالمواد المتفاعلة وأن هذا التفاعل ليس تلقائيًا في ظل الظروف القياسية.

ماذا يمكننا أن نقول عن هذا التفاعل عندما يتم تحفيزه بواسطة نازعة هيدروجين الغليسيرالديهيد -3 فوسفات؟

هذا رد فعل أحمر / ثور. نحن نعلم ذلك لأننا أنتجنا ناقل إلكترون مخفض (NADH) كمنتج و NAD+ متفاعل. من أين أتى الإلكترون ليصنع NADH؟ يجب أن يأتي الإلكترون من المتفاعل الآخر (مركب الكربون).

ملاحظة: المناقشة الموصى بها

سنقضي بعض الوقت في فحص التفاعل المحفز بواسطة نازعة هيدروجين الغليسيرالديهيد -3 فوسفات بمزيد من التفاصيل بينما نتحرك خلال المحاضرات والنص. أول شيء يجب مناقشته هنا هو أن الشكل أعلاه هو نسخة مبسطة للغاية أو نسخة مختصرة للخطوات التي تحدث - يمكن للمرء في الواقع أن يكسر رد الفعل المذكور أعلاه إلى تفاعلين مفاهيميَّين. هل يمكنك أن تتخيل ما يمكن أن يكون عليه هذان "الفرعان الفرعيان"؟ ناقش بين أنفسكم.

ملاحظة: المناقشة الموصى بها

يشير النص أعلاه إلى أن التغيير القياسي في الطاقة الحرة لهذا التفاعل المعقد هو ~ + 6.3 كيلو جول / مول. في ظل الظروف القياسية ، لا يكون رد الفعل هذا تلقائيًا. ومع ذلك ، يعد هذا أحد التفاعلات الرئيسية في أكسدة الجلوكوز. يحتاج للذهاب في الخلية. الأسئلة هي كما يلي: لماذا من المهم ملاحظة أشياء مثل "التغيير القياسي للطاقة الحرة" أو "في ظل الظروف القياسية" عند الإبلاغ عن أن ΔG °؟ ما الذي يمكن أن يحدث في الخلية ليجعل ما هو تحت الظروف القياسية رد فعل مائي "يذهب"؟

ATP

مركب كيميائي مهم هو الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP). يتمثل الدور الخلوي الرئيسي لـ ATP في كونه جهاز نقل طاقة "قصير المدى" للخلية. تفاعلات التحلل المائي التي تحرر واحدًا أو أكثر من فوسفات ATP هي تفاعلات مفرطة الطاقة والعديد والعديد من البروتينات الخلوية قد تطورت لتتفاعل مع ATP بطرق تساعد على تسهيل نقل الطاقة من التحلل المائي إلى عدد لا يحصى من الوظائف الخلوية الأخرى. بهذه الطريقة ، يُطلق على ATP غالبًا "عملة الطاقة" للخلية: فهي تمتلك قيمًا ثابتة بشكل معقول من الطاقة لنقلها إلى نفسها أو منها ويمكنها تبادل تلك الطاقة بين العديد من المتبرعين والمقبلين المحتملين. سنرى العديد من الأمثلة على ATP "أثناء العمل" في الخلية ، لذا ابحث عنها. كما تراهم ، حاول أن تفكر فيهم كأمثلة وظيفية لاستخدامات الطبيعة لـ ATP التي يمكن أن يتوقع منك رؤيتها في تفاعل أو سياق آخر.

هيكل ووظيفة ATP

في قلب ATP يوجد نوكليوتيد يسمى أدينوزين أحادي الفوسفات (AMP). مثل النيوكليوتيدات الأخرى ، يتكون AMP من قاعدة نيتروجينية (جزيء أدينين) مرتبط بجزيء ريبوز ومجموعة فوسفات واحدة. تؤدي إضافة مجموعة فوسفات ثانية إلى هذا الجزيء الأساسي إلى تكوين ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) ؛ تشكل إضافة مجموعة فوسفات ثالثة أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).


شكل 1. يحتوي ATP (أدينوزين ثلاثي الفوسفات) على ثلاث مجموعات فوسفات يمكن إزالتها عن طريق التحلل المائي لتشكيل ADP (ثنائي فوسفات الأدينوزين) أو AMP (أدينوزين أحادي الفوسفات).

ال الفسفرة (أو تكثيف مجموعات الفوسفات على AMP) هو عملية مفعمة بالحيوية. على النقيض من ذلك ، فإن التحلل المائي لمجموعة واحدة أو مجموعتين من الفوسفات من ATP ، وهي عملية تسمى نزع الفسفرة، هو طاقة. لماذا ا؟ لنتذكر أن المصطلحين endergonic و exergonic يشيران إلى علامة الاختلاف في الطاقة الحرة للتفاعل بين المنتجات والمواد المتفاعلة ، ΔG. في هذه الحالة ، نقوم بتحديد اتجاه التفاعل بشكل صريح ، إما في اتجاه الفسفرة أو نزع الفسفرة للنيوكليوتيدات. في تفاعل الفسفرة ، تكون المواد المتفاعلة هي النيوكليوتيدات والفوسفات غير العضوي بينما المنتجات عبارة عن نيوكليوتيدات فسفرة وماء. في تفاعل نزع الفسفرة / التحلل المائي ، تكون المواد المتفاعلة عبارة عن نيوكليوتيدات فسفرة وماء بينما المنتجات عبارة عن فوسفات غير عضوي ونيوكليوتيد مطروحًا منه فوسفات واحد.

نظرًا لأن طاقة جيبس ​​الحرة هي وظيفة حالة ، فلا يهم كيف يحدث التفاعل ؛ ما عليك سوى التفكير في حالات البداية والنهاية. كمثال ، دعنا نفحص التحلل المائي لـ ATP. تتميز المواد المتفاعلة ATP والماء بتركيبتها الذرية وأنواع الروابط بين الذرات المكونة لها. يمكن ربط بعض الطاقة الحرة بكل من الروابط والتكوينات المحتملة لها — وبالمثل بالنسبة للمنتجات. إذا فحصنا التفاعل من وجهة نظر المنتجات والمواد المتفاعلة وسألنا "كيف يمكننا إعادة تجميع الذرات والروابط في المواد المتفاعلة للحصول على النواتج؟" ، نجد أنه يجب كسر رابطة الفوسفوهيدريد بين الأكسجين والفوسفور في يجب كسر رابطة ATP ، وهي رابطة بين الأكسجين والهيدروجين في الماء ، ويجب إنشاء رابطة بين OH (التي جاءت من انقسام الماء) والفوسفور (من PO3-2 المحررة) ، ويجب أن تكون الرابطة formed between the H (derived from the splitting of water) and the terminal oxygen on the phosphorylated nucleotide. It is the sum of energies associated with all of those bond rearrangements (including those directly associated with water) that makes this reaction exergonic. A similar analysis could be made with the reverse reaction.

Possible Exercise

Use the figure of ATP above and your knowledge of what a water molecule looks like to draw a figure of the reaction steps described above: breaking of the phosphoanhydride bond, breaking of the water, and formation of new bonds to form ADP and inorganic phosphate. Track the atoms in different colors if that helps.

Is there something special about the specific bonds involved in these molecules? Much is made in various texts about the types of bonds between the phosphates of ATP. Certainly, the properties of the bonds in ATP help define the molecule's free energy and reactivity. However, while it is appropriate to apply concepts like charge density and availability of resonance structures to this discussion, trotting these terms out as an "explanation" without a thorough understanding of how these factors influence the free energy of the reactants is a special kind of hand-waving that we shouldn't engage in. Most BIS2A students have not had any college chemistry and those who have are not likely to have discussed those terms in any meaningful way. So, explaining the process using the ideas above only gives a false sense of understanding, assigns some mystical quality to ATP and its "special" bonds that don't exist, and distracts from the real point: the hydrolysis reaction is exergonic because of the properties of ATP and ALSO because of the chemical properties of water and those of the reaction products. For this class, it is sufficient to know that dedicated physical chemists are still studying the process of ATP hydrolysis in solution and in the context of proteins and that they are still trying to account for the key enthalpic and entropic components of the component free energies. We'll just need to accept a certain degree of mechanistic chemical ignorance and be content with a description of gross thermodynamic properties. The latter is perfectly sufficient to have deep discussions about the relevant biology.

"High-Energy" bonds

What about the term "high-energy bonds" that we so often hear associated with ATP? If there is nothing "special" about the bonds in ATP, why do we always hear the term "high-energy bonds" associated with the molecule? The answer is deceptively simple. In biology the term "high-energy bond" is used to describe an exergonic reaction involving the hydrolysis of the bond in question that results in a "large," negative change in free energy. Remember that this change in free energy does not only have to do with the bond in question but rather the sum of all bond rearrangements in the reaction. What constitutes a large change? It is a rather arbitrary assignment usually associated with an amount of energy associated with the types of anabolic reactions we typically observe in biology. If there is something special about the bonds in ATP, it is not uniquely tied to the free energy of hydrolysis, as there are plenty of other bonds whose hydrolysis results in greater negative differences in free energy.


الشكل 2. The free energy of hydrolysis of different types of bonds can be compared to that of the hydrolysis of ATP. مصدر: http://bio.libretexts.org/Core/Biochemistry/Oxidation_and_Phosphorylation/ATP_and_Oxidative_Phosphorylation/Properties_of_ATP


الجدول 1. Table of common cellular phosphorylated molecules and their respective free energies of hydrolysis.

The cycling of ATP pools

Estimates for the number of ATP molecules in a typical human cell range from ~3x107 (~5x10-17 moles ATP/cell) in a white blood cell to 5x109 (~9x10-15 moles ATP/cell) in an active cancer cell. While these numbers might seem large, and already amazing, consider that it is estimated that this pool of ATP turns over (becomes ADP and then back to ATP) 1.5 x per minute. Extending this analysis yields the estimate that this daily turnover amounts to roughly the equivalent of one body weight of ATP getting turned over per day. That is, if no turnover/recycling of ATP happened, it would take one body weight worth of ATP for the human body to function, hence our previous characterization of ATP as a "short-term" energy transfer device for the cell.

While the pool of ATP/ADP may be recycled, some of the energy that is transferred in the many conversions between ATP, ADP, and other biomolecules is also transferred to the environment. In order to maintain cellular energy pools, energy must transfer in from the environment as well. Where does this energy come from? The answer depends a lot on where energy is available and what mechanisms Nature has evolved to transfer energy from the environment to molecular carriers like ATP. In nearly all cases, however, the mechanism of transfer has evolved to include some form of redox chemistry.

In this and the sections that follow we are concerned with learning some critical examples of energy transfer from the environment, key types of chemistry and biological reactions involved in this process, and key biological reactions and cellular components associated with energy flow between different parts of the living system. We focus first on reactions involved in the (re)generation of ATP in the cell (not those involved in the creation of the nucleotide per se but rather those associated with the transfer of phosphates onto AMP and ADP).

Video link

For another perspective - including places you'll see ATP in Bis2a, take a look at this video (10 minutes) by clicking here.

How do cells generate ATP?

A variety of mechanisms have emerged over the 3.25 billion years of evolution to create ATP from ADP and AMP. The majority of these mechanisms are modifications on two themes: direct synthesis of ATP or indirect synthesis of ATP with two basic mechanisms known respectively as سubstrate level phosphorylation (SLP) و الفسفرة التأكسدية. Both mechanisms rely on biochemical reactions that transfer energy from some energy source to ADP or AMP to synthesize ATP. These topics are substantive, so they will be discussed in detail in the next few modules.

تحلل السكر: نظرة عامة

Organisms, whether unicellular or multicellular, need to find ways of getting at least two key things from their environment: (1) matter or raw materials for maintaining a cell and building new cells and (2) energy to help with the work of staying alive and reproducing. قد تأتي الطاقة والمواد الخام من أماكن مختلفة. For instance, organisms that primarily harvest energy from sunlight will get raw materials for building biomolecules from sources like CO2. By contract, some organisms rely on red/ox reactions with small molecules and/or reduced metals for energy and get their raw materials for building biomolecules from compounds unconnected to the energy source. Meanwhile, some organisms (including ourselves), have evolved to get energy AND the raw materials for building and cellular maintenance from sometimes associated sources.

تحلل السكر هو الأول مسار التمثيل الغذائي discussed in BIS2A; a metabolic pathway is a series of linked biochemical reactions. نظرًا لوجودها في كل مكان في علم الأحياء ، يُفترض أن تحلل السكر كان على الأرجح أحد أقدم المسارات الأيضية التي تطورت (المزيد حول هذا لاحقًا). Glycolysis is a ten-step metabolic pathway that is centered on the processing of glucose for both energy extraction from chemical fuel and for the processing of the carbons in glucose into various other biomolecules (some of which are key precursors of many much more complicated biomolecules). Our study of glycolysis will therefore be examined using the precepts outlined in the energy challenge rubric that ask us to formally consider what happens to BOTH matter and energy in this multistep process.

The energy story and design challenge of glycolysis

Our investigation of glycolysis is a good opportunity to examine a biological process using both the energy story and the design challenge rubrics and perspectives.

The design challenge rubric will try to get you to think actively, and broadly and specifically, about why we are studying this pathway—what is so important about it? ما هي "المشاكل" التي يسمح تطور مسار التحلل السكري للحياة بحلها أو التغلب عليها؟ سنريد أيضًا التفكير في طرق بديلة لحل نفس المشكلات ولماذا قد تكون قد تطورت أو لم تتطور. Later, we will examine a hypothesis for how this pathway—and other linked pathways—may have actually evolved, and thinking about alternative strategies for satisfying various constraints will come in handy then.

In the context of the energy story, we will ask you to think about glycolysis as a process from which something can be learned by analyzing what happens to both matter and energy. That is, even though it is a ten-step biochemical pathway, we propose that some insight can be learned by carefully examining the process as a set of matter and energy inputs and outputs, a process with a beginning and an end.

إذن ما هو تحلل السكر؟ لنبدأ في معرفة ذلك.

شكل 1. The ten biochemical reactions of glycolysis are shown. الإنزيمات موضحة باللون الأزرق. The structure of each sugar-derived compound is depicted as a molecular model; other reactants and products may be abbreviated (e.g., ATP, NAD+, etc.). The box surrounding the reaction catalyzed by glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase indicates that this reaction is of special interest in the course. الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

الجدول 1. This table shows glycolytic enzymes and measurements of the energy at standard state (ΔG°'/(kJ/mol)) compared with measurements taken from a living cell (ΔG/(kJ/mol)). Under conditions of constant temperature and pressure, (ΔG°'/(kJ/mol)), reactions will occur in the direction that leads to a decrease in the value of the Gibbs free energy. Cellular measurements of ΔG can be dramatically different than ΔG°' measurements due to cellular conditions, such as concentrations of relevant metabolites etc. There are three large, negative ΔG drops in the cell in the process of glycolysis. These reactions are considered irreversible and are often subject to regulation.

إنزيمخطوةΔG / (كيلوجول / مول)ΔG ° '/ (كيلوجول / مول)
هيكسوكيناز1-34-16.7
ايزوميراز فسفوغلوكوز2-2.91.67
فسفوفركتوكيناز3-19-14.2
ألدولاز الفركتوز ثنائي الفوسفات4-0.2323.9
ثلاثي الفوسفات ايزوميراز52.47.56
جليسيرالديهيد 3-فوسفات ديهيدروجينيز6-1.296.30
كيناز فسفوغليسيرات70.09-18.9
طفرة الفوسفوجليسيرات80.834.4
إينولاس91.11.8
بيروفات كيناز10-23.0-31.7

Overall, the glycolytic pathway consists of 10 enzyme-catalyzed steps. The primary input into this pathway is a single molecule of glucose, though we will discover that molecules may feed in and out of this pathway at various steps. We will focus our attention on (1) consequences of the overall process, (2) several key reactions that highlight important types of biochemistry and biochemical principles we will want to carry forward to other contexts, and (3) alternative fates of the intermediates and products of this pathway.

ملاحظة للإشارة إلى أن تحلل السكر هو اللاهوائية process; there is no requirement for molecular oxygen in glycolysis (oxygen gas is not a reactant in any of the chemical reactions in glycolysis). يحدث تحلل السكر في العصارة الخلوية أو السيتوبلازم من الخلايا. For a short (three-minute) overview YouTube video of glycolysis, click here.

First half of glycolysis: energy investment phase

يشار عادةً إلى الخطوات القليلة الأولى لتحلل السكر على أنها "مرحلة استثمار الطاقة" للمسار. This, however, doesn't make much intuitive sense (in the framework of a design challenge; it's not clear what problem this energy investment solves) if one only looks at glycolysis as an "energy-producing" pathway and until these steps of glycolysis are put into a broader metabolic context. سنحاول بناء هذه القصة مع تقدمنا ​​، لذا تذكر الآن أننا ذكرنا أن بعض الخطوات الأولى غالبًا ما ترتبط باستثمار الطاقة وأفكار مثل "الاصطياد" و "الالتزام" المذكورة في الشكل أدناه.

الخطوة الأولى من تحلل السكر:

The first step in glycolysis, shown below in Figure 2, is glucose being catalyzed by hexokinase, an enzyme with broad specificity that catalyzes the phosphorylation of six-carbon sugars. Hexokinase catalyzes the phosphorylation of glucose, where glucose and ATP are substrates for the reaction, producing a molecule called glucose 6-phosphate and ADP as products.

الشكل 2. The first half of glycolysis is called the energy investment phase. In this phase, the cell expends two ATPs into the reactions. Facciotti (عمل أصلي)

اقترح مناقشة

The paragraph above states that the enzyme hexokinase has "broad specificity." This means that it can catalyze reactions with different sugars, not just glucose. من منظور جزيئي ، هل يمكنك شرح سبب حدوث ذلك؟ Does this challenge your conception of enzyme specificity? If you Google the term "enzyme promiscuity" (don't worry; it's safe for work), does this give you a broader appreciation for enzyme selectivity and activity?

The conversion of glucose to the negatively charged glucose 6-phosphate significantly reduces the likelihood that the phosphorylated glucose leaves the cell by diffusion across the hydrophobic interior of the plasma membrane. It also "marks" the glucose in a way that effectively tags it for several different possible fates (see Figure 3).

الشكل 3. Note that this figure indicates that glucose 6-phosphate can, depending on cellular conditions, be directed to multiple fates. While it is a component of the glycolytic pathway, it is not only involved in glycolysis but also in the storage of energy as glycogen (colored in cyan) and in the building of various other molecules like nucleotides (colored in red). المصدر: Marc T. Facciotti (عمل أصلي)

As Figure 3 indicates, glycolysis is but one possible fate for glucose 6-phosphate (G6P). Depending on cellular conditions, G6P may be diverted to the biosynthesis of glycogen (a form of energy storage), or it may be diverted into the pentose phosphate pathway for the biosynthesis of various biomolecules, including nucleotides. هذا يعني أن G6P ، أثناء مشاركته في مسار التحلل السكري ، لا يتم تمييزه فقط للأكسدة في هذه المرحلة. Perhaps showing the broader context that this molecule is involved in (in addition to the rationale that tagging glucose with a phosphate decreases the likelihood that it will leave the cell) helps to explain the seemingly contradictory (if you only consider glycolysis as an "energy-producing" process) reason for transferring energy from ATP onto glucose if it is only to be oxidized later—that is, glucose is not only used by the cell for harvesting energy and several other metabolic pathways depend on the transfer of the phosphate group.

الخطوة الثانية من تحلل السكر:

في الخطوة الثانية من تحلل السكر ، يتم إجراء ايزوميراز catalyzes the conversion of glucose 6-phosphate into one of its isomers, fructose 6-phosphate. ان ايزوميراز هو إنزيم يحفز تحويل الجزيء إلى أحد أيزومراته.

الخطوة الثالثة من تحلل السكر:

The third step of glycolysis is the phosphorylation of fructose 6-phosphate, catalyzed by the enzyme phosphofructokinase. A second ATP molecule donates a phosphate to fructose 6-phosphate, producing fructose 1,6-مكررالفوسفات و ADP كمنتجات. In this pathway, phosphofructokinase is a rate-limiting enzyme, and its activity is tightly regulated. إنها خيفي activated by AMP when the concentration of AMP is high and when it is moderately allosterically inhibited by ATP at the same site. Citrate, a compound we'll discuss soon, also acts as a negative خيفي regulator of this enzyme. In this way, phosphofructokinase monitors or senses molecular indicators of the energy status of the cells and can in response act as a switch that turns on or off the flow of the substrate through the rest of the metabolic pathway depending on whether there is “sufficient” ATP in the system. The conversion of fructose 6-phosphate into fructose 1,6-bisphosphate is sometimes referred to as a commitment step by the cell to the oxidation of the molecule in the rest of the glycolytic pathway by creating a substrate for and helping to energetically drive the next highly endergonic (under standard conditions) step of the pathway.

اقترح مناقشة

We discussed allosteric regulation of an enzyme in earlier modules but did so in a context where the enzyme was "alone." Now let's consider the enzyme in the context of an extended metabolic pathway(s). Can you now express why allosteric regulation is functionally important and how it can be used to regulate the flow of compounds through a pathway? Try to express yourself.

Step 4 of تحلل السكر:

In the fourth step in glycolysis, an enzyme, fructose-bisphosphate aldolase, cleaves 1,6-bisphosphate into two three-carbon isomers: dihydroxyacetone phosphate and glyceraldehyde 3-phosphate.

Second half: energy payoff phase

If viewed in the absence of other metabolic pathways, glycolysis has thus far cost the cell two ATP molecules and produced two small, three-carbon sugar molecules: dihydroxyacetone phosphate (DAP) and glyceraldehyde 3-phosphate (G3P). When viewed in a broader context, this investment of energy to produce a variety of molecules that can be used in a variety of other pathways doesn't seem like such a bad investment.

Both DAP and G3P can proceed through the second half of glycolysis. نحن الآن نفحص ردود الفعل هذه.

الشكل 4. النصف الثاني من تحلل السكر يسمى مرحلة مردود الطاقة. In this phase, the cell gains two ATP and two NADH compounds. At the end of this phase, glucose has become partially oxidized to form pyruvate. Facciotti (original work).

الخطوة الخامسة من تحلل السكر:

In the fifth step of glycolysis, an isomerase transforms the dihydroxyacetone phosphate into its isomer, glyceraldehyde 3-phosphate. The six-carbon glucose has therefore now been converted into two phosphorylated three-carbon molecules of G3P.

الخطوة السادسة من تحلل السكر:

The sixth step is key and one from which we can now leverage our understanding of the several types of chemical reactions that we've studied so far. If you're energy focused, this is finally a step of glycolysis where some of the reduced sugar is oxidized. The reaction is catalyzed by the enzyme glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase. This enzyme catalyzes a multistep reaction between three substrates—glyceraldehyde 3-phosphate, the cofactor NAD+والفوسفات غير العضوي (صأنا)—and produces three products: 1,3-bisphosphoglycerate, NADH, and H+. One can think of this reaction as two reactions: (1) an oxidation/reduction reaction and (2) a condensation reaction in which an inorganic phosphate is transferred onto a molecule. In this particular case, the red/ox reaction, a transfer of electrons off of G3P and onto NAD+, is exergonic, and the phosphate transfer happens to be endergonic. الشبكة اساسي free energy change hovers around zero—more on this later. يعمل الإنزيم هنا كجزيئي اقتران agent to couple the energetics of the exergonic reaction to that of the endergonic reaction, thus driving both forward. This processes happens through a multistep mechanism in the enzyme's active site and involves the chemical activity of a variety of functional groups.

من المهم ملاحظة أن هذا التفاعل يعتمد على توفر الشكل المؤكسد لحامل الإلكترون NAD+. إذا اعتبرنا أن هناك مجموعة محدودة من NAD+, we can then conclude that the reduced form of the carrier (NADH) must be continuously oxidized back into NAD+ من أجل استمرار هذه الخطوة. إذا NAD+ غير متوفر ، يتباطأ النصف الثاني من تحلل السكر أو يتوقف.

الخطوة السابعة من تحلل السكر:

In the seventh step of glycolysis, catalyzed by phosphoglycerate kinase (an enzyme named for the reverse reaction), 1,3-bisphosphoglycerate transfers a phosphate to ADP, forming one molecule of ATP and a molecule of 3-phosphoglycerate. This reaction is exergonic and is also an example of substrate-level phosphorylation.

Possible discussion

إذا كان نقل الفوسفات من 1.3-BPG إلى ADP مفرط الطاقة ، فماذا يقول ذلك عن الطاقة الحرة للتحلل المائي للفوسفات من 1.3-BPG مقارنة بالطاقة الحرة للتحلل المائي للفوسفات الطرفي على ATP ؟

الخطوة الثامنة من تحلل السكر:

في الخطوة الثامنة ، تنتقل مجموعة الفوسفات المتبقية في 3-phosphoglycerate من الكربون الثالث إلى الكربون الثاني ، منتجة 2-phosphoglycerate (أيزومر 3-phosphoglycerate). The enzyme catalyzing this step is a mutase (isomerase).

الخطوة التاسعة من تحلل السكر:

Enolase يحفز الخطوة التاسعة. يتسبب هذا الإنزيم في فقدان 2-phosphoglycerate للماء من بنيته ؛ هذا هو تفاعل الجفاف ، مما يؤدي إلى تكوين رابطة مزدوجة تزيد من الطاقة الكامنة في رابطة الفوسفات المتبقية وتنتج فوسفينول بيروفات (PEP).

الخطوة العاشرة من تحلل السكر:

The last step in glycolysis is catalyzed by the enzyme pyruvate kinase (the enzyme in this case is named for the reverse reaction of pyruvate’s conversion into PEP) and results in the production of a second ATP molecule by substrate-level phosphorylation and the compound pyruvic acid (or its salt form, pyruvate). Many enzymes in enzymatic pathways are named for the reverse reactions, since the enzyme can catalyze both forward and reverse reactions (these may have been described initially by the reverse reaction that takes place in vitro, under non-physiological conditions).

Outcomes of glycolysis

Here are a couple of things to consider:

تتمثل إحدى النتائج الواضحة لتحلل السكر في التخليق الحيوي للمركبات التي يمكن أن تدخل في مجموعة متنوعة من المسارات الأيضية. Likewise, compounds coming from other metabolic pathways can feed into glycolysis at various points. لذلك ، يمكن أن يكون هذا المسار جزءًا من التبادل المركزي لتدفق الكربون داخل الخلية.

إذا استمر تحلل السكر لفترة طويلة بما فيه الكفاية ، فإن الأكسدة المستمرة للجلوكوز مع NAD+ can leave the cell with a problem: how to regenerate NAD+ from the two molecules of NADH produced. إذا كان NAD+ is not regenerated, all of the cell's NAD will be nearly completely transformed into NADH. إذن كيف تقوم الخلايا بتجديد NAD+?

Pyruvate is not completely oxidized; there is still some energy to be extracted. How might this happen? أيضًا ، ماذا يجب أن تفعل الخلية بكل هذا NADH؟ هل هناك أي طاقة لاستخراجها؟

Strongly suggested discussion/exercise

Can you write an energy story for the overall process of glycolysis? بالنسبة لمصطلحات الطاقة ، ما عليك سوى القلق بشأن وصف الأشياء من حيث ما إذا كانت طاردة للطاقة أو مفعمة بالطاقة. When I say "overall process," I mean overall process: glucose should be listed on the reactant side of the arrow, and pyruvate should be listed on the product side of the arrow.

Substrate-level phosphorylation (SLP)

The simplest route to synthesize ATP is substrate-level phosphorylation. ATP molecules are generated (that is, regenerated from ADP) as a direct result of a chemical reaction that occurs in catabolic pathways. A phosphate group is removed from an intermediate reactant in the pathway, and the free energy of the reaction is used to add the third phosphate to an available ADP molecule, producing ATP. This very direct method of phosphorylation is called substrate-level phosphorylation. It can be found in a variety of catabolic reactions, most notably in two specific reactions in glycolysis (which we will discuss specifically later). Suffice it to say that what is required is a high-energy intermediate whose oxidation is sufficient to drive the synthesis of ATP.

الشكل 5. Here is one example of substrate-level phosphorylation occurring in glycolysis. There is a direct transfer of a phosphate group from the carbon compound onto ADP to form ATP. Facciotti (العمل الخاص)

In this reaction, the reactants are a phosphorylated carbon compound called G3P (from step 6 of glycolysis) and an ADP molecule, and the products are 1,3-BPG and ATP. The transfer of the phosphate from G3P to ADP to form ATP in the active site of the enzyme is substrate-level phosphorylation. This occurs twice in glycolysis and once in the TCA cycle (for a subsequent reading).


شاهد الفيديو: دورة الأحياء 2020 المحاضرة 6 (قد 2022).


تعليقات:

  1. Akinot

    لقد حدث عرضًا للمنتدى وشاهد هذا الموضوع. يمكنني مساعدتك للحصول على المشورة.

  2. Dalmar

    هناك شئ غير صحيح

  3. Selassie

    شكرا ، سأحاول

  4. Mazonn

    لا يتفق إطلاقا مع الجملة السابقة

  5. Jethro

    عام واحد في الفكر))



اكتب رسالة