Hoofdstuk 8 Enzymen: de grondbeginselen
De lichtproductie in kwallen is een voorbeeld van het veranderen van energie-vorm gekatalyseerd door een enzym.
Samenvatting hoofdstuk 8 • enzymen zijn krachtige en specifieke katalysatoren • met behulp van het concept vrije energie zijn enzym gekatalyseerde reacties te doorgronden • enzymen versnellen reacties door de overgangstoestand te stabiliseren • met behulp van het Michaelis-Menten model zijn de kinetische eigenschappen van veel enzymen te beschrijven • enzymen kunnen specifiek geremd (gereguleerd) worden
Enzymes zijn specifieke katalysatoren (8.1) De peptide binding is thermodynamisch labiel maar kinetisch zeer stabiel (half-waardetijd 1000 jaar).
De reactie die gekatalyseerd wordt door een proteolytisch enzym
De specificiteit van enzymen Trypsine en thrombine zijn beide proteases. Trypsine • Trypsine breekt eiwitten in de darmen af. • Thrombine werkt alleen in op één eiwit: fibrinogeen. Thrombine zet fibrinogeen in het bloed om in fibrine dat vervolgens polymeriseert en een stolsel vormt.
Thrombine
Voorbeeld hoe bij de serine proteases de substraatspecificiteit tot stand komt
Figuur 9-13 Splitsing na: grote aromatische zijketens (Phe, Trp, Tyr); lange positief geladen zijketens (Lys, Arg); kleine apolaire zijketens (Ala, Gly, Val)
Enzymen zijn krachtige katalysatoren (8.1) Waarom wordt een reactie die normaal ook spontaan verloopt toch gekatalyseerd door een enzym? -
HCO3 + H+
De reactie die door koolzuur anhydrase wordt gekatalyseerd
Fysiologische rol koolzuur anhydrase
pH < 7
pH ~ 7.4
[Figuur 7.22]
Koolstofdioxide wordt in de rode bloedcel gehydrateerd. Het gevormde bicarbonaat wordt uitgewisseld voor chloride en zo via het bloed naar de longen vervoerd. Het CO2 en de verlaging van de pH stimuleren de afgifte van zuurstof van hemoglobine tot 90% van zijn maximale transportcapaciteit.
Koolzuuranhydrase is een van de snelste enzymen. Elk enzymmolecuul kan per seconde 106 CO2 moleculen per seconde hydrateren. De katalytische cyclus wordt in een-miljoenste seconde doorlopen.
Veel enzymen hebben een cofactor nodig voor hun activiteit Apoenzyme + cofactor = holoenzyme Cofactoren die uit (kleine) organische moleculen bestaan noemt men coenzymen. Als het coenzymen stevig gebonden is noemt men deze een prosthetische groep. Wanneer het coenzym alleen tijdens de katalyse gebonden is noemt men deze een cosubstraat. Metalen zoals Zn en Ni zijn altijd stevig gebonden.
cofactor metalen
coenzym
prosthetische groep
cosubstraat
Animatie
De covalent gebonden cofactor, pyridoxal Zink, een covalent gebonden cofactor aan het fosfaat, die een prosthetische enzym (coenzym) koolzuur anhydrase groep is van het enzym glycogeen fosforylase
Het reactiemechanisme van koolzuur anhydrase Reactie 1: door binding aan zink wordt de pKa van water verlaagd van 15.7 naar 7
Figuur 9.25
Enzymen kunnen energie in een andere vorm omzetten • Fotosynthese: licht(energie) in een chemische binding (NADPH en ATP). Uiteindelijk in gereduceerde koolstofverbindingen (glucose, vetzuren). • In mitochondriën wordt energie aanwezig in voedsel via redoxreacties omgezet in een ionengradiënt die wordt gebruikt om ATP uit ADP en fosfaat te vormen. • De bruikbare vrije energie die in ATP aanwezig is, wordt door enzymen gebruikt voor de contactie van spieren, voor actief transport van moleculen of voor de synthese van moleculen.
Vrije energie is een bruikbare thermodynamische functie om enzym-gekatalyseerde reacties te begrijpen (8.2) Het vrije energie-verschil tussen de producten en de substraten bepaalt de richting van de reactie (ΔG). De reactie: A + B
C+D
[C ].[ D] ΔG = ΔG + RT ln [ A].[ B] 0
[C ].[ D] ΔG = ΔG + RT ln [ A].[ B] '0
'
Bij evenwicht geldt:
Het ' geeft pH 7 aan
[C ].[ D] ΔG = 0 = ΔG + RT ln [ A].[ B] 0' ' '0
'
ΔG = − RT ln K eq
R = gas constante = 8.315 10-3 kJ. mol-1. K-1 T = temperatuur in K, 25 °C = 298 °K ln x = 2.303 log x Samen wordt RTlnx = 5.71logx
'
0'
log K eq = ΔG / − 5.71
[C ][ D] − ΔG 0' / 5.71 = 10 K eq = [ A][ B ] '
Wanneer Δ G0' = -5.71 kJ.mol-1, dan verschuift het evenwicht met een factor 10 naar rechts!!! Waterstofbindingen hebben een energie-inhoud varierend van 4 tot 20 kJ.mol-1
De glycolyse (figuur 16-2)
De omzetting van dihydroxyaceton fosfaat naar glyceraldehyde 3-fosfaat wordt nader thermodynamisch bekeken.
Bereken het vrije energie verschil voor de isomerisatie van DHAP naar GAP In evenwicht is de verhouding GAP/ DHAP 0.0475 bij 25 °C en pH 7. De standaard vrije energie wordt dan: • ΔG0' = -2.303 x R x T x log K'eq = -2.303 x 8.315 x 10-3 x 298 x log (0.0475) = 7.55 kJ mol-1 • Conclusie: de reactie is onder standaard condities een endotherme reactie.
• Wat gebeurt er wanneer de cellulaire concentraties worden gebruikt in de berekening? • DHAP = 2 x 10-4 M en GAP = 3 x 10-6 M? • ΔG' = 7.55 + 2.303 x RTlog([GAP]/[DHAP]) = 7.55 + 5.71 log(3x10-6/2x10-4) = 7.55 + 5.71 log (1.5x10-2) = 7.55 – 10.42 = -2.87 kJ mol-1 • The reaction is exotherm.
De ΔG en niet de ΔG0 bepaalt of een reactie kan verlopen of niet.
Enzymen versnellen reacties door de vorming van de overgangstoestand te bevorderen (8.3).
v = factor x [s] x
ǂ/RT -ΔG e
RT = 2.47 kJ.mol-1 e-5.71/2.47 = e-2.312 = 0.1
Het vrije energie verschil tussen de producten en dat van de substraten bepaalt de richting van de reactie (ΔG). Het vrije energieniveau van de overgangstoestand bepaalt de snelheid van de reactie (ΔG‡).
• Wanneer de overgangstoestand met 5.71 kJ.mol-1 wordt gestabiliseerd (verlaagd), wordt de snelheid vertienvoudigd. • Naast het stabiliseren van de overgangstoestand kan ook de vorming van het enzym-substraatcomplex een specifieke reactie mogelijk maken. Restrictie enzym EcoRV
Figuur 9.38 en 9.42
De extra bindingsenergie die bij een specifieke binding vrijkomt wordt gebruikt om de DNA dubbelhelix te buigen waardoor water de fosfodiesterbinding kan bereiken en hydrolyseren.
De vorming van een enzym-substraat complex is de eerste stap in de enzymatische katalyse k2 k1 E+S ES E+P k-1 k-2 De vorming van een enzym-substraatcomplex (ES) De drie-dimensionale structuur van de katalytische subunit van protein A kinase. De remmer bevat een pseudosubstraat sequentie Arg-Arg-X(Asn)-Ala(Ser,Thr)-Ile
Eigenschappen van het katalytisch centrum van een enzym • Het katalytisch centrum is een drie-dimensionale inkeping of gat in het enzymoppervlak • De aminozuurzijketens die betrokken zijn bij de binding van de substraten worden katalytische groepen genoemd • Het katalytisch centrum neemt een relatief klein deel van het totale volume in van een enzym • De substraten worden via meerdere zwakke reversibele interacties gebonden • De specificiteit van de binding wordt door de ruimtelijke orientatie van atomen in het katalytisch centrum bepaald • Enzymen zijn flexibel en het actief centrum kan gevormd worden door de binding van substraten (induced fit), extra vrije energie komt verkregen door gebonden water vrij te maken
Ribbon diagram (A) and a schematic representation of the primary structure of lysozyme (B)
The active site can be formed by amino acid residues from different parts of the polypeptide chain
Substrates are bound by multiple weak interactions: • electrostatic interactions • hydrogen bonds • van der Waals forces • hydrophobic interactions Three hydrogen bonds ~ 3 x -8.4 = - 25.11 kJ.mol-1. Change in equilibrium about 25000 times
'
K eq = 10
− ΔG 0' / 5.71
-CH3 group in thymine
Hydrogen bonds between ribonuclease (enzyme) and the uridine component of its substrate induce a high degree of specificity
= 10 25.11 / 5.71 = 25808
Enzyme kinetics: the Michaelis-Menten model (8.4) • The study of the rates of chemical reactions is called kinetics. • The study of the rates of enzyme-catalyzed reactions is called enzyme kinetics. • A kinetic description of enzyme activity (v) will help understand how enzyme functions.
Rate of a chemical reaction [S]
k
[P]
rate (v) = - afname [S]/Δt = k x [S]; k = rate constant
Rate of an enzyme catalyzed reaction The formation of an enzyme-substrate complex is followed by product formation k1 E+S
k2 ES
k-1
E+P k-2
The rate the reaction is the rate of product formation
Determination of the rate as a function of the substrate concentration k2
k1 E+S
ES k-1
E+P k-2
The initial velocity (V0) is determined under steady state conditions
Michaelis-Menten kinetiek: de formules E+S
k1
ES
k2
k-1 Omdat de beginsnelheid uitgezet wordt is k-2 nul.
v0 = Vmax [S]/([S] + KM) KM = (k2 + k-1)/k1 Vmax = k2 [ET] Vmax = kcat [ET]
E+P
v = k2[ES]
The significance of KM (KM = (k2 + k-1)/k1)
• KM values vary between 10-7 M en 10-1 M • KM value is the substrate concentration with half of the binding sites occupied (half maximal velocity) • The KM value is an indication of the substrate concentration in vivo
The significance of kcat - kcat of an enzyme is the number of substrate molecules that is converted per second into product per enzyme molecule under saturating substrate concentrations - kcat is also called the turnover number. Vmax = kcat[ET] - kcat is a direct measure of the catalytic capacity of an enzyme under saturating substrate concentrations - 1/kcat is time of a complete catalytic cycle.
Most biochemical reactions include multiple substrates • Sequential reactions
Ternary complex
Most biochemical reactions include multiple substrates • Double-displacement (Ping-Pong) reactions
Allosteric enzymes do not obey Michaelis-Menten kinetics
M-M kinetics
Allosteric kinetics
Enzymes can be inhibited by specific molecules (8.5) Distinction between competitive, uncompetitve and noncompetitive inhibition (reversible inhibition)
Competitive, uncompetitive and noncompetitive inhibition are kinetically distinguishable
Competitive
Uncompetitive
Noncompetitive
Chapter 15 Metabolism: Basic Concepts and Design
Outline of chapter 15 • Metabolism is composed of many coupled and interconnected reactions • ATP is the universal currency of free energy in biological systems • The oxidation of carbon fuels is an important source of cellular energy (redox reactions) • Metabolic pathways contain many recurring motifs (the unifying themes of biochemistry)
Living organisms require a continual input of free energy for: • the performance of mechanical work in muscles and other cellular movements • active transport of molecules and ions • the synthesis of macromolecules
The free energy is derived from: • Sunlight: phototrophs are trapping sunlight in photosynthesis (conversion of energy-poor molecules like CO2 into energy-rich molecules like fatty acids and sugars). • Oxidation of compounds (foodstuffs): chemotrophs oxidize (carbon) compounds. Foodstuffs are generated by phototrophs.
Metabolism is composed of many coupled and interconnected reactions (15.1)
An example of a metabolic pathway: glycolysis. The free energy of the overall process must be negative. All reactions are catalyzed by enzymes. The activity of the glycolysis is regulated. Glucose metabolism in humans •Glucose is metabolized to pyruvate in 10 linked reactions. •Under anaerobic conditions pyruvate is metabolized to lactate (2 ATP). •Under aerobic conditions pyruvate oxidized to CO2 and H20 via acetyl CoA and the TCA cycle and respiratory chain (28 ATP).
Free energy of metabolites of glycolysis in red blood cells
-
-
-
-
[ADP] = 138 μM [ATP] = 1850 µM
Tabel 16.1 uit Biochemistry bevat de vrije energie veranderingen van de reacties van de glycolyse onder fysiologische condities
Metabolic pathways can be divided into:
• Catabolic reactions: catabolism: fuels (carbohydrates, fats) CO2 + H2O + useful energy • Anabolic reactions: anabolism: useful energy + small molecules complex molecules • Some pathways can be either anabolic or catabolic, depending on the energy conditions of the cell. They are referred to as amphibolic pathways
De citroenzuurcyclus als amfibole route
De citroenzuurcyclus wordt gebruikt om acetyl-groepen af te breken (katabolisme), maar dient ook als bron voor biosynthese (anabolisme). De omzetting van pyruvaat naar oxaloacetaat is hiervoor vereist.
Een anaplerotische reactie Een belangrijke reactie in de vorming van glucose uit aminoen ketozuren is de carboxylering van pyruvaat tot oxaloacetaat. Deze reactie is gekoppeld aan ATP hydrolyse en wordt gekatalyseerd door het biotine bevattende enzym pyruvaat carboxylase. De door pyruvaat carboxylase gekatalyseerde reactie verloopt in drie stappen: 1) HCO3- + ATP
HOCO2-PO32- + ADP (carboxyfosfaat)
2) Biotine-enzym + HOCO2-PO32-
CO2-biotine-enzym + Pi (carboxybiotine)
3) CO2-biotine-enzym + pyruvaat oxaloacetaat
biotine-enzym +
Pyruvaat carboxylase Het ATP-grasp domein activeert CO2, het geactiveerde CO2 wordt overgedragen naar het biotine (domein) en het centrale domein katalyseert de carboxylering van pyruvaat (Fig 16.23, 24 en 25).
Somreactie: Pyruvaat + HCO3- + ATP
oxaloacetaat + ADP + Pi + H+
• De overall reactie heeft een standaard vrije energie van 0.8 kJ. mol-1. • De hydrolyse van ATP tot ADP en Pi heeft een standaard vrije energie van -31.4 kJ. mol-1. Een groot deel van de vrije energie wordt gebruikt om carboxyfosfaat te maken. Hiermee kan CO2 aan biotine worden gebonden. Geactiveerd CO2 (Carboxybiotine). • De splitsing van CO2 van het CO2-biotine-enzym complex heeft een standaard vrije energie van -19.3 kJ. mol-1. Dit hoog energetisch intermediair wordt gebruikt om pyruvaat te carboxyleren. • Welk belangrijk principe wordt door pyruvaat carboxylase gedemonstreerd?
ATP hydrolysis drives metabolism or can perform work by shifting the equilibrium of coupled reactions A
B
ΔG0' = + 16.7 kJ mol -1
K'eq = [Beq]/[Aeq] = 10 - ΔG0'/5.71 = 1.19 x 10-3 = 1 / 841 At equilibrium 841 molecules of A and 1 molecule B or a protein in conformatie A or B!!
Coupled with ATP hydrolysis (ΔG0' = -30.6 kcal mol -1) B + ADP + Pi + H+ A + ATP + H2O (ΔG0' = 16.7 – 30.6 = -13.9 kJ mol -1) K'eq = [Beq]/[Aeq] x ([ADP]eq [Pi]eq)/[ATP]eq = 10 - ΔG0'/5.71 = 2.72 x 102 M-1 The ATP-generating system in the cells maintains the ATP]/[ADP][Pi] ratio around 500 M-1. With this ratio is the equilibrium between A and B is shifted further towards excess B. K'eq x [ATP]cel/([ADP]cel [Pi]cel)= [Beq]/[Aeq] [Beq]/[Aeq] = 2.72 x 102 x 500 = 1.36 x 105 Thus by coupling with ATP hydrolysis the ratio [A]/[B] shifts from
A 841 1 = to B 1 136000
Verandering van ~108
Why is ATP an energy-rich molecule?
ΔG0’ = - 30.6 kJ/mol
• ATP + H2O
ADP + Pi + H+
• ADP + H2O
AMP + Pi + H+
• AMP + H2O
adenosine + Pi + H+ : ΔG0’ = -14.3 kJ/mol
: :
ΔG0’ = - 30.6 kJ/mol
The structural basis of the high phosphoryl transfer potential of ATP •Resonance stabilization •Electrostatic repulsion •Stabilization of phosphate by hydration
3x
2x
2x
Free phosphate (4x) has more energetic favorable resonance structures compared with the terminal phosphate of ATP or ADP
Naast ATP zijn er nog meer verbindingen met fosforyl-transfer potentiaal
Alle verbindingen boven ATP zijn in staat ATP te vormen uit ADP door een fosforyl-overdracht. Daaronder kunnen gevormd worden door ATP hydrolyse. ATP kan efficient als intermediair in de fosforyl-transfer functioneren. Voorbeeld van een geactiveerde carrier.
The amount of ATP is limited. ATP is continuously regenerated • 100 g ATP in your body • In rest 40 kg turnover in 24 hours. Turnover 3.6 min • Running: 500 g / min. Turnover 0.2 min
The ATP-ADP cycle
De oxidatie van organische verbindingen met behulp van O2 is de enige bron van cellulaire energie voor dieren maar niet voor microorganismen (15.3)
Fig. 5-23 Prescot
Fermentation
Electron acceptors
Organic compound Carbon flow in respirations CO2 Electron transport/ Proton motive force Biosynthesis S0 NO3–
SO42−
Organic e– acceptors
O2
Aerobic respiration
Anaerobic respiration
Chemoorganotrophy Inorganic compound
CO2
Electron transport/ Proton motive force Electron acceptors
S0
O2
NO3– SO42−
Carbon flow
Biosynthesis
Chemolithotrophy Photoheterotrophy
Organic compound Carbon flow Biosynthesis
Phototrophy
Light
Electron transport
Proton motive force
Photoautotrophy
CO2 Carbon flow
Biosynthesis
Free energy of oxidation of single carbon compounds
In aerobic organisms the electron acceptor in the oxidation of carbon and hydrogen is O2 and the oxidation products are CO2 and H2O
Fats are more efficient fuel source than carbohydrate because carbon is more reduced
Waarom bevatten gereduceerde moleculen meer vrije energie dan geoxideerde moleculen? CH4 + 2O2
CO2 + 2H2O + warmte
• Het zijn de valentie-electronen die van koolstof en waterstof naar zuurstof gaan die vrije energie vrij maken. • Van C-H naar O-H levert 4 x 50 = 200 kJ.mol-1 • Van O=O naar C=O levert 2 x 307 = 614 kJ.mol-1. De totale reactie warmte = - 814 kJ.mol-1
Stages in the extraction of cellular energy from foodstuffs, mainly reducing equivalents
8 e- = 3 x NADH, 1 x FADH2
Extraction of free energy in the form of ATP from fuel molecules • In catabolism, some ATP is generated (substrate level phosphorylation), but most of the free energy is temporary stored in the reducing equivalents extracted from fuel molecules. • The reducing equivalents are transferred to NAD+ and FAD. NADH and FADH2 are formed. • Reducing equivalents are transferred to an electron transport chain, a respiratory chain. • Free energy is stored in a proton gradient that drives the synthesis of ATP.
Substraatgebonden fosforylering en oxidatieve fosforylering • ATP synthese direct gekoppeld aan reacties, bijvoorbeeld in de glycolyse • ATP synthese via het ATP synthase enzymcomplex. De synthese wordt gedreven door een proton motive force die door electronentransport (redoxpotentiaal gedreven) in een ademhalingsketen wordt opgewekt.
Substraatgebonden fosforylering
• De oxidatie van een aldehyde naar een zuur, de overgang van een C-H naar een C-OH binding produceert 58.6 kJ . mol-1. • G3P + H2O
3-PG + 2H+ + 2e-
Oxidatie kan gekoppeld worden aan ATP synthese
HAsO42-
Een groot deel van de energie die vrijkomt bij de redoxreactie wordt vastgelegd in de vorming van een fosfaatbinding met een hoge fosforyltransfer potentiaal, die vervolgens gebruikt wordt om ADP te fosforyleren. 1-arseno, 3-fosfo glyceraat is niet stabiel. De arsenaatgroep hydrolyseert snel.
Electron transport chains generates ion gradients across membranes providing an important form of cellular energy that can be coupled to ATP synthesis
NADH, FADH2 Figuur 18.1
The total process is called oxidative phosphorylation
High-energy electrons: redox potentials and free-energy changes
-
The relation between a redox potential change and the free energy change of a reactions is:
ΔG = −nFΔE ' ' ΔG = − nFΔE 0'
' 0
F = 96.49 kJ.V-1.mol-1
Redox potential
+
Redox potential (ΔE) and free energy (ΔG) • A 1.14-volt potential difference between NADH and O2 drives electron transport through the respiratory chain. This electron transport is coupled to the formation of a proton gradient (ΔG0 = -2 x 96.49 x 1.14 = -220 kJ.mol-1) • A strong reductant has a negative reduction potential, a strong oxidizing agent has a positieve reduction potential
E0′ (V)
Redox couple
Fig. 5-10, Prescot
-0.60 -0.50 -0.40
Standard reduction potentials of biological important reactions
-0.30
(1)
-0.20 -0.10
0.0 +0.10 (2) +0.20 +0.30 +0.40
Mens: NADH + H+ + ½ O2 NAD+ + H2O ΔG0' = -220 kJ FADH2 + ½ O2 FAD + H2O ΔG0' = -201kJ
+0.50 +0.60 +0.70 (3)
+0.80 +0.90
(1) H2 + fumarate −
(2) H2 + NO3 (3) H2 +
1 2
O2
2−
succinate −
2−
∆G0 ′ = –86 kJ
NO2 + H2O
∆G0 ′ = –163 kJ
H2O
∆G0 ′ = –237 kJ
The mitochondrial electron transport chain, bacterial respiratory chains function essential similar NADH (cytoplasma)
ATP synthesis from a proton gradient
Structuur van het ATP synthase enzym complex • Vast deel (a, b2, δ, α en β subunits) • Draaiend deel (c ring en γ en ε subunits) • De γ subunit verbreekt de symmetrie van het α3β3 complex. • De α en β subunits binden beide nucleotiden, maar alleen de β subunit is betrokken bij de katalyse.
Hoe werkt het ATP synthase enzym?
Toevoegen van ADP en fosfaat geeft ATP dat zeer stevig aan het ATP synthase is gebonden. Door deze stevige binding wordt de reactie richting ATP synthese omgetrokken. Hoe drijft een proton gradiënt de ATP synthese, het loslaten van zeer stevig gebonden ATP?
Proton transport door het ATP synthase complex zorgt voor het loslaten van stevig gebonden ATP via een conformatie verandering van de β subunit.
L = loose T = tight O = open Volgorde: O-L-T-
Het proton pad door de membraan. • De hydrofobe a subunit bevat hydrofiele kanalen die niet met elkaar in verbinding staan. • De hydrofobe c subunit bevat in het midden een aspartaat residu. • Het aspartaatresidu kan geprotoneerd worden via een hydrofiel kanaal (protonrijke kant) van een a subunit. • Door te draaien kan het proton van de c subunit worden afgegeven aan het andere hydrofiele kanaal in een a subunit (proton-arme kant). • De c subunits draaien en daarmee via de γ subunit de αen β-subunits (ATP synthese).
Stoichiometry • Er zijn tussen de 10 en 14 c subunits per ATP synthase molecuul. • Als de γ subunit 360 graden gedraaid heeft dan zijn er 3 ATP moleculen gesynthetiseerd. • 10 c subunits per rondje 10 H+ ionen transporteren. H+ /ATP = 10/3 = 3.3. Per ATP molecuul worden 3 protonen verplaatst.
Waargenomen rotatie van een fluorescent actine molecuul gekoppeld aan de γ-subunit van het ATP synthase complex bij hydrolyse van ATP
ATP opbrengst bij de volledige oxidatie van glucose • • • • • • • • •
glycolyse 2 ATP, 2 NADH (oxidatie via Q = via FADH2) citroenzuur cyclus 2 GTP, 6+2 NADH, 2 FADH2 Totaal: 2ATP, 2GTP, 8NADH en 4 FADH2. Oxidatie NADH (2 electronen) 4 H+, 2 H+, 4 H+ = 10 H+ gepompt. Oxidatie FADH2 (2 electronen) 2 H+, 4 H+ = 6 H+ gepompt. ATP synthese 3H+, transport van ATP 1 H+; kost 4 H+ per ATP NADH 10/4 = 2.5 ATP/2e. 8 x 2.5 = 20 FADH2 6/4 = 1.5 ATP/2e. 4 x 1.5 = 6 substraat gebonden fosforylering 2 + 2 = 4
• Totaal 20 + 6 + 4 = 30 !!! moleculen per glucose
Comparison between photosynthesis and oxidative phosphorylation
Figuur 19.25
Licht wordt gebruikt om electronen naar een sterkere reductor (hogere redox potentiaal) over te brengen
Figuur 19.23 Figuur 18.6
Metabolic pathways contain many recurring motifs (15.3)
• Activated carriers • Key reactions are reiterated • Metabolic processes are regulated in only three principle ways
Activated carriers of electrons for fuel oxidation Structures of the
oxidized forms of nicotinamidederived electron carriers
NAD+
• R = H: NAD+ • R= PO3 : NADP+ • The nicotinamide ring of NAD+ accepts a hydrogen atom and two electrons, which is equivalent to a hydride ion, H-
NADPH is the reductant in biosynthesis, NADH is used primarily for the generation of ATP
Flavin adenine dinucleotide is an electron carrier • FAD consists of flavin mononucleotide and an AMP unit • The molecule accepts 2 electrons and 2 protons
The redox reaction of FAD
Redox reactions and the involved redox carriers (NAD(P)+)
H- (hydride) transfer • The redox reaction catalyzed by NAD+ dependent redox enzymes. • NAD+ always functions as coenzyme (cosubstrate)
Redox reactions and the involved redox carriers (FAD)
H (hydrogen) transfer • The redox reaction catalyzed by FAD dependent redox enzymes • FAD is always bound to the enzyme (prosthetic group)
Coenzyme A is the carrier for activated acyl groups
CoA
ΔG0' of hydrolysis is -30.6 kJ mol-1
Carriers used in metabolism
The activated carriers are (kinetically) stable
Key reactions are reiterated throughout metabolism
The six fundamental reactions types are the basis of all reactions of metabolism
Oxidation-reduction reactions
Ligation reactions form bonds by using the free energy from ATP hydrolysis
Isomerization reactions
Group-transfer reactions
Hydrolytic reactions
The hydrolysis of a peptide bond
Lyases: enzymes that catalyze the addition or the removal of functional groups to/from double bonds or the cleavage involving electron rearrangement
additie aan een aldehyde (-C=O)
Metabolic processes are regulated in three different principle ways • The amount of enzymes – rate of transcription / rate of degradation
• The catalytic activity of the enzymes – – – –
reversible allosteric control feed back inhibition reversible covalent modification hormones coordinate metabolic relations between different tissues often via reversible covalent modification of key enzymes
• The accessibility of substrates – controlling the flux of substrates from one compartment to another (e.g. cytosol to mitochondria).
Biosynthetic and degradative pathways are almost always distinct for energetic reasons
[ ATP ] + 12 [ ADP ] Regulation by the energy charge = [ ATP ] + [ ADP ] + [ AMP ]
The evolution of metabolic pathways • Why do activated carriers such as ATP, NADH, FADH2 and coenzyme A contain adenosine diphosphate units? • Binding to a uracil unit in a niche of an RNA enzyme (ribozyme) in the RNA world • In the protein world, the carrier function could be continued without any adaptation
