Πληροφορίες

Στη γλυκόλυση, ποια είναι η πηγή του ηλεκτρονίου που κάνει το NAD+ σε NADH αντί για NADH+;

Στη γλυκόλυση, ποια είναι η πηγή του ηλεκτρονίου που κάνει το NAD+ σε NADH αντί για 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.

Κοίταξα τον τύπο για την αντίδραση γλυκόλυσης. Η συνολική αντίδραση φαίνεται ισορροπημένη, ωστόσο, δεν βλέπω τίποτα στην αριστερή πλευρά της εξίσωσης που θα παρείχε στο ηλεκτρόνιο τη μετατροπή του NAD+ σε NADH. Από πού προέρχεται αυτό το ηλεκτρόνιο;


Μεταβολισμός υδατανθράκων για το MCAT: Όλα όσα πρέπει να γνωρίζετε

(Σημείωση: Αυτός ο οδηγός είναι μέρος της σειράς MCAT Biochemistry.)

Μέρος 1: Εισαγωγή

Μέρος 2: Πέψη υδατανθράκων

α) Ενζυματική διάσπαση

β) Παγκρεατική ρύθμιση

γ) Γλυκογένεση και γλυκογονόλυση

Μέρος 3: Γλυκόλυση και ζύμωση

α) Γλυκόλυση

β) Ζύμωση γαλακτικού οξέος

γ) Γλυκονεογένεση

Μέρος 4: Οξείδωση πυροσταφυλικού και ο κύκλος TCA

α) Μιτοχονδριακή δομή

β) Οξείδωση πυροσταφυλικού

γ) Ο κύκλος του κιτρικού οξέος

Μέρος 5: Αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων και οξειδωτική φωσφορυλίωση

α) Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων

β) Η ηλεκτροχημική κλίση

γ) Οξειδωτική φωσφορυλίωση

Μέρος 6: Οδός φωσφορικής πεντόζης

Μέρος 7: Όροι υψηλής απόδοσης

Μέρος 8: Ερωτήσεις και απαντήσεις που βασίζονται σε αποσπάσματα

Μέρος 9: Αυτόνομες ερωτήσεις και απαντήσεις


Έλεγχος Καταβολικών Διαδρομών

Οι καταβολικές οδοί ελέγχονται από ένζυμα, πρωτεΐνες, φορείς ηλεκτρονίων και αντλίες που διασφαλίζουν ότι οι υπόλοιπες αντιδράσεις μπορούν να συνεχιστούν.

Στόχοι μάθησης

Εξηγήστε πώς ελέγχονται τα καταβολικά μονοπάτια

Βασικά Takeaways

Βασικά σημεία

  • Η γλυκόλυση, ο κύκλος του κιτρικού οξέος και η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων είναι καταβολικές οδοί που προκαλούν μη αναστρέψιμες αντιδράσεις.
  • Ο έλεγχος της γλυκόλυσης ξεκινά με την εξοκινάση, η οποία καταλύει τη φωσφορυλίωση της γλυκόζης, το προϊόν της είναι η γλυκόζη-6-φωσφορική, η οποία συσσωρεύεται όταν αναστέλλεται η φωσφοφρουκτοκινάση.
  • Ο κύκλος του κιτρικού οξέος ελέγχεται μέσω των ενζύμων που διασπούν τις αντιδράσεις που δημιουργούν τα δύο πρώτα μόρια του NADH.
  • Ο ρυθμός μεταφοράς ηλεκτρονίων μέσω της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων επηρεάζεται από τα επίπεδα ADP και ATP, ενώ συγκεκριμένα ένζυμα της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων δεν επηρεάζονται από την αναστολή ανάδρασης.

Βασικοί Όροι

  • φωσφοφρουκτοκινάση: οποιοδήποτε από μια ομάδα ενζύμων κινασών που μετατρέπουν τη φωσφορική φρουκτόζη σε διφωσφορική
  • γλυκόλυση: η κυτταρική μεταβολική οδός της απλής σακχάρου γλυκόζης για την παραγωγή πυροσταφυλικού οξέος και ATP ως πηγή ενέργειας
  • κινάση: οποιοδήποτε από μια ομάδα ενζύμων που μεταφέρει φωσφορικές ομάδες από μόρια δότες υψηλής ενέργειας, όπως το ATP, σε συγκεκριμένα μόρια στόχους (υποστρώματα) η διαδικασία ονομάζεται φωσφορυλίωση

Έλεγχος Καταβολικών Διαδρομών

Ένζυμα, πρωτεΐνες, φορείς ηλεκτρονίων και αντλίες που παίζουν ρόλο στη γλυκόλυση, στον κύκλο του κιτρικού οξέος και στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων τείνουν να καταλύουν μη αναστρέψιμες αντιδράσεις. Με άλλα λόγια, εάν λάβει χώρα η αρχική αντίδραση, το μονοπάτι δεσμεύεται να προχωρήσει με τις υπόλοιπες αντιδράσεις. Το αν απελευθερώνεται μια συγκεκριμένη ενζυμική δραστηριότητα εξαρτάται από τις ενεργειακές ανάγκες του κυττάρου (όπως αντικατοπτρίζονται από τα επίπεδα ATP, ADP και AMP).

Γλυκόλυση

Ο έλεγχος της γλυκόλυσης ξεκινά με το πρώτο ένζυμο στην οδό, την εξοκινάση. Αυτό το ένζυμο καταλύει τη φωσφορυλίωση της γλυκόζης, η οποία βοηθά στην προετοιμασία της ένωσης για διάσπαση σε μεταγενέστερο στάδιο. Η παρουσία του αρνητικά φορτισμένου φωσφορικού άλατος στο μόριο εμποδίζει επίσης το σάκχαρο να φύγει από το κύτταρο. Όταν αναστέλλεται η εξοκινάση, η γλυκόζη διαχέεται έξω από το κύτταρο και δεν γίνεται υπόστρωμα για τις οδούς αναπνοής σε αυτόν τον ιστό. Το προϊόν της αντίδρασης της εξοκινάσης είναι η 6-φωσφορική γλυκόζη, η οποία συσσωρεύεται όταν ένα μεταγενέστερο ένζυμο, η φωσφοφρουκτοκινάση, αναστέλλεται.

Γλυκόλυση: Η οδός γλυκόλυσης ρυθμίζεται κυρίως στα τρία βασικά ενζυματικά στάδια (1, 2 και 7) όπως υποδεικνύεται. Σημειώστε ότι τα δύο πρώτα βήματα που ρυθμίζονται συμβαίνουν νωρίς στην οδό και περιλαμβάνουν υδρόλυση του ATP.

Η φωσφοφρουκτοκινάση είναι το κύριο ένζυμο που ελέγχεται στη γλυκόλυση. Υψηλά επίπεδα ATP, κιτρικού ή χαμηλότερο, πιο όξινο pH μειώνουν τη δραστηριότητα του ενζύμου. Αύξηση της συγκέντρωσης κιτρικού μπορεί να συμβεί λόγω απόφραξης στον κύκλο του κιτρικού οξέος. Η ζύμωση, με την παραγωγή οργανικών οξέων όπως το γαλακτικό οξύ, συχνά ευθύνεται για την αυξημένη οξύτητα σε ένα κύτταρο, ωστόσο, τα προϊόντα της ζύμωσης τυπικά δεν συσσωρεύονται στα κύτταρα.

Το τελευταίο στάδιο της γλυκόλυσης καταλύεται από την πυροσταφυλική κινάση. Το πυροσταφυλικό που παράγεται μπορεί να προχωρήσει σε καταβολισμό ή μετατροπή στο αμινοξύ αλανίνη. Εάν δεν χρειάζεται περισσότερη ενέργεια και η αλανίνη είναι σε επαρκή παροχή, το ένζυμο αναστέλλεται. Η δραστηριότητα του ενζύμου αυξάνεται όταν τα επίπεδα της φρουκτόζης-1,6-διφωσφορικής αυξάνονται. (Θυμηθείτε ότι η φρουκτόζη-1,6-διφωσφορική είναι ένα ενδιάμεσο στο πρώτο μισό της γλυκόλυσης. ) Η ρύθμιση της πυροσταφυλικής κινάσης περιλαμβάνει φωσφορυλίωση, με αποτέλεσμα ένα λιγότερο ενεργό ένζυμο. Η αποφωσφορυλίωση από μια φωσφατάση την επανενεργοποιεί. Η πυροσταφυλική κινάση ρυθμίζεται επίσης από το ATP (αρνητικό αλλοστερικό αποτέλεσμα).

Εάν χρειάζεται περισσότερη ενέργεια, περισσότερο πυροσταφυλικό θα μετατραπεί σε ακετυλ CoA μέσω της δράσης της πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης. Εάν συσσωρευτούν είτε ομάδες ακετυλίου είτε NADH, υπάρχει λιγότερη ανάγκη για την αντίδραση και ο ρυθμός μειώνεται. Η πυροσταφυλική αφυδρογονάση ρυθμίζεται επίσης με φωσφορυλίωση: μια κινάση τη φωσφορυλιώνει για να σχηματίσει ένα ανενεργό ένζυμο και μια φωσφατάση την επανενεργοποιεί. Η κινάση και η φωσφατάση επίσης ρυθμίζονται.

Κύκλος του κιτρικού οξέος

Ο κύκλος του κιτρικού οξέος ελέγχεται μέσω των ενζύμων που καταλύουν τις αντιδράσεις που δημιουργούν τα δύο πρώτα μόρια του NADH. Αυτά τα ένζυμα είναι η ισοκιτρική αφυδρογονάση και η α-κετογλουταρική αφυδρογονάση. Όταν είναι διαθέσιμα επαρκή επίπεδα ATP και NADH, οι ρυθμοί αυτών των αντιδράσεων μειώνονται. Όταν χρειάζεται περισσότερη ATP, όπως αντικατοπτρίζεται στην αύξηση των επιπέδων ADP, ο ρυθμός αυξάνεται. Η αφυδρογονάση της α-κετογλουταρικής θα επηρεαστεί επίσης από τα επίπεδα του ηλεκτρυλικού CoA, ενός επακόλουθου ενδιάμεσου στον κύκλο, προκαλώντας μείωση της δραστηριότητας. Μια μείωση στον ρυθμό λειτουργίας της οδού σε αυτό το σημείο δεν είναι απαραίτητα αρνητική καθώς τα αυξημένα επίπεδα του α-κετογλουταρικού που δεν χρησιμοποιούνται στον κύκλο του κιτρικού οξέος μπορούν να χρησιμοποιηθούν από το κύτταρο για τη σύνθεση αμινοξέων (γλουταμινικού).

Κύκλος του κιτρικού οξέος: Ένζυμα, η ισοσιτρική αφυδρογονάση και η α-κετογλουταρική αφυδρογονάση, καταλύουν τις αντιδράσεις που δημιουργούν τα δύο πρώτα μόρια NADH στον κύκλο του κιτρικού οξέος. Οι ρυθμοί της αντίδρασης μειώνονται όταν επιτυγχάνονται επαρκή επίπεδα ATP και NADH.

Αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων

Συγκεκριμένα ένζυμα της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων δεν επηρεάζονται από την αναστολή ανάδρασης, αλλά ο ρυθμός μεταφοράς ηλεκτρονίων μέσω της οδού επηρεάζεται από τα επίπεδα ADP και ATP. Η μεγαλύτερη κατανάλωση ATP από μια κυψέλη υποδεικνύεται από τη συσσώρευση ADP. Καθώς η χρήση του ATP μειώνεται, η συγκέντρωση του ADP μειώνεται: το ATP αρχίζει να συσσωρεύεται στο κύτταρο. Αυτή η αλλαγή στη σχετική συγκέντρωση του ADP σε ATP ενεργοποιεί το κύτταρο να επιβραδύνει την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων.

Μεταφορά αλυσίδας ηλεκτρονίων: Τα επίπεδα ADP και ATP επηρεάζουν τον ρυθμό μεταφοράς ηλεκτρονίων μέσω αυτού του τύπου μεταφοράς αλυσίδας.


Επισκόπηση της Κυτταρικής Αναπνοής

Εικόνα 1. Μόρια υψηλής ενέργειας: ATP και NADH. Το επάνω πλαίσιο απεικονίζει την υδρόλυση του ATP σε ADP. Η τυπική ελεύθερη ενέργεια αυτής της αντίδρασης είναι

7,3 kcal/mol. Το κάτω πλαίσιο απεικονίζει τη μείωση του NAD+ σε NADH + H+.

Όλα τα κύτταρα απαιτούν κάποια πηγή ενέργειας για να εκτελέσουν τις κανονικές τους λειτουργίες. Η ενέργεια στα κύτταρα συνήθως αποθηκεύεται με τη μορφή χημικών δεσμών. Στα επόμενα μαθήματα θα μάθετε μεταβολικές οδούς (μονοπάτια χημικών αντιδράσεων σε ένα κύτταρο), συμπεριλαμβανομένων καταβολικά μονοπάτια, που περιγράφουν αντιδράσεις που διασπούν μόρια, και αναβολικά μονοπάτια, που περιγράφουν αντιδράσεις που δημιουργούν μόρια. Συχνά οι καταβολικές οδοί απελευθερώνουν ενέργεια όταν σπάνε χημικοί δεσμοί, ενώ οι αναβολικές οδοί μπορεί να απαιτούν ενέργεια για να σχηματίσουν χημικούς δεσμούς. Στα φυτικά κύτταρα, η ενέργεια προέρχεται από το φως του ήλιου και χρησιμοποιείται σε αναβολικές οδούς για τη σύνθεση απλών σακχάρων. Αυτά τα σάκχαρα μπορούν να αποθηκευτούν και να χρησιμοποιηθούν αργότερα είτε σε αναβολικές είτε σε καταβολικές οδούς. Στα ζωικά κύτταρα, η ενέργεια προέρχεται από τον καταβολισμό των προσλαμβανόμενων μακρομορίων όπως το άμυλο και το λίπος από άλλους οργανισμούς (π.χ. το χάμπουργκερ που είχατε για μεσημεριανό γεύμα). Τα μεγάλα μακρομόρια καταβολίζονται σε απλά σάκχαρα και άλλα δομικά στοιχεία, απελευθερώνοντας ενέργεια στην πορεία. Αυτή η ενέργεια δεσμεύεται με τη μορφή δύο τύπων μορίων υψηλής ενέργειας: του ATP και των φορέων ηλεκτρονίων.

Αυτό το σεμινάριο περιγράφει τον καταβολισμό της γλυκόζης, της πιο κοινής απλής ζάχαρης που βρίσκεται τόσο στα ζώα όσο και στα φυτά. Θυμηθείτε από ένα προηγούμενο σεμινάριο (Ιδιότητες των Μακρομορίων II: Νουκλεϊκά Οξέα, Πολυσακχαρίτες και Λιπίδια), η γλυκόζη βρίσκεται τόσο στο γλυκογόνο όσο και στο άμυλο. Ο πλήρης καταβολισμός της γλυκόζης σε CO2 και Χ2Το O αναφέρεται ως κυτταρική αναπνοή γιατί απαιτεί οξυγόνο. Η καθαρή αντίδραση για την κυτταρική αναπνοή είναι C6H12Ο6 + 6Ο2 -> 6CO2 + 6Η2O + 38ATP. Ο καταβολισμός της γλυκόζης συμβαίνει μέσω μιας σειράς αντιδράσεων οξείδωσης. Υπενθυμίζουμε από το Biology 110 ότι το οξείδωσηενός μορίου περιλαμβάνει την απομάκρυνση ηλεκτρονίων. Η οξείδωση των οργανικών μορίων συμβαίνει με την απομάκρυνση ηλεκτρονίων και πρωτονίων (Η+). Στις βιολογικές αντιδράσεις, μια αντίδραση οξείδωσης συνδέεται με α μείωση αντίδραση (προσθήκη ηλεκτρονίων και πρωτονίων) έτσι ώστε το ένα μόριο να οξειδώνεται και το άλλο να ανάγεται. Στον καταβολισμό της γλυκόζης, τα σάκχαρα οξειδώνονται σε αντιδράσεις που συνδέονται με τη μείωση του πιο κοινού φορέα ηλεκτρονίων, δινουκλεοτίδιο νικοτιναμίδης αδενίνης (NAD+), (Φιγούρα 1). Για παράδειγμα, στην ακόλουθη αντίδραση: μηλικό + NAD+ -> οξαλοξικό + NADH + Η+, το μηλικό οξειδώνεται και το NAD->is ανάγεται. Η κυτταρική αναπνοή συμβαίνει σταδιακά, παράγοντας αρχικά πολλά μόρια μειωμένων φορέων ηλεκτρονίων (NADH και FADH2). Αυτοί οι ανηγμένοι φορείς ηλεκτρονίων θα οξειδωθούν τελικά στα μιτοχόνδρια σε μια διαδικασία που συνδέεται με τη σύνθεση ATP. Μόνο σε αυτό το τελευταίο βήμα χρησιμοποιείται πραγματικά το οξυγόνο. Οι ανηγμένοι φορείς ηλεκτρονίων δωρίζουν τα ηλεκτρόνια τους σε μια αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων και τελικά, το οξυγόνο μειώνεται για να δώσει νερό. Αυτό το τελευταίο βήμα της κυτταρικής αναπνοής αποδίδει τη μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας, με τη μορφή ATP.

Υπάρχουν τέσσερα διαφορετικά στάδια της κυτταρικής αναπνοής: γλυκόλυση, η οξείδωση της γλυκόζης στο σάκχαρο τριών άνθρακα πυροσταφυλικό οξείδωση πυροσταφυλικού, η οξείδωση του πυροσταφυλικού σε ακετυλικό συνένζυμο Α (ακετυλικό CoA) ο κύκλος του κιτρικού οξέος(αναφέρεται επίσης ως κύκλος του Kreb ή κύκλος TCA), η πλήρης οξείδωση του ακετυλικού CoA και, τέλος, η οξείδωση των ανηγμένων φορέων ηλεκτρονίων που συνδέονται με τη σύνθεση του ATP. Τα πρώτα τρία στάδια (γλυκόλυση, οξείδωση πυροσταφυλικού και κύκλος κιτρικού οξέος) θα περιγραφούν σε αυτό το σεμινάριο. Επιπλέον, θα εξετάσουμε τη διαδικασία της ζύμωσης, η οποία λαμβάνει χώρα απουσία οξυγόνου, κατά την οποία το πυροσταφυλικό μειώνεται και δημιουργείται μια ποικιλία υποπροϊόντων. Το τελευταίο βήμα της κυτταρικής αναπνοής, η οξείδωση των φορέων ηλεκτρονίων που συνδέονται με τη σύνθεση ATP, θα καλυφθεί στο επόμενο σεμινάριο.


Περιεχόμενα

Το δινουκλεοτίδιο νικοτιναμίδης αδενίνης αποτελείται από δύο νουκλεοζίτες που ενώνονται με πυροφωσφορικό. Οι νουκλεοζίτες περιέχουν ο καθένας έναν δακτύλιο ριβόζης, ο ένας με αδενίνη συνδεδεμένη με το πρώτο άτομο άνθρακα (στη θέση 1') (διφωσφορική αδενοσίνη ριβόζη) και ο άλλος με νικοτιναμίδιο σε αυτή τη θέση. [1] [2]

Η ένωση δέχεται ή δωρίζει το ισοδύναμο του H − . [3] Τέτοιες αντιδράσεις (συνοψίζονται στον παρακάτω τύπο) περιλαμβάνουν την απομάκρυνση δύο ατόμων υδρογόνου από το αντιδρόν (R), με τη μορφή ενός ιόντος υδριδίου (H - ), και ενός πρωτονίου (H + ). Το πρωτόνιο απελευθερώνεται σε διάλυμα, ενώ το αναγωγικό RH2 οξειδώνεται και το NAD + ανάγεται σε NADH με μεταφορά του υδριδίου στον νικοτιναμιδικό δακτύλιο.

Από το ζεύγος ηλεκτρονίων υδριδίου, ένα ηλεκτρόνιο μεταφέρεται στο θετικά φορτισμένο άζωτο του δακτυλίου νικοτιναμιδίου του NAD + και το δεύτερο άτομο υδρογόνου μεταφέρεται στο άτομο άνθρακα C4 απέναντι από αυτό το άζωτο. Το δυναμικό μέσου του ζεύγους οξειδοαναγωγής NAD + / NADH είναι −0,32 βολτ, γεγονός που καθιστά το NADH ισχυρό αναγωγικός μέσο. [4] Η αντίδραση είναι εύκολα αναστρέψιμη, όταν το NADH μειώνει ένα άλλο μόριο και επαναοξειδώνεται σε NAD + . Αυτό σημαίνει ότι το συνένζυμο μπορεί να κυκλώνει συνεχώς μεταξύ των μορφών NAD + και NADH χωρίς να καταναλώνεται. [2]

Στην εμφάνιση, όλες οι μορφές αυτού του συνενζύμου είναι λευκές άμορφες σκόνες που είναι υγροσκοπικές και εξαιρετικά υδατοδιαλυτές. [5] Τα στερεά είναι σταθερά εάν αποθηκεύονται στεγνά και στο σκοτάδι. Τα διαλύματα NAD + είναι άχρωμα και σταθερά για περίπου μια εβδομάδα στους 4 °C και ουδέτερο pH, αλλά αποσυντίθενται γρήγορα σε οξέα ή αλκάλια. Κατά την αποσύνθεση σχηματίζουν προϊόντα που είναι αναστολείς ενζύμων. [6]

Τόσο το NAD + όσο και το NADH απορροφούν έντονα το υπεριώδες φως λόγω της αδενίνης. Για παράδειγμα, η μέγιστη απορρόφηση του NAD + είναι σε μήκος κύματος 259 νανόμετρα (nm), με συντελεστή απόσβεσης 16.900 M −1 cm −1. Το NADH απορροφά επίσης σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, με μια δεύτερη κορυφή στην απορρόφηση UV στα 339 nm με συντελεστή απόσβεσης 6.220 M −1 cm −1. [7] Αυτή η διαφορά στα φάσματα απορρόφησης υπεριώδους ακτινοβολίας μεταξύ της οξειδωμένης και ανηγμένης μορφής των συνενζύμων σε μεγαλύτερα μήκη κύματος καθιστά απλή τη μέτρηση της μετατροπής του ενός στο άλλο σε προσδιορισμούς ενζύμων - μετρώντας την ποσότητα της απορρόφησης UV στα 340 nm χρησιμοποιώντας ένα φασματοφωτόμετρο . [7]

Το NAD + και το NADH διαφέρουν επίσης ως προς τον φθορισμό τους. Ελεύθερη διάχυση NADH σε υδατικό διάλυμα, όταν διεγείρεται από την απορρόφηση του νικοτιναμιδίου

335 nm (κοντά στην υπεριώδη ακτινοβολία), φθορίζει στα 445-460 nm (ιώδες έως μπλε) με διάρκεια ζωής φθορισμού 0,4 νανοδευτερόλεπτα, ενώ το NAD + δεν φθορίζει. [8] [9] Οι ιδιότητες του σήματος φθορισμού αλλάζουν όταν το NADH συνδέεται με πρωτεΐνες, επομένως αυτές οι αλλαγές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση των σταθερών διάστασης, οι οποίες είναι χρήσιμες στη μελέτη της κινητικής των ενζύμων. [9] [10] Αυτές οι αλλαγές στον φθορισμό χρησιμοποιούνται επίσης για τη μέτρηση των αλλαγών στην οξειδοαναγωγική κατάσταση των ζωντανών κυττάρων, μέσω μικροσκοπίας φθορισμού. [11]

Στο ήπαρ αρουραίου, η συνολική ποσότητα NAD + και NADH είναι περίπου 1 μmole ανά γραμμάριο υγρού βάρους, περίπου 10 φορές τη συγκέντρωση των NADP + και NADPH στα ίδια κύτταρα. [12] Η πραγματική συγκέντρωση του NAD + στο κυτταρικό κυτταρόπλασμα είναι πιο δύσκολο να μετρηθεί, με πρόσφατες εκτιμήσεις σε ζωικά κύτταρα που κυμαίνονται γύρω στα 0,3 mM, [13] [14] και περίπου 1,0 έως 2,0 mM στη ζύμη. [15] Ωστόσο, περισσότερο από το 80% του φθορισμού NADH στα μιτοχόνδρια προέρχεται από δεσμευμένη μορφή, επομένως η συγκέντρωση στο διάλυμα είναι πολύ χαμηλότερη. [16]

Οι συγκεντρώσεις NAD + είναι υψηλότερες στα μιτοχόνδρια, αποτελώντας το 40% έως 70% του συνολικού κυτταρικού NAD +. [17] Το NAD + στο κυτταρόπλασμα μεταφέρεται στο μιτοχόνδριο από μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη μεταφοράς μεμβράνης, καθώς το συνένζυμο δεν μπορεί να διαχέεται στις μεμβράνες. [18] Ο ενδοκυτταρικός χρόνος ημιζωής του NAD + ισχυρίστηκε ότι είναι μεταξύ 1-2 ωρών από μία ανασκόπηση, [19] ενώ μια άλλη ανασκόπηση έδωσε ποικίλες εκτιμήσεις με βάση το διαμέρισμα: ενδοκυτταρική 1-4 ώρες, κυτταροπλασματική 2 ώρες και μιτοχονδριακή 4 -6 ώρες. [20]

Η ισορροπία μεταξύ της οξειδωμένης και ανηγμένης μορφής του δινουκλεοτιδίου νικοτιναμίδης αδενίνης ονομάζεται αναλογία NAD + /NADH. Αυτή η αναλογία είναι ένα σημαντικό συστατικό αυτού που ονομάζεται κατάσταση οξειδοαναγωγής ενός κυττάρου, μια μέτρηση που αντικατοπτρίζει τόσο τις μεταβολικές δραστηριότητες όσο και την υγεία των κυττάρων. [21] Τα αποτελέσματα της αναλογίας NAD + /NADH είναι πολύπλοκα, ελέγχοντας τη δραστηριότητα πολλών βασικών ενζύμων, συμπεριλαμβανομένης της αφυδρογονάσης της 3-φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης και της πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης. Σε υγιείς ιστούς θηλαστικών, οι εκτιμήσεις της αναλογίας μεταξύ του ελεύθερου NAD + και του NADH στο κυτταρόπλασμα συνήθως βρίσκονται γύρω στο 700:1, η αναλογία είναι επομένως ευνοϊκή για οξειδωτικές αντιδράσεις. [22] [23] Ο λόγος του συνολικού NAD + /NADH είναι πολύ χαμηλότερος, με εκτιμήσεις που κυμαίνονται από 3–10 στα θηλαστικά. [24] Αντίθετα, ο λόγος NADP + /NADPH είναι συνήθως περίπου 0,005, επομένως το NADPH είναι η κυρίαρχη μορφή αυτού του συνενζύμου. [25] Αυτές οι διαφορετικές αναλογίες είναι βασικές για τους διαφορετικούς μεταβολικούς ρόλους των NADH και NADPH.

Το NAD + συντίθεται μέσω δύο μεταβολικών οδών. Παράγεται είτε σε α de novo μονοπάτι από αμινοξέα ή σε μονοπάτια διάσωσης με ανακύκλωση προσχηματισμένων συστατικών όπως το νικοτιναμίδιο πίσω στο NAD +. Αν και οι περισσότεροι ιστοί συνθέτουν NAD + μέσω της οδού διάσωσης στα θηλαστικά, πολύ περισσότερο de novo Η σύνθεση γίνεται στο ήπαρ από την τρυπτοφάνη και στους νεφρούς και τα μακροφάγα από το νικοτινικό οξύ. [26]

De novo παραγωγή Επεξεργασία

Οι περισσότεροι οργανισμοί συνθέτουν NAD + από απλά συστατικά. [3] Το συγκεκριμένο σύνολο αντιδράσεων διαφέρει μεταξύ των οργανισμών, αλλά ένα κοινό χαρακτηριστικό είναι η παραγωγή κινολινικού οξέος (QA) από ένα αμινοξύ—είτε τρυπτοφάνη (Trp) σε ζώα και ορισμένα βακτήρια, είτε ασπαρτικό οξύ (Asp) σε ορισμένα βακτήρια και φυτά. [27] [28] Το κινολινικό οξύ μετατρέπεται σε μονονουκλεοτίδιο νικοτινικού οξέος (NaMN) με μεταφορά ενός τμήματος φωσφοριβόζης. Στη συνέχεια, ένα αδενυλικό τμήμα μεταφέρεται για να σχηματιστεί δινουκλεοτίδιο αδενίνης νικοτινικού οξέος (NaAD). Τέλος, το τμήμα νικοτινικού οξέος στο NaAD αμιδιώνεται σε ένα τμήμα νικοτιναμιδίου (Nam), σχηματίζοντας δινουκλεοτίδιο αδενίνης νικοτιναμιδίου. [3]

Σε ένα περαιτέρω βήμα, κάποιο NAD + μετατρέπεται σε NADP + από NAD + κινάση, η οποία φωσφορυλιώνει το NAD +. [29] Στους περισσότερους οργανισμούς, αυτό το ένζυμο χρησιμοποιεί το ATP ως πηγή της φωσφορικής ομάδας, αν και αρκετά βακτήρια όπως Mycobacterium tuberculosis και ένα υπερθερμόφιλο αρχαίο Pyrococcus horikoshii, χρησιμοποιήστε ανόργανο πολυφωσφορικό ως εναλλακτικό δότη φωσφορυλίου. [30] [31]

Διαδρομές διάσωσης Επεξεργασία

Παρά την παρουσία του de novo μονοπάτι, οι αντιδράσεις διάσωσης είναι απαραίτητες στον άνθρωπο, η έλλειψη νιασίνης στη διατροφή προκαλεί την ασθένεια ανεπάρκειας βιταμινών πελλάγρα. [32] Αυτή η υψηλή απαίτηση για NAD + προκύπτει από τη συνεχή κατανάλωση του συνενζύμου σε αντιδράσεις όπως οι μεταμεταφραστικές τροποποιήσεις, καθώς ο κύκλος του NAD + μεταξύ οξειδωμένων και ανηγμένων μορφών σε αντιδράσεις οξειδοαναγωγής δεν αλλάζει τα συνολικά επίπεδα του συνενζύμου. [3] Η κύρια πηγή NAD + στα θηλαστικά είναι η οδός διάσωσης που ανακυκλώνει το νικοτιναμίδιο που παράγεται από ένζυμα που χρησιμοποιούν NAD + . [33] Το πρώτο βήμα και το ένζυμο περιορισμού του ρυθμού στην οδό διάσωσης είναι η νικοτιναμιδική φωσφοριβοσυλτρανσφεράση (NAMPT), η οποία παράγει το μονονουκλεοτίδιο νικοτιναμιδίου (NMN). [33] Το NMN είναι ο άμεσος πρόδρομος του NAD+ στο μονοπάτι διάσωσης. [34]

Εκτός από τη συναρμολόγηση NAD + de novo από απλούς πρόδρομους αμινοξέων, τα κύτταρα διασώζουν επίσης προσχηματισμένες ενώσεις που περιέχουν μια βάση πυριδίνης. Οι τρεις πρόδρομες ουσίες βιταμινών που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις μεταβολικές οδούς διάσωσης είναι το νικοτινικό οξύ (NA), το νικοτιναμίδιο (Nam) και το νικοτιναμίδιο ριβοσίδη (NR). [3] Αυτές οι ενώσεις μπορούν να ληφθούν από τη διατροφή και ονομάζονται βιταμίνη Β3 ή νικοτινικό οξύ. Ωστόσο, αυτές οι ενώσεις παράγονται επίσης μέσα στα κύτταρα και με πέψη του κυτταρικού NAD +. Μερικά από τα ένζυμα που εμπλέκονται σε αυτά τα μονοπάτια διάσωσης φαίνεται να συγκεντρώνονται στον κυτταρικό πυρήνα, γεγονός που μπορεί να αντισταθμίσει το υψηλό επίπεδο αντιδράσεων που καταναλώνουν το NAD + σε αυτό το οργανίδιο. [35] Υπάρχουν ορισμένες αναφορές ότι τα κύτταρα των θηλαστικών μπορούν να προσλάβουν εξωκυτταρικό NAD + από το περιβάλλον τους, [36] και τόσο το νικοτιναμίδιο όσο και το ριβοσίδιο του νικοτιναμιδίου μπορούν να απορροφηθούν από το έντερο. [37]

Οι οδοί διάσωσης που χρησιμοποιούνται στους μικροοργανισμούς διαφέρουν από αυτές των θηλαστικών. [38] Ορισμένα παθογόνα, όπως η μαγιά Candida glabrata και το βακτήριο Haemophilus influenzae είναι NAD + αυξότροφα - δεν μπορούν να συνθέσουν NAD + - αλλά διαθέτουν μονοπάτια διάσωσης και επομένως εξαρτώνται από εξωτερικές πηγές NAD + ή από τους προδρόμους του. [39] [40] Ακόμη πιο εκπληκτικό είναι το ενδοκυτταρικό παθογόνο Chlamydia trachomatis, το οποίο στερείται αναγνωρίσιμων υποψηφίων για οποιαδήποτε γονίδια που εμπλέκονται στη βιοσύνθεση ή τη διάσωση τόσο του NAD + όσο και του NADP + και πρέπει να αποκτήσει αυτά τα συνένζυμα από τον ξενιστή του. [41]

Το δινουκλεοτίδιο νικοτιναμίδης αδενίνης έχει αρκετούς ουσιαστικούς ρόλους στο μεταβολισμό. Δρα ως συνένζυμο σε αντιδράσεις οξειδοαναγωγής, ως δότης τμημάτων ADP-ριβόζης σε αντιδράσεις ADP-ριβοζυλίωσης, ως πρόδρομος του δεύτερου μορίου κυκλικής ADP-ριβόζης, καθώς και ως υπόστρωμα για βακτηριακές λιγάσες DNA και μια ομάδα των ενζύμων που ονομάζονται sirtuins που χρησιμοποιούν NAD + για να αφαιρέσουν τις ακετυλομάδες από τις πρωτεΐνες. Εκτός από αυτές τις μεταβολικές λειτουργίες, το NAD + αναδύεται ως ένα νουκλεοτίδιο αδενίνης που μπορεί να απελευθερωθεί από τα κύτταρα αυθόρμητα και με ρυθμισμένους μηχανισμούς, [43] [44] και επομένως μπορεί να έχει σημαντικούς εξωκυτταρικούς ρόλους. [44]

Δέσμευση οξειδορεδουκτάσης του NAD Edit

Ο κύριος ρόλος του NAD + στο μεταβολισμό είναι η μεταφορά ηλεκτρονίων από το ένα μόριο στο άλλο. Αντιδράσεις αυτού του τύπου καταλύονται από μια μεγάλη ομάδα ενζύμων που ονομάζονται οξειδορεδουκτάσες. Τα σωστά ονόματα για αυτά τα ένζυμα περιέχουν τα ονόματα και των δύο υποστρωμάτων τους: για παράδειγμα η οξειδορεδουκτάση NADH-ουβικινόνης καταλύει την οξείδωση του NADH από το συνένζυμο Q. [45] Ωστόσο, αυτά τα ένζυμα αναφέρονται επίσης ως αφυδρογονάσες ή αναγωγάσες, με την οξειδορεδουκτάση NADH-ουβικινόνης να ονομάζεται συνήθως NADH αφυδρογονάση ή μερικές φορές συνένζυμο Q αναγωγάση. [46]

Υπάρχουν πολλές διαφορετικές υπεροικογένειες ενζύμων που δεσμεύουν το NAD + / NADH. Μία από τις πιο κοινές υπεροικογένειες περιλαμβάνει ένα δομικό μοτίβο γνωστό ως πτυχή Rossmann. [47] [48] Το μοτίβο πήρε το όνομά του από τον Michael Rossmann, ο οποίος ήταν ο πρώτος επιστήμονας που παρατήρησε πόσο κοινή είναι αυτή η δομή στις πρωτεΐνες που δεσμεύουν νουκλεοτίδια. [49]

Ένα παράδειγμα βακτηριακού ενζύμου που δεσμεύει NAD που εμπλέκεται στον μεταβολισμό αμινοξέων που δεν έχει πτυχή Rossmann βρίσκεται στο Pseudomonas syringae pv. ντομάτα ( PDB: 2CWH ​InterPro: IP003767). [50]

Όταν δεσμεύεται στη δραστική θέση μιας οξειδορεδουκτάσης, ο νικοτιναμιδικός δακτύλιος του συνενζύμου τοποθετείται έτσι ώστε να μπορεί να δεχτεί ένα υδρίδιο από το άλλο υπόστρωμα. Ανάλογα με το ένζυμο, ο δότης υδριδίου τοποθετείται είτε "πάνω" είτε "κάτω" από το επίπεδο του επίπεδου άνθρακα C4, όπως ορίζεται στο σχήμα. Οι οξειδορεδουκτάσες κατηγορίας Α μεταφέρουν το άτομο από πάνω Τα ένζυμα κατηγορίας Β το μεταφέρουν από κάτω. Δεδομένου ότι ο άνθρακας C4 που δέχεται το υδρογόνο είναι προχειρικός, αυτό μπορεί να αξιοποιηθεί στην ενζυμική κινητική για να δώσει πληροφορίες σχετικά με τον μηχανισμό του ενζύμου. Αυτό γίνεται με την ανάμειξη ενός ενζύμου με ένα υπόστρωμα που έχει άτομα δευτερίου υποκαθιστώντας τα υδρογόνα, έτσι το ένζυμο θα μειώσει το NAD + μεταφέροντας δευτέριο αντί για υδρογόνο. Σε αυτή την περίπτωση, ένα ένζυμο μπορεί να παράγει ένα από τα δύο στερεοϊσομερή του NADH. [51]

Παρά την ομοιότητα στον τρόπο με τον οποίο οι πρωτεΐνες δεσμεύουν τα δύο συνένζυμα, τα ένζυμα δείχνουν σχεδόν πάντα υψηλό επίπεδο ειδικότητας είτε για το NAD + είτε για το NADP +. [52] Αυτή η εξειδίκευση αντανακλά τους διακριτούς μεταβολικούς ρόλους των αντίστοιχων συνενζύμων και είναι το αποτέλεσμα διακριτών συνόλων υπολειμμάτων αμινοξέων στους δύο τύπους θύλακα δέσμευσης συνενζύμων. Για παράδειγμα, στην ενεργή θέση των εξαρτώμενων από NADP ενζύμων, σχηματίζεται ένας ιοντικός δεσμός μεταξύ μιας βασικής πλευρικής αλυσίδας αμινοξέων και της όξινης φωσφορικής ομάδας του NADP +. Αντίθετα, στα ένζυμα που εξαρτώνται από το NAD το φορτίο σε αυτόν τον θύλακα αντιστρέφεται, εμποδίζοντας τη δέσμευση του NADP +. Ωστόσο, υπάρχουν μερικές εξαιρέσεις σε αυτόν τον γενικό κανόνα και ένζυμα όπως η αναγωγάση της αλδόζης, η αφυδρογονάση της 6-φωσφορικής γλυκόζης και η μεθυλενοτετραϋδροφολική αναγωγάση μπορούν να χρησιμοποιήσουν και τα δύο συνένζυμα σε ορισμένα είδη. [53]

Ρόλος στον οξειδοαναγωγικό μεταβολισμό Επεξεργασία

Οι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις που καταλύονται από τις οξειδοαναγωγάσες είναι ζωτικής σημασίας σε όλα τα μέρη του μεταβολισμού, αλλά μια ιδιαίτερα σημαντική λειτουργία αυτών των αντιδράσεων είναι να επιτρέπουν στα θρεπτικά συστατικά να ξεκλειδώνουν την ενέργεια που αποθηκεύεται στον σχετικά αδύναμο διπλό δεσμό οξυγόνου. [54] Εδώ, ανηγμένες ενώσεις όπως η γλυκόζη και τα λιπαρά οξέα οξειδώνονται, απελευθερώνοντας έτσι τη χημική ενέργεια του Ο.2. Σε αυτή τη διαδικασία, το NAD + ανάγεται σε NADH, ως μέρος της βήτα οξείδωσης, της γλυκόλυσης και του κύκλου του κιτρικού οξέος. Στους ευκαρυώτες τα ηλεκτρόνια που μεταφέρονται από το NADH που παράγεται στο κυτταρόπλασμα μεταφέρονται στο μιτοχόνδριο (για τη μείωση του μιτοχονδριακού NAD + ) με μιτοχονδριακά σαΐτα, όπως η σαΐτα μηλικού-ασπαρτικού. [55] Το μιτοχονδριακό NADH στη συνέχεια οξειδώνεται με τη σειρά του από την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, η οποία αντλεί πρωτόνια σε μια μεμβράνη και παράγει ATP μέσω οξειδωτικής φωσφορυλίωσης. [56] Αυτά τα συστήματα μεταφοράς έχουν επίσης την ίδια λειτουργία μεταφοράς στους χλωροπλάστες. [57]

Δεδομένου ότι τόσο η οξειδωμένη όσο και η ανηγμένη μορφή του δινουκλεοτιδίου νικοτιναμιδίου αδενίνης χρησιμοποιούνται σε αυτά τα συνδεδεμένα σετ αντιδράσεων, το κύτταρο διατηρεί σημαντικές συγκεντρώσεις τόσο του NAD + όσο και του NADH, με την υψηλή αναλογία NAD + /NADH να επιτρέπει σε αυτό το συνένζυμο να δρα και ως οξειδωτικό και ένας αναγωγικός παράγοντας. [58] Αντίθετα, η κύρια λειτουργία του NADPH είναι ως αναγωγικός παράγοντας στον αναβολισμό, με αυτό το συνένζυμο να εμπλέκεται σε μονοπάτια όπως η σύνθεση λιπαρών οξέων και η φωτοσύνθεση. Δεδομένου ότι το NADPH απαιτείται για την πρόκληση αντιδράσεων οξειδοαναγωγής ως ισχυρός αναγωγικός παράγοντας, η αναλογία NADP + /NADPH διατηρείται πολύ χαμηλή. [58]

Αν και είναι σημαντικό στον καταβολισμό, το NADH χρησιμοποιείται επίσης σε αναβολικές αντιδράσεις, όπως η γλυκονεογένεση. [59] Αυτή η ανάγκη για NADH στον αναβολισμό δημιουργεί πρόβλημα για τους προκαρυώτες που αναπτύσσονται με θρεπτικά συστατικά που απελευθερώνουν μόνο μια μικρή ποσότητα ενέργειας. Για παράδειγμα, τα νιτροποιητικά βακτήρια όπως π.χ Nitrobacter οξειδώνουν τα νιτρώδη σε νιτρικά, τα οποία απελευθερώνουν αρκετή ενέργεια για την άντληση πρωτονίων και την παραγωγή ATP, αλλά όχι αρκετή για την απευθείας παραγωγή NADH. [60] Καθώς το NADH είναι ακόμα απαραίτητο για τις αναβολικές αντιδράσεις, αυτά τα βακτήρια χρησιμοποιούν μια νιτρώδη οξειδοαναγωγάση για να παράγουν αρκετή κινητήρια δύναμη πρωτονίων για να τρέξουν μέρος της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων αντίστροφα, δημιουργώντας NADH. [61]

Μη οξειδοαναγωγικοί ρόλοι Επεξεργασία

Το συνένζυμο NAD + καταναλώνεται επίσης σε αντιδράσεις μεταφοράς ADP-ριβόζης. Για παράδειγμα, τα ένζυμα που ονομάζονται ADP-ριβοσυλτρανσφεράσες προσθέτουν το τμήμα ADP-ριβόζης αυτού του μορίου στις πρωτεΐνες, σε μια μεταμεταφραστική τροποποίηση που ονομάζεται ADP-ριβοζυλίωση. [62] Η ADP-ριβοζυλίωση περιλαμβάνει είτε την προσθήκη ενός μόνο τμήματος ADP-ριβόζης, σε μονο-ADP-ριβοζυλίωση, ή η μεταφορά της ADP-ριβόζης σε πρωτεΐνες σε μακριές διακλαδισμένες αλυσίδες, η οποία ονομάζεται πολυ(ADP-ριβοσυλ)ιόν. [63] Η μονο-ADP-ριβοζυλίωση αναγνωρίστηκε για πρώτη φορά ως ο μηχανισμός μιας ομάδας βακτηριακών τοξινών, κυρίως της τοξίνης της χολέρας, αλλά εμπλέκεται επίσης στη φυσιολογική κυτταρική σηματοδότηση. [64] [65] Η πολυ(ADP-ριβοσυλ)ενοποίηση πραγματοποιείται από τις πολυμεράσες πολυ(ADP-ριβόζης). [63] [66] Η δομή πολυ(ADP-ριβόζης) εμπλέκεται στη ρύθμιση πολλών κυτταρικών γεγονότων και είναι πιο σημαντική στον κυτταρικό πυρήνα, σε διαδικασίες όπως η επισκευή του DNA και η συντήρηση των τελομερών. [66] Εκτός από αυτές τις λειτουργίες μέσα στο κύτταρο, πρόσφατα ανακαλύφθηκε μια ομάδα εξωκυτταρικών ADP-ριβοσυλτρανσφερασών, αλλά οι λειτουργίες τους παραμένουν ασαφείς. [67] Το NAD + μπορεί επίσης να προστεθεί σε κυτταρικό RNA ως 5'-τελική τροποποίηση. [68]

Μια άλλη λειτουργία αυτού του συνενζύμου στη σηματοδότηση των κυττάρων είναι ως πρόδρομος της κυκλικής ADP-ριβόζης, η οποία παράγεται από το NAD + από τις ADP-ριβοσυλικές κυκλάσες, ως μέρος ενός δεύτερου συστήματος αγγελιοφόρου. [69] Αυτό το μόριο δρα στη σηματοδότηση ασβεστίου απελευθερώνοντας ασβέστιο από τις ενδοκυτταρικές αποθήκες. [70] Αυτό το κάνει δεσμεύοντας και ανοίγοντας μια κατηγορία διαύλων ασβεστίου που ονομάζονται υποδοχείς ρυανοδίνης, οι οποίοι βρίσκονται στις μεμβράνες των οργανιδίων, όπως το ενδοπλασματικό δίκτυο. [71]

Το NAD + καταναλώνεται επίσης από σιρτουίνες, οι οποίες είναι εξαρτώμενες από το NAD δεακετυλάσες, όπως το Sir2. [72] Αυτά τα ένζυμα δρουν μεταφέροντας μια ακετυλομάδα από την πρωτεΐνη του υποστρώματος τους στο τμήμα ADP-ριβόζης του NAD + αυτό διασπά το συνένζυμο και απελευθερώνει νικοτιναμίδιο και Ο-ακετυλο-ADP-ριβόζη. Οι sirtuins φαίνεται ότι εμπλέκονται κυρίως στη ρύθμιση της μεταγραφής μέσω αποακετυλιωτικών ιστονών και αλλαγής της δομής των νουκλεοσωμάτων. [73] Ωστόσο, οι μη ιστονικές πρωτεΐνες μπορούν επίσης να αποακετυλιωθούν από τις σιρτουίνες. Αυτές οι δραστηριότητες των sirtuins είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσες λόγω της σημασίας τους στη ρύθμιση της γήρανσης. [74]

Άλλα εξαρτώμενα από NAD ένζυμα περιλαμβάνουν βακτηριακές λιγάσες DNA, οι οποίες ενώνουν δύο άκρα DNA χρησιμοποιώντας NAD + ως υπόστρωμα για να δωρίσουν ένα τμήμα μονοφωσφορικής αδενοσίνης (AMP) στο 5' φωσφορικό ενός άκρου DNA. Αυτό το ενδιάμεσο στη συνέχεια προσβάλλεται από την ομάδα 3' υδροξυλίου του άλλου άκρου DNA, σχηματίζοντας έναν νέο φωσφοδιεστερικό δεσμό. [75] Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τις ευκαρυωτικές λιγάσες DNA, οι οποίες χρησιμοποιούν το ATP για να σχηματίσουν το ενδιάμεσο DNA-AMP. [76]

Οι Li et al. έχουν βρει ότι το NAD + ρυθμίζει άμεσα τις αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-πρωτεΐνης. [77] Δείχνουν επίσης ότι μία από τις αιτίες της μείωσης της επιδιόρθωσης του DNA που σχετίζεται με την ηλικία μπορεί να είναι η αυξημένη δέσμευση της πρωτεΐνης DBC1 (Διαγραμμένη στον Καρκίνο του Μαστού 1) με την PARP1 (πολυ[ADP–ριβόζη] πολυμεράση 1) ως επίπεδα NAD + μείωση κατά τη γήρανση. [77] Έτσι, η διαμόρφωση του NAD + μπορεί να προστατεύει από τον καρκίνο, την ακτινοβολία και τη γήρανση. [77]

Εξωκυτταρικές ενέργειες NAD + Επεξεργασία

Τα τελευταία χρόνια, το NAD + έχει επίσης αναγνωριστεί ως ένα εξωκυτταρικό σηματοδοτικό μόριο που εμπλέκεται στην επικοινωνία από κύτταρο σε κύτταρο. [44] [78] [79] Το NAD + απελευθερώνεται από νευρώνες στα αιμοφόρα αγγεία, [43] ουροδόχο κύστη, [43] [80] παχύ έντερο, [81] [82] από νευροεκκριτικά κύτταρα, [83] και από τον εγκέφαλο συναπτοσώματα, [84] και προτείνεται να είναι ένας νέος νευροδιαβιβαστής που μεταδίδει πληροφορίες από τα νεύρα στα τελεστικά κύτταρα σε όργανα λείων μυών. [81] [82] Στα φυτά, το εξωκυτταρικό δινουκλεοτίδιο νικοτιναμίδης αδενίνης επάγει την αντίσταση στη μόλυνση από παθογόνο και έχει αναγνωριστεί ο πρώτος εξωκυτταρικός υποδοχέας NAD. [85] Απαιτούνται περαιτέρω μελέτες για τον προσδιορισμό των υποκείμενων μηχανισμών των εξωκυτταρικών του δράσεων και της σημασίας τους για την ανθρώπινη υγεία και τις διαδικασίες ζωής σε άλλους οργανισμούς.

Τα ένζυμα που παράγουν και χρησιμοποιούν το NAD + και το NADH είναι σημαντικά τόσο στη φαρμακολογία όσο και στην έρευνα για μελλοντικές θεραπείες για ασθένειες. [86] Ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη φαρμάκων εκμεταλλεύεται το NAD + με τρεις τρόπους: ως άμεσο στόχο φαρμάκων, σχεδιάζοντας αναστολείς ή ενεργοποιητές ενζύμων με βάση τη δομή του που αλλάζουν τη δραστηριότητα των εξαρτώμενων από NAD ενζύμων και προσπαθώντας να αναστείλει τη βιοσύνθεση NAD + . [87]

Επειδή τα καρκινικά κύτταρα χρησιμοποιούν αυξημένη γλυκόλυση και επειδή το NAD ενισχύει τη γλυκόλυση, η νικοτιναμιδική φωσφοριβοσυλτρανσφεράση (οδός διάσωσης NAD) συχνά ενισχύεται στα καρκινικά κύτταρα. [88] [89]

Έχει μελετηθεί για την πιθανή χρήση του στη θεραπεία νευροεκφυλιστικών ασθενειών όπως το Αλτσχάιμερ και η νόσος του Πάρκινσον. [3] Μια ελεγχόμενη με εικονικό φάρμακο κλινική δοκιμή του NADH (η οποία απέκλεισε τις πρόδρομες ουσίες NADH) σε άτομα με νόσο του Πάρκινσον απέτυχε να δείξει κανένα αποτέλεσμα. [90]

Το NAD + είναι επίσης άμεσος στόχος του φαρμάκου ισονιαζίδη, το οποίο χρησιμοποιείται στη θεραπεία της φυματίωσης, μιας λοίμωξης που προκαλείται από Mycobacterium tuberculosis. Η ισονιαζίδη είναι ένα προφάρμακο και μόλις εισέλθει στα βακτήρια, ενεργοποιείται από ένα ένζυμο υπεροξειδάση, το οποίο οξειδώνει την ένωση σε μορφή ελεύθερων ριζών. [91] Αυτή η ρίζα στη συνέχεια αντιδρά με το NADH, για να παραγάγει προϊόντα προσθήκης που είναι πολύ ισχυροί αναστολείς των ενζύμων αναγωγάση πρωτεΐνης φορέας ενοϋλο-ακυλίου [92] και διυδροφολική αναγωγάση. [93]

Δεδομένου ότι ένας μεγάλος αριθμός οξειδορεδουκτασών χρησιμοποιεί NAD + και NADH ως υποστρώματα και τα δεσμεύει χρησιμοποιώντας ένα εξαιρετικά διατηρημένο δομικό μοτίβο, η ιδέα ότι οι αναστολείς που βασίζονται στο NAD + θα μπορούσαν να είναι ειδικοί για ένα ένζυμο είναι εκπληκτική. [94] Ωστόσο, αυτό μπορεί να είναι δυνατό: για παράδειγμα, αναστολείς που βασίζονται στις ενώσεις μυκοφαινολικό οξύ και τιαζοφουρίνη αναστέλλουν την αφυδρογονάση IMP στη θέση δέσμευσης NAD +. Λόγω της σημασίας αυτού του ενζύμου στο μεταβολισμό των πουρινών, αυτές οι ενώσεις μπορεί να είναι χρήσιμες ως αντικαρκινικά, αντι-ιικά ή ανοσοκατασταλτικά φάρμακα. [94] [95] Άλλα φάρμακα δεν είναι αναστολείς ενζύμων, αλλά αντίθετα ενεργοποιούν ένζυμα που εμπλέκονται στον μεταβολισμό NAD +. Οι Sirtuins είναι ένας ιδιαίτερα ενδιαφέρον στόχος για τέτοια φάρμακα, καθώς η ενεργοποίηση αυτών των αποακετυλασών που εξαρτώνται από το NAD παρατείνει τη διάρκεια ζωής σε ορισμένα ζωικά μοντέλα. [96] Ενώσεις όπως η ρεσβερατρόλη αυξάνουν τη δραστηριότητα αυτών των ενζύμων, η οποία μπορεί να είναι σημαντική για την ικανότητά τους να καθυστερούν τη γήρανση τόσο σε σπονδυλωτούς, [97] και σε ασπόνδυλους οργανισμούς-μοντέλους. [98] [99] Σε ένα πείραμα, τα ποντίκια που έλαβαν NAD για μία εβδομάδα είχαν βελτιωμένη επικοινωνία πυρηνικών-μιτοχρονδρίων. [100]

Λόγω των διαφορών στις μεταβολικές οδούς της βιοσύνθεσης NAD + μεταξύ οργανισμών, όπως μεταξύ βακτηρίων και ανθρώπων, αυτή η περιοχή του μεταβολισμού είναι μια πολλά υποσχόμενη περιοχή για την ανάπτυξη νέων αντιβιοτικών. [101] [102] Για παράδειγμα, το ένζυμο νικοτιναμιδάση, το οποίο μετατρέπει το νικοτιναμίδιο σε νικοτινικό οξύ, είναι στόχος για το σχεδιασμό φαρμάκων, καθώς αυτό το ένζυμο απουσιάζει στους ανθρώπους αλλά υπάρχει σε ζυμομύκητες και βακτήρια. [38]

Στη βακτηριολογία, το NAD, που μερικές φορές αναφέρεται ως παράγοντας V, χρησιμοποιείται ως συμπλήρωμα στα μέσα καλλιέργειας για ορισμένα απαιτητικά βακτήρια. [103]

Το συνένζυμο NAD + ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από τους Βρετανούς βιοχημικούς Arthur Harden και William John Young το 1906. [104] Παρατήρησαν ότι η προσθήκη βρασμένου και φιλτραρισμένου εκχυλίσματος μαγιάς επιτάχυνε πολύ την αλκοολική ζύμωση σε άβραστα εκχυλίσματα μαγιάς. Ονόμασαν τον άγνωστο παράγοντα υπεύθυνο για αυτή την επίδραση α συνεννόηση. Μέσω ενός μακροχρόνιου και δύσκολου καθαρισμού από εκχυλίσματα ζυμομύκητα, αυτός ο σταθερός στη θερμότητα παράγοντας αναγνωρίστηκε ως νουκλεοτιδικό σακχαροφωσφορικό άλας από τον Hans von Euler-Chelpin. [105] Το 1936, ο Γερμανός επιστήμονας Otto Heinrich Warburg έδειξε τη λειτουργία του νουκλεοτιδικού συνενζύμου στη μεταφορά υδριδίου και προσδιόρισε το τμήμα του νικοτιναμιδίου ως τη θέση των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής. [106]

Οι πρόδρομοι βιταμινών του NAD + εντοπίστηκαν για πρώτη φορά το 1938, όταν ο Conrad Elvehjem έδειξε ότι το συκώτι έχει μια δράση «κατά της μαύρης γλώσσας» με τη μορφή νικοτιναμίδης. [107] Στη συνέχεια, το 1939, παρείχε την πρώτη ισχυρή απόδειξη ότι η νιασίνη χρησιμοποιείται για τη σύνθεση NAD + . [108] Στις αρχές της δεκαετίας του 1940, ο Arthur Kornberg ήταν ο πρώτος που ανίχνευσε ένα ένζυμο στη βιοσυνθετική οδό. [109] Το 1949, οι Αμερικανοί βιοχημικοί Morris Friedkin και Albert L. Lehninger απέδειξαν ότι το NADH συνέδεσε μεταβολικές οδούς όπως ο κύκλος του κιτρικού οξέος με τη σύνθεση του ATP στην οξειδωτική φωσφορυλίωση. [110] Το 1958, ο Jack Preiss και ο Philip Handler ανακάλυψαν τα ενδιάμεσα και τα ένζυμα που εμπλέκονται στη βιοσύνθεση του NAD + [111] [112] Η σύνθεση διάσωσης από νικοτινικό οξύ ονομάζεται μονοπάτι Preiss-Handler. Το 2004, ο Charles Brenner και οι συνεργάτες του αποκάλυψαν την οδό κινάσης νικοτιναμίδης ριβοσίδης προς το NAD + . [113]

Οι μη οξειδοαναγωγικοί ρόλοι του NAD(P) ανακαλύφθηκαν αργότερα. [2] Το πρώτο που αναγνωρίστηκε ήταν η χρήση του NAD + ως δότης ADP-ριβόζης σε αντιδράσεις ADP-ριβοζυλίωσης, που παρατηρήθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 1960. [114] Μελέτες στις δεκαετίες του 1980 και του 1990 αποκάλυψαν τις δραστηριότητες των μεταβολιτών NAD + και NADP + στη σηματοδότηση των κυττάρων – όπως η δράση της κυκλικής ADP-ριβόζης, η οποία ανακαλύφθηκε το 1987. [115]

Ο μεταβολισμός του NAD + παρέμεινε μια περιοχή έντονης έρευνας στον 21ο αιώνα, με το ενδιαφέρον να αυξήθηκε μετά την ανακάλυψη των πρωτεϊνικών αποακετυλασών που εξαρτώνται από NAD + που ονομάζονται sirtuins το 2000, από τον Shin-ichiro Imai και τους συνεργάτες του στο εργαστήριο του Leonard P. Guarente . [116] Το 2009 ο Imai πρότεινε την υπόθεση «NAD World» ότι βασικοί ρυθμιστές της γήρανσης και της μακροζωίας στα θηλαστικά είναι η sirtuin 1 και το πρωτεύον ένζυμο σύνθεσης NAD + φωσφοριβοσυλοτρανσφεράση νικοτιναμίδης (NAMPT). [117] Το 2016 ο Imai επέκτεινε την υπόθεσή του στο "NAD World 2.0", το οποίο υποστηρίζει ότι το εξωκυτταρικό NAMPT από λιπώδη ιστό διατηρεί το NAD + στον υποθάλαμο (το κέντρο ελέγχου) σε συνδυασμό με μυοκίνες από κύτταρα σκελετικών μυών. [118]


Ζύμωση και Αναγέννηση NAD+

Οποιαδήποτε συζήτηση που επικεντρώνεται στη ζύμωση θα πρέπει να βασίζεται στη ζύμωση του πυροσταφυλικού. Ωστόσο, ορισμένες από τις βασικές αρχές της ζύμωσης είναι ορατές σε πολλά παραδείγματα σε καθημερινές δραστηριότητες. Δεν έχει σημασία πόσο μικρό είναι ένα μόριο, η ζύμωση και η αναγέννηση του NAD+ είναι δυνατή.

Ο ρόλος της ζύμωσης

Η οξείδωση μικρών οργανικών ενώσεων λαμβάνει χώρα μέσω μικροοργανισμών που παίρνουν την ενέργειά τους από την κυτταρική συντήρηση και ανάπτυξη. Ένα παράδειγμα είναι η οξείδωση της γλυκόζης μέσω γλυκόζης.

Ορισμένα βασικά βήματα που απαιτούνται για τη ζύμωση της γλυκόζης περιλαμβάνουν την αναγωγή ενός ηλεκτρονίου NAD+ σε NADH. Κατά τη διάρκεια της γλυκόζης, τα κύτταρα θα δημιουργήσουν μεγάλες ποσότητες NADH και θα εξαντλήσουν όλη την παροχή NAD+. Για να συνεχιστεί η γλυκόζη, το κύτταρο πρέπει να βρει έναν τρόπο να αναγεννήσει το NAD+ είτε μέσω σύνθεσης είτε μέσω ανακύκλωσης.

Εάν δεν υπάρχει άλλη επιλογή ή διαδικασία να πραγματοποιηθεί, κανείς δεν μπορεί να πει τι μπορεί να κάνει το κύτταρο. Μπορούμε να δοκιμάσουμε να επαναφέρουμε τα ηλεκτρόνια που είχαν αφαιρεθεί νωρίτερα από τη γλυκόζη στο κατάντη προϊόν ή σε ένα από τα παράγωγά του. Η ζύμωση είναι όταν προσπαθούμε να αποκαταστήσουμε τις δεξαμενές οξειδωτικών παραγόντων (το ηλεκτρόνιο που αφαιρέθηκε νωρίτερα).

Παράδειγμα ζύμωσης: Γαλακτικό οξύ

Αυτό είναι ένα καθημερινό παράδειγμα όπου η αναγωγή της ένωσης σε γαλακτικό από το γαλακτικό οξύ λαμβάνει χώρα μέσω ζύμωσης.

Αυτή η αντίδραση είναι αυτό που συμβαίνει στους μύες σας κατά τη διάρκεια των ασκήσεων. Κατά τη διάρκεια της άσκησης, οι μύες σας απαιτούν μεγάλες ποσότητες τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP) για να εκτελέσουν την επιλεγμένη δραστηριότητα. Μόλις μειωθεί το ATP, οι μυϊκές ίνες δεν θα συμβαδίσουν με την αυξανόμενη ζήτηση για αναπνοή επειδή τα επίπεδα οξυγόνου περιορίζονται και το δινουκλεοτίδιο αδενίνης νικοτιναμίδης (NADH) συσσωρεύεται. Τα κύτταρα πρέπει να απαλλαγούν από την περίσσεια και να αναγεννήσουν το NAD+, και έτσι το πυροσταφυλικό θα αναλάβει το ρόλο ενός δέκτη ηλεκτρονίων και θα αρχίσει να παράγει γαλακτικό και να οξειδώνει το NADH σε NAD+. Τα περισσότερα βακτήρια θα χρησιμοποιήσουν αυτό το μονοπάτι για να ολοκληρωθεί ο κύκλος NADH /NAD+. Αυτό ακριβώς συμβαίνει στο γιαούρτι.

Από πού προέρχεται η ενέργεια στη ζύμωση;

Οι αντιδρώντες, σε αυτή την περίπτωση, είναι το πρωτόνιο, το NADH και το πυροσταφυλικό. Τα προϊόντα είναι NAD+ και γαλακτικό. Ολόκληρη η διαδικασία ζύμωσης δίνει ανηγμένο πυροσταφυλικό σχηματίζοντας γαλακτικό οξύ την οξείδωση του NADH για να σχηματίσει NAD+. Τα ηλεκτρόνια από το NADH και το πρωτόνιο συνδυάζονται για να ανάγουν το πυροσταφυλικό σε γαλακτικό. Αν εξετάσουμε αυτή την αντίδραση, θα δούμε ότι σε κανονικές συνθήκες, η μεταφορά ηλεκτρονίων από το NADH στο πυροσταφυλικό για να σχηματιστεί γαλακτικό είναι μια εξωγενής αντίδραση και επομένως ένα θερμοδυναμικό αποτέλεσμα. Η αναγωγή και οι φάσεις οξείδωσης της διαδικασίας ζύμωσης συνδέονται και καταλύονται από το ένζυμο γαλακτική αφυδρογονάση.

Η φύση έχει αρκετές οδούς ζύμωσης

Η φύση όπως ξέρουμε έχει εξελιχθεί για να ολοκληρώσει τον κύκλο NADH / NAD+. Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τις γενικές έννοιες της ζύμωσης. Γενικά, τα κύτταρα προσπαθούν να διατηρήσουν μια ισορροπία ή μια σταθερή αναλογία μεταξύ NADH και NAD+ όταν η αναλογία γίνεται ασταθής, τα κύτταρα προσπαθούν να αντισταθμίσουν διαμορφώνοντας τις κυτταρικές τους δραστηριότητες. Η μόνη απαίτηση που καθιστά δυνατή τη ζύμωση είναι η χρήση μιας μικρής ένωσης (οργανικής) ως δέκτη ηλεκτρονίων για το NADH και αναγεννάται σε NAD+. Διαβάστε περισσότερα για τις φυσικές πηγές NAD+.


Ζύμωση χωρίς φωσφορυλίωση σε επίπεδο υποστρώματος

Η ζύμωση είναι η διαδικασία εξαγωγής ενέργειας από την οξείδωση οργανικών ενώσεων όπως οι υδατάνθρακες.

Στόχοι μάθησης

Δώστε παραδείγματα διαφόρων τύπων ζύμωσης: ομογαλακτικής, ετερογαλακτικής και αλκοολικής

Βασικά Takeaways

Βασικά σημεία

  • Η ζύμωση χωρίς φωσφορυλίωση σε επίπεδο υποστρώματος χρησιμοποιεί έναν ενδογενή δέκτη ηλεκτρονίων, ο οποίος είναι συνήθως μια οργανική ένωση.
  • Η ζύμωση είναι σημαντική σε αναερόβιες συνθήκες όταν δεν υπάρχει οξειδωτική φωσφορυλίωση για να διατηρηθεί η παραγωγή ΑΤΡ (τριφωσφορική αδενοσίνη) με γλυκόλυση.
  • Κατά τη διάρκεια της ζύμωσης, το πυροσταφυλικό μεταβολίζεται σε διάφορες ενώσεις όπως γαλακτικό οξύ, αιθανόλη και διοξείδιο του άνθρακα ή άλλα οξέα.

Βασικοί Όροι

  • ζύμωση: Οποιαδήποτε από τις πολλές αναερόβιες βιοχημικές αντιδράσεις κατά τις οποίες ένα ένζυμο (ή πολλά ένζυμα που παράγονται από έναν μικροοργανισμό) καταλύει τη μετατροπή μιας ουσίας σε άλλη, ειδικά τη μετατροπή (με χρήση μαγιάς) σακχάρων σε αλκοόλη ή οξικό οξύ με την έκλυση διοξειδίου του άνθρακα.
  • υπόστρωμα: επιφάνεια στην οποία αναπτύσσεται ή είναι προσκολλημένος ένας οργανισμός
  • οξειδωτική φωσφορυλίωση: Η οξειδωτική φωσφορυλίωση (ή εν συντομία OXPHOS) είναι μια μεταβολική οδός που χρησιμοποιεί ενέργεια που απελευθερώνεται από την οξείδωση θρεπτικών ουσιών για την παραγωγή τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP).
  • δέκτης ηλεκτρονίων: Ένας δέκτης ηλεκτρονίων είναι μια χημική οντότητα που δέχεται ηλεκτρόνια που μεταφέρονται σε αυτόν από άλλη ένωση. Είναι ένας οξειδωτικός παράγοντας που, λόγω των ηλεκτρονίων που δέχεται, ανάγεται ο ίδιος στη διαδικασία.

Πυρουβικό οξύ: Το πυροσταφυλικό οξύ μπορεί να παραχθεί από γλυκόζη μέσω γλυκόλυσης, να μετατραπεί ξανά σε υδατάνθρακες (όπως γλυκόζη) μέσω της γλυκονεογένεσης ή σε λιπαρά οξέα μέσω του ακετυλο-CoA. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή του αμινοξέος αλανίνη και να μετατραπεί σε αιθανόλη. Το πυροσταφυλικό οξύ παρέχει ενέργεια στα ζωντανά κύτταρα μέσω του κύκλου του κιτρικού οξέος (επίσης γνωστός ως κύκλος του Krebs) όταν υπάρχει οξυγόνο (αερόβια αναπνοή) και εναλλακτικά ζυμώνει για να παράγει γαλακτικό οξύ όταν λείπει οξυγόνο (ζύμωση).

Η ζύμωση είναι η διαδικασία εξαγωγής ενέργειας από την οξείδωση οργανικών ενώσεων, όπως οι υδατάνθρακες, χρησιμοποιώντας έναν ενδογενή δέκτη ηλεκτρονίων, ο οποίος είναι συνήθως μια οργανική ένωση. Αντίθετα, η αναπνοή είναι όπου τα ηλεκτρόνια δωρίζονται σε έναν εξωγενή δέκτη ηλεκτρονίων, όπως το οξυγόνο, μέσω μιας αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων. Η ζύμωση είναι σημαντική σε αναερόβιες συνθήκες όταν δεν υπάρχει οξειδωτική φωσφορυλίωση για να διατηρηθεί η παραγωγή ΑΤΡ (τριφωσφορική αδενοσίνη) με γλυκόλυση.

Κατά τη διάρκεια της ζύμωσης, το πυροσταφυλικό μεταβολίζεται σε διάφορες ενώσεις. Η ομογαλακτική ζύμωση είναι η παραγωγή γαλακτικού οξέος από πυροσταφυλική αλκοολική ζύμωση είναι η μετατροπή του πυροσταφυλικού σε αιθανόλη και διοξείδιο του άνθρακα και η ετερογαλακτική ζύμωση είναι η παραγωγή γαλακτικού οξέος καθώς και άλλων οξέων και αλκοολών. Η ζύμωση δεν χρειάζεται απαραίτητα να πραγματοποιείται σε αναερόβιο περιβάλλον. Για παράδειγμα, ακόμη και με την παρουσία άφθονο οξυγόνο, τα κύτταρα ζύμης προτιμούν πολύ τη ζύμωση από την οξειδωτική φωσφορυλίωση, εφόσον τα σάκχαρα είναι άμεσα διαθέσιμα για κατανάλωση (φαινόμενο γνωστό ως φαινόμενο Crabtree). Η αντιβιοτική δράση του Λυκίσκου αναστέλλει επίσης τον αερόβιο μεταβολισμό στη μαγιά.

Τα σάκχαρα είναι το πιο κοινό υπόστρωμα ζύμωσης και τυπικά παραδείγματα προϊόντων ζύμωσης είναι η αιθανόλη, το γαλακτικό οξύ, η λακτόζη και το υδρογόνο. Ωστόσο, περισσότερες εξωτικές ενώσεις μπορούν να παραχθούν με ζύμωση, όπως το βουτυρικό οξύ και η ακετόνη. Η μαγιά πραγματοποιεί ζύμωση στην παραγωγή αιθανόλης σε μπύρες, κρασιά και άλλα αλκοολούχα ποτά, μαζί με την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων διοξειδίου του άνθρακα. Η ζύμωση συμβαίνει στους μυς των θηλαστικών σε περιόδους έντονης άσκησης όπου η παροχή οξυγόνου περιορίζεται, με αποτέλεσμα τη δημιουργία γαλακτικού οξέος.


Το πρώτο μισό της γλυκόλυσης (Βήματα που απαιτούν ενέργεια)

Σχήμα 2. Το πρώτο μισό της γλυκόλυσης χρησιμοποιεί δύο μόρια ATP στη φωσφορυλίωση της γλυκόζης, η οποία στη συνέχεια χωρίζεται σε δύο μόρια τριών άνθρακα.

Βήμα 1. Το πρώτο βήμα στη γλυκόλυση καταλύεται από την εξοκινάση, ένα ένζυμο με ευρεία εξειδίκευση που καταλύει τη φωσφορυλίωση σακχάρων με έξι άνθρακα. Η εξοκινάση φωσφορυλιώνει τη γλυκόζη χρησιμοποιώντας το ΑΤΡ ως πηγή του φωσφορικού, παράγοντας 6-φωσφορική γλυκόζη, μια πιο αντιδραστική μορφή γλυκόζης. Αυτή η αντίδραση εμποδίζει το μόριο της φωσφορυλιωμένης γλυκόζης να συνεχίσει να αλληλεπιδρά με τις πρωτεΐνες GLUT και δεν μπορεί πλέον να φύγει από το κύτταρο επειδή το αρνητικά φορτισμένο φωσφορικό δεν θα του επιτρέψει να διασχίσει το υδρόφοβο εσωτερικό της πλασματικής μεμβράνης.

Βήμα 2. Στο δεύτερο στάδιο της γλυκόλυσης, μια ισομεράση μετατρέπει τη 6-φωσφορική γλυκόζη σε ένα από τα ισομερή της, τη φρουκτόζη-6-φωσφορική. Ενα ισομεράση είναι ένα ένζυμο που καταλύει τη μετατροπή ενός μορίου σε ένα από τα ισομερή του. Αυτή η αλλαγή από φωσφογλυκόζη σε φωσφοφρουκτόζη επιτρέπει την τελική διάσπαση του σακχάρου σε δύο μόρια τριών άνθρακα.

Βήμα 3. Το τρίτο βήμα είναι η φωσφορυλίωση της 6-φωσφορικής φρουκτόζης, που καταλύεται από το ένζυμο φωσφοφρουκτοκινάση. Ένα δεύτερο μόριο ATP δίνει ένα φωσφορικό υψηλής ενέργειας στη φρουκτόζη-6-φωσφορική, παράγοντας φρουκτόζη-1,6-διφωσφορική. Σε αυτή την οδό, η φωσφοφρουκτοκινάση είναι ένα ένζυμο που περιορίζει τον ρυθμό. Είναι ενεργό όταν η συγκέντρωση του ADP είναι υψηλή, είναι λιγότερο ενεργό όταν τα επίπεδα ADP είναι χαμηλά και η συγκέντρωση του ATP είναι υψηλή. Έτσι, εάν υπάρχει “επαρκές” ATP στο σύστημα, η διαδρομή επιβραδύνεται. Αυτός είναι ένας τύπος αναστολής τελικού προϊόντος, αφού το ATP είναι το τελικό προϊόν του καταβολισμού της γλυκόζης.

Βήμα 4. Τα πρόσφατα προστιθέμενα φωσφορικά υψηλής ενέργειας αποσταθεροποιούν περαιτέρω τη φρουκτόζη-1,6-διφωσφορική. Το τέταρτο στάδιο στη γλυκόλυση χρησιμοποιεί ένα ένζυμο, την αλδολάση, για τη διάσπαση του 1,6-διφωσφορικού σε δύο ισομερή τριών άνθρακα: διυδροξυακετόνη-φωσφορική και 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη.

Βήμα 5. Στο πέμπτο βήμα, μια ισομεράση μετατρέπει τη διυδροξυακετόνη-φωσφορική στο ισομερές της, τη 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη. Έτσι, η οδός θα συνεχιστεί με δύο μόρια ενός μόνο ισομερούς. Σε αυτό το σημείο της διαδρομής, υπάρχει μια καθαρή επένδυση ενέργειας από δύο μόρια ATP στη διάσπαση ενός μορίου γλυκόζης.


Πόσα ATP παράγονται από κάθε NADH που εισέρχεται στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων;

είναι το NADH 2,5 ή 3 ATP; Να περάσουν τα ηλεκτρόνια από NADH έως τον τελευταίο δέκτη οξυγόνου, συνολικά 10 πρωτόνια μεταφέρονται από τη μήτρα στη μεσομιτοχονδριακή μεμβράνη. 4 πρωτόνια μέσω συμπλόκου 1,4 μέσω συμπλόκου 3 και 2 μέσω συμπλόκου 4. Έτσι για NADH&mdash 10/4=2,5 ATP είναι που παράγονται πράγματι. Ομοίως για 1 FADH2, 6 πρωτόνια μετακινούνται άρα 6/4= 1,5 ATP είναι που παράγονται.

Κατά συνέπεια, πόσα ATP μπορούν να παραχθούν από κάθε NADH κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μεταφοράς ηλεκτρονίων;

Μεταφορά ηλεκτρονίων ξεκινά με πολλά μόρια του NADH και FADH2 από τον κύκλο του Krebs και μεταφέρει την ενέργειά τους σε ως Πολλά ως 34 ακόμη ATP μόρια. Όλα είπαν, λοιπόν, μέχρι 38 μόρια του Το ATP μπορεί παράγονται από ένα μόνο μόριο γλυκόζης στο επεξεργάζομαι, διαδικασία της αερόβιας αναπνοής.

Κυτταρική αναπνοή παράγει 36 σύνολο ATP ανά μόριο γλυκόζης σε τρία στάδια. Το σπάσιμο των δεσμών μεταξύ των ανθράκων στο μόριο της γλυκόζης απελευθερώνει ενέργεια. Υπάρχουν επίσης ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας που συλλαμβάνονται με τη μορφή 2 NADH (φορείς ηλεκτρονίων) που θα χρησιμοποιηθούν αργότερα στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων.


Σύνοψη – NAD+ εναντίον NADH εναντίον NADPH

Το NAD + NADH και το NADPH είναι συνένζυμα που συμμετέχουν σε βιολογικές αντιδράσεις. Είναι παράγωγα της βιταμίνης Β3 ή της νιασίνης. Συμμετέχουν σε αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Συνοψίζοντας τη διαφορά μεταξύ NAD + NADH και NADPH, το NAD + είναι στην οξειδωμένη μορφή του NADH ενώ το NADH είναι η ανηγμένη μορφή του NAD +. Το NADPH, από την άλλη πλευρά, αποτελείται από μια επιπλέον ομάδα φωσφορικών από το NADH και δημιουργείται μέσω της οδού της φωσφορικής πεντόζης. Επιπλέον, το NAD + και το NADH συμμετέχουν σε καταβολικές αντιδράσεις ενώ το NADPH συμμετέχει σε αναβολικές αντιδράσεις. Επίσης, το NAD + είναι ένας οξειδωτικός παράγοντας ενώ το NADH και το NADPH είναι αναγωγικοί παράγοντες.

Αναφορά:

1. Ying, W. «NAD /NADH και NADP /NADPH σε κυτταρικές λειτουργίες και κυτταρικό θάνατο: ρύθμιση και βιολογικές συνέπειες». Current Neurology and Neuroscience Reports., U.S. National Library of Medicine, Φεβ. 2008. Διαθέσιμο εδώ

Ευγενική προσφορά εικόνας:

1.”NAD+ Οξείδωση και Αναγωγή”By JacobShalk – Ίδια εργασία, (CC BY-SA 4.0) μέσω Commons Wikimedia
2.”NADH phys”By NEUROtiker – Ίδια εργασία, (Δημόσιος Τομέας) μέσω Commons Wikimedia
3.”NADPH”By Tagm2A στη Γαλλική Wikipedia – Ίδιο έργο (Δημόσιος Τομέας) μέσω του Commons Wikimedia


Δες το βίντεο: Ανδρέας Φικιώρης: Ο ρόλος του ενδοθηλίου στην εξέλιξη της αρτηριοσκλήρωσης (Οκτώβριος 2022).