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2017_SS1_Lecture_06 - Biología

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Metabolismo en BIS2A

El metabolismo celular representa aproximadamente 1/3 del plan de estudios BIS2A. Aprenderá sobre algunas reacciones químicas comunes que están asociadas con la transformación de los bloques de construcción moleculares de la vida y sobre los diferentes modos centrales de transferencia de energía que encontrará a menudo en biología. La historia de la energía y las rúbricas del desafío de diseño presentadas anteriormente serán cada vez más importantes en estos próximos módulos y más allá.

¿Qué hemos aprendido? ¿Cómo se relacionará con el metabolismo?

  1. Nos hemos centrado en la identificación y propiedades químicas de grupos funcionales biológicos comunes. A medida que nos sumergimos en el metabolismo, esto lo ayudará a familiarizarse con y, a veces, incluso a predecir la naturaleza química / reactividad de compuestos que nunca antes había visto.
  2. Hemos practicado el reconocimiento y la clasificación de moléculas en cuatro grupos funcionales principales. Esto le ayudará cuando comencemos a discutir cómo construir y descomponer estas moléculas.
  3. Hemos aprendido algo de termodinámica básica, lo que nos da un conjunto común de conceptos con los que discutir si es probable que ocurra una reacción o proceso bioquímico y, de ser así, en qué dirección y con qué rapidez. Esto será fundamental a medida que comencemos a considerar algunos de los tipos clave de reacciones que tienen lugar en el metabolismo.
  4. Hemos aprendido y practicado la rúbrica de la historia de la energía. Esto también nos permitirá examinar sistemáticamente nuevas reacciones y procesos bioquímicos y discutirlos con un lenguaje y enfoque común que sea consistente y refuerce las lecciones que aprendimos sobre termodinámica.

Una breve descripción de esta sección

  • Se le presentará un concepto importante llamado potencial de reducción y se le dará la oportunidad de utilizar una torre redox. También hay una discusión sobre la química redox en su manual de discusión. Asegúrese de utilizar ambos recursos.
  • Se le presentará a dos jugadores importantes en el metabolismo, ATP y NADH. Se espera que reconozca sus estructuras si se muestran en un examen.
  • La glucólisis de la vía metabólica se cubrirá en detalle. Tenga en cuenta que queremos que pueda ver cualquier reacción y contarnos una historia de energía de esa reacción. De ninguna manera debería dedicar tiempo a tratar de memorizar estos caminos (aunque será de gran ayuda recordar algunas cosas del panorama general; estas se enfatizarán). A menudo, le daremos la ruta como una figura en los exámenes. La glucólisis finalmente produce 2 ATP a través de un proceso llamado fosforilación a nivel de sustrato, 2 NADH y 2 compuestos de piruvato.
  • Usaremos las reacciones del ciclo TCA para crear múltiples ejemplos de historias de energía. El ciclo de TCA también producirá más ATP, NADH y oxidará completamente la glucosa en CO2.
  • Veremos una vía alternativa a la del ciclo del TCA, la fermentación. En la fermentación, por primera vez, veremos el uso de NADH como reactivo en una reacción metabólica.
  • Seguiremos a NADH hasta el final de su viaje, ya que dona sus electrones a la cadena de transporte de electrones (ETC). En este módulo, deberá poder utilizar una torre redox. El ETC produce un gradiente de protones. No se genera ATP directamente en este proceso. Sin embargo, la célula usa el gradiente de protones (entre otras cosas) para ejecutar una enzima llamada ATP sintasa que cataliza la reacción ADP + Pi -> ATP. Este método de producción de ATP (llamado respiración oxidativa) da como resultado la producción de mucho más ATP que la fosforilación a nivel de sustrato.
  • Y finalmente, pasaremos por el proceso de fotosíntesis.

Reacciones de reducción-oxidación

En esta clase, la mayoría de los reacciones de oxidación / reducción Las reacciones que discutimos ocurren en el contexto de vías metabólicas (conjuntos conectados de reacciones metabólicas) donde los compuestos pueden ser consumidos por la célula, descompuestos en partes más pequeñas y luego reensamblados en macromoléculas más grandes.

Comencemos con algunas reacciones genéricas.

La transferencia de electrones entre dos compuestos da como resultado que uno de estos compuestos pierda un electrón y uno de los compuestos gane un electrón. Por ejemplo, mire la figura a continuación. Si usamos la rúbrica de la historia de la energía para observar la reacción general, podemos comparar las características de antes y después de los reactivos y productos. ¿Qué pasa con la materia (cosas) antes y después de la reacción? El compuesto A comienza como neutral y se carga positivamente. El compuesto B comienza como neutral y se carga negativamente. Debido a que los electrones tienen carga negativa, podemos seguir el movimiento de los electrones del compuesto A al B observando el cambio de carga. A pierde un electrón (se carga positivamente) y, al hacerlo, decimos que A se ha oxidado. Oxidaciónestá asociado con la pérdida de electrones. B gana el electrón (se carga negativamente) y decimos que B se ha reducido. Reducciónestá asociado con la ganancia de electrones. También sabemos que, dado que algo sucedió, la energía debe haber sido transferida y / o reorganizada en este proceso y lo consideraremos en breve.

Figura 1. Una reacción genérica de rojo / buey. La reacción completa es A + B va a A+ + B-. Las dos medias reacciones se muestran en el cuadro azul. A se oxida por la reacción y B se reduce por la reacción.

Dicho de otra manera, cuando se pierde un electrón o una molécula oxidado, los electrones deben pasar a otra molécula. Se dice que la molécula que gana el electrón es reducido. *** Las reacciones de oxidación y reducción son siempre emparejado en lo que se conoce como reacción de oxidación-reducción (también llamada reacción rojo / buey). ****

En Bis2A esperamos que se familiarice con esta terminología. Intente aprenderlo y aprender a usarlo lo antes posible; usaremos los términos con frecuencia y no tendremos tiempo para definirlos cada vez.

Recuerde las Definiciones:

La media reacción

Para formalizar nuestra comprensión común de las reacciones rojo / buey, presentamos el concepto de semirreacción. Se requieren dos medias reacciones para realizar la reacción rojo / buey completa. Cada semirreacción se puede considerar como una descripción de lo que le sucede a una de las dos moléculas involucradas en la reacción rojo / buey. Esto se ilustra a continuación. En este ejemplo, el compuesto AH está siendo oxidado por el compuesto B+; los electrones se mueven de AH a B+ para generar A+ y BH. Cada reacción se puede considerar como dos medias reacciones: donde AH se oxida y una segunda reacción donde B+ se reduce a BH. Estas dos reacciones se consideran acoplado, término que indica que estas dos reacciones ocurren juntas, al mismo tiempo.

Figura 2. Reacción genérica rojo / buey en la que el compuesto AH está siendo oxidado por el compuesto B+. Cada semirreacción representa una única especie o compuesto para perder o ganar electrones (y un protón posterior como se muestra en la figura anterior). En la mitad de la reacción # 1 AH pierde un protón y 2 electrones: en la segunda mitad de la reacción, B+ gana 2 electrones y un protón. En este ejemplo, HA se oxida a A+ mientras que B+ se reduce a BH.

Posible discusión

Si considera una reacción genérica rojo / buey y reflexiona sobre las conferencias termodinámicas, ¿qué factor determinará si una reacción rojo / buey "irá" en una dirección particular de forma espontánea y qué podría determinar su velocidad?

Potencial de reducción

Por convención, analizamos y describimos reacciones rojo / buey con respecto a potenciales de reducción, término que describe cuantitativamente la "capacidad" de un compuesto para ganar electrones. Este valor del potencial de reducción se determina experimentalmente, pero para el propósito de este curso asumimos que el lector aceptará que los valores informados son razonablemente correctos. Podemos antropomorfizar el potencial de reducción diciendo que está relacionado con la fuerza con la que un compuesto puede "atraer", "tirar" o "capturar" electrones. No es sorprendente que esto esté relacionado con la electronegatividad, pero no sea idéntico a ella.

¿Cuál es esta propiedad intrínseca para atraer electrones?

Los diferentes compuestos, basados ​​en su estructura y composición atómica, tienen atracciones intrínsecas y distintas para los electrones. Esta cualidad se denomina potencial de reducción o E0 ’y es una cantidad relativa (relativa en comparación con algunos "estándar”Reacción). Si un compuesto de prueba tiene una "atracción" más fuerte para los electrones que el estándar (si los dos compiten, el compuesto de prueba "tomaría" electrones del compuesto estándar), decimos que el compuesto de prueba tiene un potencial de reducción positivo cuya magnitud es proporcional a cuánto más "quiere" electrones que el compuesto estándar. La fuerza relativa del compuesto en comparación con el estándar se mide y se informa en unidades de Voltios (V)(a veces escrito como electronvoltios o eV) o milivoltios (mV). El compuesto de referencia en la mayoría de las torres rojo / buey es H2.

Posible discusión

Reformule usted mismo: ¿Cómo describe o piensa acerca de la diferencia entre el concepto de electronegatividad y el potencial rojo / buey?

La torre roja / buey

Todo tipo de compuestos pueden participar en reacciones rojo / buey. Se ha desarrollado una herramienta para tabular gráficamente las medias reacciones rojo / buey en función de su E0' valores y para ayudarnos a predecir la dirección del flujo de electrones entre los posibles donantes y aceptores de electrones. El hecho de que un compuesto en particular pueda actuar como donante de electrones (reductor) o aceptor de electrones (oxidante) depende fundamentalmente del otro compuesto con el que esté interactuando. La torre de electrones generalmente clasifica una variedad de compuestos comunes (sus semirreacciones) de la mayoría de los E negativos0', compuestos que se deshacen fácilmente de los electrones, a la E más positiva0', compuestos con mayor probabilidad de aceptar electrones. Además, cada semirreacción se escribe por convención con la forma oxidada a la izquierda / seguida de la forma reducida a la derecha de la barra.
Por ejemplo, la semirreacción para la reducción de NAD+ a NADH está escrito:
NAD+/ NADH. En la torre de abajo, también se enumera el número de electrones que se transfieren. Por ejemplo, la reducción de NAD+ a NADH involucra dos electrones, escritos en la tabla como 2e-.

A continuación se muestra una torre de electrones.

forma oxidada

forma reducida

n (electrones)

Eo´ (voltios)

PS1 * (buey)

PS1 * (rojo)

-

-1.20

Acetato + CO2

piruvato

2

-0.7

ferredoxina (buey) versión 1

ferredoxina (rojo) versión 1

1

-0.7

succinato + CO2 + 2H+

a-cetoglutarato + H2O

2

-0.67

PSII * (buey)

PSII * (rojo)

-

-0.67

P840 * (buey)

PS840 * (rojo)

-

-0.67

acetato

acetaldehído

2

-0.6

glicerato-3-P

gliceraldehído-3-P + H2O

2

-0.55

O2

O2-

1

-0.45

ferredoxina (buey) versión 2

ferredoxina (rojo) versión 2

1

-0.43

CO2

glucosa

24

-0.43

CO2

formiato

2

-0.42

2H +

H2

2

-0.42

α-cetoglutarato + CO2 + 2H+

isocitrato

2

-0.38

acetoacetato

b-hidroxibutirato

2

-0.35

Cistina

cisteína

2

-0.34

Piruvato + CO2

malato

2

-0.33

NAD+ + 2H+

NADH + H+

2

-0.32

NADP+ + 2H+

NADPH + H+

2

-0.32

Complejo I FMN (enzima unido)

FMNH2

2

-0.3

Ácido lipoico, (buey)

Ácido lipoico, (rojo)

2

-0.29

1,3 bisfosfoglicerato + 2H+

gliceraldehído-3-P + PI

2

-0.29

Glutatión, (buey)

Glutatión, (rojo)

2

-0.23

MODA+ (gratis) + 2H+

FADH2

2

-0.22

Acetaldehído + 2H+

etanol

2

-0.2

Piruvato + 2H+

lactato

2

-0.19

Oxalacetato + 2H+

malato

2

-0.17

α-cetoglutarato + NH4+

glutamato

2

-0.14

MODA+ + 2H+ (ligado)

FADH2 (ligado)

2

0.003-0.09

Azul de metileno, (buey)

Azul de metileno, (rojo)

2

0.01

Fumarato + 2H+

succinato

2

0.03

CoQ (ubiquinona - UQ + H+)

UQH.

1

0.031

UQ + 2H+

UQH2

2

0.06

Ácido deshidroascórbico

ácido ascórbico

2

0.06

Plastoquinona; (buey)

Plastoquinona; (rojo)

-

0.08

Ubiquinona; (buey)

Ubiquinona; (rojo)

2

0.1

Complejo III Citocromo b2; Fe3+

Citocromo b2; Fe2+

1

0.12

Fe3+ (pH = 7)

Fe2+ (pH = 7)

1

0.20

Complejo III Citocromo c1; Fe3+

Citocromo c1; Fe2+

1

0.22

Citocromo c; Fe3+

Citocromo c; Fe2+

1

0.25

Complejo IV Citocromo a; Fe3+

Citocromo a; Fe2+

1

0.29

1/2 O2 + H2O

H2O2

2

0.3

P840GS (buey)

PS840GS (rojo)

-

0.33

Complejo IV Citocromo a3; Fe3+

Citocromo a3; Fe2+

1

0.35

Ferricianuro

ferrocianuro

2

0.36

Citocromo f; Fe3+

Citocromo f; Fe2+

1

0.37

PSIGS (buey)

PSIGS (rojo)

.

0.37

Nitrato

nitrito

1

0.42

Fe3+ (pH = 2)

Fe2+ (pH = 2)

1

0.77

1/2 O2 + 2H+

H2O

2

0.816

PSIIGS (buey)

PSIIGS (rojo)

-

1.10

* Estado excitado, después de absorber un fotón de luz.

GS Ground State, estado antes de absorber un fotón de luz

PS1: Fotosistema oxigénico I

P840: Centro de reacción bacteriana que contiene bacterioclorofila (anoxigénica)

PSII: fotosistema oxigénico II

Tabla 1. Torre común roja / buey utilizada en Bis2A. Por convención, las semirreacciones de la torre se escriben con la forma oxidada del compuesto a la izquierda y la forma reducida a la derecha. Los compuestos que son buenos donantes de electrones tienen potenciales de reducción muy negativos. Los compuestos como la glucosa y el hidrógeno son excelentes donantes de electrones. Por el contrario, los compuestos que hacen excelentes aceptores de electrones, como el oxígeno y el nitrito, sí lo tienen.

Video sobre la torre de electrones

Para ver un video corto sobre cómo usar la torre de electrones en problemas de rojo / buey, haga clic aquí o abajo. Este video fue realizado por el Dr. Easlon para estudiantes de Bis2A. (Esto es bastante informativo).

¿Cuál es la relación entre ΔE0' y ΔG?

La pregunta ahora es: ¿cómo sabemos si una reacción rojo / buey dada es energéticamente espontánea o no (exergónica o endergónica) e independientemente de la dirección, cuál es la diferencia de energía libre? La respuesta radica en la diferencia en los potenciales de reducción de los dos compuestos. La diferencia en el potencial de reducción de la reacción o E0 ' para la reacción, es la diferencia entre el E0' Para el oxidante (el compuesto obtiene los electrones y causa la oxidación del otro compuesto) y el reductor (el compuesto pierde los electrones). En nuestro ejemplo genérico a continuación, AH es el reductor y B+ es el oxidante. Los electrones se mueven de AH a B+. Usando la E0' de -0,32 para el reductor y +0,82 para el oxidante el cambio total en E0' o ΔE0 ' es 1,14 eV.

Figura 3. Reacción genérica rojo / buey con medias reacciones escritas con potencial de reducción (E0') de las dos medias reacciones indicadas.

El cambio en ΔE0' se correlaciona con cambios en Energía libre de Gibbs, ΔG. En general, un ΔE positivo grande0' es proporcional a un ΔG negativo grande. Las reacciones son exergónicas y espontáneas. Para que una reacción sea exergónica, la reacción debe tener un cambio negativo en la energía libre o -ΔG, esto corresponderá a un positivo ΔE0'. En otras palabras, cuando los electrones fluyen "cuesta abajo" en una reacción rojo / buey desde un compuesto con un potencial de reducción más alto (más positivo) a un segundo compuesto con un potencial de reducción más bajo (menos positivo), liberan energía libre. Cuanto mayor sea el voltaje, ΔE0', entre los dos componentes, mayor es la energía disponible cuando se produce el flujo de electrones. De hecho, es posible cuantificar la cantidad de energía libre disponible. La relación viene dada por la ecuación de Nernst:

Figura 4. La ecuación de Nernst relaciona la energía libre de una reacción rojo / ox con la diferencia en el potencial de reducción entre los productos reducidos de la reacción y el reactivo oxidado.
Atribución: Marc T. Facciotti

Dónde:

  • n es el número de moles de electrones transferidos
  • F es la constante de Faraday de 96.485 kJ / V. A veces se da en unidades de kcal / V, que es 23.062 kcal / V, que es la cantidad de energía (en kJ o kcal) liberada cuando un mol de electrones pasa a través de una caída de potencial de 1 voltio.

Nota

Lo que debe notar es que ΔG y ΔE tienen una relación inversa: cuando ΔG es positivo, ΔE es negativo y cuando ΔG es negativo, ΔE es positivo. Para una revisión adicional, consulte la discusión sobre rojo / buey en el Manual de discusión de Bis2A.

Introducción a los transportistas de energía móviles

Resumen de la sección

La energía se mueve y se transfiere dentro de la célula de diversas formas. Un mecanismo crítico que ha desarrollado la naturaleza es el uso de portadores de energía molecular reciclables. Si bien existen varios portadores de energía reciclables importantes, todos comparten algunas características funcionales comunes:

Propiedades de los principales portadores de energía molecular celular

  • Pensamos que los portadores de energía existen en "grupos" de portadores disponibles. Por analogía, se podría considerar a estos transportadores de energía móviles análogos a los vehículos de reparto de los transportistas de paquetería: la empresa tiene un cierto "grupo" de vehículos disponibles en cualquier momento para recoger y realizar entregas.
  • Cada portador individual en el grupo puede existir en uno de múltiples estados distintos: está llevando una "carga" de energía, una carga fraccionada, o está "vacío". La molécula puede interconvertirse entre "cargada" y vacía y, por lo tanto, puede reciclarse. Nuevamente, por analogía, los vehículos de reparto pueden llevar paquetes o estar vacíos y cambiar entre estos estados.
  • El equilibrio o relación en el conjunto entre portadores "cargados" y "descargados" es importante para la función celular, está regulado por la célula y, a menudo, puede decirnos algo sobre el estado de una célula. Del mismo modo, un servicio de transporte de paquetes controla de cerca qué tan llenos o vacíos están sus vehículos de reparto; si están demasiado llenos, es posible que no haya suficientes camiones "vacíos" para recoger nuevos paquetes; si están demasiado vacíos, el negocio no debe ir bien o se cerrará. Existe un equilibrio adecuado para diferentes situaciones.

En este curso, examinaremos dos tipos principales de portadores de energía reciclables moleculares: (1) los nucleótidos de adenina, específicamente: dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD+), un pariente cercano, fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADP+), y dinucleótido de flavina adenina (FAD2+) y (2) mono, di y trifosfatos de nucleótidos, con especial atención a trifosfato de adenosina (ATP). Cada uno de estos dos tipos de moléculas está involucrado en la transferencia de energía que involucra diferentes clases de reacciones químicas. Los nucleótidos de adenina se asocian principalmente con la química redox, mientras que los nucleótidos trifosfatos están asociados con transferencias de energía que están vinculadas a la hidrólisis o condensación de fosfatos inorgánicos.

Química roja / buey y portadores de electrones

La oxidación o eliminación de un electrón de una molécula (ya sea acompañada con la eliminación de un protón acompañante o no) da como resultado un cambio de energía libre para esa molécula: la materia, la energía interna y la entropía han cambiado en el proceso. . Asimismo, la reducción de (la ganancia de electrón en) una molécula también cambia su energía libre. La magnitud del cambio en la energía libre y su dirección (positiva o negativa) para una reacción rojo / ox dicta la espontaneidad de la reacción y cuánta energía se transfiere. En los sistemas biológicos, donde una gran cantidad de transferencia de energía ocurre a través de reacciones rojo / buey, es importante comprender cómo están mediadas estas reacciones y comenzar a considerar ideas o hipótesis de por qué estas reacciones están mediadas en muchos casos por una pequeña familia. de portadores de electrones.

Nota: posible discusión

El problema al que se aludió en la pregunta de discusión anterior es un gran lugar para comenzar a incorporar la rúbrica del desafío de diseño. Si recuerda, el primer paso de la rúbrica le pide que defina un problema o una pregunta. En este caso, imaginemos que hay un problema por definir que los siguientes portadores de electrones móviles ayudaron a Nature a resolver.

*** Recuerde, la evolución NO diseña soluciones para problemas, pero en retrospectiva, podemos usar nuestra imaginación y lógica para inferir que lo que vemos preservado por selección natural proporcionó una ventaja selectiva, porque la innovación natural "resolvió" un problema. ese éxito limitado. ***

Desafío de diseño para transportadores rojo / buey

  • ¿Cuáles fueron los problemas que ayudó a resolver la evolución de los portadores móviles de electrones / rojos / bueyes?
  • El siguiente paso del desafío de diseño le pide que identifique criterios para soluciones exitosas. ¿Cuáles son los criterios de éxito en el problema que ha identificado?
  • El paso 3 del desafío de diseño le pide que identifique posibles soluciones. Bueno, aquí la naturaleza ha identificado algunos para nosotros; consideramos tres en la lectura a continuación. Parece que la naturaleza está feliz de tener múltiples soluciones al problema.
  • El penúltimo paso de la rúbrica del desafío de diseño le pide que evalúe las soluciones propuestas contra los criterios de éxito. Esto debería hacerle pensar / discutir sobre por qué existen múltiples portadores de electrones diferentes. ¿Existen diferentes criterios de éxito? ¿Cada uno de ellos está resolviendo problemas ligeramente diferentes? ¿Qué piensas? Esté atento a medida que avanzamos en el metabolismo en busca de pistas.

NAD + / H y FADH / H2

En los sistemas vivos, una pequeña clase de compuestos funcionan como lanzaderas de electrones: se unen y transportan electrones entre compuestos en diferentes vías metabólicas. Los principales portadores de electrones que consideraremos se derivan del grupo de vitamina B y son derivados de nucleótidos. Estos compuestos pueden reducirse (es decir, aceptan electrones) u oxidarse (pierden electrones) dependiendo del potencial de reducción de un donante o aceptor potencial de electrones al que podrían transferir electrones hacia y desde. Dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD+) (la estructura se muestra a continuación) se deriva de la vitamina B3, niacina. NAD+ es la forma oxidada de la molécula; NADH es la forma reducida de la molécula después de haber aceptado dos electrones y un protón (que juntos son el equivalente de un átomo de hidrógeno con un electrón extra).

Esperamos que memorice las dos formas de NAD+/ NADH, saber qué forma se oxida y cuál se reduce, y ser capaz de reconocer cualquiera de las formas en el lugar en el contexto de una reacción química.

NAD+ puede aceptar electrones de una molécula orgánica de acuerdo con la ecuación general:

Aquí hay un repaso de vocabulario: cuando se agregan electrones a un compuesto, se dice que el compuesto ha sido reducido. Un compuesto que reduce (dona electrones a) otro se llama agente reductor. En la ecuación anterior, RH es un agente reductor y NAD+ se reduce a NADH. Cuando se eliminan electrones de un compuesto, se oxida. Un compuesto que oxida a otro se llama agente oxidante. En la ecuación anterior, NAD+ es un agente oxidante y RH se oxida a R.

¡Necesitas bajar esto! (A) probaremos específicamente su capacidad para hacerlo (como preguntas "fáciles"), y (b) usaremos los términos con la expectativa de que sepa lo que significan y pueda relacionarlos con reacciones bioquímicas correctamente (en clase y en pruebas).

También encontrará una segunda variación de NAD+, NADP+. Es estructuralmente muy similar a NAD+, pero contiene un grupo fosfato adicional y juega un papel importante en las reacciones anabólicas, como la fotosíntesis. Otro portador de electrones basado en nucleótidos que también encontrará en este curso y más allá, flavin adenina dinucleótido (FAD+), se deriva de la vitamina B2, también llamada riboflavina. Su forma reducida es FADH2. Aprenda a reconocer estas moléculas también como portadoras de electrones.

Figura 1. La forma oxidada del portador de electrones (NAD+) se muestra a la izquierda y la forma reducida (NADH) se muestra a la derecha. La base nitrogenada en NADH tiene un ion hidrógeno más y dos electrones más que en NAD+.

NAD+ es utilizado por la célula para "extraer" electrones de los compuestos y "llevarlos" a otros lugares dentro de la célula; por lo que se llama un portador de electrones. NAD+Los compuestos de / H se utilizan en muchos de los procesos metabólicos que discutiremos en esta clase. Por ejemplo, en su forma oxidada, NAD+ se utiliza como reactivo en la glucólisis y el ciclo del TCA, mientras que en su forma reducida (NADH), es un reactivo en las reacciones de fermentación y la cadena de transporte de electrones (ETC). Cada uno de estos procesos se discutirá en módulos posteriores.

Historia energética para una reacción rojo / buey

*** Como regla general, cuando vemos NAD + / H como un reactivo o producto, sabemos que estamos ante una reacción rojo / ox. ***

Cuando NADH es un producto y NAD+ es un reactivo, sabemos que NAD+ se ha reducido (formando NADH); por lo tanto, el otro reactivo debe haber sido el donante de electrones y oxidarse. Lo contrario también es cierto. Si NADH se ha convertido en NAD+, entonces el otro reactivo debe haber ganado el electrón del NADH y reducirse.

Figura 2. Esta reacción muestra la conversión de piruvato a ácido láctico junto con la conversión de NADH a NAD.+. Fuente: https://en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Enzyme/sequential_reactions

En la figura anterior, vemos que el piruvato se convierte en ácido láctico, junto con la conversión de NADH en NAD.+. Esta reacción es catalizada por LDH. Usando nuestra "regla de oro" anterior, clasificamos esta reacción como una reacción rojo / buey. NADH es la forma reducida del portador de electrones y NADH se convierte en NAD+. Esta mitad de la reacción da como resultado la oxidación del portador de electrones. El piruvato se convierte en ácido láctico en esta reacción. Ambos azúcares están cargados negativamente, por lo que sería difícil ver qué compuesto está más reducido usando las cargas de los compuestos. Sin embargo, sabemos que el piruvato se ha reducido para formar ácido láctico, porque esta conversión está acoplada a la oxidación de NADH en NAD.+. Pero, ¿cómo podemos saber que el ácido láctico es más reducido que el piruvato? La respuesta es mirar los enlaces carbono-hidrógeno en ambos compuestos. A medida que se transfieren los electrones, a menudo van acompañados de un átomo de hidrógeno. Hay un total de tres enlaces C-H en el piruvato y hay un total de cuatro enlaces C-H en el ácido láctico. Cuando comparamos estos dos compuestos en los estados antes y después, vemos que el ácido láctico tiene un enlace C-H más; por tanto, el ácido láctico está más reducido que el piruvato. Esto es válido para múltiples compuestos. Por ejemplo, en la figura siguiente, debería poder clasificar los compuestos de mayor a menor reducción utilizando los enlaces C-H como guía.

Figura 3. Los anteriores son una serie de compuestos que se pueden clasificar o reorganizar de mayor a menor reducción. Compare el número de enlaces C-H en cada compuesto. El dióxido de carbono no tiene enlaces C-H y es la forma de carbono más oxidada que discutiremos en esta clase. Respuesta: el más reducido es el metano (compuesto 3), luego el metanol (4), el formaldehído (1), el ácido carboxílico (2) y finalmente el dióxido de carbono (5).

Figura 4. Esta reacción muestra la conversión de G3P, NAD+, y PI en NADH y 1,3-BPG. Esta reacción es catalizada por gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa.

Historia energética para la reacción catalizada por gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa:

Hagamos una historia de energía para la reacción anterior.

Primero, caractericemos los reactivos y productos. Los reactivos son gliceraldehído-3-fosfato (un compuesto de carbono), PI (fosfato inorgánico) y NAD+. Estos tres reactivos entran en una reacción química para producir dos productos, NADH y 1,3-bisfosfoglicerato. Si observa de cerca, puede ver que el 1,3-BPG contiene dos fosfatos. Esto es importante cuando estamos comprobando dos veces que no se ha perdido masa. Hay dos fosfatos en los reactivos, por lo que debe haber dos fosfatos en los productos (¡conservación de la masa!). Puede verificar que todos los demás átomos también estén contabilizados. La enzima que cataliza esta reacción se llama gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa. El cambio de energía libre estándar de esta reacción es ~ 6.3 kJ / mol, por lo que en condiciones estándar, podemos decir que la energía libre de los productos es mayor que la de los reactivos y que esta reacción no es espontánea en condiciones estándar.

¿Qué podemos decir sobre esta reacción cuando es catalizada por gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa?

Esta es una reacción rojo / buey. Sabemos que debido a que hemos producido un portador de electrones reducido (NADH) como producto y NAD+ es un reactivo. ¿De dónde vino el electrón para producir NADH? El electrón debe provenir del otro reactivo (el compuesto de carbono).

Nota: discusión recomendada

Dedicaremos algún tiempo a examinar la reacción catalizada por la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa con más detalle a medida que avanzamos en las conferencias y el texto. Lo primero que se debe discutir aquí es que la figura anterior es una versión sumamente simplificada o condensada de los pasos que tienen lugar; de hecho, se podría dividir esa reacción anterior en DOS reacciones conceptuales. ¿Te imaginas cuáles podrían ser esas dos "subreacciones"? Discutan entre ustedes.

Nota: discusión recomendada

El texto anterior señala que el cambio estándar en energía libre para esta reacción compleja es ~ + 6.3 kJ / mol. En condiciones estándar, esta reacción NO es espontánea. Sin embargo, esta es una de las reacciones clave en la oxidación de la glucosa. Necesita IR a la celda. Las preguntas son las siguientes: ¿por qué es importante tener en cuenta cosas como "cambio estándar de energía libre" o "en condiciones estándar" al informar que ΔG °? ¿Qué podría estar sucediendo en la célula para hacer que lo que en condiciones estándar es una reacción endergónica "funcione"?

ATP

Un compuesto químico importante es el trifosfato de adenosina (ATP). El principal papel celular del ATP es como un dispositivo de transferencia de energía "a corto plazo" para la célula. Las reacciones de hidrólisis que liberan uno o más de los fosfatos de ATP son exergónicas y muchas, muchas proteínas celulares han evolucionado para interactuar con el ATP en formas que ayudan a facilitar la transferencia de energía de la hidrólisis a una miríada de otras funciones celulares. De esta manera, el ATP a menudo se denomina "moneda de energía" de la célula: tiene valores de energía razonablemente fijos para transferir hacia o desde sí misma y puede intercambiar esa energía entre muchos donantes y aceptadores potenciales. Veremos muchos ejemplos de ATP "en funcionamiento" en la celda, así que búsquelos. Tal como los ve, trate de pensar en ellos como ejemplos funcionales de los usos naturales del ATP que podría esperar ver en otra reacción o contexto.

Estructura y función de ATP

En el corazón del ATP se encuentra el nucleótido llamado monofosfato de adenosina (AMP). Al igual que los otros nucleótidos, el AMP está compuesto por una base nitrogenada (una molécula de adenina) unida a una molécula de ribosa y un solo grupo fosfato. La adición de un segundo grupo fosfato a esta molécula central da como resultado la formación de difosfato de adenosina (ADP); la adición de un tercer grupo fosfato forma trifosfato de adenosina (ATP).


Figura 1. El ATP (trifosfato de adenosina) tiene tres grupos fosfato que pueden eliminarse mediante hidrólisis para formar ADP (difosfato de adenosina) o AMP (monofosfato de adenosina).

los fosforilación (o condensación de grupos fosfato en AMP) es un proceso endergónico. Por el contrario, la hidrólisis de uno o dos grupos fosfato del ATP, un proceso llamado desfosforilación, es exergónico. ¿Por qué? Recordemos que los términos endergónico y exergónico se refieren al signo de la diferencia de energía libre de una reacción entre los productos y los reactivos, ΔG. En este caso, estamos asignando explícitamente una dirección a la reacción, ya sea en la dirección de la fosforilación o desfosforilación del nucleótido. En la reacción de fosforilación, los reactivos son el nucleótido y un fosfato inorgánico, mientras que los productos son un nucleótido fosforilado y AGUA. En la reacción de desfosforilación / hidrólisis, los reactivos son el nucleótido fosforilado y el AGUA, mientras que los productos son el fosfato inorgánico y el nucleótido menos un fosfato.

Dado que la energía libre de Gibbs es una función de estado, no importa cómo ocurra la reacción; solo tienes que considerar los estados inicial y final. Como ejemplo, examinemos la hidrólisis de ATP. Los reactivos ATP y agua se caracterizan por su composición atómica y los tipos de enlaces entre los átomos constituyentes. Se puede asociar algo de energía libre con cada uno de los enlaces y sus posibles configuraciones, al igual que para los productos. Si examinamos la reacción desde el punto de vista de los productos y reactivos y preguntamos "¿cómo podemos recombinar átomos y enlaces en los reactivos para obtener los productos?", Encontramos que un enlace fosfoanhídrido entre un oxígeno y un fósforo debe romperse en el ATP, se debe romper un enlace entre el oxígeno y el hidrógeno en el agua, se debe hacer un enlace entre el OH (que proviene de la división del agua) y el fósforo (del PO3-2 liberado), y se debe establecer un enlace. 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.


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


Tabla 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 substrate level phosphorylation (SLP) y fosforilación oxidativa. 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.

Glucólisis: una descripción general

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. La energía y las materias primas pueden provenir de diferentes lugares. 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.

La glucólisis es la primera camino metabólico discussed in BIS2A; a metabolic pathway is a series of linked biochemical reactions. Debido a su ubicuidad en biología, se plantea la hipótesis de que la glucólisis fue probablemente una de las primeras vías metabólicas en evolucionar (más sobre esto más adelante). 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? ¿Qué "problemas" permite que la vida resuelva o supere la evolución de una vía glucolítica? También querremos pensar en formas alternativas de resolver los mismos problemas y por qué pueden o no haber evolucionado. 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.

Entonces, ¿qué es la glucólisis? Empecemos a averiguarlo.

Figura 1. The ten biochemical reactions of glycolysis are shown. Las enzimas están etiquetadas en azul. 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. Atribución: Marc T. Facciotti (obra original)

Tabla 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.

EnzimaPasoΔG / (kJ / mol)ΔG ° '/ (kJ / mol)
Hexoquinasa1-34-16.7
Isomerasa de fosfoglucosa2-2.91.67
Fosfofructoquinasa3-19-14.2
Fructosa-bisfosfato aldolasa4-0.2323.9
Triosa fosfato isomerasa52.47.56
Gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa6-1.296.30
Fosfoglicerato quinasa70.09-18.9
Fosfoglicerato mutasa80.834.4
Enolasa91.11.8
Piruvato quinasa10-23.0-31.7

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.

Tenga en cuenta como referencia que la glucólisis es una anaeróbico process; there is no requirement for molecular oxygen in glycolysis (oxygen gas is not a reactant in any of the chemical reactions in glycolysis). La glucólisis ocurre en el citosol o citoplasma de células. For a short (three-minute) overview YouTube video of glycolysis, click here.

First half of glycolysis: energy investment phase

Los primeros pasos de la glucólisis se denominan típicamente una "fase de inversión energética" de la vía. 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. Intentaremos construir esa historia sobre la marcha, por lo que, por ahora, recuerde que mencionamos que algunos de los primeros pasos a menudo se asocian con la inversión en energía y con ideas como "atrapar" y "compromiso" que se indican en la siguiente figura.

Paso 1 de la glucólisis:

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.

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

Discusión sugerida

The paragraph above states that the enzyme hexokinase has "broad specificity." This means that it can catalyze reactions with different sugars, not just glucose. Desde una perspectiva molecular, ¿puede explicar por qué este podría ser el caso? 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).

Figura 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). Fuente: Marc T. Facciotti (obra original)

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. Esto significa que G6P, aunque está involucrado en la vía glucolítica, no solo está marcado para oxidación en esta fase. 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.

Paso 2 de la glucólisis:

En el segundo paso de la glucólisis, un isomerasa catalyzes the conversion of glucose 6-phosphate into one of its isomers, fructose 6-phosphate. Un isomerasa es una enzima que cataliza la conversión de una molécula en uno de sus isómeros.

Paso 3 de la glucólisis:

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-Bisfosfato y ADP como productos. In this pathway, phosphofructokinase is a rate-limiting enzyme, and its activity is tightly regulated. Está alostéricamente 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 alostérico 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.

Discusión sugerida

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 glucólisis:

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. Examinamos ahora estas reacciones.

Figura 4. La segunda mitad de la glucólisis se denomina fase de compensación energética. 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).

Paso 5 de la glucólisis:

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.

Paso 6 de la glucólisis:

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+y fosfato inorgánico (PI)—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. La red estándar free energy change hovers around zero—more on this later. La enzima aquí actúa como un molecular acoplamiento 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.

Es importante señalar que esta reacción depende de la disponibilidad de la forma oxidada del portador de electrones, NAD.+. Si consideramos que existe un grupo limitante de NAD+, we can then conclude that the reduced form of the carrier (NADH) must be continuously oxidized back into NAD+ para continuar con este paso. Si NAD+ no está disponible, la segunda mitad de la glucólisis se ralentiza o se detiene.

Paso 7 de la glucólisis:

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

Si una transferencia de un fosfato de 1,3-BPG a ADP es exergónica, ¿qué dice eso acerca de la energía libre de hidrólisis del fosfato de 1,3-BPG en comparación con la energía libre de hidrólisis del fosfato terminal en ATP? ?

Paso 8 de la glucólisis:

En el octavo paso, el grupo fosfato restante en el 3-fosfoglicerato se mueve del tercer carbono al segundo carbono, produciendo 2-fosfoglicerato (un isómero del 3-fosfoglicerato). The enzyme catalyzing this step is a mutase (isomerase).

Paso 9 de la glucólisis:

Enolasa cataliza el noveno paso. Esta enzima hace que el 2-fosfoglicerato pierda agua de su estructura; esta es una reacción de deshidratación, que resulta en la formación de un doble enlace que aumenta la energía potencial en el enlace fosfato restante y produce fosfoenolpiruvato (PEP).

Paso 10 de la glucólisis:

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:

Uno de los resultados claros de la glucólisis es la biosíntesis de compuestos que pueden entrar en una variedad de vías metabólicas. Likewise, compounds coming from other metabolic pathways can feed into glycolysis at various points. Entonces, esta vía puede ser parte de un intercambio central de flujo de carbono dentro de la célula.

Si la glucólisis se ejecuta lo suficiente, la oxidación constante de glucosa con NAD+ can leave the cell with a problem: how to regenerate NAD+ from the two molecules of NADH produced. Si el NAD+ is not regenerated, all of the cell's NAD will be nearly completely transformed into NADH. Entonces, ¿cómo regeneran las células NAD?+?

Pyruvate is not completely oxidized; there is still some energy to be extracted. How might this happen? Además, ¿qué debería hacer la célula con todo ese NADH? ¿Hay alguna energía que extraer?

Strongly suggested discussion/exercise

Can you write an energy story for the overall process of glycolysis? En términos de energía, solo preocúpese por describir las cosas en términos de si son exergónicas o endergónicas. 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.

Figura 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 (trabajo propio)

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).



Comentarios:

  1. Muk

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  3. Raley

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  4. Bud

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