Informatie

NADH vs. NADPH: Waar wordt elk gebruikt en waarom dat in plaats van het andere?


Ik weet dat NADH wordt gebruikt bij cellulaire ademhaling en NADPH wordt gebruikt bij fotosynthese. Welk verschil maakt de fosfaatgroep dat dezelfde niet voor beide gebruikt kan of kan worden? Is er een grotere reden voor deze scheiding of is het gewoon toeval? Waarom kunnen die twee niet worden uitgewisseld?


De fosfaatgroep in NADPH heeft geen invloed op de redoxcapaciteiten van het molecuul, het is te ver verwijderd van het deel van het molecuul dat betrokken is bij de elektronenoverdracht. Wat de fosfaatgroep doet, is dat enzymen onderscheid kunnen maken tussen NADH en NADPH, waardoor de cel beide onafhankelijk kan reguleren.

De verhouding van NAD+ tot NADH in de cel hoog is, terwijl de verhouding van NADP+ naar NADPH laag wordt gehouden. De rol van NADPH is meestal anabole reacties, waarbij NADPH nodig is als reductiemiddel, de rol van NADH is meestal in katabole reacties, waarbij NAD+ is nodig als oxidatiemiddel.

Meer informatie hierover vindt u in hoofdstuk 2 van "Molecular Biology of the Cell door Alberts et al.


Even wat dingen ophelderen:

Zoals hierboven vermeld, wordt NADH geproduceerd in katabole reacties en wordt het later gebruikt in de elektronentransportketen om energie te verkrijgen door NADH terug om te zetten in NAD+.

NADPH wordt voornamelijk geproduceerd in het oxidatieve deel van de pentosefosfaatroute. NADPH wordt gebruikt in a) anabole syntheses om cholesterol, vetzuren, transmitterstoffen en nucleotiden te produceren. b) ontgiftingsprocessen als antioxidant. NADPH is bijvoorbeeld een essentieel onderdeel van CYP450 in de lever en reduceert gluthation (een van de krachtigste antioxidanten in de natuur) om het weer actief te maken.


NADPH wordt gevonden in het cytosol en stroma (chloroplast) van eukaryoten. NADH is meer alomtegenwoordig, maar wordt meestal aangetroffen in bacteriën en in mitichondriën, mogelijk bewijs voor de endosymbose van bacteriën in eukaryoten. Geen van beide kan gemakkelijk door een membraan gaan.


9.3: Fermentatie en regeneratie van NAD+

Sectie samenvatting

In deze sectie wordt het proces van fermentatie besproken. Vanwege de sterke nadruk in deze cursus op het centrale koolstofmetabolisme, concentreert de bespreking van fermentatie zich begrijpelijkerwijs op de fermentatie van pyruvaat. Niettemin zijn enkele van de kernprincipes die we in deze sectie behandelen even goed van toepassing op de fermentatie van vele andere kleine moleculen.

Het "doel" van fermentatie

De oxidatie van een verscheidenheid aan kleine organische verbindingen is een proces dat door veel organismen wordt gebruikt om energie te vergaren voor cellulair onderhoud en groei. De oxidatie van glucose via glycolyse is zo'n route. Verschillende belangrijke stappen in de oxidatie van glucose tot pyruvaat omvatten de reductie van de elektronen/energie-shuttle NAD+ tot NADH. U werd al gevraagd om uit te zoeken welke opties de cel redelijkerwijs zou kunnen hebben om de NADH te reoxideren naar NAD+ om te voorkomen dat de beschikbare pools van NAD+ worden verbruikt en om zo te voorkomen dat de glycolyse wordt gestopt. Anders gezegd, tijdens glycolyse kunnen cellen grote hoeveelheden NADH aanmaken en langzaam hun voorraad NAD+ uitputten. Wil de glycolyse doorgaan, dan moet de cel een manier vinden om NAD+ te regenereren, hetzij door synthese of door een of andere vorm van recycling.

Bij afwezigheid van enig ander proces, dat wil zeggen, als we alleen glycolyse beschouwen, is het niet meteen duidelijk wat de cel zou kunnen doen. Een keuze is om te proberen de elektronen die ooit van de glucosederivaten zijn ontdaan, direct terug te plaatsen op het stroomafwaartse product, pyruvaat of een van zijn derivaten. We kunnen het proces veralgemenen door het te beschrijven als het terugkeren van elektronen naar het molecuul dat ze ooit waren verwijderd, meestal om de poelen van een oxidatiemiddel te herstellen. Dit is in het kort fermentatie. Zoals we in een andere sectie zullen bespreken, kan het proces van ademhaling ook de pools van NAD + uit NADH regenereren. Cellen zonder ademhalingsketens of in omstandigheden waarin het gebruik van de ademhalingsketen ongunstig is, kunnen fermentatie kiezen als een alternatief mechanisme om energie uit kleine moleculen te halen.

Een voorbeeld: melkzuurfermentatie

Een alledaags voorbeeld van een fermentatiereactie is de reductie van pyruvaat tot lactaat door de melkzuurfermentatiereactie. Deze reactie moet u bekend voorkomen: het treedt op in onze spieren wanneer we ons inspannen tijdens het sporten. Als we ons inspannen, hebben onze spieren grote hoeveelheden ATP nodig om het werk uit te voeren dat we van ze eisen. Omdat de ATP wordt verbruikt, kunnen de spiercellen de vraag naar ademhaling niet bijhouden, O2 wordt beperkend en NADH hoopt zich op. Cellen moeten de overmaat kwijtraken en NAD+ regenereren, dus pyruvaat dient als een elektronenacceptor, genereert lactaat en oxideert NADH tot NAD+. Veel bacteriën gebruiken deze route als een manier om de NADH/NAD+-cyclus te voltooien. Dit proces ken je misschien wel van producten als zuurkool en yoghurt. De chemische reactie van melkzuurfermentatie is de volgende:

Pyruvaat + NADH & harr melkzuur + NAD +

Figuur 1. Melkzuurfermentatie zet pyruvaat (een licht geoxideerde koolstofverbinding) om in melkzuur. Daarbij wordt NADH geoxideerd tot NAD+. Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (origineel werk)

Energieverhaal voor de fermentatie van pyruvaat tot lactaat

Een voorbeeld (zij het een beetje lang) energieverhaal voor melkzuurfermentatie is het volgende:

De reactanten zijn pyruvaat, NADH en een proton. De producten zijn lactaat en NAD+. Het fermentatieproces resulteert in de reductie van pyruvaat om melkzuur te vormen en de oxidatie van NADH om NAD+ te vormen. Elektronen van NADH en een proton worden gebruikt om pyruvaat om te zetten in lactaat. Als we een tabel met standaardreductiepotentiaal onderzoeken, zien we onder standaardomstandigheden dat een overdracht van elektronen van NADH naar pyruvaat om lactaat te vormen exergoon en dus thermodynamisch spontaan is. De reductie- en oxidatiestappen van de reactie worden gekoppeld en gekatalyseerd door het enzym lactaatdehydrogenase.

Een tweede voorbeeld: alcoholfermentatie

Een ander bekend fermentatieproces is alcoholfermentatie, waarbij ethanol ontstaat, een alcohol. De alcoholfermentatiereactie is de volgende:

Figuur 2. Ethanolfermentatie is een proces in twee stappen. Pyruvaat (pyrodruivenzuur) wordt eerst omgezet in koolstofdioxide en aceetaldehyde. De tweede stap zet aceetaldehyde om in ethanol en oxideert NADH tot NAD+. Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (origineel werk)

In de eerste reactie wordt een carboxylgroep verwijderd uit pyrodruivenzuur, waarbij koolstofdioxide als gas vrijkomt (sommigen van jullie kennen dit misschien als een belangrijk onderdeel van verschillende dranken). De tweede reactie verwijdert elektronen uit NADH, vormt NAD + en produceert ethanol (een andere bekende verbinding en meestal in dezelfde drank) uit het acetaldehyde, dat de elektronen accepteert.

Schrijf een compleet energieverhaal voor alcoholfermentatie. Stel mogelijke voordelen voor van dit type fermentatie voor het eencellige gistorganisme.

Fermentatieroutes zijn talrijk

Hoewel de hierboven beschreven routes van melkzuurfermentatie en alcoholfermentatie voorbeelden zijn, zijn er nog veel meer reacties (te veel om te bespreken) die de natuur heeft ontwikkeld om de NADH/NAD+-cyclus te voltooien. Het is belangrijk dat u de algemene concepten achter deze reacties begrijpt. Over het algemeen proberen cellen een evenwicht of constante verhouding tussen NADH en NAD+ te behouden wanneer deze verhouding uit balans raakt, compenseert de cel door andere reacties te moduleren om te compenseren. De enige vereiste voor een fermentatiereactie is dat deze een kleine organische verbinding gebruikt als elektronenacceptor voor NADH en NAD+ regenereert. Andere bekende fermentatiereacties zijn onder meer ethanolfermentatie (zoals in bier en brood), propionfermentatie (dat maakt de gaten in Zwitserse kaas) en malolactische fermentatie (dat geeft Chardonnay zijn zachtere smaak en hoe meer malaat in lactaat wordt omgezet, hoe zachter de wijn). In figuur 3 zie je een grote verscheidenheid aan fermentatiereacties die verschillende bacteriën gebruiken om NADH opnieuw te oxideren tot NAD+. Al deze reacties beginnen met pyruvaat of een derivaat van het pyruvaatmetabolisme, zoals oxaalacetaat of formiaat. Pyruvaat wordt geproduceerd door de oxidatie van suikers (glucose of ribose) of andere kleine, gereduceerde organische moleculen. Er moet ook worden opgemerkt dat naast pyruvaat en zijn derivaten ook andere verbindingen als fermentatiesubstraten kunnen worden gebruikt. Deze omvatten methaanfermentatie, sulfidefermentatie of de fermentatie van stikstofverbindingen zoals aminozuren. Er wordt niet van je verwacht dat je al deze paden uit je hoofd leert. Er wordt echter van je verwacht dat je een route herkent die elektronen terugstuurt naar producten van de verbindingen die oorspronkelijk werden geoxideerd om de NAD+/NADH-pool te recyclen en dat proces te associëren met fermentatie.

Figuur 3. Deze figuur toont verschillende fermentatieroutes met pyruvaat als het initiële substraat. In de figuur wordt pyruvaat gereduceerd tot een verscheidenheid aan producten via verschillende en soms meerstaps (gestippelde pijlen vertegenwoordigen mogelijke meerstapsprocessen) reacties. Alle details zijn bewust niet getoond. Het belangrijkste punt is om te begrijpen dat fermentatie een brede term is die niet alleen wordt geassocieerd met de omzetting van pyruvaat in melkzuur of ethanol. Bron: Marc T. Facciotti (origineel werk)

Een opmerking over het verband tussen fosforylering op substraatniveau en fermentatie

Fermentatie vindt plaats in afwezigheid van moleculaire zuurstof (O2). Het is een anaëroob proces. Merk op dat er geen O . is2 in een van de hierboven getoonde fermentatiereacties. Veel van deze reacties zijn vrij oud, waarvan wordt aangenomen dat het enkele van de eerste energiegenererende metabolische reacties zijn die zich hebben ontwikkeld. Dit is logisch als we rekening houden met het volgende:

  1. De vroege atmosfeer was sterk gereduceerd, met weinig moleculaire zuurstof direct beschikbaar.
  2. Kleine, sterk gereduceerde organische moleculen waren relatief beschikbaar, voortkomend uit een verscheidenheid aan chemische reacties.
  3. Dit soort reacties, routes en enzymen worden gevonden in veel verschillende soorten organismen, waaronder bacteriën, archaea en eukaryoten, wat suggereert dat dit zeer oude reacties zijn.
  4. Het proces evolueerde lang voordat O2 werd gevonden in de omgeving.
  5. De substraten, sterk gereduceerde, kleine organische moleculen, zoals glucose, waren direct beschikbaar.
  6. De eindproducten van veel fermentatiereacties zijn kleine organische zuren, geproduceerd door de oxidatie van het oorspronkelijke substraat.
  7. Het proces is gekoppeld aan fosforyleringsreacties op substraatniveau. Dat wil zeggen, kleine, gereduceerde organische moleculen worden geoxideerd en ATP wordt gegenereerd door eerst een red/ox-reactie gevolgd door fosforylering op substraatniveau.
  8. Dit suggereert dat fosforylatie- en fermentatiereacties op substraatniveau samen zijn geëvolueerd.

Als de hypothese juist is dat fosforylatie- en fermentatiereacties op substraatniveau co-evolueerden en de eerste vormen van energiemetabolisme waren die cellen gebruikten om ATP te genereren, wat zouden dan de gevolgen zijn van dergelijke reacties in de loop van de tijd? Wat als dit de enige vormen van energiemetabolisme waren die gedurende honderdduizenden jaren beschikbaar waren? Wat als cellen werden geïsoleerd in een kleine, gesloten omgeving? Wat als de kleine, gereduceerde substraten gedurende deze tijd niet met hetzelfde verbruik werden geproduceerd?

Gevolgen van fermentatie

Stel je een wereld voor waar fermentatie de primaire manier is om energie uit kleine moleculen te halen. Naarmate populaties gedijen, reproduceren en consumeren ze de overvloed aan kleine, gereduceerde organische moleculen in de omgeving, waarbij ze zuren produceren. Een gevolg is de verzuring (verlaging van de pH) van de omgeving, inclusief de interne cellulaire omgeving. Dit kan storend zijn, aangezien veranderingen in pH een diepgaande invloed kunnen hebben op de functie en interacties tussen verschillende biomoleculen. Daarom moesten er mechanismen ontstaan ​​die de verschillende zuren konden verwijderen. Gelukkig kunnen in een omgeving die rijk is aan gereduceerde verbindingen, fosforylering en fermentatie op substraatniveau grote hoeveelheden ATP produceren.

Er wordt verondersteld dat dit scenario het begin was van de evolutie van de F0F1-ATPase, een moleculaire machine die ATP hydrolyseert en protonen over het membraan verplaatst (we zullen dit opnieuw zien in de volgende sectie). Met de F0F1-ATPase, het ATP dat door fermentatie wordt geproduceerd, zou de cel nu in staat kunnen stellen de pH-homeostase te handhaven door de vrije energie van hydrolyse van ATP te koppelen aan het transport van protonen uit de cel. De keerzijde is dat cellen nu al deze protonen de omgeving in pompen, die nu gaat verzuren.

Als de hypothese juist is dat de F0F1-ATPase evolueerde ook samen met fosforylatie- en fermentatiereacties op substraatniveau, wat zou er dan in de loop van de tijd met het milieu gebeuren? Hoewel kleine, gereduceerde organische verbindingen aanvankelijk overvloedig aanwezig waren, als de fermentatie op een bepaald moment "op gang kwam", zouden de gereduceerde verbindingen opraken en zou ATP dan ook schaars kunnen worden. Dat is een probleem. Definieer het probleem of de problemen waarmee de cel in deze veronderstelde omgeving wordt geconfronteerd, met de ontwerpuitdagingsrubriek in gedachten. Wat zijn andere mogelijke mechanismen of manieren waarop de natuur het (de) probleem(en) zou kunnen overwinnen?


Redox-biochemie: het verschil tussen NAD, NAD+ en NADH

NAD en NADP helpen cellen bij het beheren van energie, vergelijkbaar met de manier waarop een koeriersdienst pakketten beheert. Net zoals een koerier een pakket op de ene locatie ophaalt en ergens anders aflevert, pikt NAD energetische pakketjes elektronen op van het ene molecuul in een deel van de cel en zet het af met een ander molecuul op een andere locatie. Wanneer NAD dit energiepakket draagt, wordt dit NADH genoemd. Als dat niet het geval is, noemen wetenschappers het NAD+.

In meer technische termen wordt het energiepakket dat NAD vervoert een hydride genoemd. Een hydride is een set van twee hoogenergetische elektronen bevestigd aan een waterstofatoom. Omdat NAD dit hydride kan winnen en verliezen, bestaat het in twee verschillende vormen in de cel: NAD+ en NADH. De "+" in NAD+ geeft aan dat het molecuul een netto positieve lading heeft. Wanneer het een hydride krijgt (de "H" in NADH), heffen de negatief geladen elektronen de positieve lading op en verdwijnt de "+". Hetzelfde geldt voor NADP. Wanneer het is geladen met een pakket energie, wordt het NADPH genoemd, anders wordt het NADP+ genoemd.

Wanneer NAD energie wint of verliest, neemt het deel aan een oxidatie-reductiereactie, of kortweg redoxreactie. Redoxreacties zijn chemische reacties waarbij moleculen energierijke elektronen winnen en verliezen en ze zijn essentieel voor de metabolische processen die cellen gebruiken om energie te genereren en moleculen op te bouwen.

Moleculen worden geoxideerd wanneer ze elektronen verliezen en worden gereduceerd wanneer ze ze winnen. NAD+ is de geoxideerde vorm van NAD. Het wordt NADH, de gereduceerde vorm van NAD, wanneer het hoogenergetische elektronen verzamelt in de vorm van een hydride van andere moleculen. NADH kan deze elektronen met hoge energie dan weggeven om opnieuw de geoxideerde NAD+-vorm te worden.

Voor de eenvoud gebruikt deze site de term "NAD" om zowel de geoxideerde als de gereduceerde vorm van het molecuul samen aan te duiden, tenzij een onderscheid tussen NAD+ en NADH belangrijk is voor het punt dat wordt gemaakt. Hoewel het verschil tussen NAD+ en NADH vanuit chemisch oogpunt klein is, kan het verschil enorme implicaties hebben voor hoe het molecuul in cellen wordt gebruikt.


De fysiologische rol van NADPH

Onze bespreking van de HMS-route is nu voltooid en we zullen nu de verschillende metabole functies van NADPH bekijken.

Waarom hebben we zowel NADH als NADPH nodig?

Waarom is NADPH nodig naast NADH? De twee co-enzymen verschillen slechts door één fosfaatgroep, en die groep is ver verwijderd van waar de actie is: de redox-actieve groep is de pyridinering in de nicotinamidegroep (gemarkeerd), terwijl het extra fosfaat in NADP zich op de adenosine bevindt deel aan het andere uiteinde van het molecuul.

Hoewel de fosfaatgroep geen enkel verschil maakt voor de redoxchemie die door de twee co-enzymen wordt uitgevoerd 53, stelt het hen in staat om te interageren met afzonderlijke sets enzymen. Bedenk dat alle enzymen die NAD+ verbruiken of regenereren dezelfde pool van het cosubstraat zullen delen, en dat de reactie-evenwichten van al deze enzymen zullen worden beïnvloed door dezelfde verhouding van geoxideerde tot gereduceerde vorm, [NAD+]/[NADH].

Door de extra fosfaatgroep op NADP kan het interageren met een andere, andere set enzymen. Daarom, omdat de co-enzymen deelnemen aan afzonderlijke sets van evenwichten, kunnen ze zelf in verschillende redoxtoestanden worden gehouden. Om een ​​vergelijking te gebruiken: de twee co-enzymen zijn als twee verschillende valuta - beide zijn geld, maar het is mogelijk om de kosten van het lenen van elk afzonderlijk af te stemmen op verschillende economische doelstellingen. In de cel wordt NAD meestal geoxideerd. De gemakkelijke beschikbaarheid van NAD+ zal helpen om de oxidatieve reacties in de TCA-cyclus en glycolyse te versnellen. Daarentegen wordt NADP voornamelijk aangetroffen in de gereduceerde toestand, wat reductieve reacties in biosynthese zal bevorderen.

De keuze van NAD of NADP als cosubstraat zal niet alleen de omloopsnelheid van een redoxreactie beïnvloeden, maar ook de vrije energie (Δ G ). Volgens [46] is de [NADH]/[ NAD + ]-verhouding in het cytosol 0,001, terwijl de [NADPH]/[ NADP + ]-verhouding 100 is. Het zeer kleine verschil in Δ G buiten beschouwing latend 0, komt de 10 5 keer hogere relatieve abundantie van NADPH neer op een verschil van

30 kJ/mol in werkelijke Δ G . Deze hoeveelheid energie is vergelijkbaar met de energie die vrijkomt bij de hydrolyse van ATP tot ADP, wat geen toeval is (zie volgende dia).

NADPH-generatie door appelenzym

Hoewel de HMS in de meeste weefsels de belangrijkste bron van NADPH is, dragen sommige andere routes bij aan de toevoer, met name in weefsels die vetzuren of sterolen synthetiseren.

De shuttle die hier wordt getoond, hergebruikt de meeste elementen van degene die oxaalacetaat van de mitochondriën naar het cytosol verplaatst voor gluconeogenese (zie dia 7.4.1, die ook laat zien hoe het transport van fosfaat in evenwicht kan worden gebracht). In de laatste stap van de shuttle die hier wordt beschouwd, wordt cytosolisch malaat echter niet omgezet in oxaalacetaat, maar wordt het in plaats daarvan gedecarboxyleerd door appelzuur, dat NADPH genereert, het pyruvaat dat overblijft kan de mitochondriën opnieuw binnenkomen.

Aan de mitochondriale kant verbruikt de shuttle elk een equivalent van NADH en ATP. De ATP drijft de carboxylering van pyruvaat aan, die wordt teruggedraaid door appelzuur. Ervan uitgaande dat het appelzuurenzym de volledige vrije energie die tijdens de carboxylatie van ATP is verkregen, kan terugwinnen en toepassen op de reductie van NADP+, zou het enzym inderdaad in staat moeten zijn om de verhouding van cytosolisch NADPH tot NADP+ te verhogen tot boven die van NAD met de factor van 10 5 toegelicht in paragraaf 9.3.1 . Hoewel deze aanname misschien wat optimistisch is, is het ook niet strikt noodzakelijk, aangezien de [NADH]/[NAD+]-verhouding significant hoger is in de mitochondriën dan in het cytosol, wat helpt om de cyclus in de aangegeven richting te duwen. Over het algemeen verklaart de deelname van ATP aan deze cyclus het hierboven besproken verschil in concentratie en vrije energie tussen NADPH en NADH.

NADPH-generatie door transhydrogenase en NADP-gekoppelde isocitraatdehydrogenase

We zijn al eerder nicotinamide-nucleotidetransaminase als bron van mitochondriaal NADPH tegengekomen (zie dia 6.10.2). Vanuit de mitochondriën kan NADPH naar het cytosol worden getransporteerd door de gezamenlijke actie van NADP-afhankelijke isocitraatdehydrogenasen aan beide zijden van het membraan en van twee mitochondriale dragers, die er samen in slagen om isocitraat uit te wisselen voor α-ketoglutaraat over het membraan.

Merk op dat deze cyclus niet de hydrolyse van ATP omvat. Het enkele proton dat door de transhydrogenase wordt geïmporteerd, levert niet dezelfde hoeveelheid vrije energie als ATP, en de vraag rijst dan ook hoe voldoende drijvende kracht voor het totale proces wordt afgeleid. Voor zover ik kan zien, is de enige andere bijdragende factor de meer verminderde toestand van NAD in het mitochondrion in vergelijking met het cytosol. 54 Het kan dus zijn dat deze shuttle alleen werkt wanneer zowel de proton-aandrijfkracht als de mitochondriale NADH op een hoog niveau zijn, terwijl cytosolische NADPH wordt verlaagd door hoge consumptie, zoals bijvoorbeeld tijdens vetzuursynthese in vetweefsel [ 47] .

Gebruik van NADPH

  1. synthese van vetzuren en cholesterol
  2. fixatie van ammoniak door glutamaatdehydrogenase
  3. oxidatief metabolisme van geneesmiddelen en vergiften door cytochroom P450-enzymen
  4. generatie van stikstofmonoxide en van reactieve zuurstofsoorten door fagocyten
  5. wegvangen van reactieve zuurstofsoorten die zich vormen als bijproducten van zuurstoftransport en van de ademhalingsketen

De eerste drie onderwerpen op deze lijst zullen worden behandeld in de latere hoofdstukken over het metabolisme van respectievelijk triacylglycerol, cholesterol, aminozuren en geneesmiddelen. Hier zullen we kort kijken naar de rol van NADPH bij de vorming van stikstofmonoxide en bij de vorming en het wegvangen van reactieve zuurstofsoorten.

De stikstofoxidesynthasereactie

Stikstofmonoxide wordt intracellulair gesynthetiseerd door stikstofmonoxidesynthase (NOS). Deze reactie is nogal complex en omvat twee opeenvolgende mono-oxygenasestappen. In de eerste stap wordt arginine omgezet in N-hydroxyarginine (NOHA), dat in de tweede stap wordt gesplitst in NO en citrulline.

NOS komt in verschillende varianten voor. Endotheliale NOS (eNOS) en neuronale NOS (nNOS) worden gevonden in de celtypen die met hun naam worden aangeduid. Induceerbare NOS (iNOS) komt vooral voor in ontstekingscellen. Al deze enzymen zijn homoloog en voeren dezelfde reactie uit, maar ze verschillen in hun regulerende eigenschappen.

Signaaleffecten van stikstofmonoxide

Stikstofmonoxide geproduceerd door NOS diffundeert uit de cel van oorsprong, bijvoorbeeld een vasculaire endotheelcel, en vervolgens in een andere, zoals een vasculaire gladde spiercel. In de doelcel bindt NO en activeert het oplosbaar guanylaatcyclase (sGC), dat vervolgens cyclisch GMP (cGMP) begint te maken. Net als cAMP fungeert cGMP als een tweede boodschapper in de cel.

Net als cAMP richt cGMP zich ook op meerdere effectormoleculen. De activering van cGMP-afhankelijke proteïnekinase (cGK) resulteert in de fosforylering van verschillende eiwitten. In vasculaire gladde spieren veroorzaakt dit ontspanning, wat op zijn beurt de bloeddruk verlaagt. Dit wordt benut door NO-afgevende geneesmiddelen bij de behandeling van hypertensie. Fosfodiesterase 5 (PDE) wordt ook geactiveerd door cGMP en begint zowel cAMP als cGMP af te breken. Activering van cyclische nucleotide-gated kationkanalen beïnvloedt het membraanpotentiaal en het cellulaire calciumniveau.

Fagocyten gebruiken NADPH om reactieve zuurstofsoorten te genereren

Neutrofiele granulocyten (afgebeeld) en macrofagen nemen bacteriën op en versmelten vervolgens de endocytotische vacuole met korrels die verschillende soorten antimicrobiële moleculen bevatten. Onder deze zijn er verschillende enzymen die reactieve zuurstofsoorten produceren. Het eerste enzym is NADPH-oxidase, dat moleculaire zuurstof omzet in superoxide. Vervolgens produceren superoxide dismutase en myeloperoxidase H2O2 en HOCl. Al deze reactieve zuurstofsoorten (ROS) hebben een krachtige antimicrobiële activiteit en patiënten met defecten in NADPH-oxidase of myeloperoxidase zijn vatbaar voor ernstige bacteriële infecties.

Superoxide kan ook worden gecombineerd met stikstofmonoxide om peroxynitriet te vormen, een ander molecuul met een sterke antimicrobiële activiteit. Dit is een functie van de NO die in macrofagen wordt gegenereerd door induceerbare stikstofoxidesynthase (iNOS).

De reacties die betrokken zijn bij het genereren van ROS door fagocyten worden in paragraaf 18.3 nader besproken.

Het opruimen van reactieve zuurstofsoorten vereist ook NADPH

Waar ze niet nodig zijn voor immuunafweer, zijn reactieve zuurstofsoorten eerder schadelijk dan nuttig, ze kunnen bijvoorbeeld reageren met niet-verzadigde vetacylresten in lipidemembranen (zie hieronder). Niettemin vormen sommige ROS voortdurend als bijproducten van de ademhaling en ook van zuurstoftransport in erytrocyten, aangezien binding aan hemoglobine O2 een kans om een ​​elektron van de heem te stelen en zichzelf in superoxide te veranderen.

ROS-toxiciteit wordt onder controle gehouden door glutathion (G-SH), dat in lage millimolaire concentraties in de cellen aanwezig is. Een belangrijke stap in de ontgifting van ROS is de reductie van waterstofperoxide tot water, dat wordt gekatalyseerd door glutathionperoxidase of peroxiredoxine. Daarbij worden glutathion of peroxiredoxine geoxideerd tot hun disulfidevormen. Deze worden weer verminderd door respectievelijk glutathionreductase en thioredoxine, die beide NADPH nodig hebben (zie rubriek 18.7).


NAD+ en NADH: twee kanten van dezelfde medaille

NAD kan in twee vormen voorkomen: NAD+ en NADH. Deze twee vormen van NAD staan ​​bekend als een "redox-paar", een term die wordt gebruikt om een ​​gereduceerde (de "rode" in redox) en geoxideerde (de "os" in redox) vorm van hetzelfde atoom of molecuul te beschrijven. De term "geoxideerd" kan echter misleidend zijn, omdat er niet per se zuurstof voor nodig is. Redoxreacties omvatten het winnen of verliezen van elektronen. Als iets oxideert, verliest het elektronen. Ondertussen, als iets wordt gereduceerd, krijgt het elektronen.

De term "geoxideerd" is door de geschiedenis heen overgenomen, afkomstig van experimenten aan het einde van de 18e eeuw. Redoxreacties zijn niet exclusief voor NAD+ en NADH, laat staan ​​exclusief voor het lichaam. In feite kunnen ze alles omvatten, van het roesten van ijzer tot de vorming van mineralen.

In de context van NAD+ zijn redoxreacties een belangrijk onderdeel van de creatie van cellulaire energie. Wanneer NAD+ wordt omgezet in NADH, krijgt het twee dingen: eerst een geladen waterstofmolecuul (H+) en vervolgens twee elektronen. Omdat elektronen negatief geladen zijn, heft de combinatie van de positief geladen NAD+ en H+, gekoppeld aan twee elektronen, elkaar effectief op en neutraliseert het resulterende NADH-molecuul. Daarom heeft NADH geen "+" teken ernaast. De lading van een molecuul informeert hoe het interageert met andere moleculen. NADH kan bijvoorbeeld niet doen wat NAD+ doet, en vice versa.

Dus NAD+ en NADH zijn bijna hetzelfde (met enkele kleine verschillen), als twee kanten van dezelfde medaille. Er zijn echter geen gelijke hoeveelheden NAD+ als NADH. Wetenschappers moeten nog bepalen wat de optimale verhouding is, laat staan ​​wat de gevolgen zijn als deze wordt verstoord. Dit wordt steeds belangrijker omdat NAD+ de afgelopen jaren in de wetenschappelijke schijnwerpers is komen te staan.

NAD+ is nodig om fundamentele biologische processen te laten plaatsvinden, maar het lichaam heeft een beperkte voorraad, aangezien NAD+-niveaus met de leeftijd afnemen. Ten tweede is NAD+ een cruciale vereiste voor de functie van sirtuïnes, een groep eiwitten die betrokken zijn bij cruciale cellulaire processen, waaronder het ondersteunen van een gezond metabolisme en cellulaire energieproductie. Als sirtuïnes geen toegang hebben tot NAD+, kunnen ze niet goed functioneren.

Toch zijn sommige wetenschappers van mening dat niet noodzakelijk de beschikbaarheid van NAD+ problematisch is, maar de verhouding tussen NAD+ en NADH. Dit komt omdat de verhouding bepaalt hoe effectief de cel ATP kan produceren, adenosinetrifosfaat - de energievaluta van de cel.


Biologie Hoofdstuk 3

Aangezien K = 0,5, wordt de vergelijking 0,5 = [B] × [C] / [A].

ΔG = vrije energie(producten) - vrije energie(reactanten)

Kies er een:
103
10-1
102
101

Een ander soms actief enzym, glucose-6-fosfatase genaamd, "draait" deze reactie effectief om, door glucose-6-fosfaat terug te hydrolyseren tot glucose en een fosfaat af te geven. De ΔG° van deze reactie is -3,34 kcal/mol.

Wat is op basis van deze waarden de ΔG° voor de hydrolyse van ATP: ATP + H2O → ADP + Pi?

De "omgekeerde" reactie, die een hydrolyse is, kan worden geschreven: glucose 6-fosfaat + H2O → glucose + Pi

Wanneer deze twee reacties bij elkaar worden "opgeteld", produceren ze: glucose + ATP + glucose 6-fosfaat + H2O →
glucose 6-fosfaat + ADP + glucose + Pi

Omdat glucose en glucose-6-fosfaat aan beide kanten van deze vergelijking aanwezig zijn, heffen ze elkaar op, waardoor:
ATP + H2O → ADP + Pi

Dus de ΔG° van ATP-hydrolyse kan worden berekend door simpelweg de ΔG°-waarden voor de twee gegeven reacties bij elkaar op te tellen:


Waarom wordt NAD+ gebruikt voor ademhaling en NADP+ voor fotosynthese? Wat is het verschil?

Ik ben geen bioloog, dus ik weet zeker dat biologen of biochemici betere antwoorden kunnen geven. Ik ben echter student geneeskunde en kan je wat info geven die ik me herinner uit mijn eigen studie.

Zowel NADH als NADPH worden gebruikt in biochemische reacties bij zowel planten als dieren. Het is niet alsof NADPH niet bij dieren wordt gebruikt. Zowel NADH als NADPH zijn reductiemiddelen. NADH wordt echter over het algemeen gebruikt bij katabole reacties (waarbij moleculen worden afgebroken), terwijl NADPH wordt gebruikt bij anabole reacties (waarbij nieuwe moleculen worden geproduceerd). Bij mensen zijn de primaire bronnen van NADH glycolyse en de citroenzuurcyclus (katabolische reacties) en de primaire bronnen van NADPH is de pentose-fosfaatshunt (en NADPH is een belangrijk molecuul voor vetzuuroxidatie en enkele andere belangrijke mitochondriale enzymen).

Wat betreft "Waarom NADPH in chlorofyl?" Ik durf te wedden dat het veel te maken heeft met evolutionaire selectie. Het wordt blijkbaar geproduceerd door ferrodoxine-NADP-reductase, een lichtgevoelig enzym. Behalve dat je vastzit in een bepaald traject op basis van je evolutionaire geschiedenis, geeft het gebruik van NADPH over NADH planten een efficiënt mechanisme voor het creëren van een cofactor voor anabole reacties. Ze kunnen de NADPH gebruiken om koolstofdioxide om te zetten in glucosemoleculen (het samenvoegen van koolstoffen is een anabole reactie). Er was dus zeker evolutionaire druk om NADPH te gebruiken, omdat planten hierdoor zowel ATP als glucose konden maken door middel van fotosynthese.


Wat is NADPH?

NADPH is een typisch co-enzym dat in veel processen van planten als elektronendrager werkt. Het wordt ook genoemd als het verminderen van de kracht van de biochemische reacties. NADPH is in hogere concentraties aanwezig in de cellen. Het levert elektronen en wordt geoxideerd, en de geoxideerde vorm van NADPH is NADP+. NADPH werkt als een co-enzym van verschillende dehydrogenase-enzymen.

Figuur 02: NADPH

Bovendien kan NADPH omkeerbare oxidatie-reductiereacties ondergaan. De oxidatie van NADPH is thermodynamisch gunstig. Daarom is het een exergonische reactie. Bij anabole reacties zoals lipide- en nucleïnezuursynthese dient NADPH als reductiemiddel. Bij fotosynthese werkt NADPH als een reductiemiddel in de Calvin-cyclus om CO . te assimileren2. Chemische formule en de molecuulmassa van de NADPH zijn C21H29N7O17P3 en 744,42 g·mol -1 respectievelijk.


Een genetisch gecodeerd hulpmiddel voor manipulatie van NADP + / NADPH in levende cellen

De redox-co-enzymen NADH en NADPH zijn algemeen vereist voor energiemetabolisme, biosynthese en ontgifting. Ondanks gedetailleerde kennis van specifieke enzymen en routes die deze co-enzymen gebruiken, ontbreekt een holistisch begrip van de regulatie en compartimentering van NADH- en NADPH-afhankelijke routes, deels vanwege een gebrek aan hulpmiddelen om deze processen in levende cellen te onderzoeken. We hebben eerder melding gemaakt van het gebruik van de natuurlijk voorkomende Lactobacillus brevis H2O-vormend NADH-oxidase (PondNOX) als een genetisch hulpmiddel voor het manipuleren van de NAD+/NADH-verhouding in menselijke cellen. Hier presenteren we triphosphopyridine nucleotide oxidase (TPNOX), een rationeel ontworpen en gemanipuleerde mutant van PondNOX die strikt specifiek is voor NADPH. We hebben de effecten van TPNOX-expressie op het cellulaire metabolisme gekarakteriseerd en gebruikt in combinatie met: PondNOX om te laten zien hoe de redoxtoestanden van mitochondriale NADPH- en NADH-pools met elkaar verbonden zijn.


Bekijk de video: Whats the difference between the NADHNAD+ and the NADPHNADH ratios? (December 2021).