Informatie

9.3: Fermentatie en regeneratie van NAD+ - Biologie


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+ naar NADH. U werd al gevraagd om uit te zoeken welke opties de cel redelijkerwijs zou kunnen hebben om de NADH opnieuw te oxideren naar NAD+ om te voorkomen dat de beschikbare pools van NAD . worden verbruikt+ en om zo het stoppen van de glycolyse te voorkomen. Anders gezegd, tijdens glycolyse kunnen cellen grote hoeveelheden NADH genereren en langzaam hun voorraad NAD . uitputten+. Als de glycolyse wil doorgaan, moet de cel een manier vinden om NAD . te regenereren+, hetzij door synthese of door enige vorm van recycling.

Bij afwezigheid van enig ander proces - dat wil zeggen, als we alleen naar glycolyse kijken - 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 ademhalingsproces ook de poelen van NAD . regenereren+ van NADH. 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 het overtollige verwijderen 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 . te voltooien+ fiets. Dit proces ken je misschien wel van producten als zuurkool en yoghurt. De chemische reactie van melkzuurfermentatie is de volgende:

Pyruvaat + NADH ↔ 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+. 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 en vormt NAD+ en het produceren van ethanol (een andere bekende verbinding - meestal in dezelfde drank) uit het acetaldehyde, dat de elektronen accepteert.

Voorgestelde discussie

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 voor 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 te voltooien.+ fiets. 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 het 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 (het is wat Chardonnay zijn zachtere smaak geeft - hoe meer malaat in lactaat wordt omgezet, hoe meer de wijn zachter). In figuur 3 ziet u 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 u verwacht dat u een pad herkent dat elektronen terugstuurt naar producten van de verbindingen die oorspronkelijk werden geoxideerd om de NAD te recyclen+/NADH pool en om 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.

Voorgestelde discussie

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.

Voorgestelde discussie

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?


Fermentatie en regeneratie van NAD+

Elke discussie die zich richt op fermentatie moet stilstaan ​​bij de fermentatie van pyruvaat. Sommige van de kernprincipes van fermentatie zijn echter zichtbaar in veel voorbeelden in dagelijkse activiteiten. Het maakt niet uit hoe klein een molecuul is, fermentatie en regeneratie van NAD+ is mogelijk.

De rol van fermentatie

Oxidatie van kleine organische verbindingen vindt plaats door micro-organismen die hun energie halen uit cellulair onderhoud en groei. Een voorbeeld is de oxidatie van glucose door glycosen.

Enkele essentiële stappen die nodig zijn om glucose te laten fermenteren, omvatten de reductie van een elektron NAD+ tot NADH. Tijdens glycose zullen cellen grote hoeveelheden NADH genereren en alle NAD+-voorraden uitputten. Om de glycose voort te zetten, moet de cel een manier vinden om NAD+ te regenereren, hetzij door synthese of recycling.

Als er geen andere optie of proces kan plaatsvinden, kan niemand zeggen wat de cel zou kunnen doen. We kunnen proberen de elektronen die eerder van de glucose waren ontdaan terug te plaatsen in het stroomafwaartse product of een van zijn derivaten. Fermentatie is wanneer we poelen van oxidatiemiddelen proberen te herstellen (het eerder verwijderde elektron).

Een voorbeeld van fermentatie: melkzuur

Dit is een alledaags voorbeeld waarbij de reductie van de verbinding tot lactaat door het melkzuur plaatsvindt door middel van fermentatie.

Deze reactie is wat er met je spieren gebeurt tijdens oefeningen. Tijdens de oefening hebben uw spieren grote hoeveelheden adenosinetrifosfaat (ATP) nodig om de geselecteerde activiteit uit te voeren. Als de ATP eenmaal daalt, kunnen de spiervezels de toenemende vraag naar ademhaling niet bijhouden, omdat het zuurstofgehalte beperkt wordt en Nicotinamide-adenine-dinucleotide (NADH) zich ophoopt. De cellen moeten de overmaat kwijtraken en NAD+ regenereren, en dus zal het pyruvaat de rol van elektronenacceptor op zich nemen en lactaat gaan produceren en NADH oxideren tot NAD+. De meeste bacteriën zullen deze route gebruiken om de NADH/NAD+-cyclus te voltooien. Dit is precies wat er gebeurt in yoghurt.

Waar komt de energie vandaan bij fermentatie?

De reactiemiddelen zijn in dit geval het proton, NADH en het pyruvaat. De producten zijn NAD+ en lactaat. Het hele fermentatieproces geeft gereduceerd pyruvaat door de vorming van melkzuur en de oxidatie van NADH tot NAD+. De elektronen van NADH en het proton combineren om pyruvaat te reduceren tot lactaat. Als we deze reactie onderzoeken, zullen we zien dat onder normale omstandigheden de overdracht van elektronen van NADH naar pyruvaat om lactaat te vormen een exogene reactie is en daarom een ​​thermodynamisch resultaat. De reductie- en oxidatiefasen van het fermentatieproces worden gekoppeld en gekatalyseerd door het enzym lactaatdehydrogenase.

De natuur heeft verschillende fermentatiepaden

De natuur zoals wij die kennen is geëvolueerd om de NADH/NAD+-cyclus te voltooien. Het is belangrijk dat we de algemene concepten van fermentatie begrijpen. Over het algemeen proberen cellen een evenwicht of een constante verhouding tussen NADH en NAD+ te behouden wanneer de verhouding onstabiel wordt, de cellen proberen te compenseren door hun cellulaire activiteiten te moduleren. De enige vereiste die fermentatie mogelijk maakt, is het gebruik van een kleine verbinding (organisch) als elektronenacceptor voor NADH en regenereert tot NAD+. Lees meer over natuurlijke bronnen van NAD+.


Sectie Samenvatting

Als NADH niet kan worden gemetaboliseerd door aerobe ademhaling, wordt een andere elektronenacceptor gebruikt. De meeste organismen zullen een of andere vorm van fermentatie gebruiken om de regeneratie van NAD+ te bewerkstelligen, waardoor de voortzetting van de glycolyse wordt gegarandeerd. De regeneratie van NAD+ bij fermentatie gaat niet gepaard met ATP-productie, daarom wordt het potentieel voor NADH om ATP te produceren met behulp van een elektronentransportketen niet benut.

Aanvullende zelfcontrolevragen

1. Tremetol, een metabolisch gif dat wordt aangetroffen in witte slangenwortelplanten, voorkomt het metabolisme van lactaat. Wanneer koeien deze plant eten, wordt Tremetol geconcentreerd in de melk. Mensen die de melk consumeren, worden ziek. Symptomen van deze ziekte, waaronder braken, buikpijn en tremoren, worden erger na inspanning. Waarom denk je dat dit het geval is?

2. Als spiercellen geen zuurstof meer hebben, wat gebeurt er dan met het potentieel voor energiewinning uit suikers en welke routes gebruikt de cel?

Antwoorden

Woordenlijst

anaërobe cellulaire ademhaling: het gebruik van een andere elektronenacceptor dan zuurstof om het metabolisme te voltooien met behulp van op elektronentransport gebaseerde chemiosmosis

fermentatie: de stappen die volgen op de gedeeltelijke oxidatie van glucose via glycolyse om NAD+ te regenereren vinden plaats in afwezigheid van zuurstof en gebruiken een organische verbinding als de uiteindelijke elektronenacceptor


Het fermentatieproces kan op verschillende manieren worden gedefinieerd. Als we in het biochemische veld denken, breekt het de chemische bindingen in suikers af en wordt het omgezet in de energie die niet kan worden geproduceerd in het glycolyseproces.

Tijdens onze normale activiteiten is de hoeveelheid zuurstof om te ademen voldoende in ons lichaam, maar wanneer we ons bezighouden met hoge activiteiten in ons dagelijks leven, kan ons lichaam niet genoeg zuurstof leveren voor lichaamscellen, met als gevolg dat we sneller ademen.

Dus, die keer hoe lichaamscellen de cellulaire ademhalingsfunctie behouden zonder voldoende zuurstof?

Zonder zuurstof kan het glycolyseproces worden voortgezet. Als zuurstof beschikbaar is, wordt het gebruikt bij cellulaire ademhaling waar zuurstof de elektronen oppikt. Maar als er geen zuurstof is, zou het niet mogelijk zijn om elektronen op te pikken en deze keer kunnen glycolyseprocessen doorgaan door de productie van ATP zonder zuurstof.

Figuur: Fermentatieproces.

ATP-moleculen worden gemaakt in het glycolyseproces. Niettemin worden de ATP-moleculen niet gemaakt in het fermentatieproces, maar het zorgt ervoor dat de glycolyse doorgaat. Fermentatie kan het elektron van NADH-moleculen verwijderen en NAD+-moleculen regenereren, wat nodig is voor glycolyse die het elektron opneemt waar geen zuurstof nodig is om de elektronen op te nemen voor het voortzetten van de lichaamsfunctie. Het glycolyseproces zou worden gestopt als er geen elektronenopname is en zonder NAD+ is het niet mogelijk om de elektronen van de splitsing van glucose op te pikken.

Hoe NAD+ kan helpen om het glycolyseproces voort te zetten?

Wanneer er geen zuurstof in de cel aanwezig is, wordt glucose in het glycolyseproces afgebroken tot twee moleculen pyruvaat door de productie van twee moleculen ATP en reduceert het NAD+-molecuul tot NADH, dat een opslag van energie is.

Vervolgens leveren twee NADH-moleculen tijdens het fermentatieproces energie om pyruvaat om te zetten in fermentatieproducten. Door de NADH te gebruiken, wordt deze terug gerehabiliteerd in NAD+. Twee moleculen NAD+ worden teruggevoerd naar glycolyse. Dan zou het glycolyseproces kunnen worden voortgezet door het gerecyclede NAD+.

Maak alsjeblieft een opmerking, als je dit artikel interessant vindt of als je vragen hebt.


Wat je leert:

Het proces van glycolyse omvat de omzetting van de reactant, glucose plus twee moleculen NAD+, twee moleculen ADP plus 2Pi, in de producten, d.w.z. twee moleculen pyruvaat plus twee moleculen NADH plus twee moleculen H+ en twee moleculen ATP. Als de glycolyse continu zou plaatsvinden, zouden alle moleculen NAD+ volledig zijn gebruikt en zou dit de cyclus van glycolyse beëindigen. Om de cyclus van glycolyse voort te zetten, moet er de omzetting van NADH terug naar NAD+ plaatsvinden. Het optreden van deze stap is gebaseerd op de beschikbare externe elektronenacceptor. De eerste methode die kan worden gebruikt om hetzelfde uit te voeren, is de omzetting van pyruvaat in lactaat, en dit proces wordt melkzuurfermentatie genoemd. Bij deze reactie is het pyruvaat, NADH en H+ de reactant die wordt omgezet in lactaat en NAD+. Dit proces vindt ook plaats in de bacteriën die worden gebruikt om yoghurt te maken. Er zijn individuele organismen, bijvoorbeeld gist, waarbij NADH wordt omgezet in NAD+ via het proces dat ethanolfermentatie wordt genoemd. Er vindt de omzetting plaats van pyruvaat in aceetaldehyde en kooldioxide, dat op zijn beurt wordt omgezet in ethanol. Zowel ethanolfermentatie als melkzuurfermentatie vindt plaats in afwezigheid van zuurstof. Daarom kan een dergelijke anaërobe fermentatie door eencellige organismen als hun energiebron worden gebruikt. Anoxische regeneratie NAD+ kan worden bestudeerd als een effectief middel voor de productie van energie gedurende een korte periode van 10 seconden tot ongeveer 2 minuten. Daar vindt de aanvulling van NAD+ door NADH plaats door de elektronen aan het pyruvaat te geven, wat op zijn beurt leidt tot de productie van lactaat. Dit produceert uiteindelijk twee ATP-moleculen die worden gevormd uit één glucosemolecuul. Fermentatie van pyruvaat tot lactaat kan ook worden aangeduid als anaërobe glycolyse. Bij de vermelding van twee fermentatie vond de oxidatie van NADH plaats, wat leidt tot de overdracht van twee elektronen naar pyruvaat.


Hoe NAD+ krachtig is

Open een willekeurig biologieboek en je leert over NAD+, wat staat voor nicotinamide-adenine-dinucleotide. Het is een cruciaal co-enzym dat in elke cel in je lichaam wordt aangetroffen en dat betrokken is bij honderden metabolische processen zoals cellulaire energie en mitochondriale gezondheid. NAD+ is hard aan het werk in de cellen van mensen en andere zoogdieren, gisten en bacteriën, zelfs planten.

Wetenschappers kennen NAD+ al sinds het voor het eerst werd ontdekt in 1906, en sindsdien is ons begrip van het belang ervan blijven evolueren. Zo speelde de NAD+-precursor niacine een rol bij het verminderen van pellagra, een dodelijke ziekte die het Amerikaanse zuiden in de jaren 1900 teisterde. Wetenschappers hebben destijds vastgesteld dat melk en gist, die beide NAD+-precursoren bevatten, de symptomen verlichtten. In de loop van de tijd hebben wetenschappers verschillende NAD+-precursoren geïdentificeerd - waaronder onder meer nicotinezuur, nicotinamide en nicotinamide-riboside - die gebruik maken van natuurlijke routes die naar NAD+ leiden. Beschouw NAD+-precursoren als verschillende routes die u kunt nemen om een ​​bestemming te bereiken. Alle paden brengen u naar dezelfde plaats, maar met verschillende vervoerswijzen.

Onlangs is NAD+ een gewaardeerd molecuul geworden in wetenschappelijk onderzoek vanwege zijn centrale rol in biologische functies. De wetenschappelijke gemeenschap heeft onderzocht hoe NAD+ zich verhoudt tot opmerkelijke voordelen bij dieren die onderzoekers blijven inspireren om deze bevindingen naar mensen te vertalen. Dus hoe speelt NAD+ precies zo'n belangrijke rol? Kortom, het is een co-enzym of "helper" -molecuul dat zich bindt aan andere enzymen om reacties op moleculair niveau te helpen veroorzaken.


Verhoogde vraag naar NAD + ten opzichte van ATP stimuleert aerobe glycolyse

Aerobe glycolyse, of preferentiële fermentatie van van glucose afgeleid pyruvaat tot lactaat ondanks beschikbare zuurstof, wordt geassocieerd met proliferatie over veel organismen en omstandigheden. Om die associatie beter te begrijpen, onderzochten we het metabolische gevolg van het activeren van het pyruvaatdehydrogenasecomplex (PDH) om de oxidatie van pyruvaat te verhogen ten koste van fermentatie. We vinden dat toenemende PDH-activiteit celproliferatie schaadt door de NAD+/NADH-verhouding te verminderen. Deze verandering in NAD+/NADH wordt veroorzaakt door een verhoogd mitochondriaal membraanpotentiaal dat het mitochondriale elektronentransport en de NAD+-regeneratie belemmert. Het loskoppelen van de ademhaling van de ATP-synthese of het verhogen van de ATP-hydrolyse herstelt de NAD+/NADH-homeostase en proliferatie, zelfs wanneer de glucose-oxidatie wordt verhoogd. Deze gegevens suggereren dat wanneer de vraag naar NAD+ om oxidatiereacties te ondersteunen de snelheid van ATP-turnover in cellen overschrijdt, NAD+-regeneratie door mitochondriale ademhaling beperkt wordt, waardoor fermentatie wordt bevorderd, ondanks beschikbare zuurstof. Dit stelt dat cellen zich bezighouden met aerobe glycolyse wanneer de vraag naar NAD+ groter is dan de vraag naar ATP.

trefwoorden: Aerobe glycolyse Celmetabolisme Fermentatie NAD+ PDK Warburg-effect.

Copyright © 2020 De Auteurs. Uitgegeven door Elsevier Inc. Alle rechten voorbehouden.


De evolutie en de ontwikkelingsfasen van wijn

Monica Butnariu, Alina Butu, in Alcoholische dranken, 2019

10.11 Alcoholische gisting

Alcoholische fermentatie van de most is een spontaan of geïnduceerd biochemisch oxidatieproces waarbij, onder invloed van gistenzymen, koolhydraten worden omgezet in ethylalcohol en CO 2 als de belangrijkste producten vergezeld van verschillende bijproducten.

Dit proces is exotherm en voor het bereiken van één graad alcohol moet tussen 15,7 en 18 g suiker/L worden gebruikt. De afbraak van koolhydraten in alcohol en CO2 vindt plaats in gistcellen. De suikeroplossing dringt het celmembraan binnen en de resulterende producten (alcohol, CO2, enz.) zijn verspreid in de omgeving. Het proces wordt bepaald door de gistactiviteit omdat ze de enzymen bevatten die nodig zijn om de fermentatie uit te voeren.

Onder invloed van het gist-enzymcomplex verandert de suiker in de most in een fosfoglyceralaldehyde, na opname in de cellen en vorming van de fosforzuuresters. Door oxidatie-reductiereacties en gekwantificeerde afgifte van potentiële energie, worden 2 mol ATP, één mol triose en de belangrijkste fermentatieproducten gevormd. Deze omvatten CO2, verkregen door decarboxylering van pyrodruivenzuur en ethylalcohol, verkregen door reductie van azijnzuuraldehyde in aanwezigheid van dehydrogenase.

10.11.1 Enzymatische aard van het fermentatieproces

Alcoholische fermentatie is een complex proces waarbij enzymen fungeren als katalysator voor koolhydraatafbraakreacties en de vorming van specifieke verbindingen. De enzymklassen van gist omvatten: oxidoreductasen, hydrolase, transferasen, lysaten, isomerasen, ligasen en synthasen. Bij het fermentatieproces zijn de volgende enzymen betrokken: hexokinase, aldolase, dehydrogenase, phosphohexoisomerase, phosphohexokinase, triose isomerase, pyruvaatkinase, pyruvaatdecarboxylase, aldohydrogenase, enz. Enzymen interfereren in het fermentatieproces in opeenvolgende stadia en werken specifiek door hun actieve componenten , co-enzymen.

10.11.2 Co-enzymen die deelnemen aan het fermentatieproces

Nicotinamide-adenine-dinucleotide (NAD +) is het co-enzym van veel enzymen in de dehydrogenaseklasse, de rol is om de waterstofionen die aan het substraat worden afgeleverd omkeerbaar te fixeren, en het oxidatiereductiemechanisme vindt plaats op het niveau van de pyridinekern. Het wordt geoxideerd in aanwezigheid van een positieve lading van het stikstofatoom, of gereduceerd als een dergelijke stikstofbelasting niet aanwezig is. Cocarboxylase of thiaminepyrofosfaat (TPP) is het enzym co-enzym in de decarboxylaseklasse om ketonen te decarboxyleren tot aldehyden in aanwezigheid van Mg2+-ionen.

Adenosinetrifosfaat (ATP) is betrokken bij het transport van fosfaationen, dat wil zeggen bij de fosforylering van koolhydraten, met een rol in de energiebalans van fermentatie.

Adenosinedifosfaat (ADP) is betrokken bij het transport van fosfaationen, dat wil zeggen de fosforylering van koolhydraten. Co-enzym A (CoA-SH) is een amideverbinding van pantotheenzuur. De activiteit ervan wordt afgedrukt door de acetyl-gebonden SH-groep in de vorm van thioester (acetyl-co-enzym A). De reactie is energierijk en gaat gepaard met de vorming van het energierijke ATP-molecuul.

10.11.3 Biochemisch mechanisme van alcoholische gisting

Het fermentatieproces is een proces van chemische afbraak onder invloed van enzymen, van natuurlijke producten met complexe structuren in producten met een eenvoudige structuur. Dit proces genereert energie (calorische energie). Dit zijn de stappen van een volledige fermentatiecyclus:

de fase van de accumulatie van biomassa, wanneer de fermentatie wordt verminderd

de hoofdfermentatie, ongeveer 80% van de initiële suiker wordt gefermenteerd en

secundaire gisting wanneer alcoholen worden gevormd.

Alcoholische fermentatie vindt plaats na het biochemische mechanisme van gistglycolyse waarbij hexosen worden omgezet in pyrodruivenzuur en vervolgens in ethylalcohol en CO 2.

Hogere alcoholen (propylalcohol, isopropylalcohol, isobutylalcohol, amylalcohol, isoamylalcohol) worden gevormd in de wijn en vormen het boeket tijdens de wijnverrijking, waardoor de geurkwaliteiten verbeteren door het verschijnen van de esters. Glycerol (glycerine) is een bijproduct van alcoholische fermentatie dat aan het begin van het proces wordt gevormd. Het aandeel glycerol in wijn hangt af van:

de beginconcentratie van most in koolhydraten

de hoeveelheid SO2 gebruikt om de most te beschermen

temperatuur gehandhaafd tijdens fermentatie

de duur van het alcoholische gistingsproces en

gisten die alcoholische gisting hebben uitgevoerd, enz. (Springer et al., 2016).

Na deze omstandigheden wordt glycerol gevonden in een verhouding van 6-10 g voor elke 100 g ethylalcohol. Wijnen met een glycerol/alcohol-verhouding van minder dan 6,5% werden eerder gealcoholiseerd en wanneer deze verhouding meer dan 10% bedraagt, kan worden vermoed dat aan wijnen glycerol is toegevoegd. Natuurlijke wijnen hebben een glycerolgehalte tussen 5 en 15 g/L. Azijnzuuraldehyde hoopt zich op in de eerste 2-3 dagen van de fermentatie en de concentratie varieert tussen 40 en 50 mg/L. Er worden aromatische aldehyden (benzoëzuur, vanilline, kaneelaldehyde, aceton, diacetyl) gevormd. Ze zijn nodig bij de synthese van de smaak en het boeket dat kenmerkend is voor wijnen. In de wijn worden vluchtige zuren gevormd, afhankelijk van de overheersende gistsoort, tussen 10 en 280 mg/L. Naast appelzuur, wijnsteenzuur en citroenzuur wordt 10-16 mg/L pyrogeenzuur geaccumuleerd door fermentatie, α-ketoglutaarzuur, 90-119 mg/L, azijnzuur, melkzuur, enz. De meeste smaakstoffen die gevormd tijdens de fermentatie worden geproduceerd door het metabolisme van gistnitraat en zijn het gevolg van een gebrekkige coördinatie van de enzymactiviteit die betrokken is bij deze biochemische processen (Gold et al., 2017).

10.11.4 Zwavelmetabolisme door gist

De groei en vermenigvuldiging van gisten wordt bepaald door de aanwezigheid in de most van assimileerbare zwavelbronnen zoals sulfaten en kleine hoeveelheden biotine en thiamine. Een deel van de gist verbruikt zwavel uit methionine, omdat cystine en cysteïne hard worden afgebroken en moeilijk opneembaar zijn. Uit de chemische samenstelling van de gist, 0,2% - 0,8% van de droge stof is zwavel, het komt in de structuur van eiwitten en enzymatische cofactoren (biotine, thiamine, liponzuur, enz.). Gistcellen reduceren sulfaten tot sulfieten en H2S, gebruikt voor zwavelbiosynthese. Tijdens opslag van gistwijn, na autolyse, H2S wordt gevormd door de werking van cysteïnesulfhydrylase dat inwerkt op niet-waardige verbindingen met -SH-groepen. Het heeft een negatieve invloed op de kwaliteit van wijn en vormt ethylmercaptanen, die ongewenste smaak en geur geven. Door de zwavelverbindingen te metaboliseren, kan de gist 10-80 mg SO . produceren2/L aan het einde van de fermentatieperiode. Om jonge wijnen te stabiliseren, speciale gistculturen, die tot 80 mg SO . produceren2/L tijdens de fermentatie, worden gebruikt om oxidatieve ontleding te voorkomen.

10.11.5 Must-fermentatietechnologie

De vereiste bewerkingen zijn de bereiding van geselecteerde giststartculturen die fermentatiecontainers vullen met mostinoculatie met geselecteerde gisten, toevoeging van fermentatie-activatoren die het fermentatieproces beheren en onderbreking van de fermentatie voor zoete wijnen.

10.11.6 Bereiding van giststarterculturen

Om verschillende soorten wijnen van hoge kwaliteit te verkrijgen, wordt de fermentatie uitgevoerd door geselecteerde culturen van stammen van het geslacht te verkrijgen Saccharomyces ellipsoideus en Saccharomyces oviformis. Deze gisten creëren gunstige omstandigheden voor de fermentatie van most en de activiteit van andere gisten.

De optimale fermentatietemperatuur ligt tussen 22°C en 27°C. Voor een gunstige ontwikkeling is de gist van de most afhankelijk van: de temperatuur die stijgt met de hoeveelheid ethylalcohol en CO2 neemt toe, tot 35°C osmotische druk van de most oxidatie-reductiepotentieel van de most het stikstofgehalte in de most de concentratie van CO2 en zuurstof vluchtige zuren (mierenzuur, azijnzuur, propionzuur, melkzuur) looistoffen en minerale zouten en vitamines in de most. De bereiding van geselecteerde giststartculturen in de vorm van actief zuurdesem wordt uitgevoerd in speciale planten.

The operation is done 1 week prior to the beginning of the grape vinification campaign, first at laboratory level, and then going through production stage. The laboratory stage is more important because the quality of the wine will depend on the yeast strain used. The yeast is selected, preserved, and multiplied in optimum conditions. In the production stage the selected yeast culture will be transformed to leaven ( Ciani et al., 2016 ).


Chapter 9 – Cellular Respiration

· To perform their many tasks, living cells require energy from outside sources.

· Energy enters most ecosystems as sunlight and leaves as heat.

· Photosynthesis generates oxygen and organic molecules that the mitochondria of eukaryotes use as fuel for cellular respiration.

· Cells harvest the chemical energy stored in organic molecules and use it to regenerate ATP, the molecule that drives most cellular work.

· Respiration has three key pathways: glycolysis, the citric acid cycle, and oxidative phosphorylation.

A. The Principles of Energy Harvest

1. Cellular respiration and fermentation are catabolic, energy-yielding pathways.

· The arrangement of atoms of organic molecules represents potential energy.

· Enzymes catalyze the systematic degradation of organic molecules that are rich in energy to simpler waste products with less energy.

· Some of the released energy is used to do work the rest is dissipated as heat.

· Catabolic metabolic pathways release the energy stored in complex organic molecules.

· One type of catabolic process, fermentation, leads to the partial degradation of sugars in the absence of oxygen.

· A more efficient and widespread catabolic process, cellular respiration, consumes oxygen as a reactant to complete the breakdown of a variety of organic molecules.

° In eukaryotic cells, mitochondria are the site of most of the processes of cellular respiration.

· Cellular respiration is similar in broad principle to the combustion of gasoline in an automobile engine after oxygen is mixed with hydrocarbon fuel.

° Food is the fuel for respiration. The exhaust is carbon dioxide and water.

° organic compounds + O2 à CO2 + H2O + energy (ATP + heat).

· Carbohydrates, fats, and proteins can all be used as the fuel, but it is most useful to consider glucose.

° C6H12O6 + 6O2 à 6CO2 + 6H2O + Energy (ATP + heat)

· The catabolism of glucose is exergonic with a D G of −686 kcal per mole of glucose.

° Some of this energy is used to produce ATP, which can perform cellular work.

2. Redox reactions release energy when electrons move closer to electronegative atoms.

· Catabolic pathways transfer the electrons stored in food molecules, releasing energy that is used to synthesize ATP.

· Reactions that result in the transfer of one or more electrons from one reactant to another are oxidation-reduction reactions, or redox reactions.

° The loss of electrons is called oxidation.

° The addition of electrons is called reduction.

· The formation of table salt from sodium and chloride is a redox reaction.

° Here sodium is oxidized and chlorine is reduced (its charge drops from 0 to −1).

· More generally: Xe− + Y à X + Ye−

° X, the electron donor, is the reductiemiddel and reduces Y.

° Y, the electron recipient, is the oxidatiemiddel: and oxidizes X.

· Redox reactions require both a donor and acceptor.

· Redox reactions also occur when the transfer of electrons is not complete but involves a change in the degree of electron sharing in covalent bonds.

° In the combustion of methane to form water and carbon dioxide, the nonpolar covalent bonds of methane (C—H) and oxygen (O=O) are converted to polar covalent bonds (C=O and O—H).

° When methane reacts with oxygen to form carbon dioxide, electrons end up farther away from the carbon atom and closer to their new covalent partners, the oxygen atoms, which are very electronegative.

° In effect, the carbon atom has partially “lost” its shared electrons. Thus, methane has been oxidized.

· The two atoms of the oxygen molecule share their electrons equally. When oxygen reacts with the hydrogen from methane to form water, the electrons of the covalent bonds are drawn closer to the oxygen.

° In effect, each oxygen atom has partially “gained” electrons, and so the oxygen molecule has been reduced.

° Oxygen is very electronegative, and is one of the most potent of all oxidizing agents.

· Energy must be added to pull an electron away from an atom.

· The more electronegative the atom, the more energy is required to take an electron away from it.

· An electron loses potential energy when it shifts from a less electronegative atom toward a more electronegative one.

· A redox reaction that relocates electrons closer to oxygen, such as the burning of methane, releases chemical energy that can do work.

3. The “fall” of electrons during respiration is stepwise, via NAD+ and an electron transport chain.

· Cellular respiration does not oxidize glucose in a single step that transfers all the hydrogen in the fuel to oxygen at one time.

· Rather, glucose and other fuels are broken down in a series of steps, each catalyzed by a specific enzyme.

° At key steps, electrons are stripped from the glucose.

° In many oxidation reactions, the electron is transferred with a proton, as a hydrogen atom.

· The hydrogen atoms are not transferred directly to oxygen but are passed first to a coenzyme called NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide).

· How does NAD+ trap electrons from glucose?

° Dehydrogenase enzymes strip two hydrogen atoms from the fuel (e.g., glucose), oxidizing it.

° The enzyme passes two electrons and one proton to NAD+.

° The other proton is released as H+ to the surrounding solution.

· By receiving two electrons and only one proton, NAD+ has its charge neutralized when it is reduced to NADH.

° NAD+ functions as the oxidizing agent in many of the redox steps during the catabolism of glucose.

· The electrons carried by NADH have lost very little of their potential energy in this process.

· Each NADH molecule formed during respiration represents stored energy. This energy is tapped to synthesize ATP as electrons “fall” from NADH to oxygen.

· How are electrons extracted from food and stored by NADH finally transferred to oxygen?

° Unlike the explosive release of heat energy that occurs when H2 and O2 are combined (with a spark for activation energy), cellular respiration uses an electron transport chain to break the fall of electrons to O2 into several steps.

· The electron transport chain consists of several molecules (primarily proteins) built into the inner membrane of a mitochondrion.

· Electrons released from food are shuttled by NADH to the “top” higher-energy end of the chain.

· At the “bottom” lower-energy end, oxygen captures the electrons along with H+ to form water.

· Electron transfer from NADH to oxygen is an exergonic reaction with a free energy change of −53 kcal/mol.

· Electrons are passed to increasingly electronegative molecules in the chain until they reduce oxygen, the most electronegative receptor.

· In summary, during cellular respiration, most electrons travel the following “downhill” route: food à NADH à electron transport chain à oxygen.

B. The Process of Cellular Respiration

1. These are the stages of cellular respiration: a preview.

· Respiration occurs in three metabolic stages: glycolysis, the citric acid cycle, and the electron transport chain and oxidative phosphorylation.

· Glycolyse occurs in the cytoplasm.

° It begins catabolism by breaking glucose into two molecules of pyruvate.

· The citric acid cycle occurs in the mitochondrial matrix.

° It completes the breakdown of glucose by oxidizing a derivative of pyruvate to carbon dioxide.

· Several steps in glycolysis and the citric acid cycle are redox reactions in which dehydrogenase enzymes transfer electrons from substrates to NAD+, forming NADH.

· NADH passes these electrons to the electron transport chain.

· In the electron transport chain, the electrons move from molecule to molecule until they combine with molecular oxygen and hydrogen ions to form water.

· As they are passed along the chain, the energy carried by these electrons is transformed in the mitochondrion into a form that can be used to synthesize ATP via oxidative phosphorylation.

· The inner membrane of the mitochondrion is the site of electron transport and chemiosmosis, processes that together constitute oxidative phosphorylation.

° Oxidative phosphorylation produces almost 90% of the ATP generated by respiration.

· Some ATP is also formed directly during glycolysis and the citric acid cycle by substrate-level phosphorylation.

° Here an enzyme transfers a phosphate group from an organic substrate to ADP, forming ATP.

· For each molecule of glucose degraded to carbon dioxide and water by respiration, the cell makes up to 38 ATP, each with 7.3 kcal/mol of free energy.

· Respiration uses the small steps in the respiratory pathway to break the large denomination of energy contained in glucose into the small change of ATP.

° The quantity of energy in ATP is more appropriate for the level of work required in the cell.

2. Glycolysis harvests chemical energy by oxidizing glucose to pyruvate.

· During glycolysis, glucose, a six carbon-sugar, is split into two three-carbon sugars.

· These smaller sugars are oxidized and rearranged to form two molecules of pyruvate, the ionized form of pyruvic acid.

· Each of the ten steps in glycolysis is catalyzed by a specific enzyme.

· These steps can be divided into two phases: an energy investment phase and an energy payoff phase.

· In the energy investment phase, the cell invests ATP to provide activation energy by phosphorylating glucose.

° This requires 2 ATP per glucose.

· In the energy payoff phase, ATP is produced by substrate-level phosphorylation and NAD+ is reduced to NADH by electrons released by the oxidation of glucose.

· The net yield from glycolysis is 2 ATP and 2 NADH per glucose.

° No CO2 is produced during glycolysis.

· Glycolysis can occur whether O2 is present or not.

3. The citric acid cycle completes the energy-yielding oxidation of organic molecules.

· More than three-quarters of the original energy in glucose is still present in the two molecules of pyruvate.

· If oxygen is present, pyruvate enters the mitochondrion where enzymes of the citric acid cycle complete the oxidation of the organic fuel to carbon dioxide.

· After pyruvate enters the mitochondrion via active transport, it is converted to a compound called acetyl coenzyme A or acetyl CoA.

· This step is accomplished by a multienzyme complex that catalyzes three reactions:

1. A carboxyl group is removed as CO2.

2. The remaining two-carbon fragment is oxidized to form acetate. An enzyme transfers the pair of electrons to NAD+ to form NADH.

3. Acetate combines with coenzyme A to form the very reactive molecule acetyl CoA.

· Acetyl CoA is now ready to feed its acetyl group into the citric acid cycle for further oxidation.

· The citric acid cycle is also called the Krebs cycle in honor of Hans Krebs, who was largely responsible for elucidating its pathways in the 1930s.

· The citric acid cycle oxidizes organic fuel derived from pyruvate.

° The citric acid cycle has eight steps, each catalyzed by a specific enzyme.

° The acetyl group of acetyl CoA joins the cycle by combining with the compound oxaloacetate, forming citrate.

° The next seven steps decompose the citrate back to oxaloacetate. It is the regeneration of oxaloacetate that makes this process a cycle.

° Three CO2 molecules are released, including the one released during the conversion of pyruvate to acetyl CoA.

· The cycle generates one ATP per turn by substrate-level phosphorylation.

° A GTP molecule is formed by substrate-level phosphorylation.

° The GTP is then used to synthesize an ATP, the only ATP generated directly by the citric acid cycle.

· Most of the chemical energy is transferred to NAD+ and FAD during the redox reactions.

· The reduced coenzymes NADH and FADH2 then transfer high-energy electrons to the electron transport chain.

· Each cycle produces one ATP by substrate-level phosphorylation, three NADH, and one FADH2 per acetyl CoA.

4. The inner mitochondrial membrane couples electron transport to ATP synthesis.

· Only 4 of 38 ATP ultimately produced by respiration of glucose are produced by substrate-level phosphorylation.

° Two are produced during glycolysis, and 2 are produced during the citric acid cycle.

· NADH and FADH2 account for the vast majority of the energy extracted from the food.

° These reduced coenzymes link glycolysis and the citric acid cycle to oxidative phosphorylation, which uses energy released by the electron transport chain to power ATP synthesis.

· The electron transport chain is a collection of molecules embedded in the cristae, the folded inner membrane of the mitochondrion.

° The folding of the cristae increases its surface area, providing space for thousands of copies of the chain in each mitochondrion.

° Most components of the chain are proteins bound to prosthetic groups, nonprotein components essential for catalysis.

· Electrons drop in free energy as they pass down the electron transport chain.

· During electron transport along the chain, electron carriers alternate between reduced and oxidized states as they accept and donate electrons.

° Each component of the chain becomes reduced when it accepts electrons from its “uphill” neighbor, which is less electronegative.

° It then returns to its oxidized form as it passes electrons to its more electronegative “downhill” neighbor.

· Electrons carried by NADH are transferred to the first molecule in the electron transport chain, a flavoprotein.

· The electrons continue along the chain that includes several cytochroom proteins and one lipid carrier.

° The prosthetic group of each cytochrome is a heme group with an iron atom that accepts and donates electrons.

· The last cytochrome of the chain, cyt a3, passes its electrons to oxygen, which is very electronegative.

° Each oxygen atom also picks up a pair of hydrogen ions from the aqueous solution to form water.

° For every two electron carriers (four electrons), one O2 molecule is reduced to two molecules of water.

· The electrons carried by FADH2 have lower free energy and are added at a lower energy level than those carried by NADH.

° The electron transport chain provides about one-third less energy for ATP synthesis when the electron donor is FADH2 rather than NADH.

· The electron transport chain generates no ATP directly.

· Its function is to break the large free energy drop from food to oxygen into a series of smaller steps that release energy in manageable amounts.

· How does the mitochondrion couple electron transport and energy release to ATP synthesis?

° The answer is a mechanism called chemiosmosis.

· A protein complex, ATP synthase, in the cristae actually makes ATP from ADP and Pi.

· ATP uses the energy of an existing proton gradient to power ATP synthesis.

° The proton gradient develops between the intermembrane space and the matrix.

· The proton gradient is produced by the movement of electrons along the electron transport chain.

· The chain is an energy converter that uses the exergonic flow of electrons to pump H+ from the matrix into the intermembrane space.

· The protons pass back to the matrix through a channel in ATP synthase, using the exergonic flow of H+ to drive the phosphorylation of ADP.

· Thus, the energy stored in a H+ gradient across a membrane couples the redox reactions of the electron transport chain to ATP synthesis.

· From studying the structure of ATP synthase, scientists have learned how the flow of H+ through this large enzyme powers ATP generation.

· ATP synthase is a multisubunit complex with four main parts, each made up of multiple polypeptides:

1. A rotor in the inner mitochondrial membrane.

2. A knob that protrudes into the mitochondrial matrix.

3. An internal rod extending from the rotor into the knob.

4. A stator, anchored next to the rotor, which holds the knob stationary.

· Protons flow down a narrow space between the stator and rotor, causing the rotor and its attached rod to rotate.

° The spinning rod causes conformational changes in the stationary knob, activating three catalytic sites in the knob where ADP and inorganic phosphate combine to make ATP.

· How does the inner mitochondrial membrane generate and maintain the H+ gradient that drives ATP synthesis in the ATP synthase protein complex?

° Creating the H+ gradient is the function of the electron transport chain.

° The ETC is an energy converter that uses the exergonic flow of electrons to pump H+ across the membrane from the mitochondrial matrix to the intermembrane space.

° The H+ has a tendency to diffuse down its gradient.

· The ATP synthase molecules are the only place that H+ can diffuse back to the matrix.

° The exergonic flow of H+ is used by the enzyme to generate ATP.

° This coupling of the redox reactions of the electron transport chain to ATP synthesis is called chemiosmosis.

· How does the electron transport chain pump protons?

° Certain members of the electron transport chain accept and release H+ along with electrons.

° At certain steps along the chain, electron transfers cause H+ to be taken up and released into the surrounding solution.

· The electron carriers are spatially arranged in the membrane in such a way that protons are accepted from the mitochondrial matrix and deposited in the intermembrane space.

° The H+ gradient that results is the proton-motive force.

° The gradient has the capacity to do work.

· Chemiosmosis is an energy-coupling mechanism that uses energy stored in the form of an H+ gradient across a membrane to drive cellular work.

· In mitochondria, the energy for proton gradient formation comes from exergonic redox reactions, and ATP synthesis is the work performed.

· Chemiosmosis in chloroplasts also generates ATP, but light drives the electron flow down an electron transport chain and H+ gradient formation.

· Prokaryotes generate H+ gradients across their plasma membrane.

° They can use this proton-motive force not only to generate ATP, but also to pump nutrients and waste products across the membrane and to rotate their flagella.

5. Here is an accounting of ATP production by cellular respiration.

· During cellular respiration, most energy flows from glucose à NADH à electron transport chain à proton-motive force à ATP.

· Let’s consider the products generated when cellular respiration oxidizes a molecule of glucose to six CO2 molecules.

· Four ATP molecules are produced by substrate-level phosphorylation during glycolysis and the citric acid cycle.

· Many more ATP molecules are generated by oxidative phosphorylation.

· Each NADH from the citric acid cycle and the conversion of pyruvate contributes enough energy to the proton-motive force to generate a maximum of 3 ATP.

° The NADH from glycolysis may also yield 3 ATP.

· Each FADH2 from the citric acid cycle can be used to generate about 2 ATP.

· Why is our accounting so inexact?

· There are three reasons that we cannot state an exact number of ATP molecules generated by one molecule of glucose.

1. Phosphorylation and the redox reactions are not directly coupled to each other, so the ratio of number of NADH to number of ATP is not a whole number.

° One NADH results in 10 H+ being transported across the inner mitochondrial membrane.

° Between 3 and 4 H+ must reenter the mitochondrial matrix via ATP synthase to generate 1 ATP.

° Therefore, 1 NADH generates enough proton-motive force for synthesis of 2.5 to 3.3 ATP.

° We round off and say that 1 NADH generates 3 ATP.

2. The ATP yield varies slightly depending on the type of shuttle used to transport electrons from the cytosol into the mitochondrion.

° The mitochondrial inner membrane is impermeable to NADH, so the two electrons of the NADH produced in glycolysis must be conveyed into the mitochondrion by one of several electron shuttle systems.

° In some shuttle systems, the electrons are passed to NAD+, which generates 3 ATP. In others, the electrons are passed to FAD, which generates only 2 ATP.

3. The proton-motive force generated by the redox reactions of respiration may drive other kinds of work, such as mitochondrial uptake of pyruvate from the cytosol.

° If all the proton-motive force generated by the electron transport chain were used to drive ATP synthesis, one glucose molecule could generate a maximum of 34 ATP by oxidative phosphorylation plus 4 ATP (net) from substrate-level phosphorylation to give a total yield of 36–38 ATP (depending on the efficiency of the shuttle).

· How efficient is respiration in generating ATP?

° Complete oxidation of glucose releases 686 kcal/mol.

° Phosphorylation of ADP to form ATP requires at least 7.3 kcal/mol.

° Efficiency of respiration is 7.3 kcal/mol times 38 ATP/glucose divided by 686 kcal/mol glucose, which equals 0.4 or 40%.

° Approximately 60% of the energy from glucose is lost as heat.

§ Some of that heat is used to maintain our high body temperature (37°C).

· Cellular respiration is remarkably efficient in energy conversion.

C. Related Metabolic Processes

1. Fermentation enables some cells to produce ATP without the help of oxygen.

· Without electronegative oxygen to pull electrons down the transport chain, oxidative phosphorylation ceases.

· However, fermentation provides a mechanism by which some cells can oxidize organic fuel and generate ATP without the use of oxygen.

° In glycolysis, glucose is oxidized to two pyruvate molecules with NAD+ as the oxidizing agent.

° Glycolysis is exergonic and produces 2 ATP (net).

° If oxygen is present, additional ATP can be generated when NADH delivers its electrons to the electron transport chain.

· Glycolysis generates 2 ATP whether oxygen is present (aerobic) or not (anaerobic).

· Anaerobic catabolism of sugars can occur by fermentation.

· Fermentation can generate ATP from glucose by substrate-level phosphorylation as long as there is a supply of NAD+ to accept electrons.

° If the NAD+ pool is exhausted, glycolysis shuts down.

° Under aerobic conditions, NADH transfers its electrons to the electron transfer chain, recycling NAD+.

· Under anaerobic conditions, various fermentation pathways generate ATP by glycolysis and recycle NAD+ by transferring electrons from NADH to pyruvate or derivatives of pyruvate.

· In alcohol fermentation, pyruvate is converted to ethanol in two steps.

° First, pyruvate is converted to a two-carbon compound, acetaldehyde, by the removal of CO2.

° Second, acetaldehyde is reduced by NADH to ethanol.

° Alcohol fermentation by yeast is used in brewing and winemaking.

· During lactic acid fermentation, pyruvate is reduced directly by NADH to form lactate (the ionized form of lactic acid) without release of CO2.

° Lactic acid fermentation by some fungi and bacteria is used to make cheese and yogurt.

° Human muscle cells switch from aerobic respiration to lactic acid fermentation to generate ATP when O2 is scarce.

§ The waste product, lactate, may cause muscle fatigue, but ultimately it is converted back to pyruvate in the liver.

· Fermentation and cellular respiration are anaerobic and aerobic alternatives, respectively, for producing ATP from sugars.

° Both use glycolysis to oxidize sugars to pyruvate with a net production of 2 ATP by substrate-level phosphorylation.

° Both use NAD+ as an oxidizing agent to accept electrons from food during glycolysis.

· The two processes differ in their mechanism for oxidizing NADH to NAD+.

° In fermentation, the electrons of NADH are passed to an organic molecule to regenerate NAD+.

° In respiration, the electrons of NADH are ultimately passed to O2, generating ATP by oxidative phosphorylation.

· More ATP is generated from the oxidation of pyruvate in the citric acid cycle.

° Without oxygen, the energy still stored in pyruvate is unavailable to the cell.

° Under aerobic respiration, a molecule of glucose yields 38 ATP, but the same molecule of glucose yields only 2 ATP under anaerobic respiration.

· Yeast and many bacteria are facultative anaerobes that can survive using either fermentation or respiration.

° At a cellular level, human muscle cells can behave as facultative anaerobes.

· For facultative anaerobes, pyruvate is a fork in the metabolic road that leads to two alternative routes.

° Under aerobic conditions, pyruvate is converted to acetyl CoA and oxidation continues in the citric acid cycle.

° Under anaerobic conditions, pyruvate serves as an electron acceptor to recycle NAD+.

· The oldest bacterial fossils are more than 3.5 billion years old, appearing long before appreciable quantities of O2 accumulated in the atmosphere.

° Therefore, the first prokaryotes may have generated ATP exclusively from glycolysis.

· The fact that glycolysis is a ubiquitous metabolic pathway and occurs in the cytosol without membrane-enclosed organelles suggests that glycolysis evolved early in the history of life.

2. Glycolysis and the citric acid cycle connect to many other metabolic pathways.

· Glycolysis can accept a wide range of carbohydrates for catabolism.

° Polysaccharides like starch or glycogen can be hydrolyzed to glucose monomers that enter glycolysis.

° Other hexose sugars, such as galactose and fructose, can also be modified to undergo glycolysis.

· The other two major fuels, proteins and fats, can also enter the respiratory pathways used by carbohydrates.

· Proteins must first be digested to individual amino acids.

° Amino acids that will be catabolized must have their amino groups removed via deamination.

° The nitrogenous waste is excreted as ammonia, urea, or another waste product.

· The carbon skeletons are modified by enzymes and enter as intermediaries into glycolysis or the citric acid cycle, depending on their structure.

· Catabolism can also harvest energy stored in fats.

· Fats must be digested to glycerol and fatty acids.

° Glycerol can be converted to glyceraldehyde phosphate, an intermediate of glycolysis.

° The rich energy of fatty acids is accessed as fatty acids are split into two-carbon fragments via beta oxidation.

° These molecules enter the citric acid cycle as acetyl CoA.

· A gram of fat oxides by respiration generates twice as much ATP as a gram of carbohydrate.

· The metabolic pathways of respiration also play a role in anabolic pathways of the cell.

· Intermediaries in glycolysis and the citric acid cycle can be diverted to anabolic pathways.

° For example, a human cell can synthesize about half the 20 different amino acids by modifying compounds from the citric acid cycle.

° Glucose can be synthesized from pyruvate fatty acids can be synthesized from acetyl CoA.

· Glycolysis and the citric acid cycle function as metabolic interchanges that enable cells to convert one kind of molecule to another as needed.

° For example, excess carbohydrates and proteins can be converted to fats through intermediaries of glycolysis and the citric acid cycle.

· Metabolism is remarkably versatile and adaptable.

3. Feedback mechanisms control cellular respiration.

· Basic principles of supply and demand regulate the metabolic economy.

° If a cell has an excess of a certain amino acid, it typically uses feedback inhibition to prevent the diversion of intermediary molecules from the citric acid cycle to the synthesis pathway of that amino acid.

· The rate of catabolism is also regulated, typically by the level of ATP in the cell.

° If ATP levels drop, catabolism speeds up to produce more ATP.

· Control of catabolism is based mainly on regulating the activity of enzymes at strategic points in the catabolic pathway.

· One strategic point occurs in the third step of glycolysis, catalyzed by phosphofructokinase.

· Allosteric regulation of phosphofructokinase sets the pace of respiration.

° This enzyme catalyzes the earliest step that irreversibly commits the substrate to glycolysis.

° Phosphofructokinase is an allosteric enzyme with receptor sites for specific inhibitors and activators.

° It is inhibited by ATP and stimulated by AMP (derived from ADP).

§ When ATP levels are high, inhibition of this enzyme slows glycolysis.

§ As ATP levels drop and ADP and AMP levels rise, the enzyme becomes active again and glycolysis speeds up.

· Citrate, the first product of the citric acid cycle, is also an inhibitor of phosphofructokinase.

° This synchronizes the rate of glycolysis and the citric acid cycle.

· If intermediaries from the citric acid cycle are diverted to other uses (e.g., amino acid synthesis), glycolysis speeds up to replace these molecules.

· Metabolic balance is augmented by the control of other enzymes at other key locations in glycolysis and the citric acid cycle.


Bekijk de video: NAD+ and NADH Leaving Cert Biology (Januari- 2022).