Informatie

C1. ATP - Biologie


Biologische oxidatiereacties hebben twee functies. Verhoogde oplosbaarheid wordt bijvoorbeeld waargenomen bij hydroxylering van aromatische substraten door cytochroom P450. Evenzo kunnen aminozuren worden geoxideerd om neurotransmitters te produceren. De meeste biologische oxidatiereacties vinden echter plaats om energie te produceren om thermodynamisch ongunstige biologische processen aan te drijven, zoals eiwit- en nucleïnezuursynthese of motiliteit. Chemische potentiële energie komt niet alleen vrij bij biologische oxidatiereacties. In plaats daarvan wordt het omgezet in een meer bruikbare vorm van chemische energie in het molecuul ATP (adenosinetrifosfaat). Dit hoofdstuk bespreekt de eigenschappen die ATP biologisch zo nuttig maken, en hoe exergonische biologische oxidatiereacties zijn gekoppeld aan de synthese van ATP.

EIGENSCHAPPEN VAN ATP

ATP bevat twee fosfoanhydridebindingen (die de 3 fosfaten met elkaar verbinden) en één fosfoesterbinding (die een fosfaat verbindt met de ribosering). De pKa's voor de reacties

[HATP^{3-} echts ATP^{4-} + H^+ ]

en

[HADP^{2-} echterpijl ADP^{3-} + H^+ ]

zijn ongeveer 7,0, dus de totale ladingen van ATP en ADP bij fysiologische pH zijn respectievelijk -3,5 en -2,5. Elk van de fosforatomen is zeer elektrofiel en kan reageren met nucleofielen zoals de OH van water of een alcohol. Zoals we eerder hebben besproken, zijn anhydriden thermodynamisch reactiever dan esters die reactiever zijn dan amiden. De grote negatieve (ΔG^o = -7,5, kcal/mol) voor de hydrolyse (een nucleofiele substitutiereactie) van een van de fosfoanhydridebindingen kan worden toegeschreven aan een relatieve destabilisatie van de reactanten (ATP en water) en relatieve stabilisatie van de producten (ADP = Pi). specifiek:

  • De reactanten kunnen niet in dezelfde mate worden gestabiliseerd als producten door resonantie als gevolg van concurrerende resonantie van de overbruggende anhydride O's.
  • De ladingsdichtheid op de reactanten is groter dan die van de producten
  • Theoretische studies tonen aan dat de producten meer gehydrateerd zijn dan de reactanten.

De (ΔG^o) voor hydrolyse van ATP is afhankelijk van de divalente ionenconcentratie en pH, die de stabilisatie en de grootte van de ladingstoestanden van de reactanten en producten beïnvloeden.

Jmol: bijgewerkte ATP Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5) | ADP Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

Figuur: STRUCTUUR EN HYDROLYSE VAN ATP

Carboxylzuuranhydriden zijn zelfs onstabieler voor hydrolyse dan ATP (-20 kcal/mol), gevolgd door gemengde anhydriden (-12 kcal/mol) en fosforzuuranhydriden (-7,5 kcal/mol). Deze moleculen worden vaak "hoge energie"-moleculen genoemd, wat enigszins een verkeerde benaming is. Ze hebben alleen een hoge energie in verhouding tot de energie van hun splitsingsproducten, zodat de reactie verloopt met een grote negatieve (ΔG^o).

Afbeelding: HOGE ENERGIEMOLECULEN

Hoe kan ATP worden gebruikt om een ​​thermodynamisch ongunstige reactie aan te sturen? Overweeg eerst hoe de hydrolyse van een carbonzuuranhydride, dat een (ΔG^o) = -12,5 kcal/mol heeft, de synthese van een carbonzuuramide kan aansturen, met een (Δ G^o) van + 2 -3 kcal/mol. De onderstaande link toont de netto reactie (anhydride + amine --> amide + carbonzuur), die kan worden opgesplitst in twee reacties: hydrolyse van het anhydride en de synthese van het amide.

Figuur: MECHANISME: GEKOPPELDE SYNTHESE VAN EEN CARBOXYLIC AMIDE

Beschouw nu de reactie van glucose + Pi om glucose-6-P te vormen. In deze reactie wordt een fosfoester gevormd, dus de reactie zou verlopen met een positieve ΔGo = 3,3. Als nu ATP werd gebruikt om het terminale (gamma) fosfaat over te dragen naar glucose om Glc-6-P te vormen, verloopt de reactie met een ΔGo = -4 kcal/mol. Dit kan worden berekend omdat ΔG een toestandsfunctie is en padonafhankelijk is. Het toevoegen van de reacties en de "Go's for"

[ce{glucose + Pi -> glucose-6-P }]

en

[ce{ATP + H2O -> ADP + Pi}]

geeft de resulterende reactie en (ΔG^o)

[ce{glucose + ATP -> Glucose-6-P + ADP, }]

met (ΔG^o = -4).

Bij de meeste biologische reacties die ATP gebruiken, wordt de terminale P van ATP overgebracht naar een substraat met behulp van een enzym dat een kinase wordt genoemd. Vandaar dat hexokinase het gammafosfaat van ATP overbrengt naar een hexosesuiker. Eiwitkinase is een enzym dat het gammafosfaat overbrengt naar een eiwitsubstraat.

ATP wordt ook gebruikt om de synthese van peptidebindingen (amide) tijdens eiwitsynthese aan te sturen. Vanuit energetisch oogpunt kan anhydridesplitsing de energie leveren voor de vorming van amidebindingen. De synthese van peptidebindingen is dat cellen gepaard gaan met splitsing van beide fosfoanhydridebindingen in ATP in een gecompliceerde reeks reacties die wordt gekatalyseerd door ribosomen in de cellen. (Dit onderwerp komt uitgebreid aan bod in cursussen over moleculaire biologie). De onderstaande figuur is een sterk vereenvoudigd mechanisme van hoe de vorming van peptidebindingen kan worden gekoppeld aan ATP-splitsing.

Figuur: MECHANISME: ATP-AFHANKELIJKE PEPTIDE BOND SYNTHESE

Fosforyleringsreacties met ATP zijn in feite nucleofiele substitutiereacties die verlopen via een vijfwaardig tussenproduct. De rest van het ATP-molecuul wordt dan beschouwd als de vertrekkende groep, die theoretisch ook ADP of AMP zou kunnen zijn. Als water de nucleofiel is, is de reactie ook een hydrolysereactie. Deze reacties worden ook wel fosforyloverdrachtsreacties genoemd.

Een laatste opmerking. ATP bestaat in cellen als slechts één lid van een pool van adeninenucleotiden die niet alleen uit ATP bestaat, maar ook uit ADP en AMP (samen met Pi). Deze bestanddelen zijn gemakkelijk onderling omzetbaar. We breken elke dag een hoeveelheid ATP af die gelijk is aan ongeveer ons lichaamsgewicht. Evenzo verdienen we ongeveer hetzelfde bedrag aan de omzetproducten. Wanneer energie nodig is, worden koolhydraten en lipiden geoxideerd en wordt ATP geproduceerd, dat vervolgens onmiddellijk kan worden gebruikt voor motiliteit, biosynthese, enz. Het is erg belangrijk om te beseffen dat hoewel ATP wordt omgezet in ADP in een thermodynamisch spontaan proces, het proces kinetisch langzaam zonder een enzym. Daarom is ATP stabiel in oplossing. De biologische halfwaardetijd is echter niet lang, aangezien het zeer snel wordt gebruikt, zoals hierboven beschreven. Dit recapituleert een thema dat we eerder hebben gezien. Veel reacties (zoals oxidatie met dizuurstof, denaturatie van eiwitten in een niet-polair oplosmiddel en nu ATP-hydrolyse) zijn thermodynamisch gunstig, maar kinetisch traag. Deze kinetische traagheid is een noodzakelijke maar natuurlijk onvoldoende voorwaarde voor het leven.


ATP synthase F(0) complexe subeenheid C1, mitochondriaal

<p>De annotatiescore biedt een heuristische maatstaf voor de annotatie-inhoud van een UniProtKB-item of proteoom. Deze score <strong>kan niet</strong> worden gebruikt als maatstaf voor de nauwkeurigheid van de annotatie, aangezien we de 'juiste annotatie' voor een bepaald eiwit niet kunnen definiëren.<p><a href='/help/annotation_score' target='_top'> Meer. </a></p> - Experimenteel bewijs op eiwitniveau i <p>Dit geeft het type bewijs aan dat het bestaan ​​van het eiwit ondersteunt. Merk op dat het 'eiwitbestaan'-bewijs geen informatie geeft over de nauwkeurigheid of correctheid van de weergegeven sequentie(s).<p><a href='/help/protein_existence' target='_top'>Meer. </a></p>

Selecteer een sectie aan de linkerkant om inhoud te zien.


ATP-afhankelijke Clp-proteasesubeenheid C1, HvClpC1, Is een sterk kandidaat-gen voor gerstvariegatiemutant luteostriërs zoals onthuld door genetische mapping en genomische re-sequencing

Implementatie van next-generation sequencing in voorwaartse genetische screenings versnelde de genontdekking in soorten met grotere genomen, waaronder veel gewassen. In gerst zijn uitgebreide mutantverzamelingen beschikbaar, maar de oorzakelijke mutaties voor veel van de genen blijven grotendeels onbekend. Hier laten we zien hoe een combinatie van genetische mapping met lage resolutie, resequencing van het hele genoom en vergelijkende functionele analyses een veelbelovend pad biedt naar kandidaat-identificatie van genen die betrokken zijn bij plastidenbiologie en/of fotosynthese, zelfs als genen zich bevinden in recombinatiearme regio's van de genoom. Als proof of concept simuleerden we de voorspelling van een kandidaat-gen voor de recent gekloonde variatiemutant albostiërs (HvAST/HvCMF7) en nam de aanpak voor het suggereren: HvClpC1 als kandidaat-gen voor de geelgroene schakeringsmutant luteostriërs.

trefwoorden: Hordeum vulgare HvClpC1 albostrians chloroplast ontwikkeling vergelijkende analyse genetische mapping genomische re-sequencing luteostriërs.

Copyright © 2021 Li, Guo, Pidon, Melzer, Prina, Börner en Stein.

Belangenconflict verklaring

De auteurs verklaren dat het onderzoek is uitgevoerd zonder enige commerciële of financiële relatie die kan worden opgevat als een mogelijk belangenconflict.


Alle code is beschikbaar op redelijk verzoek van de corresponderende auteur.

Aimon, S. et al. Membraanvorm moduleert transmembraan eiwitdistributie. ontwikkelaar Cel 28, 212–218 (2014).

Di Paolo, G. & De Camilli, P. Phosphoinositides in celregulatie en membraandynamica. Natuur 443, 651–657 (2006).

Lee, M.C. et al. Sar1p N-terminale helix initieert membraankromming en voltooit de splitsing van een COPII-blaasje. Cel 122, 605–617 (2005).

Almena, M. & Mérida, I. Het membraan vormgeven: diacylglycerol coördineert de ruimtelijke oriëntatie van signalering. TrendsBiochem. Wetenschap. 36, 593–603 (2011).

Liu, Y., Su, Y. & Wang, X. Fosfatidinezuur-gemedieerde signalering. Adv. Exp. Med. Biol. 991, 159–176 (2013).

van Blitterswijk, W. J. & Houssa, B. Eigenschappen en functies van diacylglycerolkinasen. Cel signaal. 12, 595–605 (2000).

Franks, C.E., Campbell, S.T., Purow, B.W., Harris, T.E. & Hsu, K.L. Het ligandbindingslandschap van diacylglycerolkinasen. Cel Chem. Biol. 24, 870-880 (2017). e875.

Yamada, K., Sakane, F., Matsushima, N. & Kanoh, H. EF-handmotieven van alfa-, bèta- en gamma-isovormen van diacylglycerolkinase binden calcium met verschillende affiniteiten en conformationele veranderingen. Biochem. J. 321, 59–64 (1997).

Abramovici, H., Hogan, A.B., Obagi, C., Topham, M.K. & Gee, S.H. Diacylglycerolkinase-ζ-lokalisatie in skeletspieren wordt gereguleerd door fosforylering en interactie met syntrofinen. Mol. Biol. Cel 14, 4499–4511 (2003).

Kume, A. et al. Het pleckstrin-homologiedomein van diacylglycerolkinase bindt sterk en selectief aan fosfatidylinositol 4,5-bisfosfaat. J. Biol. Chem. 291, 8150–8161 (2016).

Imai, S., Sakane, F. & Kanoh, H. Phorbol-ester-gereguleerde oligomerisatie van diacylglycerolkinase δ gekoppeld aan de fosforylering en translocatie ervan. J. Biol. Chem. 277, 35323–35332 (2002).

Harada, B.T. et al. Regulatie van enzymlokalisatie door polymerisatie: polymeervorming door het SAM-domein van diacylglycerolkinase δ1. Structuur 16, 380–387 (2008).

Jing, W. et al. T-cellen met een tekort aan diacylglycerolkinase zijn resistent tegen PD-1-remming en helpen bij het creëren van aanhoudende immuniteit van de gastheer tegen leukemie. Kanker onderzoek. 77, 5676–5686 (2017).

Olenchock, B.A. et al. Verstoring van het diacylglycerolmetabolisme verslechtert de inductie van T-celanergie. nat. Immunol. 7, 1174–1181 (2006).

Zha, Y. et al. T-cel-anergie wordt omgekeerd door actief Ras en wordt gereguleerd door diacylglycerolkinase-ɑ. nat. Immunol. 7, 1166–1173 (2006).

Merida, I., Andrada, E., Gharbi, S. I. & Avila-Flores, A. Redundante en gespecialiseerde rollen voor diacylglycerolkinasen ɑ en bij de controle van T-celfuncties. Wetenschap. Signaal. 8, re6 (2015).

Prinz, P.U. et al. Hoge DGK-alfa en gehandicapte MAPK-routes veroorzaken disfunctie van menselijke tumor-infiltrerende CD8+ T-cellen die omkeerbaar is door farmacologische interventie. J. Immunol. 188, 5990–6000 (2012).

Riese, M.J. et al. Verbeterde effectorreacties in geactiveerde CD8 + T-cellen die deficiënt zijn in diacylglycerolkinasen. Kanker onderzoek. 73, 3566–3577 (2013).

Guo, R. et al. Synergetische controle van T-celontwikkeling en tumoronderdrukking door diacylglycerolkinase ɑ en ζ. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 105, 11909–11914 (2008).

Pankratz, N. et al. Genoombrede associatiestudie voor gevoeligheidsgenen die bijdragen aan de familiale ziekte van Parkinson. Brommen. Genet. 124, 593–605 (2009).

Simon-Sanchez, J. et al. Genoombrede associatiestudie bevestigt bestaande PD-risicoloci onder Nederlanders. EUR. J. Hum. Genet. 19, 655–661 (2011).

Baum, A.E. et al. Een genoombrede associatiestudie impliceert diacylglycerolkinase eta (DGKH) en verschillende andere genen in de etiologie van bipolaire stoornis. Mol. Psychiatrie 13, 197–207 (2008).

Weber, H. et al. Cross-disorder-analyse van bipolaire risicogenen: verder bewijs van DGKH als een risicogen voor bipolaire stoornis, maar ook unipolaire depressie en ADHD bij volwassenen. Neuropsychofarmacologie 36, 2076–2085 (2011).

Squassina, A. et al. Het diacylglycerolkinase-eta-gen en bipolaire stoornis: een replicatiestudie in een Sardijns monster. Mol. Psychiatrie 14, 350–351 (2009).

Zeng, Z. et al. Veelvoorkomende SNP's en haplotypes in DGKH zijn geassocieerd met bipolaire stoornis en schizofrenie in de Chinese Han-populatie. Mol. Psychiatrie 16, 473–475 (2011).

Moya, P.R., Murphy, D.L., McMahon, F.J. & Wendland, J.R. Verhoogde genexpressie van diacylglycerolkinase eta bij bipolaire stoornis. Int J. Neuropsychopharmacol. 13, 1127–1128 (2010).

Melen, E. et al. Analyses van gedeelde genetische factoren tussen astma en obesitas bij kinderen. J. Allergie Clin. Immunol. 126, 631–637 (2010).

Laramie, J.M. et al. Meerdere genen beïnvloeden BMI op chromosoom 7q31-34: de NHLBI Family Heart Study. zwaarlijvig. (Zilveren lente) 17, 2182–2189 (2009).

Jiang, L.Q. et al. Diacylglycerolkinase-δ reguleert de AMPK-signalering, het lipidemetabolisme en de energie van de skeletspieren. Ben. J. Fysiol. Endocrinol. Metab. 310, E51-E60 (2016).

Lowe, C.E. et al. Knockdown van diacylglycerolkinase-delta remt de differentiatie van adipocyten en verandert de lipidesynthese. zwaarlijvig. (Zilveren lente) 21, 1823–1829 (2013).

Chibalin, A.V. et al. Downregulatie van diacylglycerolkinase-delta draagt ​​bij aan door hyperglykemie geïnduceerde insulineresistentie. Cel 132, 375–386 (2008).

Liu, Z., Chang, G. Q. & Leibowitz, S. F. Diacylglycerolkinase ζ in hypothalamus interageert met leptinereceptor in lange vorm. Relatie met vet- en lichaamsgewichtregulering in de voeding. J. Biol. Chem. 276, 5900–5907 (2001).

Long, M. et al. Diacylglycerolkinase ε is selectief voor beide acylketens van fosfatidinezuur of diacylglycerol. J. Biol. Chem. 284, 31062–31073 (2009).

Shulga, Y.V., Topham, M.K. & Epand, R.M. Studie van arachidonoylspecificiteit in twee enzymen van de PI-cyclus. J. Mol. Biol. 409, 101–112 (2011).

Shulga, Y.V., Topham, M.K. & Epand, R.M. Substraatspecificiteit van diacylglycerolkinase-epsilon en de fosfatidylinositolcyclus. FEBS Lett. 585, 4025–4028 (2011).

Rodriguez de Turco, E.B. et al. Diacylglycerolkinase ε reguleert de gevoeligheid voor aanvallen en potentiëring op lange termijn door middel van arachidonoyl-inositol-lipidesignalering. Proc. Natl Acad. Wetenschap. VS 98, 4740–4745 (2001).

Marquez, V.E. & Blumberg, P.M. Synthetische diacylglycerolen (DAG) en DAG-lactonen als activatoren van proteïnekinase C (PK-C). acc. Chem. Onderzoek 36, 434–443 (2003).

Das, J. & Rahman, G. M. C1-domeinen: structuur en ligandbindende eigenschappen. Chem. ds. 114, 12108–12131 (2014).

Ware, T.B., Shin, M. & Hsu, K.-L. Metabolomics-analyse van lipide-metaboliserende enzymactiviteit. Methoden Enzymol. 626, 407–428 (2019).

Pettitt, T.R. & Wakelam, M.J.O. Diacylglycerolkinase , maar niet ζ, verwijdert selectief meervoudig onverzadigde diacylglycerol, waardoor veranderde proteïnekinase C-distributie in vivo wordt geïnduceerd. J. Biol. Chem. 274, 36181–36186 (1999).

Franks, C.E. & Hsu, K.L. Op activiteiten gebaseerde kinoomprofilering met behulp van chemische proteomics en ATP-acylfosfaten. Curr. Protoc. Chem. Biol. 11, e72 (2019).

Mann, M. Functionele en kwantitatieve proteomics met behulp van SILAC. nat. ds. Mol. Cel Biol. 7, 952–958 (2006).

McCloud, R.L. et al. Deconstructie van lipidekinaseremmers door chemische proteomics. Biochemie 57, 231–236 (2018).

Boroda, S., Niccum, M., Raje, V., Purow, B.W. & Harris, T.E. Dubbele activiteiten van ritanserin en R59022 als DGKɑ-remmers en serotoninereceptorantagonisten. Biochem. apotheek 123, 29–39 (2017).

Chen, B.C. et al. Lattice light-sheet microscopie: beeldvorming van moleculen naar embryo's met een hoge spatiotemporele resolutie. Wetenschap 346, 1257998 (2014).

Li, D. et al. Gestructureerde verlichtingsbeeldvorming met uitgebreide resolutie van endocytische en cytoskeletdynamiek. Wetenschap 349, aab3500 (2015).

Imai, S., Kai, M., Yasuda, S., Kanoh, H. & Sakane, F. Identificatie en karakterisering van een nieuw humaan type II diacylglycerolkinase, DGKκ. J. Biol. Chem. 280, 39870–39881 (2005).

Klauck, T. M., Xu, X., Mousseau, B. & Jaken, S. Klonering en karakterisering van een glucocorticoïde-geïnduceerde diacylglycerolkinase. J. Biol. Chem. 271, 19781–19788 (1996).

Sakane, F., Imai, S., Kai, M., Wada, I. & Kanoh, H. Moleculaire klonering van een nieuw diacylglycerolkinase-isozym met een pleckstrin-homologiedomein en een C-terminale staart vergelijkbaar met die van de EPH-familie van proteïne-tyrosinekinasen. J. Biol. Chem. 271, 8394–8401 (1996).

Bozelli, J.C. Jr. et al. Membraankromming reguleert allosterisch de fosfatidylinositolcyclus en controleert de snelheid en acylketensamenstelling van zijn lipide-tussenproducten. J. Biol. Chem. 293, 17780–17791 (2018).

Breitkopf, S.B. et al. Een relatieve kwantitatieve positieve/negatieve ionenomschakelingsmethode voor ongerichte lipidomics via hoge resolutie LC-MS/MS uit elke biologische bron. Metabolomics 13, 30 (2017).

Schindelin, J. et al. Fiji: een open-sourceplatform voor biologische beeldanalyse. nat. Methoden: 9, 676–682 (2012).

Goujon, M. et al. Een nieuw raamwerk voor analysehulpmiddelen voor bioinformatica bij EMBL-EBI. Nucleïnezuren Res. 38, W695-W699 (2010).

Sievers, F. et al. Snelle, schaalbare generatie van hoogwaardige eiwituitlijning met meerdere sequenties met behulp van Clustal Omega. Mol. Syst. Biol. 7, 539 (2011).


Basisprincipes van ATP-producerende routes

Glycolyse

Glycolyse is een proces waarbij glucose gedeeltelijk wordt omgezet via een reeks door enzymen gekatalyseerde reacties in twee moleculen pyruvaat. Sommige zoogdierceltypen (erytrocyten, sperma) en weefsels (hersenen, niermerg) kunnen alleen (of grotendeels) overleven op de energie die wordt verkregen uit glycolyse. De stappen die de processen omvatten die leiden tot de afbraak van glucose met zes koolstofatomen in twee pyruvaatmoleculen met drie koolstofatomen, kunnen worden onderverdeeld in twee fasen: de voorbereidende fase en de zogenaamde “payoff”-fase (Fig.  1 ).

ATP-beheer in de cel. Schematische weergave van mechanismen van ATP-synthese en opslag in de cel. Glycolyse is vertegenwoordigd in de geel en blauwe dozen, de TCA-cyclus door de groene cirkel, en oxidatieve fosforylering in de oranje doos. Reductie van pyruvaat tot lactaat wordt weergegeven in de rode gestippelde rechthoek. Hypothetische contacten tussen ATP-opslagblaasjes en mitochondriën, met preferentiële ATP-overdracht, worden getoond binnen de rode gestippelde cirkel

In de eerste fase wordt glucose gefosforyleerd aan de hydroxylgroep op C-6 door hexokinase (HK) waarbij glucose-6-fosfaat wordt gegenereerd. Deze gebeurtenis is fundamenteel om de hexose in de cel te 'vangen'. In feite is het bestaan ​​van een transporter van gefosforyleerde hexose niet gerapporteerd in zoogdiercellen. Op deze manier verschuift de fosforylering van glucose het evenwicht van de glucoseconcentratie, waardoor het ontsnappen ervan wordt voorkomen. Er zijn verschillende soorten HK's gevonden, elk met specifieke kenmerken. In het geval van HK IV (glucokinase), waarvan bekend is dat het leverspecifiek is, is het de ongevoeligheid voor remming van glucose-6-fosfaat die directe regulering door de glucosespiegels in het bloed mogelijk maakt [1]. Onlangs is er een toegenomen belangstelling voor de mitochondria-geassocieerde HK (mtHK). mtHK is in staat om celoverleving te bevorderen via een AKT-gemedieerde route. Dit was een van de eerste mechanismen die werd gesuggereerd om het metabolisme te koppelen aan het lot van de cel [2] vanwege het vermogen om deel te nemen aan de mitochondriale dynamiek tijdens apoptose en vooral vanwege de betrokkenheid bij de vorming van de mitochondriale permeabiliteitstransitieporie.

Vervolgens wordt glucose-6-fosfaat omgezet in fructose-6-fosfaat door glucose-6-fosfaatisomerase. Deze isomerisatie is fundamenteel voor de volgende stap waarin C-1 opnieuw wordt gefosforyleerd, wat resulteert in de vorming van fructose-1,6-bisfosfaat. Aldolase is dan in staat fructose 1,6-bisfosfaat te splitsen in twee moleculen met drie koolstofatomen: dihydroxyacetonfosfaat (DHAP) en glyceraldehyde 3-fosfaat (GAP). Deze stap vertegenwoordigt de echte fase van “lysis”.

Tot nu toe verbruikte de glycolytische route ATP in plaats van het te produceren. Dit moet worden geïnterpreteerd als een investering die de vrije-energie-inhoud van de tussenproducten verhoogt, en de echte opbrengst van het proces begint vanaf hier, met het begin van de tweede fase.

DHAP wordt geïsomeriseerd door triosefosfaatisomerase om een ​​tweede GAP-molecuul te vormen. De koolstofketen van de gehele glucose wordt zo omgezet in twee moleculen GAP. Elk van deze moleculen wordt geoxideerd en gefosforyleerd door anorganisch fosfaat om 1,3-bisfosfoglyceraat te vormen. Tijdens dit proces gebruikt glyceraldehyde-3-fosfaatdehydrogenase (GAPDH) nicotinamide-adenine-dinucleotide (NAD+) als cofactor en maakt het NADH vrij voor elk molecuul GAP. Het resulterende NADH zal rechtstreeks in de ademhalingsketen worden ingevoerd om de mitochondriale ATP-synthese voort te stuwen. Het is opmerkelijk dat GAPDH ook in staat is om verschillende processen te reguleren die geen deel uitmaken van de glycolytische route. Deze omvatten de regulatie van apoptose, membraanfusie, bundeling van microtubuli, RNA-export, DNA-replicatie en reparatie [3].

Er komt wat energie vrij door de omzetting van 1,3-bisfosfoglyceraat in twee moleculen pyruvaat door de opeenvolgende stappen die worden uitgevoerd door fosfoglyceraatkinase (PGK), fosfogliceraatmutase, enolase en pyruvaatkinase. De omzettingen van 1,3-bisfosfoglyceraat naar 3-fosfoglyceraat (door PGK) en fosfoenolpyruvaat naar pyruvaat (door pyruvaatkinase) zijn de stappen die ATP-synthese van ADP in glycolyse bevorderen. De laatste stap is ook een fundamentele regelaar van het hele proces. Pyruvaatkinase (PK) ondergaat allosterische regulatie door fructose 1,6-bisfosfaat dat de PK-activiteit bevordert en de snelheid van glycolyse verhoogt [4]. Allosterische regulatie en weefselexpressie kenmerken verschillende isovormen van het PK-enzym, d.w.z. de isovorm M2, die gewoonlijk tot expressie wordt gebracht tijdens embryogenese, is gevonden als een speciale promotor van tumorigenese. Deze isovorm wordt gekenmerkt door een hoge affiniteit voor fosfoenolpyruvaat en wordt in verband gebracht met het bevorderen van de omzetting van pyruvaat in lactaat in plaats van de opname ervan in de TCA-cyclus [5, 6].

Zo levert de tweede fase van glycolyse vier moleculen ATP en twee NADH per molecule glucose, waarmee de investering van de voorbereidende fase wordt betaald. De eindbalans van dit proces is dan: twee ATP-moleculen, twee NADH-moleculen (die rechtstreeks in de ademhalingsketen kunnen worden opgenomen) en twee pyruvaat-moleculen. De laatste komt in de TCA-cyclus en ondergaat volledige oxidatie onder aerobe omstandigheden.

Tijdens anaërobe omstandigheden (zoals wat er gebeurt in spieren tijdens een uitbarsting van extreme activiteit, wanneer zuurstof niet snel genoeg uit het bloed wordt gehaald), maken de lage zuurstofhoeveelheden de volledige en efficiënte oxidatie van pyruvaat niet mogelijk. Tijdens deze omstandigheden kan NADH (in grote hoeveelheden geproduceerd uit de citroenzuurcyclus, zie volgende paragraaf) niet opnieuw worden geoxideerd tot NAD, waardoor de activiteit van GAPDH en het glucoseverbruik worden beperkt. Pyruvaat wordt vervolgens gereduceerd tot lactaat met de consumptie van één NADH in een proces dat melkzuurfermentatie wordt genoemd, gekatalyseerd door lactaatdehydrogenase. Op deze manier worden de twee moleculen van NADH geproduceerd in glycolyse geconsumeerd in melkzuurfermentatie om het NAD-reservoir te herstellen, en de uiteindelijke balans van één glucoseafbraak is twee moleculen ATP. Deze aandoening komt ook voor onder aerobe omstandigheden in erytrocyten (die geen mitochondriën hebben) of in veel kankercellen, zoals oorspronkelijk werd waargenomen door arts Otto Warburg in 1930, en wat leidde tot de algemeen aanvaarde Warburg-effecttheorie [7].

Citroenzuur cyclus

De TCA, ook bekend als de citroenzuurcyclus, werd in 1940 opgehelderd door Sir Hans Krebs toen hij concludeerde dat de oxidatie van een triose-equivalent één volledige citroenzuurcyclus omvat [8]. De uit glycolyse afkomstige “triose” wordt volledig geoxideerd tot drie CO-moleculen2 tijdens een reeks reacties die de reductie van co-factoren NAD en flavine-adenine-nucleotide (FAD) mogelijk maken, waardoor energie voor de ademhalingsketen in de vorm van elektronen wordt geleverd. In 1949 werd door Kennedy en Lehningher aangetoond dat de hele cyclus plaatsvindt in mitochondriën [9] (Fig. ​ (Fig.11).

Het uitgangsmateriaal voor de citroenzuurcyclus wordt rechtstreeks geleverd door het pyruvaat dat afkomstig is van glycolyse door de activiteit van het pyruvaatdehydrogenasecomplex. Dit enzymatische complex, bestaande uit meerdere kopieën van de drie enzymen pyruvaatdehydrogenase (E1), dihydrolipoyltransacetylase (E2) en dihydrolipoyldehydrogenase (E3), oxideert pyruvaat tot acetyl-CoA en CO2 in een onomkeerbare reactie waarbij de carboxylgroep wordt verwijderd uit pyruvaat als een molecuul CO2. Deze reactie is strikt gerelateerd aan de cyclus, ook al is deze er niet in opgenomen. De acetylgroep introduceert twee koolstoffen in elke omwenteling van de cyclus, deze koolstoffen zullen dan de cyclus verlaten als CO2.

De eerste reactie van de citroenzuurcyclus is de condensatie van één acetyl-CoA en een citraatmolecuul om oxaalacetaat te genereren en wordt gekatalyseerd door citraatsynthase. Citraat wordt vervolgens omgezet in isocitraat door aconitase door de vorming van cis-aconitate. Deze stap is omkeerbaar en kan leiden tot de vorming van zowel citraat als isocitraat. Alleen de snelle consumptie van isocitraat door zijn dehydrogenase kan de reactie in de juiste richting dwingen. Isocitraatdehydrogenase katalyseert de eerste onomkeerbare oxidatie die leidt tot de decarboxylering van isocitraat, waarbij CO wordt gegenereerd2 en α-ketoglutaraat. De tweede koolstof verlaat de cyclus in de volgende stap, wanneer het nieuw gegenereerde α-ketoglutaraat onmiddellijk wordt gedecarboxyleerd door het α-ketoglutaraatdehydrogenasecomplex in een reactie die vergelijkbaar is met de pyruvaatdecarboxylering. In feite hebben beide complexen grote overeenkomsten in de aminozuursamenstelling van het enzym en in de organisatie van de verschillende subeenheden. De energie die vrijkomt bij beide oxidaties wordt gebruikt om NADH te genereren uit NAD dat rechtstreeks in de ademhalingsketen wordt gestoken.

De volgende stap wordt gekatalyseerd door succinyl𠄼oa-synthetase en gebruikt de energie die is afgeleid van de CoA-verwijdering om GDP (of ADP) te fosforyleren tot GTP (of ATP). Selectiviteit voor het nucleotide wordt bepaald door het betrokken isozym. Het is goed vastgesteld dat ten minste twee isozymen van succinyl𠄼oA-synthetase tot expressie worden gebracht in dierlijke weefsels [10], en de verhouding daartussen lijkt weefselspecifiek te zijn.

Het in de vorige stap gegenereerde succinaat is de vier-koolstofverbinding die vervolgens door drie opeenvolgende reacties wordt omgezet in oxaalacetaat om de cyclus af te sluiten. De eerste van deze stappen is de oxidatie van succinaat tot fumaraat door succinaatdehydrogenase. Dit enzym, stevig gebonden aan het binnenste mitochondriale membraan (IMM), katalyseert FAD-reductie tot FADH2 die elektronen levert voor de ademhalingsketen. Fumaraat wordt vervolgens gehydrateerd door fumaraathydratase tot 1-malaat. Het is bijzonder interessant dat zowel succinaatdehydrogenase als fumaraathydratase oncosuppressorgenen zijn. Er is aangetoond dat inactivering van deze oncosuppressoren leidt tot de accumulatie van succinaat en fumaraat die zich in het cytosol verspreiden en hypoxie-induceerbare factor 1α (HIF1α) accumulatie bevorderen door prolylhydroxylase-enzymen te inactiveren (bevorderaar van HIF1α afbraak) HIF1α bevordert op zijn beurt een pseudo-hypoxische aandoening die tumorontwikkeling bevordert [11]. De laatste gebeurtenis die de citroenzuurcyclus voltooit, is de oxidatie van 1-malaat tot oxaalacetaat. Deze reactie wordt uitgevoerd door 1-malaatdehydrogenase dat de reductie van een ander NAD-molecuul tot NADH induceert. Het resulterende molecuul oxaalacetaat is geschikt om door condensatie met een acetylgroep een nieuwe cyclus te starten.

Tijdens al deze processen wordt slechts één molecuul ATP (of GTP) geproduceerd, maar drie moleculen NADH en één FADH2 (plus één molecuul NADH van pyruvaatdehydrogenase), die elektronen leveren voor de ademhalingsketen, worden ook gegenereerd en resulteren vervolgens in bij de productie van grote hoeveelheden ATP (later besproken).

Ademhalingsketen en oxidatieve fosforylering

Ademhalingsketen bestaat uit een reeks componenten (complexen) die elektronenoverdracht over het membraan geleiden en betrokken zijn bij oxidatieve fosforylering (OXPHOS), een proces dat plaatsvindt onder aërobe omstandigheden. In eukaryote cellen vindt elektronentransport plaats in mitochondriën en chloroplasten, terwijl het in bacteriën over het plasmamembraan wordt uitgevoerd. Zoals vermeld, wordt de elektronenoverdracht beschouwd als een onderdeel van OXPHOS, het proces waarbij ADP wordt gefosforyleerd tot ATP door energie afkomstig van de oxidatie van voedingsstoffen.

Vier eiwitcomplexen en ATP-synthase, allemaal gebonden aan de IMM, evenals twee shuttles zijn de bekende spelers van een van de lastigste mechanismen die in de biochemie zijn opgelost (Fig.  1 ). De eerste van deze complexen is de NADH/ubiquinonoxidoreductase (complex I) die elektronen verwijdert uit NADH (geproduceerd in de citroenzuurcyclus) en deze doorgeeft aan de eerste shuttle, ubiquinon, een vetoplosbare cofactor die zich in de fosfolipidedubbellaag van het IMM bevindt. . Succinaatdehydrogenase (of complex II) is een andere ingang voor elektronen in de ademhalingsketen. In dit geval worden elektronen afgeleid van de oxidatie van succinaat door FAD naar ubiquinon geleid. Zodra ubiquinon is gereduceerd tot ubiquinol, kan het elektronen doorgeven aan het derde complex, ubiquinon/cytochroom-c-oxidoreductase. Hier worden elektronen door verschillende heemgroepen verplaatst van de in vet oplosbare shuttle ubiquinon naar de in water oplosbare shuttle cytochroom c. Cytochroom c is een klein eiwit (ongeveer 12,5 kDa), gelegen in de intermembrane space (IMS), dat één elektron in zijn heemgroep kan herbergen. Ondanks de oplosbaarheid in water is cytochroom c gewoonlijk gebonden aan het buitenoppervlak van de IMM vanwege de interactie met de cardiolipine [12]. Deze interactie (cruciaal bij het bepalen van het lot van de cel) helpt de shuttle om zijn elektronenacceptor, complex IV, te bereiken. Cytochroom-c-oxidase is het laatste complex van het elektronentransport. Elektronen van cytochroom c worden geaccumuleerd in kopercentra en doorgegeven aan zuurstof via heemgroepen. Zuurstof wordt dan gereduceerd tot water. Dit vormt het grootste deel van het zuurstofverbruik in alle aerobe leven.

Elektronentransport door complexen I, III en IV induceert het pompen van protonen van de matrix naar het IMS. Specifiek, voor elke twee elektronen die uit één NADH-molecuul komen, worden vier H+ verplaatst door complex I, vier door complex III en twee door complex IV. Het tweede ademhalingscomplex genereert geen protonenbeweging [13]. De ademhalingsketen in actieve mitochondriën genereert een groot verschil in [H + ] over de IMM, wat resulteert in het genereren van een elektrische potentiaal (ongeveer � tot � mV) en variatie in de pH van ongeveer 0,75. Een constante proton-aandrijfkracht drijft de ATP-synthese door de laatste stap van OXPHOS, de ATP-synthase. Door de activiteit en organisatie van dit enzym te begrijpen, wonnen onderzoekers meer dan één Nobelprijs. Ten eerste ontving Peter Mitchell in 1978 zijn prijs voor de formulering van de chemiosmotische theorie. Aanvankelijk veronderstelde hij hoe een enzymatische activiteit tegelijkertijd ionentransport (protonentransport door het IMM) en een chemische reactie (ATP-fosforylering) zou kunnen omvatten. Bijna twee decennia later, in 1997, werd de Nobelprijs toegekend aan Paul Boyer en John Walker die het werkingsmechanisme van ATP-synthase hebben toegelicht, hier kort besproken. ATP-synthase kan worden onderverdeeld in twee hoofdcomponenten: F0 die het kanaliseren van protonen en F . mogelijk maakt1 dat de ATP-fosforylering katalyseert. de F0 is ingebed in de IMM, terwijl de F1 bevindt zich in de mitochondriale matrix en is gebonden aan de F0 via een γ subeenheid (die conformationele veranderingen aanstuurt) en een b2δ dimeer (die F vasthoudt)0 en F1 samen). De protonen stromen van de intermembraanruimte naar de matrix via de F0 door zijn rotatie te induceren, wordt de beweging overgedragen van de γ subeenheid naar de F1 conformationele herschikkingen veroorzaken. de F1 heeft een trimere structuur bestaande uit αβ dimeren. Deze structuur maakt drie verschillende conformationele toestanden mogelijk die in staat zijn om ADP + Pi, ATP te binden of ongebonden te blijven. De opeenvolgende veranderingen zijn gekoppeld aan de binding van substraten, fosforylering en afgifte van ATP. De drie beschikbare dimeren bevinden zich nooit in dezelfde conformationele toestand, en bovendien zorgen de conformationele veranderingen in het ene dimeer voor herschikkingen in het andere (voor een meer gedetailleerde uitleg, zie [14]). Er is berekend dat voor de synthese van één ATP-molecuul vier protonen nodig zijn (drie voor de ATP-synthase-herrangschikkingen en één voor ATP-, ADP- en Pi-transport [15]). Once synthesized, ATP can locate inside mitochondrial matrix or be transported into the IMS by the nucleotide exchanger adenine nucleotide translocase (ANT) which passively exchanges ATP with ADP. Once in the IMS, ATP can freely pass the OMM through the voltage-dependent anion channel (VDAC).


Ribose

Ribose can be synthesized chemically, but commercial production relies on fermentation of glucose. Using genetically modified strains of B. subtilis, 90 g/liter of ribose can be produced from 200 g of glucose. The conversion entails the intermediacy of gluconate and ribulose. [14]

Ribose has been detected in meteorites. [15] [16]

Ribose is an aldopentose (a monosaccharide containing five carbon atoms) that, in its open chain form, has an aldehyde functional group at one end. In the conventional numbering scheme for monosaccharides, the carbon atoms are numbered from C1' (in the aldehyde group) to C5'. The deoxyribose derivative found in DNA differs from ribose by having a hydrogen atom in place of the hydroxyl group at C2'. This hydroxyl group performs a function in RNA splicing.

For ribose residues in nucleosides and nucleotide, the torsion angles for the rotation encompassing the bonds influence the configuration of the respective nucleoside and nucleotide. The secondary structure of a nucleic acid is determined by the rotation of its 7 torsion angles. [17] Having a large amount of torsion angles allows for greater flexibility.

In closed ring riboses, the observed flexibility mentioned above is not observed because the ring cycle imposes a limit on the number of torsion angles possible in the structure. [17] Conformers of closed form riboses differ in regards to how the lone oxygen in the molecule is positioned respective to the nitrogenous base (also known as a nucleobase or just a base) attached to the ribose. If a carbon is facing towards the base, then the ribose is labeled as endo. If a carbon is facing away from the base, then the ribose is labeled as exo. If there is an oxygen molecule attached to the 2' carbon of a closed cycle ribose, then the exo confirmation is more stable because it decreases the interactions of the oxygen with the base. [17] The difference itself is quite small, but when looking at an entire chain of RNA the slight difference amounts to a sizable impact.

A ribose molecule is typically represented as a planar molecule on paper. Despite this, it is typically non-planar in nature. Even between hydrogen atoms, the many constituents on a ribose molecule cause steric hindrance and strain between them. To relieve this crowding and ring strain, the ring puckers, i.e. becomes non-planar. [18] This puckering is achieved by displacing an atom from the plane, relieving the strain and yielding a more stable configuration. [17] Puckering, otherwise known as the sugar ring conformation (specifically ribose sugar), can be described by the amplitude of pucker as well as the pseudorotation angle. The pseudo-rotation angle can be described as either "north (N)" or "south (S)" range. While both ranges are found in double helices, the north range is commonly associated with RNA and the A form of DNA. In contrast, the south range is associated with B form DNA. Z-DNA contains sugars in both the north and south ranges. [19] When only a single atom is displaced, it is referred to as an "envelope" pucker. When two atoms are displaced, it is referred to as a "twist" pucker, in reference to the zigzag orientation. [20] In an "endo" pucker, the major displacement of atoms is on the β-face, the same side as the C4'-C5' bond and the base. In an "exo" pucker, the major displacement of atoms is on the α-face, on the opposite side of the ring. The major forms of ribose are the 3'-endo pucker (commonly adopted by RNA and A-form DNA) and 2'-endo pucker (commonly adopted by B-form DNA). [21] These ring puckers are developed from changes in ring torsion angles there are infinite combinations of angles so therefore, there is an infinite number of transposable pucker conformations, each separated by disparate activation energies.

ATP is derived from ribose it contains one ribose, three phosphate groups, and an adenine base. ATP is created during cellular respiration from adenosine diphosphate (ATP with one less phosphate group).

Signaling pathways Edit

Ribose is a building block in secondary signaling molecules such as cyclic adenosine monophosphate (cAMP) which is derived from ATP. One specific case in which cAMP is used is in cAMP-dependent signaling pathways. In cAMP signaling pathways, either a stimulative or inhibitory hormone receptor is activated by a signal molecule. These receptors are linked to a stimulative or inhibitory regulative G-protein. When a stimulative G-protein is activated, adenylyl cyclase catalyzes ATP into cAMP by using Mg 2+ or Mn 2+ . cAMP, a secondary messenger, then goes on to activate protein kinase A, which is an enzyme that regulates cell metabolism. Protein kinase A regulates metabolic enzymes by phosphorylation which causes a change in the cell depending on the original signal molecule. The opposite occurs when an inhibitory G-protein is activated the G-protein inhibits adenylyl cyclase and ATP is not converted to cAMP.


Toegang tot document

  • APA
  • Auteur
  • BIBTEX
  • Harvard
  • Standaard
  • RIS
  • Vancouver

Research output : Contribution to journal › Article

T1 - ATP-Dependent Clp Protease Subunit C1, HvClpC1, Is a Strong Candidate Gene for Barley Variegation Mutant luteostrians as Revealed by Genetic Mapping and Genomic Re-sequencing

N2 - Implementation of next-generation sequencing in forward genetic screens greatly accelerated gene discovery in species with larger genomes, including many crop plants. In barley, extensive mutant collections are available, however, the causative mutations for many of the genes remains largely unknown. Here we demonstrate how a combination of low-resolution genetic mapping, whole-genome resequencing and comparative functional analyses provides a promising path toward candidate identification of genes involved in plastid biology and/or photosynthesis, even if genes are located in recombination poor regions of the genome. As a proof of concept, we simulated the prediction of a candidate gene for the recently cloned variegation mutant albostrians (HvAST/HvCMF7) and adopted the approach for suggesting HvClpC1 as candidate gene for the yellow-green variegation mutant luteostrians.

AB - Implementation of next-generation sequencing in forward genetic screens greatly accelerated gene discovery in species with larger genomes, including many crop plants. In barley, extensive mutant collections are available, however, the causative mutations for many of the genes remains largely unknown. Here we demonstrate how a combination of low-resolution genetic mapping, whole-genome resequencing and comparative functional analyses provides a promising path toward candidate identification of genes involved in plastid biology and/or photosynthesis, even if genes are located in recombination poor regions of the genome. As a proof of concept, we simulated the prediction of a candidate gene for the recently cloned variegation mutant albostrians (HvAST/HvCMF7) and adopted the approach for suggesting HvClpC1 as candidate gene for the yellow-green variegation mutant luteostrians.


7.7 Regulation of Cellular Respiration

In deze sectie onderzoek je de volgende vraag:

Aansluiting voor AP ® Cursussen

Cellular respiration is controlled by a variety of means. For example, the entry of glucose into a cell is controlled by the transport proteins that aid glucose passage through the cell membrane. However, most of the control of the respiration processes is accomplished through negative feedback inhibition of specific enzymes that respond to the intracellular concentrations of ATP, ADP, NAD + , and FAD, etc.

Information presented and the examples highlighted in the section support concepts and learning objectives outlined in Big Idea 2 of the AP ® Biology Curriculum Framework, as shown in the table. De leerdoelen die in het leerplankader worden vermeld, bieden een transparante basis voor de AP ® Biologie-cursus, een op onderzoek gebaseerde laboratoriumervaring, educatieve activiteiten en AP ® -examenvragen. Een leerdoel voegt vereiste inhoud samen met een of meer van de zeven wetenschapspraktijken.

Groot idee 2 Biologische systemen gebruiken vrije energie en moleculaire bouwstenen om te groeien, te reproduceren en om dynamische homeostase te behouden.
Enduring Understanding 2.C Organisms use feedback mechanisms to regulate growth and reproduction, and to maintain dynamic homeostasis.
Essentiële kennis 2.C.1 Organisms use feedback mechanisms to maintain their internal environments and respond to external environmental changes.
wetenschap praktijk 7.2 The student can connect concepts in and across domain(s) to generalize or extrapolate in and/or across enduring understandings and/or big ideas.
Leerdoel 2.16 The student is able to connect how organisms use negative feedback to maintain their internal environments.
Essentiële kennis 2.C.1 Organisms use feedback mechanisms to maintain their internal environments and respond to external environmental changes.
wetenschap praktijk 5.3 The student can evaluate the evidence provided by data sets in relation to a particular scientific question.
Leerdoel 2.17 The student is able to evaluate data that show the effect(s) of changes in concentration of key molecules on negative feedback mechanisms.

Cellular respiration must be regulated in order to provide balanced amounts of energy in the form of ATP. The cell also must generate a number of intermediate compounds that are used in the anabolism and catabolism of macromolecules. Without controls, metabolic reactions would quickly come to a stand-still as the forward and backward reactions reached a state of equilibrium. Resources would be used inappropriately. A cell does not need the maximum amount of ATP that it can make all the time: At times, the cell needs to shunt some of the intermediates to pathways for amino acid, protein, glycogen, lipid, and nucleic acid production. In short, the cell needs to control its metabolism.

Regulatory Mechanisms

A variety of mechanisms is used to control cellular respiration. Some type of control exists at each stage of glucose metabolism. Access of glucose to the cell can be regulated using the GLUT proteins that transport glucose (Figure 7.19). Different forms of the GLUT protein control passage of glucose into the cells of specific tissues.

Some reactions are controlled by having two different enzymes—one each for the two directions of a reversible reaction. Reactions that are catalyzed by only one enzyme can go to equilibrium, stalling the reaction. In contrast, if two different enzymes (each specific for a given direction) are necessary for a reversible reaction, the opportunity to control the rate of the reaction increases, and equilibrium is not reached.

A number of enzymes involved in each of the pathways—in particular, the enzyme catalyzing the first committed reaction of the pathway—are controlled by attachment of a molecule to an allosteric site on the protein. The molecules most commonly used in this capacity are the nucleotides ATP, ADP, AMP, NAD + , and NADH. These regulators, allosteric effectors, may increase or decrease enzyme activity, depending on the prevailing conditions. The allosteric effector alters the steric structure of the enzyme, usually affecting the configuration of the active site. This alteration of the protein’s (the enzyme’s) structure either increases or decreases its affinity for its substrate, with the effect of increasing or decreasing the rate of the reaction. The attachment signals to the enzyme. This binding can increase or decrease the enzyme’s activity, providing feedback. This feedback type of control is effective as long as the chemical affecting it is attached to the enzyme. Once the overall concentration of the chemical decreases, it will diffuse away from the protein, and the control is relaxed.

Control of Catabolic Pathways

Enzymes, proteins, electron carriers, and pumps that play roles in glycolysis, the citric acid cycle, and the electron transport chain tend to catalyze non-reversible reactions. In other words, if the initial reaction takes place, the pathway is committed to proceeding with the remaining reactions. Whether a particular enzyme activity is released depends upon the energy needs of the cell (as reflected by the levels of ATP, ADP, and AMP).

Glycolyse

The control of glycolysis begins with the first enzyme in the pathway, hexokinase (Figure 7.20). Dit enzym katalyseert de fosforylering van glucose, wat helpt om de verbinding in een latere stap voor te bereiden op splitsing. De aanwezigheid van het negatief geladen fosfaat in het molecuul verhindert ook dat de suiker de cel verlaat. Wanneer hexokinase wordt geremd, diffundeert glucose de cel uit en wordt het geen substraat voor de ademhalingswegen in dat weefsel. Het product van de hexokinasereactie is glucose-6-fosfaat, dat zich ophoopt wanneer een later enzym, fosfofructokinase, wordt geremd.

Fosfofructokinase is het belangrijkste enzym dat wordt gecontroleerd bij glycolyse. High levels of ATP, citrate, or a lower, more acidic pH decrease the enzyme’s activity. Een verhoging van de citraatconcentratie kan optreden door een blokkade in de citroenzuurcyclus. Fermentation, with its production of organic acids like lactic acid, frequently accounts for the increased acidity in a cell however, the products of fermentation do not typically accumulate in cells.

De laatste stap in de glycolyse wordt gekatalyseerd door pyruvaatkinase. Het geproduceerde pyruvaat kan worden afgebroken of omgezet in het aminozuur alanine. Als er geen energie meer nodig is en alanine voldoende aanwezig is, wordt het enzym geremd. De activiteit van het enzym wordt verhoogd wanneer de fructose-1,6-bisfosfaatspiegels stijgen. (Recall that fructose-1,6-bisphosphate is an intermediate in the first half of glycolysis.) The regulation of pyruvate kinase involves phosphorylation by a kinase (pyruvate kinase kinase), resulting in a less-active enzyme. Defosforylering door een fosfatase reactiveert het. Pyruvaatkinase wordt ook gereguleerd door ATP (een negatief allosterisch effect).

Als er meer energie nodig is, wordt er meer pyruvaat omgezet in acetyl CoA door de werking van pyruvaatdehydrogenase. If either acetyl groups or NADH accumulate, there is less need for the reaction and the rate decreases. Pyruvate dehydrogenase is also regulated by phosphorylation: A kinase phosphorylates it to form an inactive enzyme, and a phosphatase reactivates it. Het kinase en het fosfatase worden ook gereguleerd.

Citric Acid Cycle

The citric acid cycle is controlled through the enzymes that catalyze the reactions that make the first two molecules of NADH (Figure 7.10). These enzymes are isocitrate dehydrogenase and α‑ketoglutarate dehydrogenase. When adequate ATP and NADH levels are available, the rates of these reactions decrease. When more ATP is needed, as reflected in rising ADP levels, the rate increases. α-ketoglutarate dehydrogenase will also be affected by the levels of succinyl CoA—a subsequent intermediate in the cycle—causing a decrease in activity. A decrease in the rate of operation of the pathway at this point is not necessarily negative, as the increased levels of the α-ketoglutarate not used by the citric acid cycle can be used by the cell for amino acid (glutamate) synthesis.

Elektronen transportketen

Specific enzymes of the electron transport chain are unaffected by feedback inhibition, but the rate of electron transport through the pathway is affected by the levels of ADP and ATP. Greater ATP consumption by a cell is indicated by a buildup of ADP. As ATP usage decreases, the concentration of ADP decreases, and now, ATP begins to build up in the cell. This change in the relative concentration of ADP to ATP triggers the cell to slow down the electron transport chain.

Link naar leren

Visit this site to see an animation of the electron transport chain and ATP synthesis.

  1. A hydrogen ion gradient across the membrane establishes a concentration gradient and not an electrical gradient, thus assisting during the electron transport chain.
  2. A hydrogen ion gradient is established by pumping hydrogen ions across the membrane from the matrix in the intermembrane space. Its uneven distribution across the membrane establishes both concentration and electrical gradients.
  3. A hydrogen ion gradient is established by pumping hydrogen ions across the membrane from the intermembrane space into the matrix and its uneven distribution across the membrane establishes concentration and electrical gradients.
  4. Hydrogen ions are present in the intermembrane space from the beginning and results in the formation of gradients necessary for the function of ATP synthase.

For a summary of feedback controls in cellular respiration, see Table 7.1.

Pathway Enzyme affected Elevated levels of effector Effect on pathway activity
glycolysis hexokinase glucose-6-fosfaat verminderen
phosphofructokinase low-energy charge (ATP, AMP), fructose-6-phosphate via fructose-2,6-bisphosphate toename
high-energy charge (ATP, AMP), citrate, acidic pH verminderen
pyruvate kinase fructose-1,6-bisphosphate toename
high-energy charge (ATP, AMP), alanine verminderen
pyruvate to acetyl CoA conversion pyruvate dehydrogenase ADP, pyruvate toename
acetyl CoA, ATP, NADH verminderen
citroenzuur cyclus isocitrate dehydrogenase ADP toename
ATP, NADH verminderen
α-ketoglutarate dehydrogenase Calcium ions, ADP toename
ATP, NADH, succinyl CoA verminderen
elektronentransportketen ADP toename
ATP verminderen

Science Practice Connection voor AP®-cursussen

Denk er over na

Phosphofructokinase is a key enzyme in glycolysis. High levels of ATP or citrate or low pH can decrease the enzyme’s activity. Explain why this is beneficial to the cell.

Ondersteuning voor docenten

This question is an application of Learning Objective 2.16 and Science Practice 7.1 and Learning Objective 2.17 and Science Practice 5.3 because students are connecting changes in concentrations of key molecules (ATP and citrate) and a change in an environmental variable (pH) to the regulation of glycolysis via negative feedback.

Possible answer:

Als Amazon Associate verdienen we aan in aanmerking komende aankopen.

Wilt u dit boek citeren, delen of wijzigen? Dit boek is Creative Commons Attribution License 4.0 en je moet OpenStax toeschrijven.

    Als u dit boek geheel of gedeeltelijk in gedrukte vorm opnieuw distribueert, moet u op elke fysieke pagina de volgende bronvermelding opnemen:

  • Gebruik de onderstaande informatie om een ​​citaat te genereren. We raden aan om een ​​citatietool zoals deze te gebruiken.
    • Auteurs: Julianne Zedalis, John Eggebrecht
    • Uitgever/website: OpenStax
    • Titel van het boek: Biologie voor AP®-cursussen
    • Publicatiedatum: 8 maart 2018
    • Locatie: Houston, Texas
    • Boek-URL: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/1-introduction
    • Section URL: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/7-7-regulation-of-cellular-respiration

    © 12 januari 2021 OpenStax. Tekstboekinhoud geproduceerd door OpenStax is gelicentieerd onder een Creative Commons Attribution License 4.0-licentie. De OpenStax-naam, het OpenStax-logo, de OpenStax-boekomslagen, de OpenStax CNX-naam en het OpenStax CNX-logo zijn niet onderworpen aan de Creative Commons-licentie en mogen niet worden gereproduceerd zonder de voorafgaande en uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van Rice University.


    ATP Yield

    The number of ATP molecules generated from the catabolism of glucose varies. For example, the number of hydrogen ions that the electron transport chain complexes can pump through the membrane varies between species. Another source of variance stems from the shuttle of electrons across the membranes of the mitochondria. (The NADH generated from glycolysis cannot easily enter mitochondria.) Thus, electrons are picked up on the inside of mitochondria by either NAD + or FAD + . As you have learned earlier, these FAD + molecules can transport fewer ions consequently, fewer ATP molecules are generated when FAD + acts as a carrier. NAD + is used as the electron transporter in the liver and FAD + acts in the brain.

    Another factor that affects the yield of ATP molecules generated from glucose is the fact that intermediate compounds in these pathways are used for other purposes. Glucose catabolism connects with the pathways that build or break down all other biochemical compounds in cells, and the result is somewhat messier than the ideal situations described thus far. For example, sugars other than glucose are fed into the glycolytic pathway for energy extraction. Moreover, the five-carbon sugars that form nucleic acids are made from intermediates in glycolysis. Certain nonessential amino acids can be made from intermediates of both glycolysis and the citric acid cycle. Lipids, such as cholesterol and triglycerides, are also made from intermediates in these pathways, and both amino acids and triglycerides are broken down for energy through these pathways. Overall, in living systems, these pathways of glucose catabolism extract about 34 percent of the energy contained in glucose.


    Overcoming Energetic Barriers

    De reductie van CO2 with H2 or with CO as reductant is energetically limited and currently only two products, ethanol and acetate can be produced with high titers on an industrial scale (Daniell et al., 2012 Bengelsdorf et al., 2018). As outlined above, ethanol formation from H2 + CO2 via acetyl-CoA to acetaldehyde and ethanol requires the net input of ATP and should not be possible with high specificity. However, it is possible in some species, and these species have an enzyme that activates acetate (ΔG 0′ = �.4 kJ/mol) with reduced ferredoxin as electron donor, the aldehyde:ferredoxin oxidoreductase (AOR) (White et al., 1989 Chan et al., 1995 Heider et al., 1995 Nissen and Basen, 2019). Therefore, ethanol formation still includes the acetate kinase reaction. Although additional reduced ferredoxin is required as driving force and thus missing as driving force for ATP synthesis, the overall process yields 1.2 ATP/mol ethanol. Acetogens like A. woodii that do not have an AOR do not produce ethanol from H2 + CO2, but with the advent of genetic methods in acetogens, implementing an AOR into the acetogenic metabolism would be the first choice to increase the energetics and overcome the energetic barrier to acetyl-CoA formation. In tegenstelling tot, C. autoethanogenum produces ethanol from H2 + CO2 (Mock et al., 2015 Liew et al., 2017). The importance of AOR enzymes for higher ethanol production rates were shown, for example, in Pyrococcus furiosus of C. authoethanogenum (Basen et al., 2014 Liew et al., 2017). An engineered P. furiosus strain converted glucose to ethanol via acetate and acetaldehyde, catalyzed by the host-encoded aldehyde ferredoxin oxidoreductase (AOR) and heterologously expressed AdhA, in an energy-conserving, redox-balanced pathway (Basen et al., 2014 Müller, 2014). Implementing an indirect ethanol pathway by deletion of AdhE in the genome of C. authoethanogenum shifted the conversion of acetate to acetaldehyde via AOR (Liew et al., 2017). Using this strategy the generated strains produced up to 180% more ethanol and also accumulated up to 38% less of acetate. The first heterologous AOR production in an acetogenic bacterium was recently described for Clostidium carboxidivorans (Cheng et al., 2019). A plasmid-based implementation of the AOR genes lead to higher ethanol production rates during growth on glucose. Furthermore strains overexpressing AOR showed CO2 re-assimilation during heterotrophic growth on glucose (Cheng et al., 2019). However, the selectivity of AORs to reduce short chain fatty acids, like acetate, can also easily be achieved with simple changes in growth conditions (Abubackar et al., 2015 Mock et al., 2015 Martin et al., 2016 Richter et al., 2016a,b). For syngas-fermenting bacteria, that are using the AOR-ADH pathway, solventogenesis (alcohol production) occurs preferably when growth is limited due to nutrient limitations or at low pH (Daniell et al., 2012 Abubackar et al., 2015 Mock et al., 2015 Al-Shorgani et al., 2018). For example, results from bioreactor studies with continuous CO supply revealed that the shift from high to low pH values improves ethanol production by C. autoethanogenum without any accumulation of acetic acid (Abubackar et al., 2015). Low pH is therefore not only beneficial for ethanol production via syngas fermentation, but also an effective method for decreasing acetate concentration in the fermentation broth (Abubackar et al., 2015 Martin et al., 2016 Richter et al., 2016a).

    The same principle would also apply to other alcohols. Butanol is an interesting biofuel and can be produced by acetogens from the condensation of two mol acetyl-CoA to acetoacetyl-CoA followed by a reduction to butyryl-CoA, via a series of reactions known from fatty acid oxidation (see above) (Dürre, 2007 Köpke et al., 2011c). Butyryl-CoA can be either oxidized to butyrate giving one ATP or reduced to butanol without the production of an ATP. In this pathway, the acetate kinase-produced ATP's (2 molecules) are missing and although one ATP is gained by the butyrate kinase, the overall ATP gain is negative and butyrate cannot be produced from H2 + CO2. With CO as substrate the energetics are a bit better. The oxidation of CO is coupled to more ferredoxin reduction, which can be used as driving force to produce additional ATP. But butanol is not produced for energetic reasons, since a redirection of butyryl-CoA to butanol results in a loss of another ATP. Here, implementation of an AOR by genetic engineering would bring the energetics over the hurdle to produce butanol (Ni et al., 2012 Perez et al., 2013). AORs so far characterized are rather unspecific and can oxidize chain aldehydes (e.g., formaldehyde, acetaldehyde, crotonaldehyde), branched chain aldehydes (e.g., isovalerylaldehyde) as well as aromatic aldehydes (phenylacetaldehyde, benzaldehyde) or reduce acetate and butyrate (Nissen and Basen, 2019). The specificity and efficiency of the AOR could be improved by directed evolution (Turner, 2003 Dalby, 2011).

    As outlined above, energy conservation during acetogenesis from H2 + CO2 involves substrate level phosphorylation as well as electron transport phosphorylation. The former yields one ATP per acetate, the latter much less, in the order of 0.3 and less per mol of acetate. So far, every acetogen examined has only one of the two respiratory enzymes, Ech (Schoelmerich and Müller, 2019) or Rnf (Biegel et al., 2011). Interestingly, Ech complexes have thus far only been found in thermophilic species (Schoelmerich and Müller, 2019). One idea to improve the energetics is to implement by genetic engineering an Ech complex into A. woodii, C. autoethanogenum or others, but this requires an Ech complex from a mesophilic bacterium. Fortunately, Ech-containing mesophilic anaerobes do exist, for example in the Butyrivrio clade (Figure 7 Hackmann and Firkins, 2015 Schoelmerich et al., 2020). Currently, it is tested whether these can be functionally produced in A. woodii. Another obstacle is that A. woodii uses Na + as coupling ion for the ATP synthase and the Rnf complex (Hess et al., 2013b Matthies et al., 2014) ideally, the Ech complex implemented should also translocate Na + but so far, the ion specificity of these Ech complexes as well as others is not known, simply due to the fact that they have never been purified and reconstituted into liposomes. However, even if an Ech complex is a proton and not a sodium ion pump, the proton gradient established would be converted to a Na + gradient by a Na + /H + antiporter present in A. woodii (Biegel and Müller, 2011). The same principle could be used vice versa, but this would require a thermophilic Rnf complex, for example from Thermotoga maritima (Kuhns et al., 2020).

    Figuur 7. Ech gene-cluster of representative mesophilic anaerobes. Ech genes are highly distributed in the mesophilic Butyrivibrio clade. Typical anaerobes are for example Pseudobutyrivibrio ruminis, Butyrivibrio proteoclasticus, Pseudobutyrivibrio xylanivorans of Butyrivibrio fibrisolvens. Here shown are the Ech gene-cluster-comparison against representative archea M. mazei en M. barkeri. Ech gene-cluster of mesophilic anaerobes show similar genetic organization.

    Membrane-bound cytochromes are well-known electron carriers in membrane-bound electron transport chains their presence would immediately suggest an electron transport chain and electron transport phosphorylation in the organism they have been discovered in (Gottwald et al., 1975 Das et al., 1989 Das and Ljungdahl, 2003). Methanogenic archaea also use the Wood-Ljungdahl pathway for CO2 fixation and methane formation but how this is coupled to energy conservation has been hotly debated a while ago (Blaut and Gottschalk, 1984 Lancaster, 1989). Some favored substrate level phosphorylation by an unknown reaction in the WLP, other some sort of to be discovered electron transport phosphorylation. The discovery of b559-type cytochromes in M. barkeri in 1979 by Kühn and Gottschalk was a ground-breaking study that excited the entire field and paved the road to the discovery of electron transport phosphorylation in this model methanogen (Kühn et al., 1979 Blaut and Gottschalk, 1984). Later, methanophenazine (Abken et al., 1998) was found as additional electron carrier in these cells and the heterodisulfide reductase as electron acceptor (Bäumer et al., 1998). Now, different electron transport chains with different electron input modules in different methanogens are well-established (Deppenmeier, 2002 Schlegel and Müller, 2013 Welte and Deppenmeier, 2014). In this historic context was the discovery of B-type cytochromes in M. thermoacetica in 1975 by Gottwald et al. That was immediately taken as indication for cytochrome-dependent electron transport chain as part of a chemiosmotic mechanism of ATP synthesis. Later, reduction of cytochromes as well as the concomitant generation of a membrane potential in vesicles of C. thermoautotrophicum was detected (Hugenholtz and Ljungdahl, 1989). The most conclusive evidence that the cytochromes are involved in coupling the WLP to energy conservation was presented by Kamlage and Blaut (1993). By showing that a cytochrome-deficient mutant was no longer able to oxidize methyl groups to CO2 or reduce CO2 to the level of a methyl group, they laid the foundation that cytochromes are involved as electron carriers in the methylene-THF reductase, a reaction that was already postulated in 1977 by Thauer et al. (1977) to be the most likely energy conserving site since reduction of methylene-THF to Methyl-THF (ΔG 0′ = �.1 kJ/mol) with NAD + as reductant is the most exergonic of the pathway. An involvement of cytochromes in CO2 reduction is also supported by the finding that nitrate, an alternative electron acceptor in M. thermoacetica, represses the synthesis of the B-type cytochrome (Fröstl et al., 1996 Arendsen et al., 1999). An involvement of cytochromes in the methylene-THF reductase reaction was also very recently speculated by Keller et al. (2019) for Thermacetogenium phaeum. However, it is far from being settled whether or not there is indeed a third, cytochrome-dependent respiratory chain in addition to Ech- and Rnf-containing respiratory chains in acetogens. This must be addressed in future studies using the genetic tools that have been developed. However, it should be noted that Rnf- and Ech-acetogens such as A. woodii en T. kivui do not have cytochromes (Müller, 2003). Others seem to have Rnf plus cytochromes such as Sporomusa (Kamlage et al., 1993 Poehlein et al., 2013) or Clostridium aceticum (Poehlein et al., 2015) or Ech plus cytochromes such as M. thermoacetica (Gottwald et al., 1975 Pierce et al., 2008). Important for the context here is, that the current industrially relevant cells do not have cytochromes. However, implementing cytochromes by genetic engineering is not an easy task since a rather extensive biogenesis machinery as well as genes encoding biosynthesis of quinones are required (Thöny-Meyer, 1997).

    In addition to CO2, some acetogens can reduce a number of alternative substrates such as pyruvate (Misoph and Drake, 1996), fumarate (Dorn et al., 1978 Matthies et al., 1993), aromatic acrylates (Bache and Pfennig, 1981 Tschech and Pfennig, 1984 Misoph et al., 1996), inorganic sulfur compounds (Beaty and Ljungdahl, 1990, 1991 Hattori et al., 2000), and nitrate or nitrite (Seifritz et al., 1993, 2003 Fröstl et al., 1996 Arendsen et al., 1999). For industrial applications, the electron acceptor would have to be added as well as the product removed from the fermenter, thus raising the costs of operation and the price of the product. Of these alternative electron acceptors, the use of aromatic acrylates, nitrate and nitrite have been studied to some extent (Bache and Pfennig, 1981 Tschech and Pfennig, 1984 Seifritz et al., 1993, 2003 Fröstl et al., 1996 Arendsen et al., 1999). Aromatic acrylates such as caffeate are reduced by A. woodii simultaneously with CO2 when H2 or fructose is the electron donor, or sequential with CO2 first, when methanol is the electron donor (Dilling et al., 2007). Caffeate respiration is linked to energy conservation via Rnf and ATP synthase and co-utilization of caffeate and CO2 would enhance the ATP level (Imkamp and Müller, 2002 Hess et al., 2013a). However, caffeate is rather toxic and cells do not tolerate more than ~ 5 mM (Parke and Ornston, 2004), which, in addition to the costs, makes the approach economically less favorable. Nitrate is rather inexpensive but the effect of nitrate is discussed very controversially. Under heterotrophic conditions, nitrate is stimulatory but lithotrophic growth of M. thermoacetica is inhibited (Seifritz et al., 2002). The basis for this inhibition remains to be elucidated, one study argues that the activity of enzymes of the WLP is not altered but only cytochromes disappear (Fröstl et al., 1996) whereas the other argues that also the activities of key enzymes are down regulated by nitrate (Arendsen et al., 1999). Mechanistically, it is not known whether nitrate reduction is coupled to energy conservation via a nitrate-dependent ion-motive respiratory chain or whether the presence of nitrate redirects electrons to the Rnf- and Ech-complexes thus providing more fuel for chemiosmotic ATP synthesis. In tegenstelling tot, C. ljungdahlii co-utilized CO2 and nitrate and this enhanced biomass formation from H2 + CO2 (Emerson et al., 2019). Unfortunately, ethanol production from H2 + CO2 was strongly inhibited by nitrate, indicating that the electron from acetyl-CoA reduction to ethanol goes to nitrate. However, in pH-controlled bioreactors nitrate improved growth and ethanol formation but resulted in stochastic inhibition events (Klask et al., 2020). Clearly, more basic research has to be done on nitrate reduction and its possible coupling to energy conservation and in addition, one has to remember that nitrate reduction is only observed in a few species and, for example, not in A. woodii.

    So far, we have discussed alterations in the pathway of carbon and electrons in acetogenesis from H2 + CO2 or CO to increase chemiosmotic ATP synthesis. An alternative is to bring in a reaction (sequence) that is coupled to substrate level phosphorylation. To phosphorylate ADP the reaction must have a phosphoryl group transfer potential that is more negative than �.8 kJ/mol (Thauer et al., 1977). This restricts the reactions to only a few:


    Bekijk de video: Как образуется энергия - синтез АТФ в МИТОХОНДРИЯХ (Januari- 2022).