Informatie

ATP-hydrolyse tot AMP in de ureumcyclus. Wat is de gratis energieverandering?


Hoe is de hydrolyse van ATP in AMP en PPi bij het maken van arginosuccinaat equivalent aan de hydrolyse van 2 ATP?


Het antwoord, denk ik, is dat: zoals vermeld het is niet.

Echter, de hydrolyse van ATP tot AMP en PPl levert aanzienlijk meer vrije energie op dan de hydrolyse van ATP in ADP en Pl.

Dat wil zeggen, de vrije energieverandering voor de hydrolyse van ATP in AMP en PPl is aanzienlijk negatiever dan die voor de hydrolyse van ATP in ADP en Pl en voor de hydrolyse van ADP in AMP en Pl.

Als we kijken naar de verandering in vrije energie voor de reactie ATP = AMP + 2 Pl (waarbij bijvoorbeeld het pyrofosfaat (PPl) geproduceerd door argininosuccinaatsynthetase wordt afgebroken door een pyrofosfatase), dan wordt het is het equivalent van de hydrolyse van 2 ATP tot ADP en Pl en (min of meer) tot de hydrolyse van 2 ADP tot AMP en Pl.

Bij ATP-hydrolyse moeten we rekening houden met de 'chemische omgeving' van de fosfaatgroep, niet alleen bij het bepalen of de binding 'high energy' (in de zin van Lipmann) of 'low energy' is, maar ook bij het beschouwen van de hoeveelheid vrije energie die vrijkomt bij hydrolyse van een 'high energy' binding: niet alle pyrofosfaatbindingen leveren dezelfde vrije energie op bij hydrolyse.

  • Splitsing van de 'innerlijke' pyrofosfaatbinding in ATP (om AMP en PP . te gevenl) 'laat' aanzienlijk meer vrije energie vrij dan splitsing van deze koppeling in ADP (om ADP en P te gevenl).
  • Splitsing van de 'innerlijke' pyrofosfaatbinding in ATP (om AMP en PP . te gevenl) geeft aanzienlijk meer vrije energie vrij dan de splitsing van de 'buitenste' pyrofosfaatbinding (om ADP en P te gevenl).

Als één 'eenheid' vrije energie wordt beschouwd als ongeveer 32 kJ mol-1 dan:

  • De hydrolyse van ATP tot ADP en ADP ongeveer geeft 1 eenheid vrij
  • De hydrolyse van ADP tot Pl en AMP geeft ruwweg 1 eenheid vrij
  • De hydrolyse van ATP tot AMP en PPl ongeveer geeft ongeveer 1.4 eenheden vrij
  • De hydrolyse van PPl tot 2 Pl ongeveer geeft ongeveer 0,6 eenheden vrij
  • Hydrolyse van ATP tot AMP en 2 Pl ongeveer geeft 2 eenheden vrij.
  • Hydrolyse van AMP tot adenosine en Pl ongeveer geeft 0,4 eenheden vrij.

De vraag van de OP kan nu als volgt worden beantwoord:.

Hydrolyse van de binnenste pyrofosfaatbinding van ATP (om AMP te geven) in plaats van de buitenste binding (om ADP te geven) geeft een 'thermodynamische aantrekkingskracht' van 0,4 'vrije energie-eenheden' aan de argininosuccinaatsynthasereactie. Als de PPl wordt gehydrolyseerd door een pyrofosfatase wordt een extra 0,6 'vrije energie-eenheden' verkregen en de vrije energieverandering voor de gecombineerde reactie (die van argininosuccinaatsynthase en de pyrofosfatase) is gelijk aan 2 'vrije energie-eenheden' (ongeveer -70 kJ mol-1).

Zoals aangegeven door Frey, & Arabshahi (1995), hydrolyse van de $alpha$,$eta$-fosfoanhydride van ATP, in plaats van de $eta$,$gamma$ koppeling, is een veel voorkomende strategie bij biosynthetische reacties. Om de laatste regel van dit artikel te citeren: splijting van de $eta$,$gamma$-fosfoanhydridebrug in ATP vindt plaats bij metabole reacties waarbij een kleinere drijvende kracht nodig is.

Een klein stukje geschiedenis

Het werd niet altijd geaccepteerd dat de hydrolyse van ATP tot AMP en PPl ging met een meer negatieve vrije energie dan voor de hydrolyse van ATP tot ADP en Pl. Om te citeren uit Standard Free Energy Change for the Hydrolysis of the $alpha, eta$- Fosfoanhydridebrug in ATP, door Frey & Arabshahi (1995).

Het lijkt algemeen bekend in de biochemie dat de standaard vrije energieverandering $Delta G^{'o}$ voor de hydrolyse van ATP tot AMP en PPl is -7,7 tot -8,4 kcal mol-1 [-32 tot -35 kJ mol-1]. De meeste leerboeken met biochemie noemen waarden in dit bereik (Zubay, 1993; Lehninger et al., 1992; Garrett & Grisham, 1994; Voet & Voet, 1990; Matthews & Van Holde, 1990). Bovendien vermelden veel leerboeken ook de standaard vrije energie voor de hydrolyse van PPl als $Delta G^{'o}$ = - 7,9 tot 8,0 kcal mol-1. [-33 tot -33,5 kJ mol-1]. De werkelijke waarde voor pyrofosfaathydrolyse is echter significant minder negatief (Flodgaard & Fleron, 1974). Daarom is de standaard vrije energieverandering voor de hydrolyse van ATP tot AMP en PPl moet negatiever zijn dan 8 kcal mol-1 [ 33,5 kJ mol-1] zoals wordt uitgelegd in dit artikel

Deze herinnering had niet nodig moeten zijn. De juiste waarde voor de vrije energieverandering bij de hydrolyse van ATP tot AMP en PPl wordt gegeven door Schuegraf et al (1960), een paper met co-auteur van Sarah Ratner

De hydrolyse van UDP-glucose

$Delta G^{'o}$ voor de hydrolyse van UDP-glucose tot UMP en glucose-1-fosfaat is ongeveer - 43 kJ mol-1 (- 10,3 mol-1) [Frey, & Arabshahi, 1995], ook aanzienlijk negatiever dan die voor de hydrolyse van ATP in ADP en Pl

Bijzonderheden

  • De standaard vrije energie van hydrolyse ($Delta G^{'o}$) van de $alpha$,$eta$-fosfoanhydride van ATP om AMP en PP . te gevenl is ongeveer - 45 tot -50 kJ mol-1

  • De standaard vrije energie van hydrolyse van de $alpha$,$eta$-fosfoanhydride van ADP om ADP en P . te gevenl is ongeveer -30 tot -34 kJ/mol

  • De standaard vrije energie van hydrolyse van de $eta$,$gamma$-fosfoanhydride van ATP om ADP en P . te gevenl is ongeveer -32 tot -36 kJ/mol.

  • De standaard vrije energie van hydrolyse ($Delta G^{'o}$) van PPl tot 2 Pl is ongeveer 20 kJ mol-1

  • De standaard vrije energie van hydrolyse ATP naar AMP en 2Pl ongeveer -70 kJ mol-1.

  • De standaard vrije energie van hydrolyse ($Delta G^{'o}$) van PPl tot 2 Pl is ongeveer 20 kJ mol-1

  • De standaard vrije energie van hydrolyse ATP naar AMP en 2Pl ongeveer -70 kJ mol-1.

(Voor een diagram ter illustratie van de nomenclatuur van de $alpha$, $eta$ en $gamma$ fosfaten van ATP, zie hier).

Opmerkingen:

  • In navolging van Alberty (2000) worden alle vergelijkingen geschreven als 'biochemische vergelijkingen' waarin alles in evenwicht is behalve waterstofionen.

  • $Delta G^{o'}$ voor de volgende reactie is ongeveer -50 kJ mol-1 (-12 kcal mol-1)

$$ ATP + H_2O= AMP +PP_i $$

  • [1] Frey, & Arabshahi (1995) geven een waarde van -45,6 kJ mol-1 (-10,9 kcal mol-1).
  • [2] Dixon et al (2000) geven een waarde van -48,5 kJ mol-1 (-11,6 kcal mol-1).
  • [3] Schuegraf et al (1960) geven een waarde van -43 kJ mol-1 (-10,3 kcal mol-1).
  • [4 ] Berekening uit de tabellen geleverd door Alberty (2000) geeft een waarde (25OC, pH 7, ionsterkte van 0,1) van -50,2 kJ mol-1 (-12,0 kcal mol-1)

  • $Delta G^{o'}$ voor de volgende reactie is ongeveer -36 kJ mol-1 (-12 kcal mol-1)

$$ ATP + H_2O= ADP +P_i $$

  • [1] Frey, & Arabshahi (1995) geven een waarde van -32,6 kJ mol-1 (-7,8 kcal mol-1).
  • [2] Rosing & Slater, 1972 geven een waarde van -31,5 kJ mol-1 (-7,53 kcal mol-1).
  • [3] Berekening uit de tabellen geleverd door Alberty (2000) geeft een waarde (25OC, pH 7, ionsterkte van 0,1 ) van -36,6 kJ mol-1 (-8,8 kcal mol-1)

  • $Delta G^{o'}$ voor de volgende reactie is ongeveer -34 kJ mol-1 (-8,1 kcal mol-1)

$$ ADP + H_2O= AMP +P_i $$

  • [1] Berekening uit de tabellen geleverd door Alberty (2000) geeft een waarde (25OC, pH 7, ionsterkte van 0,1) van -34,04 kJ mol-1 (-8,13 kcal mol-1)

  • $Delta G^{o'}$ voor de volgende reactie is ongeveer -71, kJ mol-1 (-16,9 kcal mol-1)

$$ ATP + 2 H_2O = AMP + P_i + P_i$$

  • [1] Berekening uit de tabellen geleverd door Alberty (2000) geeft een waarde (25OC, pH 7, ionsterkte van 0,1) van -70,68 kJ mol-1 (-16,9 kcal mol-1)

$Delta G^{o'}$ voor de volgende reactie is ongeveer -13,7 kJ mol-1 (-3,3 kcal mol-1)

$$ AMP+ H_2O = Adenosine +P_i $$

  • [1] Berekening uit de tabellen geleverd door Alberty (2000) geeft een waarde (25OC, pH 7, ionsterkte van 0,1) van -13,74 kJ mol-1 (-3,28 kcal mol-1)

  • $Delta G^{o'}$ voor de volgende reactie is ongeveer -20,5 kJ mol-1 (-4,9 kcal mol-1)

$$ PP_i + H_2O= P_i +P_i $$

  • [1] Frey, & Arabshahi (1995) geven een waarde van -19,24 kJ mol-1 (-4,6 kcal mol-1).
  • [2] Berekening uit de tabellen geleverd door Alberty (2000) geeft een waarde (25OC, pH 7, ionsterkte van 0,1) van -20,5 kJ mol-1 (-4,9 kcal mol-1)

Achtergrond

Beroepsmatige blootstelling aan vinylchloride (VC) is in verband gebracht met met giftige stoffen geassocieerde steatohepatitis en leverkanker. Metabolomics is gebruikt om het werkingsmechanisme bij door geneesmiddelen geïnduceerde leverbeschadiging te verduidelijken, maar is niet uitgevoerd na blootstelling aan VC.

Methoden:

Plasmamonsters van 17 sterk blootgestelde VC-werknemers zonder leverkanker en 27 niet-blootgestelde gezonde vrijwilligers werden verkregen voor metabolietextractie en GC/MS- en LC/MS 2-analyse. Na identificatie/kwantificering van ionen werd Ingenuity-pathway-analyse uitgevoerd.

Resultaten

613 unieke benoemde metabolieten werden geïdentificeerd. Hiervan waren 189 metabolieten verhoogd in de VC-blootstellingsgroep, terwijl 94 metabolieten waren verlaagd. Random Forest-analyse gaf aan dat de metabolietsignatuur de groepen met een nauwkeurigheid van 94% kon scheiden. VC-blootstellingen waren geassocieerd met verhoogde lange-keten (inclusief arachidonzuur) en essentiële (inclusief linolzuur) vetzuren. Beroepsmatige blootstelling verhoogde lipideperoxidatieproducten, waaronder monohydroxyvetzuren (inclusief 13-HODE), vetzuurdicarboxylaten en geoxideerde arachidonzuurproducten (inclusief 5,9 en 15-HETE). Carnitine en carnitine-esters waren verlaagd, wat wijst op peroxisomale/mitochondriale disfunctie en alternatieve vormen van lipide-oxidatie. Differentieel gereguleerde metabolieten bleken een interactie aan te gaan met extracellulair signaal-gereguleerd kinase 1/2 (ERK1/2), Akt, AMP-geactiveerd proteïnekinase (AMPK) en de N-methyl-d-aspartaat (NMDA)-receptor. De belangrijkste canonieke routes die worden beïnvloed door beroepsmatige blootstelling omvatten tRNA-oplading, nucleotide-afbraak, aminozuursynthese/-afbraak en ureumcyclus. Methionine en homocysteïne waren verhoogd met verminderde cysteïne, wat wijst op een veranderd 1-koolstofmetabolisme.

Conclusies

Beroepsmatige blootstelling genereerde een duidelijk plasmametaboloom met duidelijk veranderde lipide- en aminozuurmetabolieten. ERK1/2, Akt, AMPK en NMDA werden geïdentificeerd als eiwitdoelen voor vinylchloridetoxiciteit.