معلومة

NADH مقابل NADPH: أين يتم استخدام كل منهما ولماذا بدلاً من الآخر؟


أعلم أن NADH يستخدم في التنفس الخلوي ويستخدم NADPH في التمثيل الضوئي. ما الفرق الذي تحدثه مجموعة الفوسفات في أن نفس المجموعة لا تستخدم أو لا يمكن استخدامها لكليهما؟ هل هناك سبب أكبر لهذا الانفصال أم أنه مجرد مصادفة؟ لماذا لا يمكن تبادل الاثنين؟


لا تؤثر مجموعة الفوسفات في NADPH على قدرات الأكسدة والاختزال للجزيء ، فهي بعيدة جدًا عن جزء الجزيء المتورط في نقل الإلكترون. ما تفعله مجموعة الفوسفات هو السماح للإنزيمات بالتمييز بين NADH و NADPH ، مما يسمح للخلية بتنظيم كليهما بشكل مستقل.

نسبة NAD+ إلى NADH داخل الخلية مرتفع ، بينما نسبة NADP+ إلى NADPH يبقى منخفضًا. يتمثل دور NADPH في الغالب في التفاعلات الابتنائية ، حيث يلزم NADPH كعامل مختزل ، ويكون دور NADH في الغالب في التفاعلات التقويضية ، حيث NAD+ هناك حاجة كعامل مؤكسد.

ستجد المزيد من المعلومات حول هذا في الفصل 2 من "البيولوجيا الجزيئية للخلية بواسطة Alberts et al.


فقط لمسح بعض الأشياء:

كما هو مذكور أعلاه ، يتم إنتاج NADH في تفاعلات تقويضية ويستخدم لاحقًا في سلسلة نقل الإلكترون للحصول على الطاقة عن طريق تحويل NADH مرة أخرى إلى NAD +.

يتم إنتاج NADPH بشكل أساسي في الجزء المؤكسد من مسار فوسفات البنتوز. يستخدم NADPH في أ) التوليفات الابتنائية لإنتاج الكوليسترول والأحماض الدهنية والمواد الناقلة والنيوكليوتيدات. ب) عمليات إزالة السموم كمضاد للأكسدة. NADPH هو على سبيل المثال جزء أساسي من CYP450 في الكبد ويقلل من الجلوتاتيون (أحد مضادات الأكسدة الأكثر فعالية في الطبيعة) من أجل تنشيطه مرة أخرى.


تم العثور على NADPH في العصارة الخلوية والسدى (البلاستيدات الخضراء) من حقيقيات النوى. إن NADH أكثر انتشارًا في كل مكان ، ولكنه موجود في الغالب في البكتيريا وفي الميتكوندريا ، وربما يكون دليلًا على التآلف الداخلي للبكتيريا في حقيقيات النوى. لا يمكن لأي منهما المرور بسهولة من خلال الغشاء.


9.3: تخمر وتجديد NAD +

ملخص القسم

يناقش هذا القسم عملية التخمير. نظرًا للتركيز الشديد في هذه الدورة على التمثيل الغذائي للكربون المركزي ، فإن مناقشة التخمير تركز بشكل مفهوم على تخمر البيروفات. ومع ذلك ، فإن بعض المبادئ الأساسية التي نغطيها في هذا القسم تنطبق بنفس القدر على تخمير العديد من الجزيئات الصغيرة الأخرى.

& quot الغرض & quot من التخمير

أكسدة مجموعة متنوعة من المركبات العضوية الصغيرة هي عملية تستخدمها العديد من الكائنات الحية للحصول على الطاقة من أجل صيانة الخلايا ونموها. أكسدة الجلوكوز عن طريق تحلل السكر هو أحد هذه المسارات. تتضمن عدة خطوات رئيسية في أكسدة الجلوكوز إلى بيروفات تقليل مكوك الإلكترون / الطاقة NAD + إلى NADH. لقد طُلب منك بالفعل معرفة الخيارات التي قد تضطر الخلية بشكل معقول إلى إعادة أكسدة NADH إلى NAD + لتجنب استهلاك المسابح المتاحة من NAD + وبالتالي تجنب إيقاف تحلل السكر. بعبارة أخرى ، أثناء تحلل السكر ، يمكن للخلايا أن تولد كميات كبيرة من NADH وتستنفد ببطء إمداداتها من NAD +. إذا استمر تحلل السكر ، يجب أن تجد الخلية طريقة لتجديد NAD + ، إما عن طريق التوليف أو عن طريق شكل من أشكال إعادة التدوير.

في حالة عدم وجود أي عملية أخرى و [مدش] ، إذا أخذنا في الاعتبار تحلل السكر وحده و [مدشيت] ليس من الواضح على الفور ما يمكن أن تفعله الخلية. يتمثل أحد الخيارات في محاولة إعادة الإلكترونات التي تم تجريدها من مشتقات الجلوكوز إلى المنتج النهائي ، البيروفات ، أو أحد مشتقاته. يمكننا تعميم العملية من خلال وصفها بأنها عودة الإلكترونات إلى الجزيء الذي أزيلت منه ذات مرة ، عادةً لاستعادة تجمعات عامل مؤكسد. هذا باختصار التخمر. كما سنناقش في قسم مختلف ، يمكن لعملية التنفس أيضًا تجديد تجمعات NAD + من NADH. قد تختار الخلايا التي تفتقر إلى سلاسل الجهاز التنفسي أو في الظروف التي يكون فيها استخدام السلسلة التنفسية غير مواتية التخمر كآلية بديلة للحصول على الطاقة من الجزيئات الصغيرة.

مثال: تخمير حمض اللاكتيك

من الأمثلة اليومية على تفاعل التخمير اختزال البيروفات إلى اللاكتات عن طريق تفاعل تخمير حمض اللاكتيك. يجب أن يكون رد الفعل هذا مألوفًا لك: فهو يحدث في عضلاتنا عندما نبذل أنفسنا أثناء التمرين. عندما نجهد أنفسنا ، تتطلب عضلاتنا كميات كبيرة من ATP لأداء العمل الذي نطلبه منهم. مع استهلاك الـ ATP ، تصبح خلايا العضلات غير قادرة على مواكبة الطلب على التنفس ، O2 يصبح مقيدًا ، ويتراكم NADH. تحتاج الخلايا إلى التخلص من الفائض وتجديد NAD + ، لذلك يعمل البيروفات كمستقبل للإلكترون ، ويولد اللاكتات ويؤكسد NADH إلى NAD +. تستخدم العديد من البكتيريا هذا المسار كطريقة لإكمال دورة NADH / NAD +. قد تكون على دراية بهذه العملية من منتجات مثل مخلل الملفوف والزبادي. التفاعل الكيميائي لتخمير حمض اللاكتيك هو كما يلي:

بيروفات + NADH وحمض اللبنيك + NAD +

شكل 1. يحول تخمير حمض اللاكتيك البيروفات (مركب كربوني مؤكسد قليلاً) إلى حمض اللاكتيك. في هذه العملية ، يتأكسد NADH ليشكل NAD +. الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

قصة طاقة لتخمير البيروفات إلى اللاكتات

مثال (إذا كانت طويلة قليلاً) قصة الطاقة لتخمير حمض اللاكتيك هو ما يلي:

المتفاعلات هي البيروفات ، NADH ، والبروتون. المنتجات هي اللاكتات و NAD +. تؤدي عملية التخمير إلى تقليل البيروفات لتكوين حمض اللاكتيك وأكسدة NADH لتكوين NAD +. تُستخدم الإلكترونات من NADH والبروتون لتقليل البيروفات إلى اللاكتات. إذا فحصنا جدولًا لإمكانية الاختزال القياسية ، فإننا نرى في ظل الظروف القياسية أن نقل الإلكترونات من NADH إلى البيروفات لتكوين اللاكتات يكون طاردًا للطاقة وبالتالي تلقائيًا حراريًا. تقترن خطوات الاختزال والأكسدة للتفاعل وتحفز بواسطة إنزيم نازعة هيدروجين اللاكتات.

مثال ثانٍ: التخمير الكحولي

عملية التخمير المألوفة الأخرى هي التخمر الكحولي ، الذي ينتج الإيثانول ، وهو كحول. تفاعل التخمير الكحولي هو كالتالي:

الشكل 2. يتألف تخمير الإيثانول من خطوتين. يتم تحويل البيروفات (حمض البيروفيك) أولاً إلى ثاني أكسيد الكربون وأسيتالديهيد. تقوم الخطوة الثانية بتحويل الأسيتالديهيد إلى إيثانول ويؤكسد NADH إلى NAD +. الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

في التفاعل الأول ، تتم إزالة مجموعة الكربوكسيل من حمض البيروفيك ، مما يؤدي إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون كغاز (قد يكون البعض منكم على دراية بهذا باعتباره مكونًا رئيسيًا للعديد من المشروبات). يزيل التفاعل الثاني الإلكترونات من NADH ، ويشكل NAD + وينتج الإيثانول (مركب مألوف آخر و mdashusually في نفس المشروب) من الأسيتالديهيد ، الذي يقبل الإلكترونات.

اكتب قصة طاقة كاملة لتخمير الكحول. اقترح الفوائد المحتملة لهذا النوع من التخمير لكائن الخميرة وحيدة الخلية.

مسارات التخمير عديدة

في حين أن مسارات تخمير حمض اللاكتيك والتخمير الكحولي الموصوفة أعلاه هي أمثلة ، إلا أن هناك العديد من التفاعلات (عدد كبير جدًا بحيث لا يمكن تجاوزها) التي طورتها الطبيعة لإكمال دورة NADH / NAD +. من المهم أن تفهم المفاهيم العامة وراء ردود الفعل هذه. بشكل عام ، تحاول الخلايا الحفاظ على توازن أو نسبة ثابتة بين NADH و NAD + عندما تصبح هذه النسبة غير متوازنة ، تعوض الخلية عن طريق تعديل التفاعلات الأخرى للتعويض. الشرط الوحيد لتفاعل التخمير هو أنه يستخدم مركبًا عضويًا صغيرًا كمستقبل إلكتروني لـ NADH ويجدد NAD +. تشمل تفاعلات التخمير المألوفة الأخرى تخمر الإيثانول (كما هو الحال في البيرة والخبز) ، والتخمير البروبيوني (وهو ما يصنع الثقوب في الجبن السويسري) ، والتخمير مالولاكتيك (وهو ما يعطي Chardonnay نكهته الأكثر نعومة و mdashthe المزيد من تحويل malate إلى lactate ، وأكثر ليونة. خمر). في الشكل 3 ، يمكنك أن ترى مجموعة كبيرة ومتنوعة من تفاعلات التخمير التي تستخدمها أنواع مختلفة من البكتيريا لإعادة أكسدة NADH إلى NAD +. تبدأ كل هذه التفاعلات مع البيروفات أو أحد مشتقات استقلاب البيروفات ، مثل أوكسالأسيتات أو فورمات. يتم إنتاج البيروفات من أكسدة السكريات (الجلوكوز أو الريبوز) أو غيرها من الجزيئات العضوية الصغيرة المختزلة. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أنه يمكن استخدام مركبات أخرى كركائز تخمير إلى جانب البيروفات ومشتقاته. وتشمل هذه تخمير الميثان ، تخمير الكبريتيد ، أو تخمير المركبات النيتروجينية مثل الأحماض الأمينية. لا يُتوقع منك حفظ كل هذه المسارات. ومع ذلك ، من المتوقع أن تتعرف على مسار يعيد الإلكترونات إلى منتجات المركبات التي تأكسد في الأصل لإعادة تدوير تجمع NAD + / NADH وربط هذه العملية بالتخمير.

الشكل 3. يوضح هذا الشكل مسارات تخمير مختلفة باستخدام البيروفات كركيزة أولية. في الشكل ، يتم تقليل البيروفات إلى مجموعة متنوعة من المنتجات عبر تفاعلات مختلفة وأحيانًا متعددة الخطوات (تمثل الأسهم المتقطعة عمليات متعددة الخطوات محتملة). لم يتم عرض جميع التفاصيل عمدا. النقطة الأساسية هي إدراك أن التخمير مصطلح واسع لا يرتبط فقط بتحويل البيروفات إلى حمض اللاكتيك أو الإيثانول. المصدر: Marc T. Facciotti (عمل أصلي)

ملاحظة على الرابط بين الفسفرة على مستوى الركيزة والتخمير

يحدث التخمر في حالة عدم وجود الأكسجين الجزيئي (O2). إنها عملية لاهوائية. لاحظ عدم وجود O2 في أي من تفاعلات التخمير الموضحة أعلاه. العديد من هذه التفاعلات قديمة جدًا ، ويُفترض أنها من أوائل التفاعلات الأيضية لتوليد الطاقة التي تتطور. هذا منطقي إذا أخذنا في الاعتبار ما يلي:

  1. انخفض الغلاف الجوي المبكر بدرجة كبيرة ، مع توفر القليل من الأكسجين الجزيئي بسهولة.
  2. كانت الجزيئات العضوية الصغيرة شديدة الاختزال متاحة نسبيًا ، ناشئة عن مجموعة متنوعة من التفاعلات الكيميائية.
  3. توجد هذه الأنواع من التفاعلات والمسارات والإنزيمات في العديد من الأنواع المختلفة من الكائنات الحية ، بما في ذلك البكتيريا والعتائق وحقيقيات النوى ، مما يشير إلى أن هذه التفاعلات قديمة جدًا.
  4. تطورت العملية قبل وقت طويل من O2 تم العثور عليه في البيئة.
  5. كانت الركائز ، شديدة الاختزال ، جزيئات عضوية صغيرة ، مثل الجلوكوز ، متاحة بسهولة.
  6. المنتجات النهائية للعديد من تفاعلات التخمير هي أحماض عضوية صغيرة تنتج عن أكسدة الركيزة الأولية.
  7. تقترن العملية بتفاعلات الفسفرة على مستوى الركيزة. أي أن الجزيئات العضوية الصغيرة المختزلة تتأكسد ، ويتم إنشاء ATP أولاً عن طريق تفاعل أحمر / ثور متبوعًا بفسفرة مستوى الركيزة.
  8. يشير هذا إلى أن تفاعلات الفسفرة والتخمير على مستوى الركيزة قد تطورت معًا.

إذا كانت الفرضية صحيحة وهي أن تفاعلات الفسفرة والتخمير على مستوى الركيزة قد تطورت معًا وكانت الأشكال الأولى من استقلاب الطاقة التي استخدمتها الخلايا لتوليد ATP ، فماذا ستكون عواقب مثل هذه التفاعلات مع مرور الوقت؟ ماذا لو كانت هذه هي الأشكال الوحيدة لاستقلاب الطاقة المتوفرة على مدى مئات الآلاف من السنين؟ ماذا لو تم عزل الخلايا في بيئة صغيرة مغلقة؟ ماذا لو لم يتم إنتاج الركائز الصغيرة والمختصرة بنفس معدل الاستهلاك خلال هذا الوقت؟

عواقب التخمير

تخيل عالماً يكون فيه التخمير هو الطريقة الأساسية لاستخراج الطاقة من الجزيئات الصغيرة. مع ازدهار السكان ، يتكاثرون ويستهلكون وفرة من الجزيئات العضوية الصغيرة المختزلة في البيئة ، مما ينتج الأحماض. إحدى النتائج هي تحمض (انخفاض درجة الحموضة) في البيئة ، بما في ذلك البيئة الخلوية الداخلية. يمكن أن يكون هذا معطلاً ، لأن التغيرات في الأس الهيدروجيني يمكن أن يكون لها تأثير عميق على الوظيفة والتفاعلات بين الجزيئات الحيوية المختلفة. لذلك ، هناك حاجة إلى تطوير الآليات التي يمكن أن تزيل الأحماض المختلفة. لحسن الحظ ، في بيئة غنية بالمركبات المخفضة ، يمكن أن تنتج الفسفرة على مستوى الركيزة والتخمير كميات كبيرة من ATP.

من المفترض أن هذا السيناريو كان بداية تطور F0F1-ATPase ، آلة جزيئية تحلل جزيء ATP وتنقل البروتونات عبر الغشاء (سنرى هذا مرة أخرى في القسم التالي). مع F0F1-ATPase ، يمكن لـ ATP المنتج من التخمير الآن أن يسمح للخلية بالحفاظ على توازن الأس الهيدروجيني عن طريق اقتران الطاقة الحرة للتحلل المائي لـ ATP بنقل البروتونات خارج الخلية. الجانب السلبي هو أن الخلايا تضخ الآن كل هذه البروتونات في البيئة ، والتي ستبدأ الآن في التحمض.

إذا كانت الفرضية صحيحة ، فإن F0F1-ATPase أيضًا تطورت بشكل مشترك مع تفاعلات الفسفرة والتخمير على مستوى الركيزة ، فماذا سيحدث مع مرور الوقت للبيئة؟ في حين أن المركبات العضوية الصغيرة والمختصرة قد تكون وفيرة في البداية ، إذا توقف التخمير & quot في مرحلة ما ، فإن المركبات المختزلة قد تنفد وقد يصبح ATP نادرًا أيضًا. هذه مشكلة. بالتفكير مع وضع نموذج تقييم تحدي التصميم في الاعتبار ، حدد المشكلة (المشكلات) التي تواجه الخلية في هذه البيئة المفترضة. ما هي الآليات أو الطرق المحتملة الأخرى التي يمكن أن تتغلب بها الطبيعة على المشكلة (المشكلات)؟


الكيمياء الحيوية للاختزال: الفرق بين NAD و NAD + و NADH

يساعد NAD و NADP الخلايا على إدارة الطاقة ، على غرار الطريقة التي تدير بها خدمة البريد السريع الحزم. تمامًا مثل الساعي الذي يلتقط حزمة في مكان ما ويسلمها في مكان آخر ، يلتقط NAD طرودًا نشطة من الإلكترونات من جزيء واحد في جزء واحد من الخلية ويسقطها بجزيء مختلف في مكان آخر. عندما يحمل NAD هذا الطرد من الطاقة ، يشار إليه باسم NADH. عندما لا يكون الأمر كذلك ، يطلق عليه العلماء اسم NAD +.

من الناحية الفنية ، تسمى حزمة الطاقة التي يحملها NAD هيدريد. الهيدريد هو مجموعة من إلكترونين عالي الطاقة متصل بذرة الهيدروجين. نظرًا لأن NAD يمكن أن يكتسب ويفقد هذا الهيدريد ، فهو موجود في شكلين متميزين داخل الخلية: NAD + و NADH. يشير "+" في NAD + إلى أن للجزيء شحنة موجبة صافية. عندما تكتسب هيدريد ("H" في NADH) ، تلغي الإلكترونات سالبة الشحنة الشحنة الموجبة وتختفي "+". الشيء نفسه ينطبق على NADP. عندما يتم تحميله بحزمة من الطاقة يطلق عليه NADPH وإلا يطلق عليه NADP +.

عندما يكتسب NAD أو يفقد الطاقة ، فإنه يشارك في تفاعل الأكسدة والاختزال ، أو تفاعل الأكسدة والاختزال لفترة قصيرة. تفاعلات الأكسدة والاختزال هي تفاعلات كيميائية تكتسب فيها الجزيئات وتفقد إلكترونات عالية الطاقة وهي ضرورية لعمليات التمثيل الغذائي التي تستخدمها الخلايا لتوليد الطاقة وبناء الجزيئات.

تتأكسد الجزيئات عندما تفقد الإلكترونات وتنخفض عند اكتسابها. NAD + هو الشكل المؤكسد لـ NAD. يصبح NADH ، الشكل المختزل لـ NAD ، عندما يجمع إلكترونات عالية الطاقة في شكل هيدريد من جزيئات أخرى. يمكن لـ NADH بعد ذلك التخلي عن هذه الإلكترونات عالية الطاقة لتصبح شكل NAD + المؤكسد مرة أخرى.

للتبسيط ، يستخدم هذا الموقع مصطلح "NAD" للإشارة إلى كل من الأشكال المؤكسدة والمختصرة للجزيء معًا ما لم يكن التمييز بين NAD + و NADH مهمًا للنقطة قيد البحث. على الرغم من أن الاختلاف بين NAD + و NADH صغير من منظور كيميائي ، إلا أن الاختلاف يمكن أن يكون له آثار هائلة على كيفية استخدام الجزيء داخل الخلايا.


الدور الفسيولوجي لـ NADPH

اكتملت الآن مناقشتنا لمسار HMS ، وسنلقي الآن نظرة على وظائف التمثيل الغذائي المختلفة لـ NADPH.

لماذا نحتاج إلى كل من NADH و NADPH؟

لماذا هناك حاجة إلى NADPH بالإضافة إلى NADH؟ يختلف الأنزيمان المساعدان في مجموعة فوسفات واحدة فقط ، وهذه المجموعة بعيدة عن مكان الإجراء: المجموعة النشطة الأكسدة والاختزال هي حلقة بيريدين في جزء نيكوتيناميد (مظلل) ، بينما يوجد الفوسفات الإضافي في NADP على الأدينوزين الشق في الطرف الآخر من الجزيء.

في حين أن مجموعة الفوسفات لا تحدث أي فرق في كيمياء الأكسدة والاختزال التي يؤديها الإنزيمان المساعدان ، 53 فإنها تمكنهما من التفاعل مع مجموعات منفصلة من الإنزيمات. ضع في اعتبارك أن جميع الإنزيمات التي تستهلك أو تتجدد NAD + ستشترك في نفس المجموعة من الركيزة العامة ، وسوف يتأثر توازن التفاعل لجميعهم بنفس النسبة من المؤكسد إلى الشكل المختزل ، [NAD +] / [NADH].

تسمح مجموعة الفوسفات الإضافية الموجودة على NADP بالتفاعل مع مجموعة أخرى مختلفة من الإنزيمات. لذلك ، نظرًا لأن الإنزيمات المساعدة تشارك في مجموعات منفصلة من التوازن ، فيمكن الحفاظ عليها في حالات الأكسدة والاختزال المختلفة. لاستخدام التشبيه: يشبه الإنزيمان المساعدان عملتين مختلفتين - كلاهما نقود ، ولكن من الممكن ضبط تكلفة اقتراض كل منهما على حدة مع أهداف اقتصادية مختلفة. يتأكسد NAD في الغالب داخل الخلية. سيساعد التوافر الجاهز لـ NAD + على تسريع التفاعلات المؤكسدة في دورة TCA وتحلل السكر. في المقابل ، يوجد NADP بشكل أساسي في الحالة المنخفضة ، مما سيعزز التفاعلات الاختزالية في التخليق الحيوي.

لن يؤثر اختيار NAD أو NADP باعتباره الركيزة الأساسية على معدل دوران تفاعل الأكسدة والاختزال فحسب ، بل يؤثر أيضًا على طاقته المجانية (Δ G). وفقًا لـ [46] ، فإن نسبة [NADH] / [NAD +] في العصارة الخلوية هي 0.001 ، بينما نسبة [NADPH] / [NADP +] هي 100. إهمال الاختلاف الطفيف جدًا في Δ G 0، فإن الوفرة النسبية الأعلى بمقدار 10 5 مرات من NADPH تعمل على اختلاف قدره

30 كيلوجول / مول في Δ G الفعلي. هذه الكمية من الطاقة مماثلة لتلك الناتجة عن التحلل المائي لـ ATP إلى ADP ، وهي ليست مصادفة (انظر الشريحة التالية).

توليد NADPH بواسطة إنزيم الماليك

في حين أن HMS هو المصدر الرئيسي لـ NADPH في معظم الأنسجة ، فإن بعض المسارات الأخرى تساهم في الإمداد ، خاصة في الأنسجة التي تصنع الأحماض الدهنية أو الستيرولات.

يعيد المكوك الموضح هنا استخدام معظم عناصر العنصر الذي ينقل أوكسالأسيتات من الميتوكوندريا إلى العصارة الخلوية لتكوين السكر (انظر الشريحة 7.4.1 ، والتي توضح أيضًا كيفية موازنة نقل الفوسفات). ومع ذلك ، في الخطوة الأخيرة للمكوك الذي تم النظر فيه هنا ، لا يتم تحويل مالات العصارة الخلوية إلى أوكسالو أسيتات ولكن بدلاً من ذلك يتم نزع الكربوكسيل بواسطة إنزيم الماليك ، الذي يولد NADPH ، يمكن أن يعيد البيروفات المتبقية دخول الميتوكوندريا.

على جانب الميتوكوندريا ، يستهلك المكوك مكافئًا واحدًا لكل من NADH و ATP. يقوم ATP بتحريك الكربوكسيل من البيروفات ، والذي يتم إرجاعه بواسطة إنزيم الماليك. بافتراض أن إنزيم الماليك يمكنه استرداد الطاقة الحرة الكاملة المكتسبة من ATP أثناء الكربوكسيل وتطبيقه نحو تقليل NADP + ، يجب أن يكون الإنزيم قادرًا بالفعل على رفع نسبة NADPH العصاري الخلوي إلى NADP + إلى ما بعد NAD بواسطة عامل 10 5 موضح في القسم 9.3.1. في حين أن هذا الافتراض قد يكون متفائلاً بعض الشيء ، إلا أنه ليس ضروريًا تمامًا ، نظرًا لأن نسبة [NADH] / [NAD +] أعلى بكثير في الميتوكوندريا منها في العصارة الخلوية ، مما يساعد على دفع الدورة في الاتجاه المشار إليه. بشكل عام ، تمثل مشاركة ATP في هذه الدورة الفرق في التركيز والطاقة الحرة بين NADPH و NADH التي تمت مناقشتها أعلاه.

توليد NADPH بواسطة إنزيم transhydrogenase و NADP المرتبط بنزع الهيدروجين إيزوسيترات

لقد واجهنا بالفعل ترانساميناز نيكوتيناميد نيكليوتيد كمصدر للميتوكوندريا NADPH من قبل (انظر الشريحة 6.10.2). من الميتوكوندريا ، يمكن نقل NADPH إلى العصارة الخلوية من خلال العمل المتضافر لـ isocitrate dehydrogenases المعتمد على NADP على جانبي الغشاء واثنين من ناقلات الميتوكوندريا ، والتي تمكنت معًا من تبادل isocitrate لـ α-ketoglutarate عبر الغشاء.

لاحظ أن هذه الدورة لا تتضمن التحلل المائي لـ ATP. لا يوفر البروتون المنفرد الذي يستورده إنزيم transhydrogenase نفس القدر من الطاقة الحرة مثل ATP ، وبالتالي فإن السؤال الذي يطرح نفسه هو كيف يتم اشتقاق القوة الدافعة الكافية للعملية الكلية. بقدر ما أستطيع أن أرى ، فإن العامل الوحيد المساهم الآخر هو الحالة الأكثر انخفاضًا لـ NAD داخل الميتوكوندريا مقارنة بالعصارة الخلوية. 54 قد يكون هذا المكوك يعمل فقط عندما تكون كل من القوة الدافعة للبروتون و NADH للميتوكوندريا عند مستويات عالية ، بينما يتم خفض NADPH العصاري الخلوي بسبب معدلات الاستهلاك العالية ، على سبيل المثال أثناء تخليق الأحماض الدهنية في الأنسجة الدهنية [ 47].

استخدامات NADPH

  1. تخليق الأحماض الدهنية والكوليسترول
  2. تثبيت الأمونيا بواسطة نازعة هيدروجين الجلوتامات
  3. التمثيل الغذائي التأكسدي للأدوية والسموم بواسطة إنزيمات السيتوكروم P450
  4. توليد أكسيد النيتريك وأنواع الأكسجين التفاعلية بالبلعمات
  5. جمع أنواع الأكسجين التفاعلية التي تتشكل كمنتجات ثانوية لنقل الأكسجين وسلسلة الجهاز التنفسي

سيتم تغطية الموضوعات الثلاثة الأولى في هذه القائمة في الفصول اللاحقة حول استقلاب ثلاثي الجلسرين والكوليسترول والأحماض الأمينية والأدوية على التوالي. هنا ، سوف نلقي نظرة موجزة على أدوار NADPH في تكوين أكسيد النيتريك وفي تكوين وكسح أنواع الأكسجين التفاعلية.

تفاعل سينسيز أكسيد النيتريك

يتم تصنيع أكسيد النيتريك داخل الخلايا بواسطة سينثاز أكسيد النيتريك (NOS). رد الفعل هذا معقد نوعًا ما ويتضمن خطوتين متتاليتين من أحادي أوكسجيناز. في الخطوة الأولى ، يتم تحويل الأرجينين إلى N-hydroxyarginine (NOHA) ، والذي يتم تقطيعه في الخطوة الثانية إلى NO و citrulline.

يحدث NOS في عدة أشكال. تم العثور على Endothelial NOS (eNOS) و NOS (nNOS) في أنواع الخلايا المشار إليها بأسمائها. تم العثور على محفز NOS (iNOS) بشكل رئيسي في الخلايا الالتهابية. كل هذه الإنزيمات متجانسة وتؤدي نفس التفاعل ، لكنها تختلف في خصائصها التنظيمية.

آثار إشارات أكسيد النيتريك

ينتشر أكسيد النيتريك الذي تنتجه NOS خارج الخلية الأصلية ، على سبيل المثال خلية بطانية وعائية ، ثم إلى خلية أخرى ، مثل خلية العضلات الملساء الوعائية. داخل الخلية المستهدفة ، لا يرتبط NO وينشط محلقة guanylate القابلة للذوبان (sGC) ، والتي تبدأ بعد ذلك في صنع GMP دوري (cGMP). مثل cAMP ، يعمل cGMP كرسول ثانٍ داخل الخلية.

أيضًا مثل cAMP ، يستهدف cGMP جزيئات مستجيبة متعددة. يؤدي تنشيط بروتين كيناز (cGK) المعتمد على cGMP إلى فسفرة البروتينات المختلفة. في العضلات الملساء الوعائية ، يؤدي هذا إلى الاسترخاء ، مما يؤدي بدوره إلى خفض ضغط الدم الذي يتم استغلاله عن طريق الأدوية التي تطلق NO في علاج ارتفاع ضغط الدم. يتم تنشيط Phosphodiesterase 5 (PDE) بواسطة cGMP أيضًا ، ويبدأ في تدهور كل من cAMP و cGMP. يؤثر تشغيل قنوات الموجبة ذات النوكليوتيدات الحلقية على إمكانات الغشاء ومستوى الكالسيوم الخلوي.

تستخدم البالعات NADPH لتوليد أنواع الأكسجين التفاعلية

تبتلع الخلايا المحببة للعدلات (الموضحة) والضامة البكتيريا ثم تدمج الفجوة الداخلية مع الحبيبات التي تحتوي على أنواع مختلفة من الجزيئات المضادة للميكروبات. من بين هؤلاء ، هناك العديد من الإنزيمات التي تنتج أنواع الأكسجين التفاعلية. أول إنزيم هو NADPH أوكسيديز ، والذي يحول الأكسجين الجزيئي إلى أكسيد فائق. بعد ذلك ، ينتج ديسموتاز فائق الأكسيد و myeloperoxidase H.2ا2 و HOCl. كل هذه الأنواع من الأكسجين التفاعلي (ROS) لها نشاط قوي مضاد للميكروبات ، والمرضى الذين يعانون من عيوب في NADPH أوكسيديز أو ميلوبيروكسيديز معرضون للعدوى البكتيرية الشديدة.

يمكن أيضًا أن يتحد أكسيد الفائق مع أكسيد النيتريك لتكوين البيروكسينيتريت ، وهو جزيء آخر له نشاط قوي مضاد للميكروبات. هذه إحدى وظائف NO المتولدة في الضامة بواسطة سينسيز أكسيد النيتريك المحرض (iNOS).

تمت مناقشة ردود الفعل التي ينطوي عليها توليد ROS بواسطة الخلايا البلعمية بمزيد من التفصيل في القسم 18.3.

يتطلب تنظيف أنواع الأكسجين التفاعلية NADPH أيضًا

عندما لا تكون هناك حاجة للدفاع المناعي ، تكون أنواع الأكسجين التفاعلية ضارة وليست مفيدة على سبيل المثال ، يمكن أن تتفاعل مع بقايا الأسيل الدهنية غير المشبعة في الأغشية الدهنية (انظر أدناه). ومع ذلك ، فإن بعض أنواع أنواع الأكسجين التفاعلية تتشكل باستمرار كمنتجات ثانوية للتنفس وأيضًا لنقل الأكسجين في كريات الدم الحمراء ، نظرًا لأن الارتباط بالهيموجلوبين يوفر O2 فرصة لسرقة إلكترون من الهيم وتحويل نفسه إلى أكسيد فائق.

يتم التحكم في سمية ROS بواسطة الجلوتاثيون (G-SH) ، الموجود في الخلايا بتركيزات منخفضة من الملي مولار. تتمثل إحدى الخطوات المهمة في إزالة السموم من أنواع الأكسجين التفاعلية في تقليل بيروكسيد الهيدروجين إلى الماء ، والذي يتم تحفيزه بواسطة الجلوتاثيون بيروكسيديز أو بيروكسيدوكسين. في هذه العملية ، يتأكسد الجلوتاثيون أو البيروكسيريدوكسين إلى أشكال ثاني كبريتيد. يتم تقليلها مرة أخرى عن طريق اختزال الجلوتاثيون و thioredoxin ، على التوالي ، وكلاهما يتطلب NADPH (انظر القسم 18.7).


NAD + و NADH: وجهان لعملة واحدة

يمكن أن يوجد NAD في شكلين: NAD + و NADH. يُعرف هذان الشكلان من NAD باسم "زوج الأكسدة والاختزال" ، وهو مصطلح يستخدم لوصف الشكل المختزل ("الأحمر" في الأكسدة والاختزال) والمؤكسد ("الثور" في الأكسدة والاختزال) من نفس الذرة أو الجزيء. قد يكون مصطلح "مؤكسد" مضللًا ، على الرغم من أنه لا يتطلب بالضرورة أكسجين. تتضمن تفاعلات الأكسدة والاختزال اكتساب أو فقد الإلكترونات. إذا تأكسد شيء ما ، فإنه يفقد الإلكترونات. وفي الوقت نفسه ، إذا تم تقليل شيء ما ، فإنه يكتسب إلكترونات.

تم اعتماد مصطلح "مؤكسد" عبر التاريخ ، نشأ من التجارب في أواخر القرن الثامن عشر. لا تقتصر تفاعلات الأكسدة والاختزال على NAD + و NADH ، ناهيك عن الجسم. في الواقع ، يمكن أن تمتد كل شيء من صدأ الحديد إلى تكوين المعادن.

في سياق NAD + ، تعد تفاعلات الأكسدة والاختزال مكونًا رئيسيًا في إنشاء الطاقة الخلوية. عندما يتم تحويل NAD + إلى NADH ، فإنه يكتسب شيئين: الأول ، جزيء الهيدروجين المشحون (H +) ، وبعد ذلك ، إلكترونان. نظرًا لأن الإلكترونات مشحونة سالبًا ، فإن الجمع بين NAD + و H + المشحونة إيجابياً ، إلى جانب إلكترونين ، يلغي بشكل فعال بعضهما البعض ويحييد جزيء NADH الناتج. هذا هو سبب عدم وجود علامة "+" بجانب NADH. توضح شحنة الجزيء كيفية تفاعله مع الجزيئات الأخرى. على سبيل المثال ، لا يمكن لـ NADH القيام بما يفعله NAD + والعكس صحيح.

لذا فإن NAD + و NADH هما نفس الشيء تقريبًا (مع بعض الاختلافات الصغيرة) ، مثل وجهين لعملة واحدة. ومع ذلك ، لا توجد كميات متساوية من NAD + إلى NADH. لا يزال يتعين على العلماء تحديد النسبة المثلى ، ناهيك عن التداعيات عند الاضطراب. هذا مهم بشكل متزايد حيث تم دفع NAD + إلى دائرة الضوء العلمية في السنوات الأخيرة.

NAD + مطلوب لحدوث العمليات البيولوجية الأساسية ، لكن الجسم لديه إمداد محدود ، حيث تنخفض مستويات NAD + مع تقدم العمر. ثانيًا ، يعد NAD + مطلبًا مهمًا لوظيفة sirtuins ، وهي مجموعة من البروتينات التي تشارك في العمليات الخلوية الحرجة ، بما في ذلك دعم التمثيل الغذائي الصحي وإنتاج الطاقة الخلوية. إذا لم يكن لدى sirtuins إمكانية الوصول إلى NAD + ، فلن يتمكنوا من العمل بشكل صحيح.

ومع ذلك ، يعتقد بعض العلماء أنه ليس بالضرورة أن يكون توافر NAD + هو الذي يمثل مشكلة ، ولكن نسبة NAD + إلى NADH. وذلك لأن النسبة تحدد مدى فعالية الخلية في إنتاج ATP ، أدينوسين ثلاثي الفوسفات - عملة الطاقة في الخلية.


علم الأحياء الفصل 3

بما أن K = 0.5 ، تصبح المعادلة 0.5 = [B] × [C] / [A].

ΔG = الطاقة الحرة (المنتجات) - الطاقة الحرة (المتفاعلات)

اختر واحدًا:
103
10-1
102
101

إنزيم آخر نشط أحيانًا ، يسمى الجلوكوز 6-فوسفاتاز ، ينعكس بشكل فعال ويمثل هذا التفاعل ، ويتحلل الجلوكوز 6-فوسفات مرة أخرى إلى الجلوكوز ويطلق الفوسفات. ΔG ° لهذا التفاعل هي -3.34 كيلو كالوري / مول.

بناءً على هذه القيم ، ما هي ΔG ° للتحلل المائي لـ ATP: ATP + H2O → ADP + Pi؟

يمكن كتابة رد الفعل & quotreverse & quot ، وهو تحلل مائي: الجلوكوز 6-فوسفات + H2O → الجلوكوز + Pi

عندما يتم اقتباس هذين التفاعلين معًا ، ينتجان: الجلوكوز + ATP + الجلوكوز 6-فوسفات + H2O →
جلوكوز 6 فوسفات + ADP + جلوكوز + Pi

نظرًا لوجود الجلوكوز والجلوكوز 6 فوسفات على جانبي هذه المعادلة ، فإنها تلغي ، تاركة:
ATP + H2O → ADP + Pi

لذلك ، يمكن حساب ΔG ° للتحلل المائي لـ ATP ببساطة عن طريق إضافة قيم ΔG ° للتفاعلين المعينين:


لماذا يستخدم NAD + للتنفس و NADP + لعملية التمثيل الضوئي؟ & # x27s الفرق؟

أنا لست عالم أحياء ، لذلك أنا متأكد من أن علماء الأحياء أو علماء الكيمياء الحيوية يمكنهم تقديم إجابات أفضل. ومع ذلك ، فأنا طالب طب ويمكنني أن أقدم لك بعض المعلومات التي أتذكرها من دراستي الخاصة.

يستخدم كل من NADH و NADPH في التفاعلات الكيميائية الحيوية في كل من النباتات والحيوانات. الأمر لا يشبه أن NADPH لا يُستخدم في الحيوانات. يعمل كل من NADH و NADPH على تقليل العوامل. ومع ذلك ، يتم استخدام NADH بشكل عام في التفاعلات التقويضية (حيث يتم تكسير الجزيئات) بينما يتم استخدام NADPH في التفاعلات الابتنائية (حيث يتم إنتاج جزيئات جديدة). في البشر ، المصادر الأساسية لـ NADH هي تحلل السكر ودورة حمض الستريك (تفاعلات تقويضية) والمصادر الأساسية لـ NADPH هي تحويلة البنتوز والفوسفات (و NADPH هو جزيء مهم لأكسدة الأحماض الدهنية وبعض إنزيمات الميتوكوندريا المهمة الأخرى).

أما "لماذا NADPH في الكلوروفيل؟" أراهن أن له علاقة كبيرة بالانتقاء التطوري. يبدو أنه ينتج عن إنزيم فيرودوكسين- NADP وهو إنزيم حساس للضوء. بصرف النظر عن الانغلاق في مسار معين بناءً على تاريخك التطوري ، فإن استخدام NADPH عبر NADH يمنح النباتات آلية فعالة لإنشاء عامل مساعد للتفاعلات الابتنائية. يمكنهم استخدام NADPH لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى جزيئات الجلوكوز (الانضمام إلى الكربون هو تفاعل ابتنائي). وبالتالي ، كان هناك بالتأكيد ضغط تطوري لاستخدام NADPH لأنه من خلاله ، يمكن للنباتات إنتاج كل من ATP والجلوكوز من خلال عملية التمثيل الضوئي.


ما هو NADPH؟

NADPH هو أنزيم نموذجي يعمل كناقل للإلكترون في العديد من عمليات النباتات. ويسمى أيضًا بتقليل قوة التفاعلات الكيميائية الحيوية. يوجد NADPH بتركيزات أعلى في الخلايا. يوفر الإلكترونات ويتأكسد ، والشكل المؤكسد لـ NADPH هو NADP +. يعمل NADPH بمثابة أنزيم للعديد من إنزيمات نازعة الهيدروجين.

الشكل 02: NADPH

علاوة على ذلك ، فإن NADPH قادر على الخضوع لتفاعلات تقليل الأكسدة العكسية. أكسدة NADPH مواتية من الناحية الديناميكية الحرارية. ومن ثم فهو رد فعل مفرط. في التفاعلات الابتنائية مثل تخليق الدهون والحمض النووي ، يعمل NADPH كعامل مختزل. في عملية التمثيل الضوئي ، يعمل NADPH كعامل اختزال في دورة كالفين لاستيعاب ثاني أكسيد الكربون2. الصيغة الكيميائية والكتلة الجزيئية لـ NADPH هي C21ح29ن7ا17ص3 و 744.42 جم · مول -1 على التوالي.


أداة مشفرة وراثيا لمعالجة NADP + / NADPH في الخلايا الحية

إن إنزيمات الأكسدة والاختزال NADH و NADPH مطلوبة على نطاق واسع لاستقلاب الطاقة والتخليق الحيوي وإزالة السموم. على الرغم من المعرفة التفصيلية للإنزيمات والمسارات المحددة التي تستخدم هذه الإنزيمات المساعدة ، فإن الفهم الشامل لتنظيم وتجزئة المسارات المعتمدة على NADH و NADPH غير موجود ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى نقص الأدوات التي يمكن من خلالها التحقيق في هذه العمليات في الخلايا الحية. لقد أبلغنا سابقًا عن استخدام ما يحدث بشكل طبيعي اكتوباكيللوس بريفيس ح2أوكسيديز NADH المكون O (رطلNOX) كأداة وراثية لمعالجة نسبة NAD + / NADH في الخلايا البشرية. هنا ، نقدم أوكسيديز النوكليوتيدات ثلاثي فسفوبيريدين (TPNOX) ، وهو متحولة مصممة ومهندسة بشكل عقلاني رطلأكاسيد النيتروجين الخاصة بـ NADPH. We characterized the effects of TPNOX expression on cellular metabolism and used it in combination with رطلNOX to show how the redox states of mitochondrial NADPH and NADH pools are connected.


شاهد الفيديو: Electron carrier molecules. Biomolecules. MCAT. Khan Academy (كانون الثاني 2022).