2020_Winter_Bis2A_Facciotti_Lecture_14 - علم الأحياء

We are searching data for your request:

Forums and discussions:

Manuals and reference books:

Data from registers:

Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أهداف التعلم المرتبطة بـ 2020_Winter_Bis2A_Facciotti_Lecture_14

حدد الإنزيم المساعد A ومجموعة الثيول المهمة وظيفيًا عن طريق فحص النموذج الجزيئي.
يميز بين التراكيب الجزيئية لـATP، NAD + ومساعد الإنزيم Aمن عندتمثيلات هياكلها الجزيئية.
ربط قدرة الإنزيم أ على التكونثيويسترمع مفاهيم وظيفتها المتمثلة في حمل مجموعات الأسيل "المنشطة".
اشرح الدور المركزي للأسيتيلشهادة توثيق البرامجفي استقلاب الكربون بما في ذلك تكوينه من مصادر مختلفة (نزع الكربوكسيل المؤكسد منالبيروفات,أكسدة الأحماض الدهنية و / أو التحلل التأكسدي لبعض الأحماض الأمينية) وكمصدر للكربون في كل من دورة TCA وتخليق الدهون.
قم بإنشاء قصة طاقة تشرح القيمة الوظيفية لأكسدة البيروفات وأهميتها في توليد اللبنات الأساسية للجزيئات الحيوية.
قم بإنشاء قصة طاقة لكل تفاعل في دورة TCA.
وصف وإعطاء مثال للدور التحفيزي الذي يمكن أن يلعبه المسار الدوري في حصاد الطاقة والتحويل البيني لأنواع الجزيئات.
بالنظر إلى الخرائط الأيضية لتحلل السكر ودورة TCA ، اتبع تدفق الإلكترونات منطاقةمصدر لالتليفون المحمولالناقل NADH واستخدام برج الأكسدة والاختزال المقدملوصف كمياتحولات الطاقة.

أكسدة البيروفات ودورة TCA

نظرة عامة على استقلاب البيروفات ودورة TCA

تحتملائمالظروف ، يمكن البيروفاتيتأكسد أكثر. أحد أكثر تفاعلات الأكسدة التي تمت دراستها والتي تشتمل على البيروفات هو تفاعل من جزأين يتضمن NAD⁺ وجزيء يسمىشارك-إنزيم A ، وغالبًا ما يتم اختصاره باسم "CoA". يؤكسد هذا التفاعل البيروفات ، ويؤدي إلى فقدان واحد من الكربون عن طريق نزع الكربوكسيل ، ويخلق جزيءًا جديدًا يسمى أسيتيل CoA. يمكن أن يدخل acetyl-CoA الناتج عدة مسارات للتخليق الحيوي للجزيئات الأكبر أو يمكن أن يتدفق إلى مسار آخر من التمثيل الغذائي المركزي يسمى دورة حمض الستريك ، والتي تسمى أحيانًا دورة كريبس ، أو دورة حمض الكربوكسيل (TCA). هنا ، يمكن أن يتأكسد الكاربونان المتبقيان في مجموعة الأسيتيل أو يعملان مرة أخرى كسلائف لبناء جزيئات أخرى مختلفة. نناقش هذه السيناريوهات أدناه.

المصائر المختلفة للبيروفات والمنتجات النهائية الأخرى لتحلل السكر

توقفت وحدة تحلل السكر مع المنتجات النهائية لتحلل السكر: 2 جزيئات بيروفات ، 2 ATPs و 2 جزيئات NADH. تستكشف هذه الوحدة والوحدة الخاصة بالتخمير ما يمكن أن تفعله الخلية باستخدام البيروفات ، و ATP ، و NADH الذيتم إنشاؤها.

مصير ATP و NADH

يمكن ATP

يستخدم

لمجموعة متنوعة من الوظائف الخلوية أو مقترنة بها بما في ذلك التخليق الحيوي ، والنقل ، والنسخ المتماثل ، وما إلى ذلك. سنرى العديد من هذه الأمثلة خلال الدورة التدريبية.

ماذا تفعل مع

NADH

ومع ذلك ، يعتمد على الظروف التي تنمو فيها الخلية. في بعض الأحيان ، ستختار الخلية إعادة تدوير NADH بسرعة إلى NAD⁺. يحدث هذا من خلال عملية تسمى التخمير. هذه العملية

يعود

الإلكترونات المأخوذة في البداية من مشتقات الجلوكوز إلى المزيد من المنتجات النهائية من خلال نقل أحمر / ثور آخر (موصوف بمزيد من التفصيل في الوحدة النمطية عن التخمير). بدلاً من ذلك ، يمكن لـ NADH إعادة التدوير مرة أخرى إلى NAD⁺ من خلال التبرع بالإلكترونات لشيء يعرف باسم سلسلة نقل الإلكترون (نغطي هذا في الوحدة الخاصة بالتنفس ونقل الإلكترون).

مصير البيروفات الخلوية

يمكن أن يكون البيروفات متقبلًا طرفيًا للإلكترون (إما بشكل مباشر أو غير مباشر) في التخميرتفاعلاتونناقش هذا في وحدة التخمير.
بيروفاتيمكن أن يفرزمن الخلية كمنتج نفايات.
يمكن بيروفاتيتأكسد أكثرلاستخراج المزيد من الطاقة المجانية من هذا الوقود.
يمكن أن يعمل البيروفات كمركب وسيط ثمين يربط بعض عمليات التمثيل الغذائي الأساسية لمعالجة الكربونالمسارات

مزيد من أكسدة البيروفات

في البكتيريا والعتائق التي تتنفس ، يتأكسد البيروفات في السيتوبلازم. في الخلايا حقيقية النواة التي تتنفس بالهواء ، تنقل الخلايا جزيئات البيروفات المنتجة في نهاية تحلل السكر إلى الميتوكوندريا. تحتوي مواقع التنفس الخلوي هذه على سلاسل نقل الإلكترون المستهلكة للأكسجين (ETC في الوحدة النمطية حول التنفس ونقل الإلكترون). تشترك الكائنات الحية من جميع مجالات الحياة الثلاثة في آليات مماثلة لزيادة أكسدة البيروفات إلى ثاني أكسيد الكربون₂. البيروفات الأولىيكونمنزوع الكربوكسيلوترتبط تساهميًا بـ شارك-إنزيم أ عبر أ ثيويستر الارتباط لتشكيل الجزيء المعروف باسم أسيتيل CoA. بينما يمكن أن يغذي acetyl-CoA العديد من المسارات البيوكيميائية الأخرى ، فإننا نعتبر الآن دوره في تغذية المسار الدائري المعروف باسم دورة حمض الكربوكسيل، يشار إليها أيضًا باسم دورة TCA، ال دورة حمض الستريك أو ال دورة كريبس. نحن بالتفصيل هذه العملية أدناه.

تحويل البيروفات إلى أسيتيل-شهادة توثيق البرامج

في رد فعل متعدد الخطواتمحفزًابواسطة إنزيم نازعة هيدروجين البيروفات ، البيروفاتيتأكسدبواسطة NAD⁺، منزوع الكربوكسيل ، ومرتبط تساهميًا بجزيء منشارك-إنزيم A عبر أ بوند ثيويستر. إن إطلاق ثاني أكسيد الكربون مهم هنا ، وغالبًا ما ينتج عن هذا التفاعل أ فقدان الكتلة من الخليةبصفته ثاني أكسيد الكربون₂ سوف ينتشر أويتم نقلهاخارج الخلية وتصبح نفايات. بالإضافة إلى ذلك ، تقلل الخلايا جزيء واحد من NAD⁺ إلى NADH خلال هذه العملية لكل جزيء من البيروفات يتأكسد. تذكر:هناكنكون اثنين يتم إنتاج جزيئات البيروفات في نهاية التحلل السكري لكل جزيء من الجلوكوز يتم استقلابه ؛هكذا، إذا كان كلا جزيئات البيروفاتتتأكسدإلى الأسيتيل-شهادة توثيق البرامجاثنان من الكربون الأصلي الستة سيتحولان إلى نفايات.

بحضور مناسب متقبل الإلكترون الطرفي، أسيتيلشهادة توثيق البرامجيسلم (يتبادل رابطة) مجموعة الأسيتيل الخاصة به إلى جزيء رباعي الكربون ، oxaloacetate ، لتكوين سترات (المعينة أول مركب في الدورة). هذه الدورةيسمىبأسماء مختلفة: دورة حمض الستريك (للحامض الوسيط الأول - حامض الستريك ، أو السترات) ، فإن دورة TCA (بما أن حامض الستريك أو السترات والأيزوسترات عبارة عن أحماض ثلاثية الكربوكسيل) ، و دورة كريبس، بعد هانز كريبس ، الذي حدد لأول مرة خطوات المسار في ثلاثينيات القرن الماضي في عضلات طيران الحمام.

الثلاثي الكربوكسيلدورة حمض (TCA)

تحدث تفاعلات البكتيريا والعتائق في دورة TCA عادةً في العصارة الخلوية. في حقيقيات النوى ، تحدث دورة TCA في مصفوفة الميتوكوندريا. جميع إنزيمات دورة TCA تقريبًا (وليس كلها) قابلة للذوبان في الماء (وليس في الغشاء) ، باستثناء واحد من إنزيم نازعة هيدروجين السكسينات ، والذيمضمنفي الغشاء الداخلي للميتوكوندريا (في حقيقيات النوى). على عكس تحلل السكر ، فإن دورة TCA عبارة عن حلقة مغلقة: الجزء الأخير من المسار يعيد توليد المركب المستخدم في الخطوة الأولى. الخطوات الثماني للدورة هي سلسلة من تفاعلات الأحمر / الثور ، والجفاف ، والترطيب ، ونزع الكربوكسيل التي تنتج جزيئين من ثاني أكسيد الكربون ، أحدهما ATP ، وأشكال مخفضة من NADH و FADH₂.

الشكل 2. في دورة TCA ، مجموعة الأسيتيل من الأسيتيلشهادة توثيق البرامجتلتصق بجزيء أوكسالو أسيتات رباعي الكربون لتكوين جزيء من ستة كربون سترات. من خلال سلسلة من الخطوات ،يتأكسد السترات، وإطلاق جزيئين من ثاني أكسيد الكربون لكل مجموعة أسيتيل يتم تغذيتها في الدورة.في العمليه، ثلاثة NAD⁺ الجزيئاتيتم تقليلهاإلى NADH ، واحدموضة عابرة⁺يتم تقليل الجزيءإلى FADH₂، وواحد ATP أو GTP (حسب نوع الخلية)ويتم إنتاج(عن طريق الفسفرة على مستوى الركيزة). نظرًا لأن المنتج النهائي لدورة TCA هو أيضًا المتفاعل الأول ، فإن الدورة تعمل باستمرار في وجود متفاعلات كافية.

الإسناد: "يكرزول"/ ويكيميديا كومنز (تم التعديل)

ملاحظة:
نحن نشير صراحة إلى حقيقيات النوى والبكتيريا والعتائق عندما نناقش موقع دورة TCA لأن العديد من طلاب علم الأحياء المبتدئين يربطون دورة TCA بالميتوكوندريا فقط. نعم ، تحدث دورة TCA في الميتوكوندريا للخلايا حقيقية النواة. ومع ذلك ، فإن هذا المسار لا يقتصر على حقيقيات النوى ؛هو - هييحدث في البكتيريا والعتائق أيضا!

خطوات دورة TCA

خطوة1:

الخطوة الأولى من الدورة هي تفاعل تكثيف يتضمن مجموعة أسيتيل ثنائية الكربون من الأسيتيل-شهادة توثيق البرامجمع جزيء واحد من أربعة كربون من oxaloacetate. نواتج هذا التفاعل هي جزيء ستة كربون سترات وخاليةشارك-انزيم أ. هذه الخطوةيعتبرلا رجعة فيه لأنها شديدة الطاقة. يتحكم تركيز ATP في معدل رد الفعل هذا من خلال ردود الفعل السلبية. إذا زادت مستويات ATP ، ينخفض معدل هذا التفاعل. إذا كان لدى ATP نقص في العرض ، يزداد المعدل. إذا لم يكن الأمر كذلك بالفعل ، فسوف يتضح السبب قريبًا.

الخطوة 2:

في الخطوة الثانية ، يفقد السترات جزيء ماء ويكتسب آخر بينما يتحول السترات إلى أيزوميرها ، أيزوسيترات.

خطوة3:

في الخطوة الثالثة ، isocitrateيتأكسدبواسطة NAD⁺ و منزوعة الكربوكسيل. تتبع الكربون! هذا الكربون يترك الخلية الآن على الأرجح كنفايات ولم يعد متاحًا لبناء جزيئات حيوية جديدة. لذلك ينتج عن أكسدة الأيزوسترات جزيء من خمسة كربون ،α-كيتوجلوتارات ، جزيء من أول أكسيد الكربون₂ و NADH. هذه الخطوةمنظم أيضًامن خلال ردود الفعل السلبية من ATP وNADH,وعبر ردود الفعل الإيجابية من ADP.

خطوة4:

الخطوة 4محفزًابواسطة إنزيم نازعة هيدروجين السكسينات. هنا،αيتأكسد-كيتوجلوتارات بواسطة NAD⁺. تؤدي هذه الأكسدة مرة أخرى إلىأنزع الكربوكسيل وبالتالي فقدان كربون آخر كنفايات. وبالتاليبعيددخل اثنان من ذرات الكربون في الدورة من acetyl-CoA وغادر اثنان على شكل CO₂. في هذه المرحلة ، لا يوجد ربح صافٍ للكربون المستوعب من جزيئات الجلوكوزتتأكسدلهذه المرحلة من التمثيل الغذائي. على عكس الخطوة السابقة ، إلا أن هيدروجيناز السكسينات - مثل نازعة هيدروجين البيروفات قبله - يقرن الطاقة الحرة لتفاعل الأحمر / الثور ونزع الكربوكسيل لدفع تكوين رابطة thioester بين الركيزةشارك-إنزيم أ والسكسينات (ماذاتبقىبعد نزع الكربوكسيل). نازعة هيدروجين السكسيناتمنظمعن طريق تثبيط التغذية المرتدة لـ ATP و succinyl-CoA و NADH.

مناقشة ملحوظة محتملة نقطة

لقد رأينا عدة خطوات في هذا المسار وغيرهمنظمةمن خلال آليات التغذية الراجعة allosteric. لماذا هو مهم جدا ليكون قادرا علىتنظيم العمليات الخلوية فيسياقالأيض؟ هل هناك شيء(ق) مشتركة بين هذه الخطوات المنظمة في دورة التحليل الحراري الكبيبي (TCA)؟ لماذا قد تكون هذه الخطوات خطوات جيدة للتنظيم على وجه الخصوص؟

خطوة5:

في الخطوة الخامسة ، يحدث حدث الفسفرة على مستوى الركيزة. هنا ، فوسفات غير عضوي (P._أنا)يضافإلى الناتج المحلي الإجمالي أو ADP لتشكيل GTP (مكافئ ATP لأغراضنا) أو ATP. تأتي الطاقة التي تحرك حدث الفسفرة على مستوى الركيزة هذا من التحلل المائي لـشهادة توثيق البرامججزيء منسكسينيل~شهادة توثيق البرامجلتشكيل السكسينات. لماذا يتم إنتاج GTP أو ATP؟ يوجد في الخلايا الحيوانية نوعان من الإنزيمات المتساوية (مختلفةأشكال منإنزيم يقوم بنفس التفاعل) ، في هذه الخطوة ، اعتمادًا على الأنسجة الحيوانية التي نجد فيها تلك الخلايا. نجد أنزيمًا واحدًا في الأنسجة التي تستخدم كميات كبيرة من ATP ، مثل عضلات القلب والهيكل العظمي. هذا isozyme ينتج ATP. نجد الإنزيم الثاني من الإنزيم في الأنسجة التي لها العديد من المسارات الابتنائية ، مثل الكبد. ينتج هذا isozyme GTP. GTP مكافئ من الناحية النشطة لـ ATP ؛ ومع ذلك ، فإن استخدامه مقيد أكثر. على وجه الخصوص ، تستخدم عملية تخليق البروتين بشكل أساسي GTP. تنتج معظم الأنظمة البكتيرية GTP في هذا التفاعل.

الخطوة السادسة:

الخطوة السادسة هي أحمر / ثور آخرتفاعلاتفيه سكسيناتيتأكسدبواسطة FAD⁺ في فومارات.يتم نقل ذرتين من الهيدروجينإلى FAD⁺، إنتاج FADH₂. الفرق في إمكانية الاختزال بين فومارات / سكسينات و NAD⁺/ ردود فعل نصف NADH لا تجعل NAD⁺ كاشف مناسب لأكسدة السكسينات مع NAD⁺ تحت الظروف الخلوية. ومع ذلك ، فإن الاختلاف في إمكانية الخفض مع FAD⁺/ FADH₂ نصف التفاعل كافٍ لأكسدة السكسينات وتقليل FAD⁺. على عكس NAD⁺، موضة عابرة⁺ يبقى مرتبطًا بالإنزيم وينقل الإلكترونات إلى سلسلة نقل الإلكترون مباشرة. تقوم الخلية بهذه العمليةالمستطاعمن خلال توطين الإنزيم الذي يحفز هذه الخطوة داخل الغشاء الداخلي للميتوكوندريا أو غشاء البلازما (اعتمادًا على ما إذا كان الكائن المعني حقيقي النواة).

خطوة7:

ماءيضافللتخدير خلال الخطوة السابعة ، ومالاتويتم إنتاج. تقوم الخطوة الأخيرة في دورة حمض الستريك بتجديد أوكسالو أسيتات بواسطةمؤكسدmalate مع NAD⁺.جزيء آخر منNADHويتم إنتاج.

ملخص

لاحظ أن هذه العملية (أكسدة البيروفات إلى أسيتيل-شهادة توثيق البرامجمتبوعًا بـ "منعطف" واحد من دورة TCA) يؤدي إلى أكسدة جزيء واحد من البيروفات ، وهو عبارة عن 3 حمض عضوي كربون ، إلى 3 جزيئات من ثاني أكسيد الكربون₂. بشكل عام ، 4 جزيئات من NADH ، 1 جزيء من FADH₂، وجزيء واحد من GTP (أو ATP)يتم إنتاجها أيضًا. بالنسبة للكائنات التي تتنفس ، يعد هذا أسلوبًا مهمًا لاستخراج الطاقة ، نظرًا لأن كل جزيء من NADH و FAD₂ يمكن أن تتغذى مباشرة في سلسلة نقل الإلكترون ، وكما سنرى قريبًا ، فإن تفاعلات الأحمر / الثور اللاحقةهي التي تحركمن خلال هذه العملية ستعمل بشكل غير مباشر على تقوية تخليق ATP. تشير المناقشة حتى الآن إلى أن دورة TCA هي في الأساس مسار لاستخراج الطاقة ؛ تم تطويره لاستخراج أو تحويل أكبر قدر ممكن من الطاقة الكامنة من الجزيئات العضوية إلى شكل يمكن أن تستخدمه الخلايا ، ATP (أو ما يعادله) أو غشاء نشط. لكن - ودعونا لا ننسى - النتيجة المهمة الأخرى لتطوير هذا المسار هي القدرة على إنتاج العديد من السلائف أو جزيئات الركيزة اللازمة لتفاعلات تقويضية مختلفة (يوفر هذا المسار بعض اللبنات الأولية لتكوين جزيئات أكبر). كما سنناقش أدناه ، هناك صلة قوية بين استقلاب الكربون واستقلاب الطاقة.

وصلات لتدفق الكربون

إحدى الفرضيات التي اكتشفناها في هذه القراءة وفي الفصل الدراسي هي فكرة أن "التمثيل الغذائي المركزي" تطور لتوليد سلائف الكربون للتفاعلات التقويضية. تنص فرضيتنا أيضًا على أنه مع تطور الخلايا ، أصبحت هذه التفاعلات مرتبطة بمسارات: تحلل السكر ودورة TCA ، لتعظيم فعاليتها للخلية. يمكننا أن نفترض أن أ فائدة جانبية لتطوير هذا المسار الأيضي كان توليد NADH من الأكسدة الكاملة للجلوكوز - رأينا بداية هذه الفكرة عندما ناقشنا التخمير. لقد ناقشنا بالفعل كيف أن تحلل الجلوكوز لا يوفر فقط ATP من الفسفرة على مستوى الركيزة ولكنه ينتج أيضًا شبكة من 2 جزيئات NADH و 6 سلائف أساسية: الجلوكوز 6-P ، الفركتوز-6-P ، 3-فوسفوغليسيرات ، فسفوينول بيروفات ، والبيروفات. بينما ATP يمكنيستخدمبواسطة الخلية مباشرة كمصدر للطاقة ، يطرح NADH مشكلة ويجبيمكن إعادة تدويرهاالعودة إلى NAD⁺، للحفاظ على توازن المسار. كما نرى في وحدة التخمير ، فإن أقدم طريقة تتعامل بها الخلايا مع هذه المشكلة هي استخدام تفاعلات التخمير لتجديد NAD⁺.

أثناء عملية أكسدة البيروفات عبر دورة TCA ،يتم تشكيل 4 سلائف أساسية إضافية:الأسيتيل ~شهادة توثيق البرامج,α- كيتوجلوتارات ، أوكسالو أسيتات ، وسكسينيل~شهادة توثيق البرامج. ثلاثة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون₂ضاع، وهذا يمثل خسارة صافية لكتلة الخلية. ومع ذلك ، فإن هذه السلائف هي ركائز لمجموعة متنوعة من التفاعلات التقويضية بما في ذلك إنتاج الأحماض الأمينية والأحماض الدهنية ومختلفشارك- العوامل ، مثل الهيم. هذا يعني أن معدل التفاعلات خلال دورة TCA سيكون حساسًا لتركيزات كل منها وسيط التمثيل الغذائي (المزيد عنالديناميكا الحراريةفي الفصل). وسيط التمثيل الغذائي هو مركبويتم إنتاجمن خلال تفاعل واحد (منتج) ثم يعمل كركيزة للتفاعل التالي. هذا يعني أيضًا أن المركبات الأيضية الوسيطة ، ولا سيما السلائف الأساسية الأربعة ، يمكنيتم إزالتهلتقويضيتفاعلات،إذا كان هناك طلب ، فإن تغييرالديناميكا الحراريةمن الدورة.

مناقشة ملحوظة محتملة نقطة

قليلا من الوسيطة دورة TCA ، خاصة الجلوتامات والسكسينيل-شهادة توثيق البرامج,يتم تحويلهابعيدًا عن دورة TCA لردود الفعل الأخرى.ما لم يتم عمل شيء ماحول هذا الموضوع ، يمكن أن يترك هذا دورة TCA مع عدد قليل جدًا من الوسطاء للعمل بفعالية. إما من خلال خيالك الخاص أو الدراسة الخارجية (تلميح: ابحث "anapleuroticردود الفعل "مع محرك بحث) تصف كيف يمكن أن تحدث هذه المشكلةتم حلها.ما هو المطلوبليحدث هذا؟ كمتابعة ، يمكنك أيضًا محاولة شرح ما قد تحتاجه لتشغيل دورة TCA للخلف. تحتاج العديد من الكائنات الحية للقيام بذلك.ما هو المطلوبليحدث هذا وتحت أي ظروف قد يكون مفيدًا؟ ابحث عن "دورة كريبس المختزلة" عن العملاء المتوقعين.