Hoofdstuk 8 Enzymen: de grondbeginselen De

Hoofdstuk 8
Enzymen: de grondbeginselen
De lichtproductie in kwallen is een voorbeeld van
energie-omzettingen die door een enzym wordt
gekatalyseerd.
Samenvatting hoofdstuk 8
• enzymen zijn krachtige en specifieke katalysatoren
• met behulp van het concept vrije energie zijn enzym
gekatalyseerde reacties te doorgronden
• enzymen versnellen reacties door de
overgangstoestand te stabiliseren
• met behulp van het Michaelis-Menten model zijn de
kinetische eigenschappen van veel enzymen te
beschrijven
• enzymen kunnen specifiek geremd (gereguleerd)
worden
Enzymes zijn specifieke katalysatoren (8.1)
De peptide binding is thermodynamisch labiel maar
kinetisch zeer stabiel (half-waardetijd 1000 jaar).
De reactie die gekatalyseerd wordt
door een proteolytisch enzym
De specificiteit van enzymen
Trypsine en thrombine zijn
beide proteases.
Trypsine
• Trypsine breekt eiwitten in
de darmen af.
• Thrombine werkt alleen in
op één eiwit: fibrinogeen.
Thrombine zet fibrinogeen
in het bloed om in fibrine
dat vervolgens
polymeriseert en een
stolsel vormt.
Thrombine
Voorbeeld hoe bij de serine proteases de
substraatspecificiteit tot stand komt
Figuur 9-13
Splitsing na: grote aromatische zijketens (Phe, Trp, Tyr); lange
positief geladen zijketens (Lys, Arg); kleine apolaire zijketens (Ala,
Gly, Val)
Enzymen zijn krachtige katalysatoren (8.1)
Waarom wordt een reactie die normaal ook spontaan
verloopt toch gekatalyseerd door een enzym?
HCO3- + H+
De reactie die door koolzuur anhydrase wordt
gekatalyseerd
Fysiologische rol koolzuur anhydrase
pH < 7
pH ~ 7.4
[Figuur 7.22]
Koolstofdioxide wordt in de rode bloedcel gehydrateerd. Het
gevormde bicarbonaat wordt uitgewisseld voor chloride en zo via
het bloed naar de longen vervoerd. Het CO2 en de verlaging van
de pH stimuleren de afgifte van zuurstof van hemoglobine tot
90% van zijn maximale transportcapaciteit.
Koolzuuranhydrase is een van de snelste enzymen.
Elk enzymmolecuul kan per seconde 106 CO2
moleculen per seconde hydrateren. De katalytische
cyclus wordt in een-miljoenste seconde doorlopen.
Veel enzymen hebben een cofactor nodig voor hun
activiteit
Apoenzyme + cofactor = holoenzyme
Cofactoren die uit (kleine)
organische moleculen bestaan
noemt men coenzymen.
Als het coenzymen stevig
gebonden is noemt men deze
een prosthetische groep.
Wanneer het coenzym alleen
tijdens de katalyse gebonden is
noemt men deze een
cosubstraat.
Metalen zoals Zn en Ni zijn altijd
stevig gebonden.
cofactor
metalen
coenzym
prosthetische
groep
cosubstraat
Animatie
De
covalent
gebonden
cofactor,
pyridoxal
Zink,
een covalent
gebonden
cofactor
aan het
fosfaat,
die een prosthetische
enzym (coenzym)
koolzuur anhydrase
groep is van het enzym glycogeen fosforylase
Het reactiemechanisme van koolzuur anhydrase
Reactie 1: door
binding aan
zink wordt de
pKa van water
verlaagd van
15.7 naar 7
Enzymen kunnen energie in een andere
vorm omzetten
• Fotosynthese: licht(energie) in een chemische binding
(NADPH en ATP). Uiteindelijk in gereduceerde
koolstofverbindingen (glucose, vetzuren).
• In mitochondriën wordt energie aanwezig in voedsel via
redoxreacties omgezet in een ionengradiënt die wordt
gebruikt om ATP uit ADP en fosfaat te vormen.
• De bruikbare vrije energie die in ATP aanwezig is, wordt
door enzymen gebruikt voor de contactie van spieren, voor
actief transport van moleculen of voor de synthese van
moleculen.
Vrije energie is een bruikbare thermodynamische
functie om enzym-gekatalyseerde reacties te begrijpen
(8.2)
Het vrije energie-verschil tussen de producten en de
substraten bepaalt de richting van de reactie (ΔG).
De reactie: A + B
C+D
[C ].[ D]
ΔG = ΔG + RT ln
[ A].[ B]
0
[C ].[ D]
ΔG = ΔG + RT ln
[ A].[ B]
'0
'
Bij evenwicht geldt:
Het ' geeft pH 7 aan
[C ].[ D]
ΔG = 0 = ΔG + RT ln
[ A].[ B]
0'
'
'0
'
ΔG = − RT ln K eq
R = gas constante = 8.315 10-3 kJ. mol-1. K-1
T = temperatuur in K, 25 °C = 298 °K
ln x = 2.303 log x
Samen wordt RTlnx = 5.71logx
'
0'
log K eq = ΔG / − 5.71
[C ][ D]
− ΔG 0' / 5.71
= 10
K eq =
[ A][ B ]
'
Wanneer Δ G0' = -5.71 kJ.mol-1, dan verschuift
het evenwicht met een factor 10 naar rechts!!!
Waterstofbindingen hebben een energie-inhoud
varierend van 4 tot 20 kJ.mol-1
De glycolyse (figuur 16-2)
De omzetting van dihydroxyaceton
fosfaat naar glyceraldehyde 3-fosfaat
wordt nader thermodynamisch
bekeken.
Bereken het vrije energie verschil voor de
isomerisatie van DHAP naar GAP
In evenwicht is de verhouding
GAP/ DHAP 0.0475 bij 25 °C en
pH 7. De standaard vrije
energie wordt dan:
• ΔG0' = -2.303 x R x T x log K'eq
= -2.303 x 8.315 x 10-3 x 298
x log (0.0475) = 7.55 kJ mol-1
• Conclusie: de reactie is onder
standaard condities een
endotherme reactie.
• Wat gebeurt er wanneer de cellulaire concentraties
worden gebruikt in de berekening?
• DHAP = 2 x 10-4 M en GAP = 3 x 10-6 M?
• ΔG' = 7.55 + 2.303 x RTlog([GAP]/[DHAP])
= 7.55 + 5.71 log(3x10-6/2x10-4)
= 7.55 + 5.71 log (1.5x10-2)
= 7.55 – 10.42
= -2.87 kJ mol-1
• The reaction is exotherm.
De ΔG en niet de ΔG0 bepaalt of een
reactie kan verlopen of niet.
Enzymen versnellen reacties door de vorming van
de overgangstoestand te bevorderen (8.3).
v = factor x [s] x
ǂ/RT
-ΔG
e
RT = 2.47 kJ.mol-1
e-5.71/2.47 = e-2.312 = 0.1
Het vrije energie
verschil tussen de
producten en dat van
de substraten bepaalt
de richting van de
reactie (ΔG).
Het vrije energieniveau van de overgangstoestand
bepaalt de snelheid van de reactie (ΔG‡).
• Wanneer de overgangstoestand met 5.71 kJ.mol-1 wordt
gestabiliseerd, wordt de snelheid vertienvoudigd.
• Naast het stabiliseren van de overgangstoestand kan ook
de vorming van het enzym-substraatcomplex een
specifieke reactie mogelijk maken.
Figuur 9.38
en 9.42
De extra bindingsenergie die bij een specifieke binding vrijkomt
wordt gebruikt om de DNA dubbelhelix te buigen waardoor water de
fosfodiesterbinding kan bereiken en hydrolyseren.
De vorming van een enzym-substraat complex
is de eerste stap in de enzymatische katalyse
k2
k1
E+S
ES
E+P
k-1
k-2
De vorming van een
enzym-substraatcomplex
(ES)
De drie-dimensionale
structuur van de katalytische
subunit van protein A
kinase. De remmer bevat
een pseudosubstraat
sequentie
Arg-Arg-X(Asn)-Ala(Ser,Thr)-Ile
Eigenschappen van het katalytisch centrum
van een enzym
• Het katalytisch centrum is een drie-dimensionale inkeping
of gat in het enzymoppervlak
• De aminozuurzijketens die betrokken zijn bij de binding van
de substraten worden katalytische groepen genoemd
• Het katalytisch centrum neemt een relatief klein deel van
het totale volume in van een enzym
• De substraten worden via meerdere zwakke reversibele
interacties gebonden
• De specificiteit van de binding wordt door de ruimtelijke
orientatie van atomen in het katalytisch centrum bepaald
• Enzymen zijn flexibel en het actief centrum kan gevormd
worden door de binding van substraten (induced fit), extra
vrije energie komt verkregen door gebonden water vrij te
maken
Ribbon diagram (A) and a schematic
representation of the primary structure of
lysozyme (B)
The active site can be formed by amino acid residues
from different parts of the polypeptide chain
Substrates are bound by
multiple weak
interactions:
• electrostatic interactions
• hydrogen bonds
• van der Waals forces
• hydrophobic interactions
Three hydrogen bonds ~ 3 x -8.4
= - 25.11 kJ.mol-1. Change in
equilibrium about 25000 times
'
K eq = 10
− ΔG 0' / 5.71
-CH3
group in
thymine
Hydrogen bonds between
ribonuclease (enzyme) and
the uridine component of its
substrate induce a high
degree of specificity
= 10 25.11 / 5.71 = 25808
Enzyme kinetics: the Michaelis-Menten model (8.4)
• The study of the rates of chemical reactions is
called kinetics.
• The study of the rates of enzyme-catalyzed
reactions is called enzyme kinetics.
• A kinetic description of enzyme activity (v) will help
understand how enzyme functions.
Rate of a chemical reaction
[S]
k
[P]
rate (v) = - afname [S]/Δt = k x [S]; k = rate constant
Rate of an enzyme catalyzed reaction
The formation of an enzyme-substrate complex
is followed by product formation
k1
E+S
k2
ES
k-1
E+P
k-2
The rate the reaction is the rate of product formation
Determination of the rate as a function
of the substrate concentration
k2
k1
E+S
ES
k-1
E+P
k-2
The initial velocity (V0) is determined under steady
state conditions
Michaelis-Menten kinetiek: de formules
E+S
k1
ES
k2
k-1
Omdat de beginsnelheid uitgezet
wordt is k-2 nul.
v0 = Vmax [S]/([S] + KM)
KM = (k2 + k-1)/k1
Vmax = k2 [ET]
Vmax = kcat [ET]
E+P
v = k2[ES]
The significance of KM (KM = (k2 + k-1)/k1)
• KM values vary between 10-7 M en 10-1 M
• KM value is the substrate concentration with half of
the binding sites occupied (half maximal velocity)
• The KM value is an indication of the substrate
concentration in vivo
The significance of kcat
- kcat of an enzyme is the number of substrate
molecules that is converted per second into
product per enzyme molecule under saturating
substrate concentrations
- kcat is also called the turnover number.
Vmax = kcat[ET]
- kcat is a direct measure of the catalytic capacity of
an enzyme under saturating substrate
concentrations
- 1/kcat is time of a complete catalytic cycle.
Most biochemical reactions include multiple
substrates
• Sequential reactions
Ternary complex
Most biochemical reactions include multiple
substrates
• Double-displacement (Ping-Pong) reactions
Allosteric enzymes do not obey Michaelis-Menten
kinetics
M-M kinetics
Allosteric kinetics
Enzymes can be inhibited by specific molecules (8.5)
Distinction between competitive, uncompetitve and
noncompetitive inhibition (reversible inhibition)
Competitive, uncompetitive and
noncompetitive inhibition are kinetically
distinguishable
Competitive
Uncompetitive
Noncompetitive
Chapter 15
Metabolism: Basic Concepts and Design
Outline of chapter 15
• Metabolism is composed of many coupled and
interconnected reactions
• ATP is the universal currency of free energy in
biological systems
• The oxidation of carbon fuels is an important source
of cellular energy (redox reactions)
• Metabolic pathways contain many recurring motifs
(the unifying themes of biochemistry)
Living organisms require a continual input of free
energy for:
• the performance of mechanical work in
muscles and other cellular movements
• active transport of molecules and ions
• the synthesis of macromolecules
The free energy is derived from:
• Sunlight: phototrophs are trapping sunlight
in photosynthesis (conversion of energy-poor
molecules like CO2 into energy-rich
molecules like fatty acids and sugars).
• Oxidation of compounds (foodstuffs):
chemotrophs oxidize (carbon) compounds.
Foodstuffs are generated by phototrophs.
Metabolism is composed of many coupled and
interconnected reactions (15.1)
An example of a metabolic pathway: glycolysis.
The free energy of the overall process must be
negative.
All reactions are catalyzed by enzymes.
The activity of the glycolysis is regulated.
Glucose metabolism in humans
•Glucose is metabolized to pyruvate in 10
linked reactions.
•Under anaerobic conditions pyruvate is
metabolized to lactate (2 ATP).
•Under aerobic conditions pyruvate
oxidized to CO2 and H20 via acetyl CoA
and the TCA cycle and respiratory chain
(30 ATP).
Free energy of metabolites of glycolysis in
red blood cells
-
-
-
-
[ADP] = 138 μM
[ATP] = 1850 µM
Tabel 16.1 uit
Biochemistry
bevat de vrije
energie
veranderingen van
de reacties van de
glycolyse onder
fysiologische
condities
Metabolic pathways can be divided into:
• Catabolic reactions: catabolism: fuels
(carbohydrates, fats)
CO2 + H2O + useful
energy
• Anabolic reactions: anabolism: useful energy +
small molecules
complex molecules
• Some pathways can be either anabolic or catabolic,
depending on the energy conditions of the cell.
They are referred to as amphibolic pathways
De citroenzuurcyclus als amfibole route
De citroenzuurcyclus wordt gebruikt om acetyl-groepen af te
breken (katabolisme), maar dient ook als bron voor biosynthese
(anabolisme).
De omzetting van pyruvaat naar oxaloacetaat is hiervoor vereist.
Een anaplerotische reactie
Een belangrijke reactie in de vorming van glucose uit aminoen ketozuren is de carboxylering van pyruvaat tot
oxaloacetaat. Deze reactie is gekoppeld aan ATP hydrolyse
en wordt gekatalyseerd door het biotine bevattende enzym
pyruvaat carboxylase. De door pyruvaat carboxylase
gekatalyseerde reactie verloopt in drie stappen:
1) HCO3- + ATP
HOCO2-PO32- + ADP
2) Biotine-enzym + HOCO2-PO32-
CO2-biotine-enzym + Pi
3) CO2-biotine-enzym + pyruvaat
oxaloacetaat
biotine-enzym +
Pyruvaat carboxylase
Het ATP-grasp domein activeert CO2, het geactiveerde CO2 wordt
overgedragen naar het biotine (domein) en het centrale domein
katalyseert de carboxylering van pyruvaat (Fig 16.23, 24 en 25).
Somreactie:
Pyruvaat + HCO3- + ATP
oxaloacetaat + ADP + Pi + H+
• De overall reactie heeft een standaard vrije energie van 0.8
kJ. mol-1.
• De hydrolyse van ATP tot ADP en Pi heeft een standaard
vrije energie van -31.4 kJ. mol-1. Een groot deel van de vrije
energie wordt gebruikt om carboxyfosfaat te maken. Hiermee
kan CO2 aan biotine worden gebonden. Geactiveerd CO2
(Carboxybiotine).
• De splitsing van CO2 van het CO2-biotine-enzym complex
heeft een standaard vrije energie van -19.3 kJ. mol-1. Dit
hoog energetisch intermediair wordt gebruikt om pyruvaat te
carboxyleren.
• Welk belangrijk principe wordt door pyruvaat carboxylase
gedemonstreerd?
ATP hydrolysis drives metabolism or can perform
work by shifting the equilibrium of coupled
reactions
A
B
ΔG0' = + 16.7 kJ mol -1
K'eq = [Beq]/[Aeq] = 10 - ΔG0'/5.71 = 1.19 x 10-3 = 1 / 841
At equilibrium 841 molecules of A and 1 molecule B or a
protein in conformatie A or B!!
Coupled with ATP hydrolysis (ΔG0' = -30.6 kcal mol -1)
B + ADP + Pi + H+
A + ATP + H2O
(ΔG0' = 16.7 – 30.6 = -13.9 kJ mol -1)
K'eq = [Beq]/[Aeq] x ([ADP]eq [Pi]eq)/[ATP]eq
= 10 - ΔG0'/5.71 = 2.72 x 102 M-1
The ATP-generating system in the cells maintains the
ATP]/[ADP][Pi] ratio around 500 M-1. With this ratio is the
equilibrium between A and B is shifted further towards excess B.
K'eq x [ATP]cel/([ADP]cel [Pi]cel)= [Beq]/[Aeq]
[Beq]/[Aeq] = 2.72 x 102 x 500 = 1.36 x 105
Thus by coupling with ATP hydrolysis the ratio [A]/[B] shifts from
A 841
1
=
to
B
1 136000
Why is ATP an energy-rich molecule?
ΔG0’ = - 30.6 kJ/mol
• ATP + H2O
ADP + Pi + H+
• ADP + H2O
AMP + Pi + H+
• AMP + H2O
adenosine + Pi + H+ : ΔG0’ = -14.3 kJ/mol
:
:
ΔG0’ = - 30.6 kJ/mol
The structural basis of the high phosphoryl
transfer potential of ATP
•Resonance stabilization
•Electrostatic repulsion
•Stabilization of
phosphate by hydration
3x
2x
2x
Free phosphate (4x) has more energetic favorable resonance
structures compared with the terminal phosphate of ATP or ADP
Naast ATP zijn er nog meer verbindingen
met fosforyl-transfer potentiaal
Alle verbindingen boven ATP zijn in staat ATP te vormen uit ADP door
een fosforyl-overdracht. Daaronder kunnen gevormd worden door ATP
hydrolyse. ATP kan efficient als intermediair in de fosforyl-transfer
functioneren.
The amount of ATP is limited.
ATP is continuously regenerated
• 100 g ATP in your
body
• In rest 40 kg turnover
in 24 hours. Turnover
3.6 min
• Running: 500 g / min.
Turnover 0.2 min
The ATP-ADP cycle
De oxidatie van
organische
verbindingen met
behulp van O2 is de
enige bron van
cellulaire energie
voor dieren maar niet
voor
microorganismen
(15.3)
Fig. 5-23
Prescot
Fermentation
Electron
acceptors
Organic compound Carbon flow in respirations CO2
Electron transport/
Proton motive force
Biosynthesis
S0 NO3–
SO42−
Organic e–
acceptors
O2
Aerobic respiration
Anaerobic respiration
Chemoorganotrophy
Inorganic compound
CO2
Electron transport/
Proton motive force
Electron
acceptors
S0
O2
NO3– SO42−
Carbon
flow
Biosynthesis
Chemolithotrophy
Photoheterotrophy
Organic
compound
Carbon
flow
Biosynthesis
Phototrophy
Light
Electron
transport
Proton
motive
force
Photoautotrophy
CO2
Carbon
flow
Biosynthesis
Free energy of oxidation of single carbon
compounds
In aerobic organisms the electron acceptor in the oxidation
of carbon and hydrogen is O2 and the oxidation products
are CO2 and H2O
Fats are more efficient fuel source than
carbohydrate because carbon is more
reduced
Waarom bevatten gereduceerde moleculen
meer vrije energie dan geoxideerde
moleculen?
CH4 + 2O2
CO2 + 2H2O + warmte
• Het zijn de bindingselectronen die van koolstof en
waterstof naar zuurstof gaan. Hierbij komt vrije
energie vrij. Zuurstof is electronegatiever dan
waterstof en koolstof.
• Van C-H naar O-H levert 4 x 50 = 200 kJ.mol-1
• Van O=O naar C=O levert 2 x 307 = 614 kJ.mol-1.
De totale reactie warmte = - 814 kJ.mol-1
Stages in the
extraction of
cellular energy
from foodstuffs,
mainly reducing
equivalents
8 e- = 3 x NADH,
1 x FADH2
Extraction of free energy in the form of ATP
from fuel molecules
• In catabolism, some ATP is generated (substrate
level phosphorylation), but most of the free energy is
temporary stored in the reducing equivalents
extracted from fuel molecules.
• The reducing equivalents are transferred to NAD+
and FAD. NADH and FADH2 are formed.
• Reducing equivalents are transferred to an electron
transport chain, a respiratory chain.
• Free energy is stored in a proton gradient that
drives the synthesis of ATP.
Oxidation can be coupled directly to ATP synthesis
De overgang van
een C-H naar een
C-OH binding
produceert
58.6 kJ . mol-1
HAsO42-
Energy of oxidation
is trapped as a
high phosphoryltransfer-potential
compound and
then used to form
ATP
1-arseno, 3-fosfo glyceraat is niet stabiel. De arsenaatgroep hydrolyseert snel.
Electron transport chains generates ion gradients
across membranes providing an important form of
cellular energy that can be coupled to ATP synthesis
NADH, FADH2
The total process is called oxidative phosphorylation
High-energy electrons: redox potentials and
free-energy changes
-
The relation between a
redox potential change
and the free energy
change of a reactions
is:
ΔG = −nFΔE
'
'
ΔG = − nFΔE
0'
'
0
F = 96.49 kJ.V-1.mol-1
Redox
potential
+
Redox potential (ΔE) and free energy (ΔG)
• A 1.14-volt potential difference between
NADH and O2 drives electron transport
through the respiratory chain. This electron
transport is coupled to the formation of a
proton gradient
(ΔG0' = -2 x 96.49 x 1.14 = -220 kJ.mol-1)
• A strong reductant has a negative reduction
potential, a strong oxidizing agent has a
positieve reduction potential
E0′ (V)
Redox couple
Fig. 5-10, Prescot
-0.60
-0.50
-0.40
Standard reduction
potentials of biological
important reactions
-0.30
(1)
-0.20
-0.10
0.0
+0.10
(2)
+0.20
+0.30
+0.40
Mens:
NADH + H+ + ½ O2 NAD+ + H2O ΔG0' = -220 kJ
FADH2 + ½ O2
FAD + H2O ΔG0' = -201kJ
+0.50
+0.60
+0.70
(3)
+0.80
+0.90
(1) H2 + fumarate
−
(2) H2 + NO3
(3) H2 +
1
2
O2
2−
succinate
−
2−
∆G0 ′ = –86 kJ
NO2 + H2O
∆G0 ′ = –163 kJ
H2O
∆G0 ′ = –237 kJ
The mitochondrial electron transport chain,
bacterial respiratory chains function essential
similar
ATP synthesis from a proton gradient
Hoe werkt het ATP synthase
enzym?
Toevoegen van ADP en fosfaat geeft ATP dat
zeer stevig aan het ATP synthase is gebonden.
Hoe drijft een proton gradiënt de ATP synthese,
het loslaten van zeer stevig gebonden ATP?
Proton transport door het ATP synthase complex
zorgt voor het loslaten van stevig gebonden ATP
Het proton pad door de membraan.
• De hydrofobe a subunit bevat
hydrofiele kanalen die niet met
elkaar in verbinding staan.
• De hydrofobe c subunit bevat in
het midden een aspartaat
residu.
• Het aspartaatresidu kan
geprotoneerd worden via een
hydrofiel kanaal (protonrijke
kant).
• Door te draaien kan het proton
van de c subunit worden
afgegeven aan het andere
hydrofiele kanaal in de a
subunit (proton-arme kant).
• De c subunits draaien en
daarmee de α- en β-subunits
(ATP synthese).
Waargenomen rotatie van een fluorescent actine
molecuul gekoppeld aan de γ-subunit van het ATP
synthase complex tijdens ATP hydrolyse
ATP opbrengst bij de volledige oxidatie van
glucose
•
•
•
•
•
•
•
•
•
glycolyse 2 ATP, 2 NADH (oxidatie via Q = via FADH2)
citroenzuur cyclus 2 GTP, 6+2 NADH, 2 FADH2
Totaal: 2ATP, 2GTP, 8NADH en 4 FADH2.
Oxidatie NADH (2 electronen) 4 H+, 2 H+, 4 H+ = 10 H+
gepompt.
Oxidatie FADH2 (2 electronen) 2 H+, 4 H+ = 6 H+ gepompt.
ATP synthese 3H+, transport van ATP 1 H+; kost 4 H+ per
ATP
NADH 10/4 = 2.5 ATP/2e. 8 x 2.5 = 20
FADH2 6/4 = 1.5 ATP/2e.
4 x 1.5 = 6
substraat gebonden fosforylering 2 + 2 = 4
• Totaal 20 + 6 + 4 = 30 !!! moleculen per glucose
Comparison between
photosynthesis and
oxidative
phosphorylation
Figuur 19.25
Licht wordt gebruikt om electronen naar een sterkere
reductor (lagere redox potentiaal) over te brengen
Figuur 19.23
Figuur 18.6
Metabolic pathways contain many recurring
motifs (15.3)
• Activated carriers
• Key reactions are reiterated
• Metabolic processes are regulated in
only three principle ways
Activated carriers of electrons for fuel
oxidation
Structures of the
oxidized forms of
nicotinamidederived electron
carriers
NAD+
• R = H: NAD+
• R= PO3 : NADP+
• The nicotinamide
ring of NAD+
accepts a hydrogen
atom and two
electrons, which is
equivalent to a
hydride ion, H-
NADPH is the reductant in biosynthesis,
NADH is used primarily for the generation
of ATP
Flavin adenine dinucleotide is an electron
carrier
• FAD consists of
flavin
mononucleotide
and an AMP unit
• The molecule
accepts 2
electrons and 2
protons
The redox reaction of FAD
Redox reactions and the involved redox
carriers (NAD(P)+)
H- (hydride) transfer
• The redox reaction catalyzed by NAD+ dependent
redox enzymes.
• NAD+ always functions as coenzyme (cosubstrate)
Redox reactions and the involved redox
carriers (FAD)
H (hydrogen) transfer
• The redox reaction catalyzed by FAD dependent
redox enzymes
• FAD is always bound to the enzyme (prosthetic
group)
Coenzyme A is the carrier for activated acyl
groups
CoA
ΔG0' of hydrolysis is -30.6 kJ mol-1
Carriers used in metabolism
The activated carriers are (kinetically) stable
Key reactions are reiterated throughout
metabolism
The six fundamental reactions types are the
basis of all reactions of metabolism
Oxidation-reduction reactions
Ligation reactions form bonds by using the
free energy from ATP hydrolysis
Isomerization reactions
Group-transfer reactions
Hydrolytic reactions
The hydrolysis of a peptide bond
Lyases: enzymes that catalyze the addition
or the removal of functional groups to/from
double bonds or the cleavage involving
electron rearrangement
additie aan een
aldehyde (-C=O)
Metabolic processes are regulated in three
different principle ways
• The amount of enzymes
– rate of transcription / rate of degradation
• The catalytic activity of the enzymes
–
–
–
–
reversible allosteric control
feed back inhibition
reversible covalent modification
hormones coordinate metabolic relations between different
tissues often via reversible covalent modification of key
enzymes
• The accessibility of substrates
– controlling the flux of substrates from one compartment to
another (e.g. cytosol to mitochondria).
Biosynthetic and degradative pathways are
almost always distinct for energetic reasons
[ ATP ] + 12 [ ADP ]
Regulation by the energy charge =
[ ATP ] + [ ADP ] + [ AMP ]
The evolution of metabolic pathways
• Why do activated
carriers such as
ATP, NADH,
FADH2 and
coenzyme A
contain adenosine
diphosphate units?
• Binding to a uracil
unit in a niche of
an RNA enzyme
(ribozyme) in the
RNA world
• In the protein world, the carrier function could be
continued without any adaptation