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生化期中考_2018.04.21 (19.The Tricarboxylic Acid Cycle (• How are two CO2…
生化期中考_2018.04.21
19.The Tricarboxylic Acid Cycle
What is the chemical logic of the TCA cycle?
我們需要氧化acetate才能產生能量產生CO2，那這需要CC的裂解，但是他好像都很難反應。所以我們需要oxsaloacetate來幫忙
• How is pyruvate oxidatively decarboxylated to acetyl-CoA?
要把pyruvate分解成acetyl-coA，需要pyruvate dehydrogenase
complex這個東西，然後他是由3個非共價結合的酵素所組成。需要5個輔酶。
由這三個酵素所組成
pyruvate dehydrogenase (El)
dihydrolipoamide acetyltransferase (E2)
dihydrolipoamide dehydrogenase (E3)
Eukaryotic的PDC還包含一個獨特的subunit叫E3BP，不知道甚麼功能
PDC的組成：6個E3BP+48ek7E2組成核心；
5個輔酶：提供獨特化學特性給酵素反應的小分子
-Thiamine pyrophosphate
-Nicotinamide coenzymes
-Flavin coenzymes—FAD/FADH2
-Coenzyme A
-Lipoic acid
thiamine pyrophosphate: 協助α-keto acid的decarboxylation
Nicotinamide coenzymes : 負責H-的轉換(NAD+, NADP+)
Flavin Coenzymes –
有三種氧化態，可以參與單電子或是雙電子的轉換，作為電子的donor或是aceptor
Coenzyme A: 主要是啟動acyl group跟α-hydrogen
Lipoic acid functions to couple acyl-group transfer and electron
transfer
• How are two CO2 molecules produced from acetylCoA?
Citrate synthase把整個反應開啟
actyl-coA的Cα攻擊oxaloacetate的Cα，產生citryl-coA，然後Thioester hydrolysis再產生citrate
NADH & succinyl-CoA是競爭者
這裡有很負值的△G，可以做為調節步驟
The Cα carbon is more acidic and can be
deprotonated to form a carbanion :star:
acetyl-CoA reacts with oxaloacetate is a Perkin condensation:star:
再來citrate會被異構化，因為citrate是一個很糟的氧化物(tertiary alcohol and a poorsubstrate for oxidation)，所以aconitase就把它變成isocitrate
異構化的過程中還會有一個中繼物：cis-citrate
Aconitase utilizes an Iron—Sulfur cluster
3 iron atoms & 4 sulfur atoms
鐵離子會接收電子，類似路易斯酸的概念。
整個反應偏向citrate，平衡的話是90% citrate, 4%cis-, 6%iso
Fluoroacetate blocks the TCA cycle
fluoroacetate會把aconitase結合變成fluorocitrate
Isocitrate dehydrogenase catalyzes the first
oxidative decarboxylation in the cycle
再來就會有NAD+加入，並且產生CO2
這邊貌似頁數有點少，就NAD+先進去把H+拿走，產生oxalosuccinate(不穩定)之後旁邊的CO2會自己掉出來
這裡是可以被調節的步驟，NADH跟ATP是抑制者，ADP是啟動者。
這裡的產物a- ketoglutarate，把TCA(C-metabolism)跟N-matebolism結合起來。
a-ketaglutanate dehydrogenase 啟動第二次的 oxidative decarboxylation
a-ketaglutanate dehydrogenase 基本上跟pyruvate dehydrogenase 很像
會用上TPP, CoASH, lipoic acid, NAD+, and FAD
由α-ketoglutarate dehydrogenase, dihydrolipoyl transsuccinylase, dihydrolipoyl dehydrogenase三個組成，用上5種不同的輔酶
• How is oxaloacetate regenerated to complete the TCA cycle?
Succinyl-CoA Synthetase Catalyzes
a substrate-level phosphorylation
succinyl-CoA是一個高能分子
在mammal，用GDP合成GTP
在細菌或是植物，是用ADP合成ATP
GTP會把磷酸給ADP
在過程中，carbonyl C of succinyl-CoA會被攻擊
把succinate氧化成oxaloacetate
分成三個步驟：
把CC氧化成雙鍵
在雙鍵上面hydration
把alchol變成ketone
Succinate dehydrogenase 需要FAD
Succinate dehydrogenase 也是用鐵離子跟S的cluster
FAD跟Succinate dehydrogenase 是共價鍵結合，會把2個H抓走，讓C-C變成雙鍵
簡單來說就是fumarase把H2O的H跟OH分別放在CC的雙鍵上，目前機制尚不明確。
Malate dehydrogenase之後會把OH-C-H變成C=O
然後在由NAD把多的2個電子拿走
• What are the energetic consequences of the TCA cycle?
一個acetate會產生2個CO2、1個ATP、4 reduced coenzymes
前面的糖解跟TCA總共會產生12ATP，後面電子傳遞鍊會產生34個
• Can the TCA cycle provide intermediates for biosynthesis?
• What are the anaplerotic (filling up) reactions?
• How is the TCA cycle regulated?
Pyruvate dehydrogenase是被磷酸化/去磷酸化來調節
• Can any organisms use acetate as their sole carbon source?
pyruvate會變成acetate之後，在繼續氧化成CO2，過程中會產生ATP跟更多的NADH，其會經由電子傳遞鍊產生更多ATP
TCA cycle 總共會產生2ATP和8個e-，需要oxaloacetate的幫忙，一開始有5個步驟會產生2CO2在失去4個電子，4個加到oxaloacetate上面，然後再4個額外的步驟把oxaloacetate轉換回去並且失去4個電子，形成循環。
Special trio of reactions：
把單鍵氧化成雙鍵
把水加在雙鍵上面
把alchol氧化成carbonyl
18.Glycolysis
What are the essential features of glycolysis?
Essentially features: 每個細胞都一定要glycolysis
總共有10個反應，每個細胞都有只是速率不太一樣
可以分成2個階段，1是把glucose轉換成2個glyceraldehyde-3-P；2是產生2 pyruvates
產物是pyruvate, ATP and NADH
而產物的pyruvate有三種後續方向
2個phase:
第一段是5個反應，2個ATP被使用
第二段是5個反應，產生pyruvate和4個ATP
為甚麼重要？
有很多組織such as brain, kidney medulla & rapidly contracting skeletal muscles) and for some cells (such as erythrocytes & sperm cells 是以葡萄糖作為唯一能量來源
產物pyruvate可以做為多樣化的metabolite
Why are coupled reactions important in glycolysis?
在標準狀況下，大概有33%的能量被轉到ATP，但是在細胞裡面有大概50%
What are the chemical principles and features of the first phase of glycolysis?
Reaction1:
Hexokinase or glucokinase:
phosphorylation of glucose, ATP讓整個反應自行發生
ΔG large, negative
細胞有4mM的glucose，hexokinase平常是啟動狀態，glucose的Km是0.1mM；glucokinase則需要0.5mM來達到0.5Vmax，所以要在葡萄糖很多的地方才可以
好處：glucose是中性的，所以磷酸化之後可以把葡萄留在細胞內，也有益促進性擴散
有四種isozyme:
I type在腦裡面是主要
I 75%, II 25%是骨骼肌的組成成分
IV是glucokinase, 在Liver和pancrea很多
Reaction2: Glucose-6-P to Fructose-6-P
為了讓下一步更好做(phosphorylation at C-1
異構化會啟動C-3 for cleavage in aldolase reaction
phosphofructokinase
the most important site in the glycolytic pathway:
本來是endergonic，但是有了ATP之後整個反應變成exergonic。大量的自由能變化讓這個步驟變成最重要的協調步驟。
PFK increases activity PFK increases activity when energy status is when energy status is low
PFK decreases activity when energy status is high
Regulation: ATP很高的時候，glycolysis會停止，但是不能只用ATP來看，AMP只佔ATP的1%左右，兩者比例來看就能知道差別
必須要AMP跟ATP的比例一起看，adenylate kinase的關係會讓ADP變成ATP+AMP
跟TCA的關聯：phosphofructokinase
TCA裡面的metabolite: Citrate是phosphofructokinase的抑制物
Reaction 4: Aldolase
C6 intermediate is cleaved to 2 C3s (DHAP & G-3-P)
I and II Class:
Class I aldolase 存在於動物組織，特點是在active-site lysine & carbonyl group之間形成covalent Schiff base intermediate的中繼物。Class I也不需要二價金屬離子。
Class II則是不會形成covalent E-S intermediate，但是擁有active-site metal(通常是Zn2+)
Reaction 5: Triose phosphate isomerase
只有glyceraldehyde-3-P(G3P)會進入第二階段，DHAP 會被triose phosphate isomerase轉換成G3P
triose phosphate
isomerase的轉換過程包刮一個enediol intermediate
What are the chemical principles and features of the second phase of glycolysis?
Reaction6: G-3-P is oxidized to 1,3-BPG
Arsenate是G-3-P-DH一個很重要的受質，不過不穩定
glycolysis會繼續進行，但是反應7的ATP不會被製造(因為這裡被跳過去)
這裡會產生高能分子1,3-BPG，而且會有一個H+給了NAD+
過程中會產生4個ATP，其中包含兩個重要的high-energy phosphate intermediates (1,3-BPG)、 (PEP)
Reaction7: 從高能磷酸鍵合成ATP
1.3-BPG會經由bisphosphoglycerate mutase變成2,3-BPG，再經由2,3- bisphosphoglycerate phosphatase合成3-PG
1,3-BPG + 3-PG -> 3,PG+2,3-BPG，是1,3的C1跑到3的C2
Most cells contain only a trace of 2,3-BPG, but erythrocytes typically contain 4-5 mM 2,3- BPG
Reaction8: 3-PG變成2-PG
注意過程中會出現phospho-histidine intermediate，還有過渡期的2,3-BPG
Reaction9: 把2-PG上面的OH拿掉，做出PEP(Enolase)
Reaction10: Conversion of PEP to pyruvate makes ATP
把碳碳雙鍵拉到碳氧上面，把磷酸鍵斷掉(Pyruvate Kinase (PK))
PK activated by AMP, F-1,6-BP
PK inhibited by ATP & acetylCoA
過程可以被視為兩個步驟進行：phosphoryl transfer,
followed by an enol‐keto tautomerization.
4個isoform:
PK-L and PK-R：在liver和 red blood cell
Ml 在腦跟骨骼肌
M2在proliferating cells
What are the metabolic fates of NADH and pyruvate produced in glycolysis?
Pyruvate:
如果是在aerobic的情況，會繼續走TCA循環並且產生更多NADH
如果是anaerobic的情況，微生物跟動物會做lactate；植物會做ethanal
NADH
在aerobic的狀況下，NADH會走氧化還有電子傳遞鍊
如果是anaerobic的話，則會由lactate dehydrogenase (LDH) or alcohol dehydrogenase (ADH)氧化，產生更多NAD+回去給糖解作用
How do cells reg gy y ulate glycolysis?
從三個large negative ΔG 的步驟下手：1st, 3rd, 10th
hexokinase (HK), phosphofructokinase (PFK), pyruvate kinase (PK)
Are substrates other than glucose used in glycolysis?
Dietary fructosey在肝臟裡面可以被用去PFK reaction，沒有調控。
Mannose：可以經由hexokinase變成M-6-P，再經由phosphomannoisomerase變成F-6-P
Galactose可以經由 hexokinase變成G-1-P，再經由galactose-1-P uridylyltransferase變成glucose-1-P，再繼續變成G-6-P
Galactosemia：galactose-1-P uridylyltransferase有缺陷，glactose的累積會造成cataracts (白內障) 以及永久性的neurological disorders，可以用排除glactose跟lactose的飲食控制。
乳糖不耐症：lactase是產生新的glactose必要的酵素，乳糖不耐症是成人腸道裡面缺少lactase。
How do cells respond to hypoxic stress?
21.Photosynthesis
What are the general properties of photosynthesis?
• How is solar energy captured by chlorophyll?
Chlorophyll： 光反應的色素
cyclic tetrapyrrole similar to porphyrins
Mg2+
phytol：長鍊醇類
Aromaticity讓Chlorophyll可以有效率的吸收光
Light absorption 把電子丟到更高能階，然後提高位能
Chlorophyll有兩種腳色：光收穫還有直接參與光化學反應
注意鎂離子不會改變價數
Carotenoids也有兩種腳色：光獲取跟光保護
Phycocyanobilin：線性的tetrapyrrole
被吸收的光有幾種命運：
以熱形式消散
以光形式消散
把能量傳給旁邊的分子
把色素的 reduction potential 改變，變成一個更有效率的 e- donor
光合成的原理：把光能轉換成化學能
色素吸收光子之後就會變成激發態，然後色素的電子就會被轉到鄰近的分子A，產生氧化態的色素還有還原A，之後氧化A會做出NADPH。系統會回復原樣，一旦水被分解、NADPH也形成之後。
光合成細菌只有一個光系統，這表示他們沒有能力把光水解還有釋放氧氣
Cyanobacteria, green algae & higher plants是oxygenic phototrophs 因為他們可以產生O2
• What kinds of photosystems are used to capture light energy?
Oxygenic phototrophs have 2 distinct photosystems: PSI (P700) and PSII (P680)
Chlorophyll是跟蛋白質結合在一起的，有三個部位：
-Light-harvesting complexes
-PSI complexes
-PSII complexes
PSI是給NADPH還原力
PSII分解水，產生O2，還有產生電子傳遞鍊需要的水
e- 從H2O 流到 NADP+
光驅使ADP磷酸化的過程叫做photophosphorylation
電子運輸的通道叫做Z scheme，according
to their standard reduction potentials
PSII是 light-driven water;plastoquinone oxidoreductase
oxygen-evolving complex(OEC)是負責分解水的
他有4 Mn, 1 Ca, 5 O M原子，還有4個水分子
• What is the molecular architecture of photosynthetic reaction centers?
R. viridis (photosynthetic purple bacterium)發展出一套模型，總共包含四個多肽：L, M, H & cytochrome
L和M各包含5個跨模的螺旋；H大部分包含globular domain
沒有電子會經過H傳輸
Cytochrome也包含4個heme群體，透過兩條疏水的脂肪酸，被甘油酯化，透過thioether bond 跟Cys結合在一起
PSII的結構很像 R. viridis
• What is the quantum yield of photosynthesis?
• How does light drive the synthesis of ATP?
• How is carbon dioxide used to make organic molecules?
• How does photorespiration limit CO2 fixation?
17.Metabolism: An Overview
What are the anabolic and catabolic processes that satisfy the metabolic needs of the cell?
Is metabolism similar in different organisms?
show remarkable similarity in their major
metabolic pathways
exhibit metabolic diversity
What can be learned from metabolic maps?
metabolic map, indicating the reactions of intermediar metabolism intermediary metabolism and the enzymes that catalyze them.
dots (intermediate) and lines A metabolic map (enzyme).
The heavy dots and lines
trace the central energy-releasing pathways known as
glycolysis
and the
citric acid cycle
.
判斷點：
點只連接1條線：nutrient, a storage form, an end product, or an excretory product
連接2條線：intermediate in one p y athwa and has only one fate in metabolism
連結3條線以上：intermediate that has two metabolic fates
連接1或2條線的佔80%(410個)；連3的71個；4以上的39個
用酵素或是中繼物來讀地圖：
傳統觀點是以中繼物為點(a)來看，顯示的是metabolites和enzymes的組成
不過用酵素來當中心(b)的話，是另一種觀點，metabolite這時就會變成「訊號」
還有第三種方式，將酵素中心簡化，將連接2條線的酵素全部合併，這時候可以看出蛋白質在cluster裡面展現多功能性
途徑的組織：
pathway是序列性的步驟，過程中的蛋白質有可能是分散的，也有可能是mutienzyme的complex，或是直接放在膜系統上面。
我們現在發現複合性酵素比我們想像的多，而且中繼物在過程中不會擴散。可能是演化過程中酵素慢慢聚合在一起(gene fusion)
Metabolons：由多個酵素在反應過程中聚合在一起的複合物，是matebolism的基本單位。
How do anabolic anabolic and catabolic catabolic processes processes form the core of metabolic pathways?
catabolic: 負責把大分子拆成小單位；anabolic則是合成大分子，Aphibolic則是介於兩者中間，雙向都扮演各自的腳色。
catabolic跟anabolic兩者的關係，有相同產物的途徑不一定完全相同，中間一些步驟有可能相似，但是其他必須要不同，為的是不希望它走回頭路而且方便其他因素加入調控。
NAD+ collects electrons released in catabolism
蛋白質、脂質、多糖等等作為catabolism很適合氧化，過程中會釋放reducing equivalent──H-，然後他們會被NAD+抓走，變成NADH
dehydrogenase reaction是一個很重要的反應，
NADH cycle 代表碳裡面的能量被抓到ATP裡面，High NAD+/NADH ratio代表生物處於能量不夠的狀態
NADPH 被視為是電子的攜帶者
Water‐soluble vitamins (except vitamin C) are
coenzymes.
What experiments can be used to elucidate metabolic
pathways?
Metabolic inhibitors
Mutations
NMR spectroscopy：
特定的nuclei of atomic isotopes有磁性，可以在特定頻率的磁場下吸收電磁輻射
Isotopic tracers
What can the metabolome tell us about a biological ystem?
質譜儀可以偵測低含量的代謝；核磁共振光譜可以顯示出複雜的結構
Fluxomics
要了解一個細胞不是只有認識每個metabolites就可以，還要知道他們之間的流動性，它是動態性的觀點，而研究matebolites flow的科學就叫做fluxomics。
What food substances form the basis of human nutrition?
20.Electron Transport and Oxidative
Phosphorylation