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4.3: NAD und NADP - Biologie


Nicotinamidadenindinukleotid (NAD) und sein Verwandtes Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADP) sind zwei der wichtigsten Coenzyme in der Zelle. NADP ist einfach NAD mit einer dritten gebundenen Phosphatgruppe, wie unten in der Abbildung gezeigt.

Wegen der positiven Ladung des Stickstoffatoms im Nicotinamidring (oben rechts) werden die oxidierten Formen dieser wichtigen Redoxreagentien oft als NAD . dargestellt+ und NADP+ bzw.

In Zellen werden die meisten Oxidationen durch die Entfernung von Wasserstoffatomen erreicht. Beide Coenzyme spielen dabei eine entscheidende Rolle. Jedes NAD .-Molekül+ (oder NADP+) kann zwei Elektronen aufnehmen; das heißt, um zwei Elektronen reduziert werden. Allerdings begleitet nur ein Proton die Reduktion. Das andere Proton, das beim Entfernen von zwei Wasserstoffatomen aus dem zu oxidierenden Molekül entsteht, wird in das umgebende Medium freigesetzt. Für NAD lautet die Reaktion also:

[ce{NAD^{+} + 2H -> NADH + H^{+}}]

NAD und NADP verwendet

NAD ist an vielen Redoxreaktionen in Zellen beteiligt, einschließlich derjenigen bei der Glykolyse und den meisten im Zitronensäurezyklus der Zellatmung.

NADP ist das Reduktionsmittel, das durch die Lichtreaktionen der Photosynthese produziert wird und wird im Calvin-Zyklus der Photosynthese verbraucht und in vielen anderen anabolen Reaktionen sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren verwendet.

Unter den in einer normalen Zelle herrschenden Bedingungen werden die rot dargestellten Wasserstoffatome von diesen sauren Substanzen abgespalten.


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Debbie Maizels/Springer Natur


CD38-Herunterregulation moduliert NAD + und NADP(H)-Spiegel in thermogenen Fettgeweben

Verschiedene Strategien zur Erhöhung des NAD + -Spiegels gelten als vielversprechende Mittel, um ein gesundes Altern zu fördern und einen dysfunktionalen Stoffwechsel zu verbessern. CD38 ist ein NAD + -abhängiges Enzym, das an der Regulation verschiedener Zellfunktionen beteiligt ist. Im Rahmen des systemischen Energiestoffwechsels wurde gezeigt, dass braune Fettzellen, die Parenchymzellen des braunen Fettgewebes (BAT) sowie beige Fettzellen, die als Reaktion auf katabole Zustände in Depots des weißen Fettgewebes (WAT) entstehen, wichtig sind, um Aufrechterhaltung der metabolischen Homöostase. In dieser Studie wollen wir die funktionelle Relevanz von CD38 für den NAD + und den Energiestoffwechsel in BAT und WAT verstehen, auch unter Verwendung eines CD38 -/- Mausmodells. Während der Kälteexposition trat bei BAT von Wildtyp-Mäusen ein Anstieg der NAD + -Spiegel auf, zusammen mit einer deutlichen Herunterregulierung von CD38, wie auf mRNA- und Proteinebene nachgewiesen. Eine CD38-Herunterregulation wurde auch in WAT von kälteexponierten Mäusen beobachtet, wo sie von einem starken Anstieg der NADP(H)-Spiegel begleitet wurde. Dementsprechend waren die Aktivitäten der NAD-Kinase und der Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase in WAT (aber nicht in BAT) erhöht. Erhöhte NAD + -Spiegel wurden in BAT/WAT von CD38 –/– im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen beobachtet, im Einklang damit, dass CD38 ein Hauptverbraucher von NAD + – in AT ist. CD38 –/– -Mäuse, die bei 6 °C gehalten wurden, wiesen im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen höhere Spiegel von Ucp1 und Pgc-1α in BAT und WAT und erhöhte Spiegel von phosphorylierter hormonsensitiver Lipase in BAT auf. Diese Ergebnisse zeigen, dass CD38 durch Modulieren der zellulären NAD(P) + -Spiegel an der Regulierung thermogener Reaktionen in kälteaktivierten BAT und WAT beteiligt ist.

Schlüsselwörter: Braunes und weißes Fettgewebe Browning CD38 NAD Kinase NAD(P)(H) Thermogenese.


GLYKOLYSE | Rolle von NAD und NADP

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Protein-Engineering von Oxidoreduktasen unter Verwendung von Nikotinamid-basierten Coenzymen mit Anwendungen in der synthetischen Biologie

Zwei natürliche Nikotinamid-basierte Coenzyme (NAD und NADP) werden von der überwiegenden Mehrheit der Oxidoreduktasen für den Katabolismus bzw. Anabolismus unentbehrlich benötigt. Die meisten NAD(P)-abhängigen Oxidoreduktasen bevorzugen je nach ihren unterschiedlichen metabolischen Funktionen ein Coenzym als Elektronenakzeptor oder -donor gegenüber dem anderen. Diese Coenzym-Präferenz, die mit einem Coenzym-Ungleichgewicht verbunden ist, stellt einige Herausforderungen für die Konstruktion hocheffizienter in vivo und in vitro Wege der synthetischen Biologie. Die Änderung der Coenzym-Präferenz von NAD(P)-abhängigen Oxidoreduktasen ist ein wichtiger Bereich des Protein-Engineerings, der eng mit produktorientierten synthetischen Biologieprojekten verbunden ist. Dieser Aufsatz konzentriert sich auf die Methodik des nikotinamidbasierten Coenzym-Engineerings mit seiner Anwendung zur Verbesserung der Produktausbeuten und zur Senkung der Produktionskosten. Biomimetische nikotinamidhaltige Coenzyme wurden vorgeschlagen, um natürliche Coenzyme zu ersetzen, da sie stabiler und kostengünstiger als natürliche Coenzyme sind. Neuere Fortschritte bei der Umstellung der Coenzym-Präferenz von natürlichen auf biomimetische Coenzyme werden ebenfalls in diesem Aufsatz behandelt. Das Engineering von Coenzym-Präferenzen von natürlichen zu biomimetischen Coenzymen hat sich zu einer wichtigen Richtung für das Coenzym-Engineering entwickelt, insbesondere für in vitro Synthesewege und in vivo bioorthogonale Redoxwege.


Funktion von NADP

NADP + funktioniert zusammen mit vielen Enzymen, um die vielen Reaktionen in einer Zelle mit Energie zu versorgen. NADP + ist die verwendete Form von NADPH und muss reduziert mit mehr Elektronen und einem Wasserstoff. Dies geschieht typischerweise während der Photosynthese bei Pflanzen oder als Teil der Zuckerverdauung bei Tieren. Die Freisetzung von Energie aus den Zuckerbindungen oder die Zufuhr von Energie von der Sonne ermöglicht es den Zellen dieser Organismen, Wasserstoff mit zwei Elektronen an NADP + zu binden, wodurch NADPH entsteht, das diese Energie, Elektronen und Wasserstoff zu einem neuen bewegen kann Reaktion innerhalb der Zelle.


Struktur und Funktion verschiedener Coenzyme (mit Diagramm)

Nicotinamidadenindinukleotid (NAD) und Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADP) sind Derivate des B-Vitamins Nicotinsäure.

Die Strukturen sind in Abb. 8.30 dargestellt:

NAD und NADP wirken als Konzyme für viele Degydrogenasen, wo sie an der Übertragung von Wasserstoff beteiligt sind und entweder eine Oxidation oder Reduktion der Substrate verursachen. Im Allgemeinen nimmt NAD an den katabolen Reaktionen teil, das NADP an Synthesereaktionen. Einige NAD-haltige Dehydrogenasen sind Milchsäuredehydrogenase, Alkoholdehydrogenase, Malatdehydrogenase, Glycerinaldehydphosphatdehydrogenase usw.

Im Folgenden werden zwei Beispiele genannt, eines für die Reduktion und das andere für die Oxidation:

Milchsäure wird zu Brenztraubensäure oxidiert, wobei NAD als H-Akzeptor wirkt. In der anderen Reaktion wird Acetaldehyd zu Ethanol reduziert, wobei NADH2 fungiert als H-Donor.

Beispiele für NADP-katalysierte Reaktion sind Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase, Isocitrat-Dehydrogenase, Glutaminsäure-Dehydrogenase usw.:

Obwohl die reduzierten Formen von NAD und NADP normalerweise als NADH2 und NADPH2 Der Einfachheit halber sollte beachtet werden, dass die richtigen Formen NADH+H + bzw. NADPH+H + sein sollten, da der positiv geladene Nicotinamidring ein Elektron und ein H-Atom von einem Paar H-Atomen akzeptiert, das vom Substrat entfernt wurde. Das Elektron geht zum positiv geladenen N-Atom und ein weiterer Wasserstoff wird an der in Abb. 8.30 gezeigten Position hinzugefügt.

NAD und NADP wurden früher als DPN (Diphosphopyridin-Nukleotid) bzw. TPN (Triphospho-Pyridin-Nukleotid) bezeichnet.

2. Flavin-Mononukleotid (FMN) und Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD):

FMN und FAD, allgemein als Flavoproteine ​​bezeichnet, sind ebenfalls Wasserstoff übertragende Coenzyme, die mit Hydrogenasen assoziiert sind. Die Coenzym-Anteile dieser Flavoproteine ​​enthalten das B-Vitamin Riboflavin. Im Gegensatz zu NAD oder NADP sind die Coenzyme von Flavoproteinen stärker an das Apoenzym gebunden. Dadurch können sie durch Dialyse nicht getrennt werden.

Die Strukturen von Riboflavin, FMN und FAD sind in Abb. 8.31 dargestellt:

Bei Reduktion von FAD durch Addition von zwei von einem Substrat gespendeten H-Atomen wird es in FADH . umgewandelt2. Die H-akzeptierenden Positionen sind in Abb. 8.32 dargestellt. Dadurch wird das Substrat oxidiert. Ein Beispiel für ein FAD-haltiges Enzym ist die Succinatdehydrogenase, die im Krebs’-Zyklus auftritt. Bernsteinsäure wird durch das Enzym zu Fumarsäure oxidiert. Der von FAD akzeptierte Wasserstoff wird zur Erzeugung von ATP auf die Elektronentransportkette übertragen.

3. Coenzym A (CoA):

Coenzym A hat eine komplexe Struktur bestehend aus einem Adenosintriphosphat, einer Pantothensäure, die ein B-Vitamin ist, und Cysteamin. Das Coenzym ist an der Übertragung von Acylgruppen beteiligt. Die Sulfhydryl (-SH)-Gruppe der Cysteamin-Einheit dieses Coenzyms bildet einen Thioester mit der Carboxyl (-COOH)-Gruppe der Acylverbindung, wie Essigsäure, um Acetyl-CoA herzustellen, das eines der wichtigsten CoA-Derivate ist. Die Thioesterbindung ist energiereich und kann die Acetylgruppe leicht auf einen Akzeptor übertragen.

Die Struktur von Coenzym A, die Bildung eines Thioesters und eine Reaktion mit Coenzym A sind in Abb. 8.33 dargestellt:

4. Thiaminpyrophosphat (TPP):

TPP ist ein Coenzym, das an der Übertragung von Aldehydgruppen (-CH) beteiligt ist, wie Acetaldehyd und Glykolaldehyd. Es enthält Thiamin, ein Vitamin der B-Gruppe. Die Thiazolgruppe des Coenzymmoleküls nimmt die Aldehydgruppe auf und überträgt sie über andere Coenzyme wie Liponsäure und Coenzym A auf einen Akzeptor. TPP ist an der oxidativen Decarboxylierung von Brenztraubensäure und α-Ketoglutarsäure beteiligt.

Die Strukturen von TPP und ‘active’ Acetaldehyd sind in Abb. 8.34 dargestellt:

Ein Beispiel für einen Enzymkomplex mit TPP, Liponsäure und Coenzym A ist die Pyruvatdecarboxylase.

Die Reaktion ist vereinfacht dargestellt (Abb. 8.35):

5. Pyridoxalphosphat (PAL):

Pyridoxalphosphat ist ein Coenzym, das mit Transaminasen verbunden ist, die die Übertragung von Aminogruppen von Aminosäuren auf Ketosäuren katalysieren. Bei diesem Übertragungsprozess fungiert PAL als Akzeptor der Aminogruppe und wird in Pyridoxaminphosphat (PAM) umgewandelt.

PAM kann mit einer Ketosäure reagieren, um eine Aminosäure zu produzieren. PAL und PAM bleiben während dieser Übertragung der Aminogruppe an den Proteinteil des Transaminase-Enzyms gebunden. Die durch Transaminasen katalysierten Reaktionen lassen sich in Abb. 8.36 auf einfache Weise darstellen. Pyridoxalphosphat hat ein einfaches Molekül, das das B-Vitamin Pyridoxin enthält.

Die Strukturen von PAL und PAM sind in Abb. 8.36 dargestellt:

Die Aldehydgruppe von PAL ist die reaktive Gruppe des Coenzyms, die an die Aminosäure bindet und eine Schiffsche Base bildet.

Die Details der Transaminase-Reaktion sind in Abb. 8.37 dargestellt:

6. Andere Moleküle mit Coenzym-Funktion:

Dazu gehören Liponsäure (Thioctsäure), Biotin, Tetrahydrofolsäure und Cobalamin.

Die Strukturen einiger dieser Verbindungen sind in Abb. 8.38 dargestellt:

Liponsäure ist an oxidativen Decarboxylierungsreaktionen beteiligt, wie sie beispielsweise durch Brenztraubendecarboxylase oder &agr;-Ketoglutaratdecarboxylase katalysiert werden. Biotin ist an Enzyme gebunden, die an Carboxylierungsreaktionen beteiligt sind. Bei solchen Reaktionen fungiert Biotin als Träger von CO2. Das CO2-Biotinverbindung ist als aktives CO . bekannt2. Ein Beispiel ist Pyruvat-Carboxylase, die ein CO . hinzufügt2 Molekül zu Brenztraubensäure, die Oxalessigsäure bildet.

Tetrahydrofolsäure (THF) fungiert als Coenzym für Enzyme, die an der Übertragung von Ein-Kohlenstoff-Fragmenten beteiligt sind, wie Formyl-, Methyl- und Methenylgruppen. Ein Beispiel für eine Reaktion mit THF ist die Umwandlung von Homocystein in Methionin. Die Methylgruppe von Methionin wird von Methyl-THF addiert. Eine andere THF-vermittelte Reaktion ist die Umwandlung von Serin in Glycin, wobei die Hydroxymethylgruppe von Serin durch THF entfernt wird.

Cobalamin oder Vitamin B12 ist ein kobalthaltiges Komplexmolekül aus 63 Kohlenstoffatomen, einem Tetrapyrol-Ringsystem und einem Nukleotid. Das Kobaltatom wird im Tetrapyrolring gehalten und trägt eine Cyano (-CN)-Gruppe. Cobalamin wirkt als Coenzym für Enzyme, die den intramolekularen Transfer von Carboxylgruppen katalysieren. Eine wichtige Reaktion dieser Art ist die Umwandlung von Methylmalonyl-Coenzym A zu Succinyl-Coenzym A.


Coenzyme: Bedeutung und Klassifikation | Enzyme

Viele Reaktionen von Substraten werden durch Enzyme nur in Gegenwart eines spezifischen, nicht proteinhaltigen organischen Moleküls namens Coenzym katalysiert. Coenzyme verbinden sich mit dem Apoenzym (dem Pro­tein-Teil) zu Holoenzym. Die Coenzyme werden auch als Co-Substrate angesehen.

Coenzyme sind hitzestabile, dialysierbare Nicht-Protein-organische Moleküle und die prothetischen Gruppen von Enzymen.

Klassifizierung von Coenzymen:

I. Basierend auf chemischen Eigenschaften:

A. einen aromatischen Heteroring enthaltend.

B. einen nichtaromatischen Heteroring enthaltend. Biotin, Liponsäure.

Zuckerphosphat, Coenzym Q.

II. Basierend auf Funktionsmerkmalen:

A. Gruppen übertragende Coenzyme:

3. Thiaminpyrophosphat (TPP).

B. Wasserstoff übertragende Coenzyme:

1. Nicotinamidadenindinukleotid (NAD) und Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADP).

2. Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) und Flavin-Mononukleotid (FMN).

III. Basierend auf ernährungsphysiologischen Eigenschaften:

(a) B-Vitamine enthaltend:

1. Ihre Funktion besteht in der Regel darin, Atome oder Gruppen von einem Substrat aufzunehmen und auf andere Moleküle zu übertragen.

2. Sie sind weniger spezifisch als Enzyme, und dasselbe Coenzym kann als solches in einer Reihe verschiedener Reaktionen wirken.

3. Die Coenzyme werden auch an einer anderen, aber benachbarten Stelle an das Protein angehängt, um in der Lage zu sein, die vom Substrat entfernten Atome oder Gruppen aufzunehmen.

4. NAD- und NADP-Coenzyme fungieren als Wasserstoffakzeptoren in Dehydrierungsreaktionen.

5. Die Hauptfunktion von CoA besteht darin, Acylgruppen zu tragen, und sie werden bei der oxidativen Decarboxylierung von Brenztraubensäure und der Synthese von Fettsäuren und der Acetylierung verwendet.

6. Die Funktion von TPP (Co-Carboxylase) besteht darin, die ‘aktive Aldehydgruppe’ (R. CH(OH) ) zu tragen.

7. Die Hauptfunktion von Pyridoxalphosphat (B6-PO4) ist an Transaminierungsreaktionen beteiligt.

8. Die Hauptfunktion der Tetrahydrofolsäure wird als Träger von Formiat ausgedrückt und wird bei der Synthese von Purinen und Pyrimidinen verwendet.

Coenzym A (CoA):

1. Es besteht aus Adenosintriphosphat (ATP), Pantothensäure und β-Mercaptoethalamin. Es ist also die Coenzymform von Pantothensäure, einem Vitamin.

2. Es ist ein gruppenübertragendes Coenzym.

3. Die Reaktionsgruppe ist die Sulfhydryl (-SH)-Gruppe.

4. Die Acylgruppe wird von der Sulfhydrilgruppe akzeptiert, um Acetyl-Coenzym A (CH3CoS.CoA). Die Acyl-Coenzym-Deshyrivative sind die hochenergetischen Verbindungen.

1. Träger von Acylgruppen, z. B. Acetyl, Sccinyl, Benzoyl.

2. Ein Teil der Pantothensäure ist in Form von “acylcarrier pro­tein” an Proteine ​​gebunden. Dies kann als Coenzym A angesehen werden, bei dem das Adenindinukleotid durch Protein ersetzt ist. ‘”Acyl-Trägerprotein” funktioniert hauptsächlich in den synthetischen Prozessen, z. B. von Fettsäuren und Cholesterin.

Es wird bei der oxidativen Decarboxylierung von Brenztraubensäure und α-Ketoglutarsäure, beim Abbau und der Synthese von Fettsäuren und bei der Synthese von Choleshyterol, das an Gallensäuren, Gallensäuren, Steroidhormonen und Vitamin D beteiligt ist, benötigt.

4. Es wird zur Konjugation mit Aminoverbindungen zur Bildung von N-Acetylverbindungen und zur Bildung von Hippursäure (Benhyzoylglycin) verwendet.

5. Es ist an der Bildung von Ketonkörpern beteiligt.

6. Es wird bei der Bildung von Acetylcholin verwendet.

7. Es wird schließlich zu CO . oxidiert2, H2O und ATP über den Zitronensäurezyklus.


Abschnittszusammenfassung

Der Zitronensäurezyklus ist eine Reihe chemischer Reaktionen, bei denen hochenergetische Elektronen entfernt und in der Elektronentransportkette verwendet werden, um ATP zu erzeugen. Pro Zyklus wird ein Molekül ATP (oder ein Äquivalent) produziert.

Die Elektronentransportkette ist der Teil der aeroben Atmung, der freien Sauerstoff als letzten Elektronenakzeptor für Elektronen verwendet, die aus den Zwischenverbindungen im Glucosekatabolismus entfernt wurden. Die Elektronen durchlaufen eine Reihe chemischer Reaktionen, wobei an drei Punkten eine kleine Menge freier Energie verwendet wird, um Wasserstoffionen durch die Membran zu transportieren. Dies trägt zu dem bei der Chemiosmose verwendeten Gradienten bei. Da die Elektronen von NADH oder FADH . weitergegeben werden2 entlang der Elektronentransportkette verlieren sie Energie. Die Produkte der Elektronentransportkette sind Wasser und ATP. Eine Reihe von Zwischenverbindungen kann in den Anabolismus anderer biochemischer Moleküle umgeleitet werden, wie beispielsweise Nukleinsäuren, nicht-essentielle Aminosäuren, Zucker und Lipide. Dieselben Moleküle, mit Ausnahme von Nukleinsäuren, können als Energiequellen für den Glucoseweg dienen.

Übungen

Glossar

Acetyl-CoA: die Kombination einer von Brenztraubensäure abgeleiteten Acetylgruppe und Coenzym A, das aus Pantothensäure (einem Vitamin der B-Gruppe) hergestellt wird.

ATP-Synthase: ein in die Membran eingebetteter Proteinkomplex, der ATP aus ADP mit Energie aus Protonen regeneriert, die durch ihn diffundieren

Chemiosmose: die Bewegung von Wasserstoffionen entlang ihres elektrochemischen Gradienten durch eine Membran durch ATP-Synthase, um ATP . zu erzeugen

Zitronensäurezyklus: eine Reihe von enzymkatalysierten chemischen Reaktionen von zentraler Bedeutung in allen lebenden Zellen, die die Energie in Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen von Zuckermolekülen ernten, um ATP zu erzeugen Der Zitronensäurezyklus ist ein aerober Stoffwechselweg, da er in späteren Reaktionen Sauerstoff benötigt, um ablaufen zu können

Elektronentransportkette: eine Reihe von vier großen Multiproteinkomplexen, die in die innere Mitochondrienmembran eingebettet sind, die Elektronen von Donorverbindungen aufnimmt und Energie aus einer Reihe chemischer Reaktionen gewinnt, um einen Wasserstoffionengradienten über die Membran zu erzeugen

oxidative Phosphorylierung: die Produktion von ATP durch den Transfer von Elektronen entlang der Elektronentransportkette, um einen Protonengradienten zu erzeugen, der von der ATP-Synthase verwendet wird, um Phosphatgruppen an ADP-Moleküle hinzuzufügen


Schau das Video: Biology CH - Photosynthesis in Detail (Januar 2022).