En reaksjon der den frie energien til en termodynamisk gunstig transformasjon, som hydrolyse av ATP, og en termodynamisk ugunstig, er mekanisk koblet sammen til en ny reaksjon (eller kan tenkes å være så sammenføyet) er kjent som en koblet reaksjon.

For å si det på en annen måte, kan to eller flere reaksjoner kombineres mekanisk slik at en spontan reaksjon kan fås til å "drive" en ikke-spontan, og vi kan snakke om den kombinerte reaksjonen som "koblet '(se for eksempel Silby & Alberty (2001), sitert nedenfor). Den kombinerte reaksjonen kan katalyseres av et enzym, i hvilket tilfelle den 'termodynamiske skyvingen' tilveiebringes av koblingsmidlet (slik som ATP) og den 'kinetiske skyvingen' tilveiebringes av enzymet.

Vi må ta hensyn til et veldig viktig poeng. Som påpekt av Atkinson (1977), er den koblede reaksjonen en annen reaksjon på reaksjonen vi prøver å 'drive', med forskjellig total støkiometri og derav en annen total likevektskonstant (Atkinson, 1977, s52).

En koblet reaksjon presser ikke en reaksjon forbi likevekten "(se Atkinson, 1977, s52). Intet enzym kan for eksempel skyve noen reaksjon forbi sin likevektsposisjon. Dette er forbudt av den andre loven. (Hvis din favoritt kinetiske mekanisme ikke overholder den andre loven, er det, som Eddington uttrykte det, "ikke noe håp"). Et enzym (eller enzymer) kan imidlertid føre til at en reaksjon fortsetter lenger enn den normalt ville gjort ved å katalysere en annen reaksjon (eller serie reaksjoner).

Kanskje (i lysinbiosyntese fra aspartat) krever naturen den (NADH-koblede) reduksjonen av en karboksylsyre til et aldehyd, en reaksjon som normalt anses å være irreversibel. Og la oss stave denne ut: likevektskonstanten for en reaksjon som følgende:

 NADH + karboksylsyre = NAD  +  + aldehyd (1) 

favoriserer sterkt aldehyddehydrogenering så mye at transformasjon fra venstre mot høyre aldri (så vidt jeg vet) har blitt demonstrert (mer om dette nedenfor).

Lar oss først fosforylere karboksylsyren ved bruk av ATP som koblingsmiddel for å gi aspartyl-fosfat ( aspartatkinase):

 aspartat + ATP = aspartat-4- fosfat + ADP (2) 

La oss nå redusere den 'aktiverte' syren (aspartat-4-fosfat) ved å bruke NADPH som elektrondonor, hvor likevektskonstanten i følgende reaksjon er veldig til høyre ( aspartatsemialdehyddehydrogenase):

 aspartat-4-fosfat + NADPH + H  +  ⇌ L-aspartat 4-semialdehyd + P  i  sub> + NADP  +  

Så vi har fått vårt produkt (aldehydet) fra vårt 'utgangsmateriale' (karboksylsyren), men på 'bekostning' (som vi vil se det) av ATP-hydrolyse.

Vi kan tenke på de ovennevnte reaksjonene som værende 'mekanisk koblet' av dannelsen av aspartyl-fosfat slik at den totale likevektskonstanten for den følgende reaksjonen er mye gunstigere enn den for Eqn (1)

 aspartat + ATP + NADPH + H  +  ⇌ L-aspartat 4-semialdehyd + P  i  + NADP  +  

Eller, i mer abstrakte termer, kan den koblede reaksjonen bli representert som følgende:

 karboksylsyre + ATP + NADPH + H  +  ⇌ aldeyde + P  i  + NADP  +  

Reduksjonen av en karboksylsyre til et aldehyd har blitt gitt et termodynamisk "trykk" av koblingsmidlet (og et kinetisk "trykk av enzymene).

Før vi går videre til noen spesifikke eksempler, la oss vurdere ytterligere tre punkter.

(i) Hva gjør ATP til et godt koblingsmiddel? For å igjen sitere Atkinson (1977, s. 48), har et godt koblingsmiddel to krav: for det første må det være termodynamisk ustabilt. Det vil si at det må være "langt fra likevekt når det gjelder noen nyttig konvertering" (Atkinson, 1977, s48). Hydrolysen av ATP fyller pent dette kriteriet. For det andre må et godt koblingsmiddel være kinetisk stabilt. Igjen 'passer ATP': løsningene av ATP i vann er stabile (Atkinson, 1977, s. 48).

ATP (-39,7 kJ / mol) er selvfølgelig ikke det eneste nyttige koblingsmidlet, eller til og med det 'beste'. fosfoenol-pyruvat (-61,9 kJ / mol), kreatin-fosfat (-43,5 kJ / mol) og acetyl-fosfat (-43,1 kJ / mol) er andre. Tallene i parentes refererer til fri energi fra hydrolyse og er hentet fra Silby og Alberty (2001, s 282).

(ii) Den koblede reaksjonen trenger ikke involverer direkte hydrolyse av koblingsmiddel. Enhver reaksjon der ATP konverteres til ADP har mottatt et 'termodynamisk trykk tilsvarende den frie energien til hydrolyse av ATP' (Atkinson, 1977, s49). I hovedsak er konseptet med en koblet reaksjon en abstraksjon, skapt av oss for vår bekvemmelighet.

(iii) For å si det åpenbare, er en koblet reaksjon akkurat det: koblet . Koblingen kan være 'kjemisk', som i mange av eksemplene nedenfor, eller kan være konformasjonell (som i ATP-syntase), men det må i en eller annen forstand være en mekanist som går inn i en ny (ekte) reaksjon. To reaksjoner som oppstår isolert, selv om man er ATP-hydrolyse, er ikke koblet.

Spesifikke eksempler

Et eksempel på en koblet reaksjon er glyceraldehyd-3-fosfatdehydrogenase (EC 1.2.1.12; GAPDH) reaksjon [se her].

 Glyseraldehyd-3-fosfat + NAD  +  + P  i  → 1,3-diPhosphoGlycerate + NADH + H  +  

Vi kan tenke på denne reaksjonen i form av to separate reaksjoner som er koblet mekanisk av enzymet. (i) NAD ⁺ koblet oksidasjon av et aldehyd til en karboksylsyre (aldehyddehydrogenasereaksjonen) og (ii) fosforylering av en karboksylsyre. (I likhet med ATP kan en fosforylert karboksylsyre betraktes som en 'høy energi' forbindelse, det vil si en likevekt for hydrolyse ligger veldig til venstre i reaksjon 2 nedenfor).

Reaksjon 1

 RCHO + NAD  +  + H  2  O → RCOOH + NADH + H  +  

Reaksjon 2 (P _i er uorganisk fosfat ).

 RCOOH + P  i  → RC (= O) (OP  i ) + H  2  O 

Hvordan kan man 'drive' dannelsen av en fosforylert karboksylsyre ved å koble den til den (spontane) NAD ⁺ -koblet oksidasjon av et aldehyd?

En forenklet versjon av GAPDH-reaksjonen er som følger (en mer komplett mekanisme, støttet av mange eksperimentelle bevis, kan bli funnet i Fersht (1999 ), som jeg siterer nedenfor).

Trinn 1. Dannelse på et enzymbundet tiohemiacetal.

 E-SH + RCHO → ESC (R) (H) (OH) 

En sulfydryl på enzymet (en del av en Cys-rest) reagerer med aldehydgruppen på substratet for å gi et tiohemiacetal. (I fremstillingen ovenfor er grupper i parentes alle koblet til et enkelt (tetraedrisk) karbonatom).

Trinn 2. Tiohemiacetal oksyderes av enzymbundet NAD ⁺ til en tiolester (nøkkeltrinnet).

 ESC (R) (H) (OH) + NAD  +  → ESC (= O) (R) + NADH + H  +  

Denne (enzymbundne) tiolesteren er et "høyenergi" mellomprodukt der det kan tenkes at den frie energien til aldehydoksidasjon har blitt "fanget".

Det siste trinnet i GAPDH-reaksjonen er nå spontan (fortsetter til høyre).

Trinn 3. Angrep på tiolesteren av uorganisk fosfat

(P _i er uorganisk fosfat)

 ESC (= O) (R) + P  i  → E-SH + RC (= O) (OP  i ) 

Dermed er den frie energien til NAD ⁺ -bundet aldehydoksidasjon blitt 'sekvestret' og brukt til å 'drive' den termodynamisk ugunstige fosforylering av en karboksylsyre, ved å koble de to reaksjonene via en ('høy energi') tiolester: den koblede reaksjonen er en annen reaksjon .

The ' termodynamisk pris 'er at GAPDH-reaksjonen (i motsetning til NAD ⁺ -bundet aldehydoksidasjon) er fritt reversibel: den koblede reaksjonen har en forskjellig total likevektskonstant .

Som nevnt ovenfor er dette en forenklet versjon av GAPDH-reaksjonen. (Tetramerisk) enzym inneholder en tett bundet NAD ⁺ for en start, og dette må tas i betraktning. En fyldigere konto kan bli funnet i følgende referanse:

• Fersht, Alan. (1999) Structure and Mechanism in Protein Science , s 469 - 471, W.H. Freeman & Co.

For en mer fullstendig behandling av koblede biokjemiske reaksjoner, se

• Silbey, R.J. & Alberty, R.A. (2001) Physical Chemistry (3. utgave) s. 281 - 283.

• Atkinson, D. E. (1977) Cellular Energy Metabolism and Its Regulation. Academic Press, New York

Pyruvate kinase (EC 2.7.1.40) [se her] er et annet godt eksempel på en koblet biokjemisk reaksjon. I dette tilfellet er reaksjonen nesten irreversibel i retning av ATP-syntese!

Standard transformert fri energi (ΔG ^{o '}) for hydrolyse av fosfoenol-pyruvat (PEP) til pyruvat og fosfat er ~ - 62 kJ / mol. Dette representerer en likevektskonstant på omtrent 10 ¹⁰ til fordel for hydrolyse! (se Walsh, sitert nedenfor, s. 229-230).

Til sammenligning, ΔG ^{o '} for ATP + H ₂ O → ADP + P _i er omtrent - 40 kJ / mol.

Dermed kan pyruvatkinasereaksjonen sees på som en koblet biokjemisk reaksjon der den frie energien til PEP-hydrolyse er koblet til ( nesten irreversibel ) ATP-syntese.

Hvorfor har PEP en så stor negativ ΔG ^{o '}? Enolformen av pyruvat eksisterer ikke i merkbare mengder i vandig oppløsning ved pH 7 ( Pocker et al ., 1969; Damitio et al ., 1992). PEP kan betraktes som en "fanget" form av en termodynamisk ustabil enol som frigjøres ved hydrolyse, og dermed "trekker" likevekten til høyre. (se Walsh, sitert nedenfor, s 230, for en grundigere forklaring).

Personlig har jeg alltid sett på at reaksjonen katalysert av PK er ganske fantastisk.

Rediger

Som svar på dette spørsmålet om standard fri energi for hydrolyse av fosfoenolpyruvat (PEP), vil jeg legge til følgende.

Den termodynamisk stabile formen av PEP i oppløsning ved 'fysiologisk' pH er enolformen. Det vil si at enol fra dominerer.

PEP-hydrolyse kan formelt deles i to deler: (i) hydrolyse av fosfatesteren for å gi enolformen av pyruvat, etterfulgt av (ii) tautomerisering til den (termodynamisk stabile) ketoformen av pyruvat ( Chiang et al., 1992). Dermed er det enolformen av PEP som dominerer i vandig oppløsning ved pH 7, men pyruvat eksisterer hovedsakelig i ketoform under lignende betingelser.

I sin grundige studie tilskriver Chiang og kolleger 47% av den frie energien frigjort av hydrolysen PEP til ketoniseringen av enolformen av pyruvat, og konkluderer med at "nesten halvparten av det høye energiinnholdet i dette molekylet ligger i sin maskerte enolfunksjon" (Og selvfølgelig betyr de "høy energi" i Lipmann (' squiggle') forstand, det vil si at PEP har en høy standard fri energi av hydrolyse).

Vi må være forsiktige med følgende og erkjenner at språket er noe løst: vi kan tenke oss PEP som et molekyl der den termodynamisk ustabile formen av pyruvat (enolformen) er 'fanget' i en (termodynamisk stabil) fosfatester kobling, som vil bli "frigitt" ved hydrolyse. Og for å understreke, er den termodynamisk stabile formen av PEP enolformen.

IMO, Chiang et al. (1992) er et veldig hyggelig papir som sikkerhetskopierer konklusjoner med sterke eksperimentelle bevis, men det er overraskende at de ikke siterte Walsh hvem (igjen, IMO) er den første som gir den riktige forklaringen?

Referanser

• Chiang, Y., Kresge, AJ & Pruszynski, P. (1992) Keto-Enol Equilibria in the Pyruvic Acid System: Determination of the Keto-Enol Equilibrium Constant of Pyruvic Acid and Pyruvate and the Acidity Constant of Pyruvate Enol i vandig løsning J. Am. Chem. Soc. 114, 3103-3107

• Damitio, J., Smith, G., Meany, J. E., Pocker, Y. (1992). En komparativ studie av enolisering av pyruvat og reversibel dehydrering av pyruvathydrat J. Er. Chem. Soc ., 114 , 3081–3087

• Lipmann, F. (1941). Metabolsk generering og utnyttelse av fosfatbindingsenergi. Adv. Enzymol. 1, 99 - 162.

• Pocker, Y., Meany, JE, Nist, BJ, & Zadorojny, C. (1969) The Reversible Hydrering av pyruvinsyre. I. likevektsstudier. J. Phys. Chem. 76 , 2879 - 2882.

• Walsh, C. (1979) Enzymatiske reaksjonsmekanismer . W.H. Freeman & Co.

  ---

  Oksidativ fosforylering

Den viktigste koblede reaksjonen er kanskje den som oppstår i oksidativ fosforylering sterk> der oksidasjon av drivstoff via respiratorisk redoks-kjede er koblet til 'syntese' av ATP.

Jeg har "styrt meg" opp til dette punktet, da det er et veldig komplekst område og vanskelig å gjøre rettferdighet i noen få linjer.

I den kjemiosmotiske teorien om oksidativ fosforylering (hovedsakelig på grunn av Peter Mitchell) skaper elektrontransport via respirasjonskjeden til molekylært oksygen en protongradient over den indre mitokondriale membranen ved å pumpe protoner utover . Denne protongradienten, eller protonmotorkraften, brukes til å 'drive' følgende reaksjon til høyre:

 ADP + P  i  ⇌ ATP + H  2  sub > O 

Dette blir ofte referert til som 'ATP-syntese', men rettere nok opprettholder det vårt koblingsmiddel "langt fra likevekt når det gjelder noen nyttig konvertering" (Atkinson, 1977, s. 48), at er langt fra likevekt i hydrolyse av ATP.

Selv om all oksidativ fosforylering kan betraktes som en koblet reaksjon, er alt som (veldig kort) blir sett på her, reaksjonen katalysert av ATP-syntase, som kan anses å katalysere den følgende koblede reaksjonen.

 ADP + P  i  + H  +  (Ut) ⇌ ATP + H  2  O + H  + (In)

Dette er et eksempel på vektorkatalyse, men det er mye mer. ATP-syntetasen har blitt beskrevet som en "fantastisk molekylær maskin" (Boyer, 1997b).

• Det er et eksempel på sekvensiell, kooperativ katalyse mellom 3 aktive steder der frigjøring av produkter (ATP) på ett sted er avhengig av binding av substrater (ADP og P _{i ) på en annen.}
• Det er et eksempel på indirekte konformasjonskobling der protongradienten påvirker frigjøringen av tett bundet ATP ved å fremkalle sekvensielle konformasjonsendringer på alle aktive steder.
• Det er et eksempel på en bindingsendringsmekanisme, hvor protongradienten er ansvarlig frigjøring av ATP fra enzymet, men ikke spiller noen rolle i syntesen.
• Kanskje mest dramatisk, er det et eksempel på rotasjonskatalyse, der den indirekte rotasjonen av en proteinunderenhet medfører sekvensielle konformasjonsendringer i de aktive stedene.

Mye av mekanismen til ATP-syntetase skyldes Boyer: dette inkluderer prediksjon av rotasjonskatalyse og formulering (og forsvar) av bindingsendringsmekanismen (se Boyer, 1997a, b ). For noen fine dynamiske diagrammer over virkningsmekanismen, se dette SO-svaret.

Kanskje de viktigste betraktningene fra synspunktet til denne diskusjonen er subtiliteten til koblingseffekten eller "mekanistisk sammenføyning": den er forårsaket av en konformasjonsendring på grunn av rotasjon av en proteinenhet, og den formidles selv om dissosiasjonen av ATP fra en underenhet og ikke gjennom dens 'syntese' fra ADP og P _i på et aktivt sted.

[Bortsett fra] I et mest kjent eksperiment ble rotasjonskatalyse 'fysisk' demonstrert av Kinoshita og medarbeidere ved å feste et aktinfilament til den roterende underenheten av enzymet og se under et fluorescerende mikroskop (se her), som viste at rotasjon er mot klokken (ser på enzymet fra 'membransiden') når enzymet hydrolyserer ATP. En fin YouTube-video, som ser ut til å være basert på det opprinnelige Noji eksperimentet, kan bli funnet her.

Referanser◄

• Abeles, R.H., Frey, P.A. & Jencks, W.P. (1992) Biokjemi . Jones & Barlett, forlag.

• Boyer, PD (1997a) [Nobel Lecture] Energy, Life, and ATP (pdf tilgjengelig her)

• Boyer, PD (1997b) ATP Synthase. En fantastisk molekylær maskin Annu. Pastor Biochem. 66, 717–749

• Mitchell, P. (1978) [Nobel Lecture] David Keilins Respiratory Chain Concept and Its Chemiosmotic Consequences (pdf tilgjengelig her)

• Walker, JE (1997) [Nobel Lecture] ATP Synthesis by Rotary Catalysis (pdf tilgjengelig her)

Det er ganske enkelt. Det oppstår en reaksjon som frigjør energi (som ATP som mister et fosfat for å bli ADP + Pi). Hvis dette ikke kobles fra, vil energien bare bli til varme. Hvis den er koblet, kan den brukes til å drive en annen prosess. Hvis du for eksempel kobler sammen ATP -> ADP-reaksjonen til et bestemt protein, kan energien brukes til å endre formen på det proteinet.

I en koblet reaksjon tilføres energi som kreves av en prosess av en annen prosess. For eksempel: glukose + fosfat blir glukose.6. Fosfat. Dette er en endergonisk reaksjon, og energien tilføres denne reaksjonen ved en annen reaksjon som må være eksergonisk reaksjon, dvs. ATP som kan bli ADP + energi.

Koblingsprosess der to eller flere kjemiske reaksjoner er avhengige av hverandre gjennom energi når den ene er eksoterm, den andre er endoterm, den ene produserer et produkt eller mellomprodukt som brukes av de andre. Eksempler på glykolyse og sitronsyresyklus, fosforylering og defosforylering i trinn av glykolyse og mange andre