background image

second stage  

                                                                                                                       Lec-1

 

9/10/2016                              

    biochemistry                                

د. أحمد يحيى 

 

Bioenergetics and Biological Oxidation

 

 

Bioenergetics and Biological Oxidation 

 

Adinosine triphosphate (ATP) 

 

Bioenergetics and Biological Oxidation 
 
Bioenergetics is the study of energy changes or thermodynamic accompanying biochemical 
reactions, which takes place inside the body.

 

The reactions in general are accompanied by liberation of energy, they may require energy, 
or neither gives nor requires energy.

 

 
Energy  is  necessary  for  biological  system  to  perform  the  different  biochemical  and 
physiological  activities.  This  energy  can  be  obtained  from  the  breakdown  of  different 
nutritional substances (Fuel compounds. lipids, carbohydrates and proteins). 

 

 
This explain why in certain conditions e.g. during starvation for several days or weeks may 
end  with  death  and  this  can  be  accounted    due  to  depletion  of  energy  from  all  stores  or 
reserves of energy inside the body

 

In certain other conditions when there are defects in energy or other metabolic problems 
may result in certain metabolic disorders as e.g. in case of  Kwashiorkor  and Marasmus  in 
which there are defect in energy supply and quantity and types of proteins. 
On the other hand increased energy intake more than body requirement will result in obesity. 

 

However, the energy release is regulated by thyroid hormones.

 

          
 In  normal  condition,  there  is  a  fine  control  between  two  processes  these  are  energy 
requirement and energy releasing. 

 

 
This  control  or link is very important in  bioenergetics  as  it occur through ATP (Adenosine 
triphosphate) which is made up of 3 parts 

 

1) 

A nitrogenous base (Adenine) 

 

2) 

 A sugar (Ribose) & 

 

3)   3 Phosphoric acid molecules as shown. 

The two outer phosphate atoms are very important 
in  the  bioenergetics  as  the  bonds  in  these 
phosphates are high energy ( ~  ).

 


background image

On hydrolysis of ATP, it gives adenosine diphosphate + Pi, in addition to energy. 
ATP                                 ADP + Pi + Energy (≈ 7Kcal)      

 

This means it release the terminal inorganic phosphate and so it is converted to ADP+Pi. This 
hydrolysis usually accompanied by liberation of energy or heat of about -7 Kcal (-30Kj)/ mol. 
(- ve charge mean available energy while +ve charge mean required energy. 
 

 

Under certain conditions further hydrolysis of ADP may occur resulting in the production of 
AMP + Pi and this accompanied by liberation of almost the same quantity of energy.

 

ADP                                AMP + Pi + (≈7Kcal) 

 

The phosphate atom in AMP is not considered as high-energy phosphate and so on hydrolysis 
will not produce energy. 
 
 
 
 


background image

 

second stage  

                                                                                                                       Lec-2

 

9/10/2016                              

    biochemistry                                

د. أحمد يحيى 

 

Bioenergetics and Biological Oxidation

 

 

Coupled Reactions 

 

Biological Oxidation 

 

Coupled Reactions: 
The  high-energy  reaction  (~),  some  times  called  energy  favorable  reaction  or  exergonic 
reaction  is  usually  coupled  to  another  reaction  e.g.  if  a  compound  A  is  converted  to  B  in 
certain biological system. If A is stable compound then B cannot appear in the medium unless 
a catalyst** is present (Enzyme*) so an enzyme (E) is required

 

             E

 

A                              B

 

 

* Enzyme: It is a catalyst in biological reactions. It is a protein in nature.

 

 ** Catalyst : It is certain substance, which help in increasing the speed of the reaction. It may 

shear in the reaction and may suffer from physical changes but it return to its 
original form at the end of the reaction.)

 

 
If this reaction is energy favorable then this reaction require another reaction to capture heat 
or  energy  from  the  first  reaction,  otherwise  it  will  dissipate.  These  reactions  are  called 
coupled  reactions  and  can  be  facilitated  by  the  enzymes.  Therefore,  the  enzyme  may  be 
designed for the presence of ADP & Pi, which result in the formation of ATP. 

 

                             E

 

ADP + Pi                                ATP 

 

 

This reaction is a non favorable reaction (endergonic) and require energy, if we collect both 
reactions in one equation 
                                  E

 

A + ADP + Pi                              B + ATP

 

Another example if a compound

 

                 E                                                

 

 C                              D

 

Where this reaction require an enzyme. If this reaction is non-favorable then it will require 
an energy and so the enzyme in this case will provide ATP which will be hydrolyses to ADP+Pi 
in addition to energy.

 

ATP                              ADP + Pi

 


background image

When we collect both reactions:

 

                              E

 

C + ATP                              D +  ADP + Pi

 

We can summarize the 2 reactions as follows

 

When A is changed to B energy is produced and captured by ADP+Pi and when C changed to 
D it require energy and can be obtained from ATP. 

 

However, all human and animals activities require energy, which can be available from the 
breakdown of different fuel compounds in stepwise breakdown (Metabolism) in the cells and 
any defect or fault will lead to certain disease due to abnormal metabolic disorder. 

 

Exergonic and endergonic reactions are also terms used to describe the energy favorable and 
energy required reactions respectively.

 

 

Exergonic  or  energy  favorable  reactions  supply  energy  for  the  normal  biochemical  and 
physiological  functions  of  the  body  e.g.  muscle  contraction,  nerve  excitation,  active 
transport, synthetic reactions and so on. 

 

 

Biological Oxidation: 

About  1780  Lavoisier  concluded  that  combustion  processes  must  takes  place  in  animal’s 
organism. Since then biological oxidation has often been compared to combustion. Indeed 
there is no difference in the product in both cases are CO2 + H2O + Energy. 

 

Oxidation is defined today very generally as a loss of electrons (e). Oxidation of molecular 
hydrogen can therefore be formulated as follows                             

 

      H

2

 -

 

2e

 -   

                             2H

+

         ……1 

 

An  oxidizing  agent  must  accept  the  electrons.  If  we  use  e.g.  a  ferric  salt,  the  equation 
becomes:

 

H2  +  2 Fe

+++

   = 2H

+

    + 2Fe 

++

      ………. 2

 

 

 


background image

Molecular oxygen can act as an oxidizing agent similarly by picking up either 2 or 4 electrons:

 

                                              +2H+ 

O2  +  2 e-      =   O2-2                                H2O2       …3                                 

 

                                             +4H+

 

 O2  +  4 e-      =  2O-2                                2H2O     ……4

 

 

Therefore, Oxidation is the removal of electrons and reduction is the gain of electrons.

 

Oxidation  is  always  accompanied  by  reduction  of  an  electron  acceptor.  Also, 
dehydrogenation mean oxidation of a compound.

 

In chemical oxidation O2 can oxidizes the compound directly while in biological system O2 is 
not  directly  oxidizes  the  compound  but  it  shear  in  oxidation  at  the  final  stage,  certain 
enzymes and coenzymes* are responsible for oxidation instead of oxygen.

 

*Coenzyme:  It  is  a  prosthetic  group  in  the  enzyme  molecule  it  is  non-protein  organic 

substance, which inter really in the reaction but cannot catalyse the reaction 
without the enzyme. They usually contain certain member of the B-complex 
vitamin.

 

 

The  sequence  of  the  enzymes  and  carriers  responsible  for  the  transport  of  reducing 
equivalent (e) from substrate* to molecular oxygen is known as respiratory chain or electron 
transport  chain
  or  mitochondrial  transport  system,  which  is  imbedded  in  the  inner 
membrane of the mitochondria.

 

*Substrate: is the substance upon which the enzymes act on.

 

This will carry the electrons on a series of carriers and when pass from one carrier to another 
the first is oxidized and the next is reduced and the final one is oxygen. At the end, the final 
compound  is  converted  to  energy  in  addition  to  H2O  +  CO2,  which  are  excreted  to  the 
outside.

 

Many enzymes and coenzymes participate in biological oxidation some of them are members 
of the respiratory chain in the mitochondria. These are called oxido-reductases. They include:  

1.  Oxidases 

2. 

 Dehydrogenases:  a. aerobic dehydrogenases 

 

     b. Anaerobic dehydrogenases: 

 

       dependent on Nicotiamide (NAD&NADP)                                                              

 

       dependent on flavine (FAD&FMN)

 

3. 

 Cytochromes

 

4. 

 Hydroperoxidases: Peroxidase , Catalases

 

5.   Oxygenases: Mono , Di   
6.  CoQ (ubiquinone) 


background image

second stage  

                                                                                                                       Lec-3

 

9/10/2016                              

    biochemistry                                

د. أحمد يحيى 

 

Bioenergetics and Biological Oxidation

 

Oxidases: 
They act by the removal of hydrogen from one substrate to another and the substrate will be 
oxidized. They use only oxygen as hydrogen acceptor. Water is always the product of this 
reaction.  
 
Dehydrogenases: 
a-  
aerobic dehydrogenases: they catalyses removal of hydrogen from certain 

substrates and can use oxygen or other compounds as hydrogen acceptor, 
H2O2 is always the product.

 

• 

Aerobic dehydrogenases usually contain flavoprotein as coenzyme i.e. 
coenzyme containing FAD or FMN.

 

• 

FAD: Flavine adnine dinucleotide

 

• 

FMN: Flavine mononucleotide.

 

• 

(Containing riboflavin or vit B2)

 

• 

Riboflavine or Vit B2 : Consist of ribitol and flavine , 
available in all vegetables and milk , deficiency cause 
inflammation of the tongue and angles of the 
mouth(Chilosis).

 

 
 
 

b-  Anaerobic dehydrogenases: catalysis the oxidation of substrate but can not use oxygen as 

hydrogen acceptor. 

dependent on Nicotiamide (NAD&NADP) : They contain in their structure the vitamin 
niacin or vit B3. Niacine or Vit B3 (Nicotinic acid) is a non toxic part of a toxic alkaloid 
present in tobacco (nicotin) present in milk and leafy vegetables. Diffeciency causes 
Pellagra( or 3 d)(Dermatitis, Dementia, and diarrhea. NAD is a member the respiratory 
chain of the mitochondria. The active part of NAD that participates in the reaction is 
the nicotinamide.

 

 

dependent on Riboflavin: 
The active part is riboflavin or vitB2 e.g. 
of this coenzyme is FAD and FMN.  
 
 


background image

Cytochromes:

 

 They are members of respiratory chain.    They function as carries of electrons from CoQ to 
cytochrome oxidase.

 

The cytochromes contain iron as the active part in the center of porphyrin (Cytochrome).

 

The Fe atom will oscillate from ferric to ferrous (Fe

+3

 and Fe

+2

) during oxidation and reduction.

 

When these enzymes catalyse the oxidation, the metabolite will be oxidized and Fe atom will 
be  reduced.  At  least  five  cytochromes  were  isolated  in  the  respiratory  chain  of  the 
mitochondria. These are cytochrome b, c1, c, a & a3. 

 

 
Hydroperoxidases:

 

They  are  group  of  enzymes  act  mainly  using  hydrogen  peroxide  (H2O2)  as  a  substrate 
hydolysing it to H2O and O2.

 

 
Oxygenases:

 

They are group of enzymes catalysis the incorporation of oxygen into substrate molecule. 
They are two types:

 

a) 

 Dioxygenases:

 

b) 

 Monooxygenases:

 

      
 

CoQ or ubiquinone: 
This  coenzyme  is  present  in  the  inner  mitochondrial  membrane.  It  is  a  member  of  the 
respiratory chain, and has the property of electron carrier 

   

 

 
 
 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

second stage  

                                                                                                                       Lec-4

 

9/10/2016                              

    biochemistry                                

د. أحمد يحيى 

 

Bioenergetics and Biological Oxidation

 

 

•  Respiration and respiratory chain 
•  Sequence of Redox system in the respiratory chain: 
•  Redox occurs in the Mitochondria: 
•  Sites of ATP production 
•  Oxidative Phosphorylation 

 
 

Respiration and respiratory chain: 
The  mitochondrion  in  each  cell  is  regarded  as  the  power  house.  Inside  the  mitochondria, 
there are series of carrier, which carry the electrons (also called reducing equivalents). This 
system is called respiratory chain or mitochondrial transport system or electron transport 
chain. This chain or system is imbedded in the inner mitochondrial membrane arranged in 
certain manner through increasing redox potential.  
 
The reason for this arrangement may be due to that NAD which is the first member of the 
respiratory chain which accept H from the substrate specific dehydrogenase ) if it is directly 
react with oxygen then large amount of energy will be produced. This energy may be larger 
than the ability of a single coupling reaction and so energy may dissipate. 
 

 

Instead it is subdivided into small individual energy so NADH2 does not react directly with 
oxygen but in a series of intermediate steps with the possibility of coupling each step with 
other reaction thus keeping much of the energy formed. 
 
As the energy of biological system is in the form of ATP so the respiratory chain coupled with 
phosphorylation i.e. with the formation of ATP from ADP+Pi and the whole process is called 
oxidative phosphorylation.

 

 
 
Sequence of Redox system in the respiratory chain: 
The arrangement of component enzymes and coenzymes in the respiratory chain depend on 
the redox potential. The most negative potential is that of NAD so it is the first member of 
the RC, which can receive H from the substrate and become reduced.

 

The hydrogen is then transferred to the next member of the RC (FP) and so the first member 
(NADH2) is reoxidised and the second one is reduced and become FPH2 then the H will be 
transferred to the third (CoQ) and so flavoprotein will be reoxidised. 


background image

CoQ is also a point or a site for the entry of hydrogen from the dehydrogenation of succinate 
and  fatty  acids.  The  next  member  of  the  RC  does  the  reoxidation  of  CoQ,  which  is  the 
cytochrome system that acts by change of valence of iron. From this point, only electrons are 
transferred.  
 
The cytochromes are arranged also according to their redox potential in the sequence shown 
where cytochrome aa3 transfer the electrons to oxygen, which immediately pick up 2H+ to 
produce water. 

            

 

 
 

Certain inhibitors like 
Ratenon and Amytal, 
antimycin A, Cyanide 
and CO can block the 
redox at the sites 
shown. 

 

 
Redox occurs in the Mitochondria:

 

Any oxidation-reduction reaction is accompanied by transfer of electrons between the two 
systems. 

 

This happen in the mitochondria as pair of electrons are given to NAD which is the first 
member of the RC from different intermediate like glutamate, pyrovate, α-keto acids by 
different dehydrogenases systems.

 

This pair of electrons then flows from the first member of the RC (NAD) to the second 
member (FP) and so on until the final component of the RC giving its pair of (e) to oxygen 
forming water. 
 
There are certain intermediate which cannot give their pair of electrons to the first member 
(NAD) instead they give it to CoQ and this is due to charge on the compound. 
When the electrons go to CoQ, they also flow in the same direction of the chain and finally 
reach oxygen to produce water and energy. 

 

Therefore, the electrons can pass to the RC either through NAD or through CoQ. It is clear 
that  the  transfer  of  electrons  from  one  member  to  another  in  the  RC  is  an  oxidation-
reduction process. The following scheme shows the redox in the mitochondria. 

 

 


background image

Sites of ATP production: 
Each pair of electrons when it enter the chain from the beginning till react with oxygen then 
one  high  energy  product  (ATP)  is  produced  in  3  sites  between  NADH2  and  FP,  CoQ  or 
ubiquinone and cytochrome b and Cytochrome aa3 and O2.

 

Therefore 3 molecules of ATP are produced from the cycle when started from the beginning 
(NAD) to the end. While when the electrons enter the RC from CoQ then 2 ATP are formed 
as it miss or bypass the first site of synthesis of ATP. 
 
Oxidative Phosphorylation:

 

The importance of RC is because free energy of oxidation of some of the individual steps are 
trapped  or  stored  in  the  form  of  ATP  using  ADP+Pi  in  each  site.  This  process  is  termed 
oxidative phosphorylation or RC phosphorylation.

 

 It is found that 1 ATP can arise for each pair of electrons (or hydrogen) transferred at each 
of 3 sites between NADH2 and FP, ubiquinone and Cyto b and Cyto aa3 and oxygen.

 

 

ATP 

 
 
The high energy compound, ATP speaks: 
I am the energy currency of the cell!

 

Continuous consumption and regeneration is my role;

 

Without me, all biochemical functions come to a standstill;

 

Existence of life is unimaginable without my will

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Oday Duraid
المشاهدات: لقد قام 29 عضواً و 1952 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل