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Pourquoi le NAD+ se réduit-il s'il gagne un proton d'hydrogène ?

Pourquoi le NAD+ se réduit-il s'il gagne un proton d'hydrogène ?


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J'ai entendu dire que $ce{NAD^+}$ gagne un proton d'hydrogène pendant la glycolyse et le cycle de Krebs et se réduit à $ce{NADH}$. Cependant, n'est-ce pas une réduction lorsqu'une molécule reçoit un électron ?

Peut-être ai-je été mal informé ? $ce{NADH}$ gagne-t-il un électron d'hydrogène, pas un proton ?


Vous avez raison de dire que la réduction n'est qu'un gain d'électrons. Il en résulte une diminution du nombre d'oxydation.

Vous savez que NAD+ est réduite par ce processus car elle démarre avec une charge positive (+1) et se termine avec une charge neutre (0).

L'agent réducteur qui donne les électrons est l'hydrogène. Plus correctement, les électrons proviennent de l'hydrure (H-).

L'hydrure est représenté par 2 électrons sur ce diagramme redox :

Comme vous pouvez le voir, la réaction de réduction transfère un proton (H+) et des électrons hydrures (H- ou 2e-) à NAD+. Un électron va à l'azote et l'autre au carbone où le proton se lie. Plus de détails sur la réaction redox du NAD peuvent être trouvés ici.


Pourquoi gagner de l'hydrogène s'appelle-t-il réduction alors que gagner des électrons s'appelle réduction ? Ne sont-ils pas opposés

Est-ce parce qu'un hydrogène a un électron, donc gagner de l'hydrogène, c'est techniquement gagner des électrons ? Mais cela ne semble pas juste car les oxygènes ont aussi des électrons et gagner de l'oxygène est une oxydation.

Ce qui m'embrouille, c'est que lorsque nous parlons habituellement d'hydrogène, c'est un ion hydrogène. Et les ions hydrogène et les électrons sont opposés. Je me rends compte que cette situation n'est pas un ion hydrogène mais un hydrogène complet, mais cela me fait toujours penser.


Contenu

Le nicotinamide adénine dinucléotide est constitué de deux nucléosides reliés par du pyrophosphate. Les nucléosides contiennent chacun un cycle ribose, l'un avec de l'adénine attachée au premier atome de carbone (la position 1') (adénosine diphosphate ribose) et l'autre avec du nicotinamide à cette position. [1] [2]

Le composé accepte ou donne l'équivalent de H − . [3] De telles réactions (résumées dans la formule ci-dessous) impliquent l'élimination de deux atomes d'hydrogène du réactif (R), sous la forme d'un ion hydrure (H − ) et d'un proton (H + ). Le proton est libéré en solution, tandis que le réducteur RH2 est oxydé et NAD+ réduit en NADH par transfert de l'hydrure sur le cycle nicotinamide.

De la paire d'électrons d'hydrure, un électron est transféré à l'azote chargé positivement du cycle nicotinamide de NAD + , et le deuxième atome d'hydrogène est transféré à l'atome de carbone C4 opposé à cet azote. Le potentiel médian de la paire redox NAD + /NADH est de -0,32 volts, ce qui fait du NADH un puissant réduire agent. [4] La réaction est facilement réversible, lorsque le NADH réduit une autre molécule et est réoxydé en NAD + . Cela signifie que la coenzyme peut passer en continu entre les formes NAD + et NADH sans être consommée. [2]

En apparence, toutes les formes de cette coenzyme sont des poudres amorphes blanches qui sont hygroscopiques et hautement solubles dans l'eau. [5] Les solides sont stables s'ils sont stockés au sec et dans l'obscurité. Les solutions de NAD + sont incolores et stables pendant environ une semaine à 4 °C et à pH neutre, mais se décomposent rapidement dans les acides ou les alcalis. Lors de la décomposition, ils forment des produits qui sont des inhibiteurs d'enzymes. [6]

Le NAD + et le NADH absorbent tous deux fortement la lumière ultraviolette à cause de l'adénine. Par exemple, le pic d'absorption du NAD + est à une longueur d'onde de 259 nanomètres (nm), avec un coefficient d'extinction de 16 900 M -1 cm -1 . Le NADH absorbe également à des longueurs d'onde plus élevées, avec un deuxième pic d'absorption UV à 339 nm avec un coefficient d'extinction de 6 220 M -1 cm -1 . [7] Cette différence dans les spectres d'absorption ultraviolette entre les formes oxydées et réduites des coenzymes à des longueurs d'onde plus élevées facilite la mesure de la conversion de l'une à l'autre dans les dosages enzymatiques - en mesurant la quantité d'absorption UV à 340 nm à l'aide d'un spectrophotomètre . [7]

Le NAD+ et le NADH diffèrent également par leur fluorescence. NADH diffusant librement en solution aqueuse, lorsqu'il est excité à l'absorbance du nicotinamide de

335 nm (proche UV), émet une fluorescence à 445-460 nm (violet à bleu) avec une durée de vie de fluorescence de 0,4 nanoseconde, tandis que NAD + n'est pas fluorescent. [8] [9] Les propriétés du signal de fluorescence changent lorsque le NADH se lie aux protéines, de sorte que ces changements peuvent être utilisés pour mesurer les constantes de dissociation, qui sont utiles dans l'étude de la cinétique enzymatique. [9] [10] Ces changements de fluorescence sont également utilisés pour mesurer les changements dans l'état redox des cellules vivantes, grâce à la microscopie à fluorescence. [11]

Dans le foie de rat, la quantité totale de NAD+ et de NADH est d'environ 1 µmole par gramme de poids humide, soit environ 10 fois la concentration de NADP+ et de NADPH dans les mêmes cellules. [12] La concentration réelle de NAD + dans le cytosol cellulaire est plus difficile à mesurer, avec des estimations récentes dans les cellules animales allant d'environ 0,3 mM, [13] [14] et d'environ 1,0 à 2,0 mM dans la levure. [15] Cependant, plus de 80% de la fluorescence du NADH dans les mitochondries provient de la forme liée, de sorte que la concentration en solution est beaucoup plus faible. [16]

Les concentrations de NAD + sont les plus élevées dans les mitochondries, constituant 40 % à 70 % du NAD + cellulaire total. [17] NAD + dans le cytosol est transporté dans la mitochondrie par une protéine de transport membranaire spécifique, car la coenzyme ne peut pas diffuser à travers les membranes. [18] La demi-vie intracellulaire du NAD + était comprise entre 1 et 2 heures par une revue, [19] alors qu'une autre revue a donné des estimations variables en fonction du compartiment : intracellulaire de 1 à 4 heures, cytoplasmique de 2 heures et mitochondrial 4 -6 heures. [20]

L'équilibre entre les formes oxydées et réduites du nicotinamide adénine dinucléotide est appelé rapport NAD + /NADH. Ce rapport est une composante importante de ce qu'on appelle le état redox d'une cellule, une mesure qui reflète à la fois les activités métaboliques et la santé des cellules. [21] Les effets du rapport NAD + /NADH sont complexes, contrôlant l'activité de plusieurs enzymes clés, y compris la glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase et la pyruvate déshydrogénase. Dans les tissus de mammifères sains, les estimations du rapport entre le NAD + libre et le NADH dans le cytoplasme se situent généralement autour de 700:1, le rapport est donc favorable aux réactions oxydatives. [22] [23] Le rapport du total NAD + /NADH est beaucoup plus bas, avec des estimations allant de 3 à 10 chez les mammifères. [24] En revanche, le rapport NADP + /NADPH est normalement d'environ 0,005, de sorte que le NADPH est la forme dominante de cette coenzyme. [25] Ces différents rapports sont la clé des différents rôles métaboliques du NADH et du NADPH.

Le NAD+ est synthétisé par deux voies métaboliques. Il est produit soit dans un de novo voie des acides aminés ou dans les voies de récupération en recyclant les composants préformés tels que le nicotinamide en NAD + . Bien que la plupart des tissus synthétisent le NAD + par la voie de récupération chez les mammifères, beaucoup plus de novo la synthèse se produit dans le foie à partir du tryptophane, et dans les reins et les macrophages à partir de l'acide nicotinique. [26]

De novo fabrication Modifier

La plupart des organismes synthétisent le NAD+ à partir de composants simples. [3] L'ensemble spécifique de réactions diffère selon les organismes, mais une caractéristique commune est la génération d'acide quinolinique (QA) à partir d'un acide aminé - soit le tryptophane (Trp) chez les animaux et certaines bactéries, soit l'acide aspartique (Asp) chez certaines bactéries. et les plantes. [27] [28] L'acide quinolinique est converti en acide nicotinique mononucléotide (NaMN) par transfert d'un fragment phosphoribose. Une fraction adénylate est ensuite transférée pour former l'adénine dinucléotide d'acide nicotinique (NaAD). Enfin, la fraction acide nicotinique dans NaAD est amidée en une fraction nicotinamide (Nam), formant le nicotinamide adénine dinucléotide. [3]

Dans une étape supplémentaire, une partie du NAD + est convertie en NADP + par la NAD + kinase, qui phosphoryle le NAD + . [29] Dans la plupart des organismes, cette enzyme utilise l'ATP comme source du groupe phosphate, bien que plusieurs bactéries telles que Mycobacterium tuberculosis et un archéon hyperthermophile Pyrococcus horikoshii, utilisez du polyphosphate inorganique comme autre donneur de phosphoryle. [30] [31]

Voies de récupération Modifier

Malgré la présence du de novo voie, les réactions de sauvetage sont essentielles chez l'homme un manque de niacine dans l'alimentation provoque la pellagre, une maladie de carence en vitamines. [32] Cette exigence élevée en NAD + résulte de la consommation constante de la coenzyme dans des réactions telles que les modifications post-traductionnelles, car le cycle de NAD + entre les formes oxydées et réduites dans les réactions redox ne modifie pas les niveaux globaux de la coenzyme. [3] La principale source de NAD + chez les mammifères est la voie de récupération qui recycle le nicotinamide produit par les enzymes utilisant le NAD + . [33] La première étape et l'enzyme limitant la vitesse dans la voie de récupération est la nicotinamide phosphoribosyltransférase (NAMPT), qui produit le nicotinamide mononucléotide (NMN). [33] Le NMN est le précurseur immédiat du NAD+ dans la voie de récupération. [34]

En plus d'assembler NAD + de novo à partir de simples précurseurs d'acides aminés, les cellules récupèrent également des composés préformés contenant une base pyridine. Les trois précurseurs de vitamines utilisés dans ces voies métaboliques de récupération sont l'acide nicotinique (NA), le nicotinamide (Nam) et le nicotinamide riboside (NR). [3] Ces composés peuvent être absorbés par l'alimentation et sont appelés vitamine B3 ou niacine. Cependant, ces composés sont également produits au sein des cellules et par digestion du NAD + cellulaire. Certaines des enzymes impliquées dans ces voies de récupération semblent être concentrées dans le noyau cellulaire, ce qui peut compenser le niveau élevé de réactions qui consomment le NAD + dans cet organite. [35] Certains rapports indiquent que les cellules de mammifères peuvent absorber le NAD + extracellulaire de leur environnement [36] et que le nicotinamide et le nicotinamide riboside peuvent être absorbés par l'intestin. [37]

Les voies de récupération utilisées chez les micro-organismes diffèrent de celles des mammifères. [38] Certains agents pathogènes, comme la levure Candida glabrata et la bactérie Haemophilus influenzae sont des auxotrophes du NAD + – ils ne peuvent pas synthétiser le NAD + – mais possèdent des voies de récupération et sont donc dépendants de sources externes de NAD + ou de ses précurseurs. [39] [40] Encore plus surprenant est le pathogène intracellulaire Chlamydia trachomatis, qui manque de candidats reconnaissables pour tout gène impliqué dans la biosynthèse ou la récupération à la fois du NAD + et du NADP + , et doit acquérir ces coenzymes de son hôte. [41]

Le nicotinamide adénine dinucléotide a plusieurs rôles essentiels dans le métabolisme. Il agit en tant que coenzyme dans les réactions d'oxydoréduction, en tant que donneur de fragments ADP-ribose dans les réactions d'ADP-ribosylation, en tant que précurseur de la deuxième molécule messagère ADP-ribose cyclique, ainsi qu'en tant que substrat pour les ADN ligases bactériennes et un groupe d'enzymes appelées sirtuines qui utilisent NAD + pour éliminer les groupes acétyle des protéines. En plus de ces fonctions métaboliques, NAD + apparaît comme un nucléotide adénine qui peut être libéré des cellules spontanément et par des mécanismes régulés, [43] [44] et peut donc avoir des rôles extracellulaires importants. [44]

Liaison oxydoréductase du NAD Modifier

Le rôle principal du NAD+ dans le métabolisme est le transfert d'électrons d'une molécule à une autre. Les réactions de ce type sont catalysées par un grand groupe d'enzymes appelées oxydoréductases. Les noms corrects de ces enzymes contiennent les noms de leurs deux substrats : par exemple, la NADH-ubiquinone oxydoréductase catalyse l'oxydation du NADH par la coenzyme Q. [45] Cependant, ces enzymes sont également appelées déshydrogénases ou réductases, la NADH-ubiquinone oxydoréductase étant communément appelée NADH déshydrogénase ou parfois coenzyme Q réductase. [46]

Il existe de nombreuses superfamilles différentes d'enzymes qui se lient au NAD + / NADH. L'une des superfamilles les plus courantes comprend un motif structurel connu sous le nom de pli de Rossmann. [47] [48] Le motif est nommé d'après Michael Rossmann qui a été le premier scientifique à remarquer à quel point cette structure est courante dans les protéines de liaison aux nucléotides. [49]

Un exemple d'enzyme bactérienne de liaison au NAD impliquée dans le métabolisme des acides aminés qui n'a pas de pli Rossmann se trouve dans Pseudomonas syringae pv. tomate ( APD : 2CWH ​ InterPro : IPR003767). [50]

Lorsqu'il est lié au site actif d'une oxydoréductase, le cycle nicotinamide de la coenzyme est positionné de manière à pouvoir accepter un hydrure de l'autre substrat. Selon l'enzyme, le donneur d'hydrure est positionné soit "au-dessus" soit "au-dessous" du plan du carbone planaire en C4, tel que défini sur la figure. Les oxydoréductases de classe A transfèrent l'atome d'en haut. Les enzymes de classe B le transfèrent d'en bas. Puisque le carbone C4 qui accepte l'hydrogène est prochiral, cela peut être exploité dans la cinétique enzymatique pour donner des informations sur le mécanisme de l'enzyme. Cela se fait en mélangeant une enzyme avec un substrat qui a des atomes de deutérium substitués aux hydrogènes, de sorte que l'enzyme réduira le NAD + en transférant du deutérium plutôt que de l'hydrogène. Dans ce cas, une enzyme peut produire l'un des deux stéréoisomères du NADH. [51]

Malgré la similitude dans la façon dont les protéines se lient aux deux coenzymes, les enzymes présentent presque toujours un niveau élevé de spécificité pour le NAD + ou le NADP + . [52] Cette spécificité reflète les rôles métaboliques distincts des coenzymes respectives et est le résultat d'ensembles distincts de résidus d'acides aminés dans les deux types de poche de liaison aux coenzymes. Par exemple, dans le site actif des enzymes dépendantes du NADP, une liaison ionique est formée entre une chaîne latérale d'acide aminé basique et le groupe phosphate acide du NADP+. À l'inverse, dans les enzymes dépendantes du NAD, la charge dans cette poche est inversée, empêchant le NADP + de se lier. Cependant, il existe quelques exceptions à cette règle générale, et des enzymes telles que l'aldose réductase, la glucose-6-phosphate déshydrogénase et la méthylènetétrahydrofolate réductase peuvent utiliser les deux coenzymes chez certaines espèces. [53]

Rôle dans le métabolisme redox Modifier

Les réactions d'oxydoréduction catalysées par les oxydoréductases sont vitales dans toutes les parties du métabolisme, mais une fonction particulièrement importante de ces réactions est de permettre aux nutriments de libérer l'énergie stockée dans la double liaison relativement faible de l'oxygène. [54] Ici, les composés réduits tels que le glucose et les acides gras sont oxydés, libérant ainsi l'énergie chimique d'O2. Dans ce processus, le NAD + est réduit en NADH, dans le cadre de la bêta-oxydation, de la glycolyse et du cycle de l'acide citrique. Chez les eucaryotes, les électrons portés par le NADH produit dans le cytoplasme sont transférés dans la mitochondrie (pour réduire le NAD + mitochondrial) par des navettes mitochondriales, comme la navette malate-aspartate. [55] Le NADH mitochondrial est ensuite oxydé à son tour par la chaîne de transport d'électrons, qui pompe des protons à travers une membrane et génère de l'ATP par phosphorylation oxydative. [56] Ces systèmes de navette ont également la même fonction de transport dans les chloroplastes. [57]

Étant donné que les formes oxydées et réduites du nicotinamide adénine dinucléotide sont utilisées dans ces ensembles de réactions liées, la cellule maintient des concentrations significatives de NAD + et de NADH, le rapport NAD + /NADH élevé permettant à cette coenzyme d'agir à la fois comme un oxydant et un agent réducteur. [58] En revanche, la fonction principale du NADPH est d'être un agent réducteur de l'anabolisme, cette coenzyme étant impliquée dans des voies telles que la synthèse des acides gras et la photosynthèse. Étant donné que le NADPH est nécessaire pour entraîner des réactions d'oxydoréduction en tant qu'agent réducteur puissant, le rapport NADP + /NADPH est maintenu très bas. [58]

Bien qu'il soit important dans le catabolisme, le NADH est également utilisé dans des réactions anaboliques, telles que la néoglucogenèse. [59] Ce besoin de NADH dans l'anabolisme pose un problème pour les procaryotes qui poussent sur des nutriments qui ne libèrent qu'une petite quantité d'énergie. Par exemple, les bactéries nitrifiantes telles que Nitrobacter oxyder le nitrite en nitrate, ce qui libère suffisamment d'énergie pour pomper des protons et générer de l'ATP, mais pas assez pour produire directement du NADH. [60] Comme le NADH est toujours nécessaire pour les réactions anabolisantes, ces bactéries utilisent une nitrite oxydoréductase pour produire suffisamment de force protonique pour faire fonctionner une partie de la chaîne de transport d'électrons en sens inverse, générant du NADH. [61]

Rôles non redox Modifier

La coenzyme NAD+ est également consommée dans les réactions de transfert ADP-ribose. Par exemple, des enzymes appelées ADP-ribosyltransférases ajoutent la fraction ADP-ribose de cette molécule aux protéines, dans une modification post-traductionnelle appelée ADP-ribosylation. [62] L'ADP-ribosylation implique soit l'ajout d'un seul fragment ADP-ribose, dans mono-ADP-ribosylation, ou le transfert de l'ADP-ribose aux protéines en longues chaînes ramifiées, appelé poly(ADP-ribosyl)ation. [63] La mono-ADP-ribosylation a d'abord été identifiée comme le mécanisme d'un groupe de toxines bactériennes, notamment la toxine cholérique, mais elle est également impliquée dans la signalisation cellulaire normale. [64] [65] La poly(ADP-ribosyl)ation est réalisée par les poly(ADP-ribose) polymérases. [63] [66] La structure poly(ADP-ribose) est impliquée dans la régulation de plusieurs événements cellulaires et est la plus importante dans le noyau cellulaire, dans des processus tels que la réparation de l'ADN et l'entretien des télomères. [66] En plus de ces fonctions au sein de la cellule, un groupe d'ADP-ribosyltransférases extracellulaires a été récemment découvert, mais leurs fonctions restent obscures. [67] NAD + peut également être ajouté sur l'ARN cellulaire en tant que modification 5'-terminale. [68]

Une autre fonction de cette coenzyme dans la signalisation cellulaire est celle de précurseur de l'ADP-ribose cyclique, qui est produit à partir du NAD+ par les ADP-ribosylcyclases, dans le cadre d'un second système messager. [69] Cette molécule agit dans la signalisation calcique en libérant le calcium des réserves intracellulaires. [70] Il le fait en se liant à et en ouvrant une classe de canaux calciques appelés récepteurs de la ryanodine, qui sont situés dans les membranes des organites, telles que le réticulum endoplasmique. [71]

Le NAD+ est également consommé par les sirtuines, qui sont des désacétylases NAD-dépendantes, telles que Sir2. [72] Ces enzymes agissent en transférant un groupe acétyle de leur protéine substrat à la fraction ADP-ribose du NAD +, ce qui clive le coenzyme et libère du nicotinamide et du O-acétyl-ADP-ribose. Les sirtuines semblent principalement être impliquées dans la régulation de la transcription en désacétylant les histones et en modifiant la structure des nucléosomes. [73] Cependant, les protéines non histones peuvent également être désacétylées par les sirtuines. Ces activités des sirtuines sont particulièrement intéressantes en raison de leur importance dans la régulation du vieillissement. [74]

D'autres enzymes dépendantes du NAD comprennent les ADN ligases bactériennes, qui relient deux extrémités d'ADN en utilisant NAD + comme substrat pour donner une fraction adénosine monophosphate (AMP) au phosphate 5' d'une extrémité d'ADN. Cet intermédiaire est ensuite attaqué par le groupe hydroxyle 3' de l'autre extrémité de l'ADN, formant une nouvelle liaison phosphodiester. [75] Cela contraste avec les ADN ligases eucaryotes, qui utilisent l'ATP pour former l'intermédiaire ADN-AMP. [76]

Li et al. ont découvert que le NAD+ régule directement les interactions protéine-protéine. [77] Ils montrent également que l'une des causes du déclin lié à l'âge de la réparation de l'ADN peut être une liaison accrue de la protéine DBC1 (Deleted in Breast Cancer 1) à PARP1 (poly[ADP-ribose] polymérase 1) en tant que niveaux NAD + déclin au cours du vieillissement. [77] Ainsi, la modulation de NAD + peut protéger contre le cancer, les radiations et le vieillissement. [77]

Actions extracellulaires de NAD + Modifier

Ces dernières années, le NAD+ a également été reconnu comme une molécule de signalisation extracellulaire impliquée dans la communication de cellule à cellule. [44] [78] [79] Le NAD + est libéré des neurones dans les vaisseaux sanguins, [43] de la vessie, [43] [80] du gros intestin, [81] [82] des cellules neurosécrétoires, [83] et du cerveau synaptosomes, [84] et est proposé comme un nouveau neurotransmetteur qui transmet des informations des nerfs aux cellules effectrices des organes musculaires lisses. [81] [82] Dans les plantes, le nicotinamide adénine dinucléotide extracellulaire induit une résistance à l'infection par des agents pathogènes et le premier récepteur NAD extracellulaire a été identifié. [85] D'autres études sont nécessaires pour déterminer les mécanismes sous-jacents de ses actions extracellulaires et leur importance pour la santé humaine et les processus vitaux dans d'autres organismes.

Les enzymes qui fabriquent et utilisent le NAD + et le NADH sont importantes à la fois en pharmacologie et dans la recherche sur les futurs traitements de la maladie. [86] La conception de médicaments et le développement de médicaments exploitent le NAD + de trois manières : en tant que cible directe des médicaments, en concevant des inhibiteurs ou des activateurs d'enzymes basés sur sa structure qui modifient l'activité des enzymes NAD-dépendantes, et en essayant d'inhiber la biosynthèse du NAD + . [87]

Parce que les cellules cancéreuses utilisent une glycolyse accrue et parce que le NAD améliore la glycolyse, la nicotinamide phosphoribosyltransférase (voie de récupération du NAD) est souvent amplifiée dans les cellules cancéreuses. [88] [89]

Il a été étudié pour son utilisation potentielle dans le traitement de maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson. [3] Un essai clinique contrôlé par placebo du NADH (qui excluait les précurseurs du NADH) chez les personnes atteintes de la maladie de Parkinson n'a montré aucun effet. [90]

Le NAD+ est également une cible directe du médicament isoniazide, qui est utilisé dans le traitement de la tuberculose, une infection causée par Mycobacterium tuberculosis. L'isoniazide est un promédicament et une fois qu'il a pénétré dans la bactérie, il est activé par une enzyme peroxydase, qui oxyde le composé en une forme radicalaire. [91] Ce radical réagit alors avec NADH, pour produire des adduits qui sont des inhibiteurs très puissants des enzymes enoyl-acyl carrier protein reductase, [92] et dihydrofolate reductase. [93]

Étant donné qu'un grand nombre d'oxydoréductases utilisent le NAD + et le NADH comme substrats et les lient à l'aide d'un motif structurel hautement conservé, l'idée que des inhibiteurs basés sur le NAD + puissent être spécifiques à une enzyme est surprenante. [94] Cependant, cela peut être possible : par exemple, des inhibiteurs basés sur les composés acide mycophénolique et tiazofurine inhibent l'IMP déshydrogénase au site de liaison NAD +. En raison de l'importance de cette enzyme dans le métabolisme des purines, ces composés peuvent être utiles comme médicaments anticancéreux, antiviraux ou immunosuppresseurs. [94] [95] D'autres médicaments ne sont pas des inhibiteurs d'enzymes, mais activent plutôt des enzymes impliquées dans le métabolisme NAD +. Les sirtuines sont une cible particulièrement intéressante pour de tels médicaments, car l'activation de ces désacétylases dépendantes du NAD prolonge la durée de vie de certains modèles animaux. [96] Des composés tels que le resvératrol augmentent l'activité de ces enzymes, ce qui peut être important dans leur capacité à retarder le vieillissement chez les vertébrés, [97] et les organismes modèles invertébrés. [98] [99] Dans une expérience, des souris ayant reçu du NAD pendant une semaine avaient amélioré la communication nucléaire-mitochrondriale. [100]

En raison des différences dans les voies métaboliques de la biosynthèse du NAD + entre les organismes, comme entre les bactéries et les humains, ce domaine du métabolisme est un domaine prometteur pour le développement de nouveaux antibiotiques. [101] [102] Par exemple, l'enzyme nicotinamidase, qui convertit le nicotinamide en acide nicotinique, est une cible pour la conception de médicaments, car cette enzyme est absente chez l'homme mais présente dans la levure et les bactéries. [38]

En bactériologie, le NAD, parfois appelé facteur V, est utilisé en complément des milieux de culture pour certaines bactéries fastidieuses. [103]

La coenzyme NAD + a été découverte pour la première fois par les biochimistes britanniques Arthur Harden et William John Young en 1906. [104] Ils ont remarqué que l'ajout d'extrait de levure bouilli et filtré accélérait considérablement la fermentation alcoolique dans les extraits de levure non bouillis. Ils ont appelé le facteur non identifié responsable de cet effet un coferment. Grâce à une purification longue et difficile à partir d'extraits de levure, ce facteur thermostable a été identifié comme un phosphate de sucre nucléotidique par Hans von Euler-Chelpin. [105] En 1936, le scientifique allemand Otto Heinrich Warburg montra la fonction de la coenzyme nucléotidique dans le transfert d'hydrure et identifia la partie nicotinamide comme le site des réactions redox. [106]

Les précurseurs vitaminiques du NAD+ ont été identifiés pour la première fois en 1938, lorsque Conrad Elvehjem a montré que le foie a une activité « anti-langue noire » sous forme de nicotinamide. [107] Puis, en 1939, il a fourni la première preuve solide que la niacine est utilisée pour synthétiser le NAD + . [108] Au début des années 1940, Arthur Kornberg a été le premier à détecter une enzyme dans la voie biosynthétique. [109] En 1949, les biochimistes américains Morris Friedkin et Albert L. Lehninger ont prouvé que le NADH reliait des voies métaboliques telles que le cycle de l'acide citrique à la synthèse d'ATP dans la phosphorylation oxydative. [110] En 1958, Jack Preiss et Philip Handler ont découvert les intermédiaires et les enzymes impliqués dans la biosynthèse du NAD + [111] [112] la synthèse de récupération à partir de l'acide nicotinique est appelée la voie Preiss-Handler. En 2004, Charles Brenner et ses collaborateurs ont découvert la voie de la nicotinamide riboside kinase vers le NAD + . [113]

Les rôles non redox du NAD(P) ont été découverts plus tard. [2] Le premier à être identifié a été l'utilisation du NAD+ comme donneur d'ADP-ribose dans les réactions d'ADP-ribosylation, observées au début des années 1960. [114] Des études menées dans les années 1980 et 1990 ont révélé les activités des métabolites NAD + et NADP + dans la signalisation cellulaire, telles que l'action de l'ADP-ribose cyclique, découverte en 1987. [115]

Le métabolisme du NAD + est resté un domaine de recherche intense au 21e siècle, avec un intérêt accru après la découverte des protéines désacétylases dépendantes du NAD + appelées sirtuines en 2000, par Shin-ichiro Imai et ses collègues du laboratoire de Leonard P. Guarente . [116] En 2009, Imai a proposé l'hypothèse "NAD World" selon laquelle les principaux régulateurs du vieillissement et de la longévité chez les mammifères sont la sirtuine 1 et la principale enzyme de synthèse NAD + nicotinamide phosphoribosyltransférase (NAMPT). [117] En 2016, Imai a étendu son hypothèse à "NAD World 2.0" qui postule que le NAMPT extracellulaire du tissu adipeux maintient le NAD + dans l'hypothalamus (le centre de contrôle) en conjonction avec les myokines des cellules musculaires squelettiques. [118]


Introduction aux transporteurs d'énergie mobiles

Résumé de la section

L'énergie est déplacée et transférée à l'intérieur de la cellule de diverses manières. Un mécanisme critique que la nature a développé est l'utilisation de vecteurs d'énergie moléculaire recyclables. Bien qu'il existe plusieurs principaux vecteurs d'énergie recyclables, ils partagent tous des caractéristiques fonctionnelles communes :

Propriétés des principaux vecteurs d'énergie moléculaire cellulaire

  • Nous pensons que les vecteurs énergétiques existent dans des "pools" de vecteurs disponibles. On pourrait, par analogie, considérer ces transporteurs d'énergie mobiles comme les véhicules de livraison des transporteurs de colis - la société dispose à tout moment d'un certain "pool" de véhicules disponibles pour ramasser et effectuer des livraisons.
  • Chaque porteur individuel dans le pool peut exister dans l'un de plusieurs états distincts : il transporte soit une « charge » d'énergie, une charge fractionnaire, ou est « vide ». La molécule peut s'interconvertir entre "chargée" et vide et peut ainsi être recyclée. Toujours par analogie, les véhicules de livraison peuvent soit être porteurs de colis, soit être vides et basculer entre ces états.
  • L'équilibre ou le rapport dans le pool entre les porteurs "chargés" et "déchargés" est important pour la fonction cellulaire, est régulé par la cellule et peut souvent nous dire quelque chose sur l'état d'une cellule. De même, un service de transport de colis surveille de près le niveau de remplissage ou de vide de leurs véhicules de livraison - s'ils sont trop pleins, il se peut qu'il n'y ait pas suffisamment de camions "vides" pour ramasser de nouveaux colis s'ils sont trop vides, les affaires ne doivent pas bien se dérouler ou c'est s'arrêter il y a un équilibre approprié pour différentes situations.

Dans ce cours, nous examinerons deux principaux types de vecteurs d'énergie moléculaires recyclables : (1) nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+), un proche parent nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADP + ), et flavine adénine dinucléotide (FAD 2 + ) et (2) les nucléotides mono-, di- et triphosphates, avec une attention particulière adénosine triphosphate (ATP). Chacun de ces deux types de molécules est impliqué dans le transfert d'énergie qui implique différentes classes de réactions chimiques. Il est intéressant de noter que, tandis qu'une classe de porteurs fournit des électrons (et de l'énergie), l'autre fournit des phosphates (et de l'énergie), mais les deux incluent un ou plusieurs nucléotides d'adénine. Peut-être que les nucléotides d'adénine étaient une partie importante de la petite enfance ? Découvrez la théorie du "monde de l'ARN".

Chimie redox et transporteurs d'électrons

L'oxydation ou l'élimination d'un électron d'une molécule (qu'elle soit accompagnée ou non de l'élimination d'un proton qui l'accompagne) entraîne un changement d'énergie libre pour cette molécule - la matière, l'énergie interne et l'entropie ont toutes changé au cours du processus. . De même, la réduction (du gain d'électrons) d'une molécule modifie également son énergie libre. L'ampleur du changement d'énergie libre et sa direction (positive ou négative) pour une réaction d'oxydoréduction dicte la spontanéité de la réaction et la quantité d'énergie transférée. Dans les systèmes biologiques, où une grande partie du transfert d'énergie se produit via des réactions redox, il est important de comprendre comment ces réactions sont médiées et de commencer à envisager des idées ou des hypothèses expliquant pourquoi ces réactions sont médiées dans de nombreux cas par une petite famille de porteurs d'électrons. .

Discussions possibles : Reliez la combustion de la cellulose (un polymère de sucre) au dernier paragraphe ci-dessus. Qu'est-ce que cette démonstration a à voir avec notre prochaine discussion sur les transporteurs redox. Il y a déjà une mention ci-dessus - pouvez-vous la trouver?

Discussions possibles : Le problème évoqué dans la question de discussion précédente est un excellent point de départ pour introduire la rubrique du défi de conception. Si vous vous en souvenez, la première étape de la rubrique vous demande de définir un problème ou une question. Dans ce cas, imaginons qu'il y ait un problème à définir pour lequel les porteurs d'électrons mobiles ci-dessous ont aidé la Nature à résoudre.

***--- Rappelez-vous que l'évolution NE propose PAS de solutions aux problèmes, mais rétrospectivement, nous pouvons utiliser notre imagination et notre logique pour en déduire que ce que nous voyons préservé par la sélection naturelle a fourni un avantage sélectif parce que l'innovation naturelle a "résolu" un problème qui a limité le succès . ---***

Défi de conception pour les transporteurs redox

  • Quel(s) problème(s) l'évolution des porteurs mobiles d'électrons/rédox a-t-elle aidé à résoudre ?
  • La prochaine étape du défi de conception vous demande d'identifier des critères pour des solutions réussies. Quels sont les critères de réussite dans le problème que vous avez identifié ?
  • L'étape 3 du défi de conception vous demande d'identifier des solutions possibles. Eh bien, ici, la nature en a identifié quelques-uns pour nous - nous en considérons trois dans la lecture ci-dessous. Il semble que la nature soit heureuse d'avoir plusieurs solutions au problème.
  • L'avant-dernière étape de la rubrique défi de conception vous demande d'évaluer les solutions proposées par rapport aux critères de réussite. Cela devrait vous faire réfléchir/discuter de la raison pour laquelle il existe plusieurs porteurs d'électrons différents ? Existe-t-il différents critères de réussite ? Résolvent-ils chacun des problèmes légèrement différents ? Qu'est-ce que tu penses? Soyez à l'affût pendant que nous parcourons le métabolisme pour trouver des indices.

NAD + /H et FADH/H2

Dans les systèmes vivants, une petite classe de composés fonctionne comme des navettes d'électrons : ils se lient et transportent des électrons entre les composés dans différentes voies métaboliques. Les principaux porteurs d'électrons que nous considérerons sont dérivés du groupe des vitamines B et sont des dérivés de nucléotides. Ces composés peuvent être à la fois réduits (c'est-à-dire qu'ils acceptent des électrons) ou oxydés (ils perdent des électrons) en fonction du potentiel de réduction d'un donneur ou d'un accepteur d'électrons potentiel vers lequel et depuis lequel ils pourraient transférer des électrons. La nicotinamide adénine dinucléotide (NAD + ) (la structure est illustrée ci-dessous) est dérivée de la vitamine B3, niacine. NAD + is the oxidized form of the molecule NADH is the reduced form of the molecule after it has accepted two electrons and a proton (which together are the equivalent of a hydrogen atom with an extra electron).

We are expecting you to know which is the oxidized and which is the reduced form of NAD+/NADH, and be able to recognize either form on-the-spot in the context of a chemical reaction.

NAD + can accept electrons from an organic molecule according to the general equation:

A bit of vocabulary review: When electrons are added to a compound, the compound is said to have been réduit. A compound that reduces another (donates electrons) is called a reducing agent. In the above equation, RH is a reducing agent, and NAD + is reduced to NADH. When electrons are removed from a compound, it becomes oxidized. A compound that oxidizes another is called an agent d'oxydation. In the above equation, NAD+ is an oxidizing agent, and RH is oxidized to R.

You need to get this down! We will (a) test specifically on your ability to do so - as "easy" questions and (b) we will use the terms with the expectation that you know what they mean and can relate them to biochemical reactions correctly (in class and on tests).

You will also encounter a second variation of NAD + , NADP + . It is structurally very similar to NAD + but it contains an extra phosphate group and plays an important role in anabolic reactions such as photosynthesis. Another nucleotide-based electron carrier that you will also encounter in this course and beyond, flavin adenine dinucleotide (FAD + ) is derived from vitamin B2, également appelée riboflavine. Sa forme réduite est FADH2. Learn to recognize these molecules as electron carriers as well.

The oxidized form of the electron carrier (NAD + ) is shown on the left and the reduced form (NADH) is shown on the right. La base azotée du NADH a un ion hydrogène de plus et deux électrons de plus que dans le NAD + .

NAD + is used by the cell to "pull" electrons off of compounds and to carry them to other locations within the cell, thus they are called porteurs d'électrons. NAD + /H compounds are used in many of the metabolic processes we will discuss in this class. For example, in its oxidized form NAD + is used as a reactant in glycolysis and the TCA cycle, whereas in its reduced form (NADH) it is a reactant in fermentation and the electron transport chain (ETC). Each of these processes will be discussed in later modules.

Energy Story for a Redox Reaction

***As a rule of thumb, when we see NAD + /H as a reactant or product we know we are looking at a redox reaction.***

When NADH is a product and NAD + is a reactant we know that NAD + has become reduced (forming NADH) therefore the other reactant must have been the electron donor and become oxidized. The vice versa is also true. If NADH has become NAD + , then the other reactant must have gained electrons from NADH and become reduced.

This reaction shows the conversion of pyruvate to lactic acid coupled with the conversion of NADH to NAD + . Source: en.wikibooks.org/wiki/Structural_Biochemistry/Enzyme/sequential_reactions

In the figure above we see the reaction of pyruvate becoming lactic acid, coupled with the conversion of NADH into NAD+. This reaction is catalyzed by LDH. Using our 'rule of thumb' above, we categorize this reaction as a redox reaction. NADH is the reduced form of the electron carrier and NADH is converted into NAD + . This half of the reaction results in the oxidation of the electron carrier. Pyruvate is converted into lactic acid in this reaction. Both of these sugars are negatively charged so it would be difficult to see which compound is more reduced using the charges of the compounds. However, we know that pyruvate has become reduced to form lactic acid because this conversion is coupled to the oxidation of NADH into NAD + . But how can we tell that lactic acid is more reduced than pyruvate? The answer is to look at the carbon-hydrogen bonds in both compounds. As electrons are transferred, they are often accompanied by a hydrogen atom. There are a total of 3 C-H bonds in pyruvate and there are a total of 4 C-H bonds in lactic acid. When we compare these two compounds in the before and after state, we see that lactic acid has one more C-H bond, therefore, lactic acid is more reduced than pyruvate. Note also lactic acid it has picked up 2 complete hydrogen atoms (and the source of these was. ). This holds true for multiple compounds. For example, the figure below, you should be able to rank the compounds from most to least reduced using the C-H bonds as your guide.

Above are a series of compounds than can be ranked or reorganized from most to least reduced. Compare the number of C-H bonds in each compound. Carbon dioxide has no C-H bonds and is the most oxidized form of carbon we will discuss in this class. Answer: Most reduced is methane (compound 3), then methanol (4), formaldehyde (1), carboxylic acid (2), and finally carbon dioxide (5).

This reaction shows the conversion of G3P, Pi, NAD+ into NADH and 1,3-BPG. This reaction is catalyzed by Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase.

Energy story for the reaction catalyzed by Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase:

Let's make an energy story for the reaction above.

First, let's characterize the reactants and products. The reactants are Glyceraldehyde-3-phosphate (a carbon compound), Pi (inorganic phosphate) and NAD + . These three reactants enter into a chemical reaction to produce two products, NADH and 1,3-Bisphosphoglycerate. If you look closely you can see that the 1,3-BPG contains two phosphates. This is important when we are double checking that no mass has been lost. There are two phosphates in the reactants so there need to be two phosphates in the products (conservation of mass!). You can double check that all the other atoms are also accounted for. The enzyme that catalyzes this reaction is called Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase. The standard free energy change of this reaction is

6.3 kJ/mol so under standard conditions we can say that the free energy of the products is higher than that of the reactants and that this reaction is not spontaneous under standard conditions.

What can we say about this reaction catalyzed by glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase?

This is a redox reaction. We know that because we have produced a reduced electron carrier (NADH) as a product and NAD + is a reactant. Where did the electron come from to make NADH? The electron must have come from the other reactant (the carbon compound).

Recommended discussion: We will spend some time examining the reaction catalyzed by glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase in more detail as we move through the lectures and text. The first thing to discuss here is that the figure above is a highly simplified or condensed version of the steps that take place - one could in fact break that reaction above into TWO conceptual reactions. Can you imagine what those two "subreactions" might be? Discutez entre vous.

Recommended discussion: The text above notes that the standard change in free energy for this complex reaction is

+6.3 kJ/mol. Under standard conditions this reaction is NOT spontaneous. However, this is one of the key reactions in the oxidation of glucose. It needs to GO in the cell. The questions are: why is it important to note things like "standard change of free energy" or "under standard conditions" when reporting that &DeltaG°? What could possibly be going on in the cell to make what is under standard conditions an endergonic reaction "go" under real-life conditions?


Why does NAD+ become reduced if it gains a hydrogen proton? - La biologie

DEFINITIONS OF OXIDATION AND REDUCTION (REDOX)

This page looks at the various definitions of oxidation and reduction (redox) in terms of the transfer of oxygen, hydrogen and electrons. It also explains the terms oxidising agent and reducing agent.

Oxidation and reduction in terms of oxygen transfer

Oxidation is gain of oxygen.

Reduction is loss of oxygen.

For example, in the extraction of iron from its ore:

Because both rougeuction and bœufidation are going on side-by-side, this is known as a redox réaction.

Oxidising and reducing agents

An oxidising agent is substance which oxidises something else. In the above example, the iron(III) oxide is the oxidising agent.

A reducing agent reduces something else. In the equation, the carbon monoxide is the reducing agent.

Oxidising agents give oxygen to another substance.

Reducing agents remove oxygen from another substance.

Oxidation and reduction in terms of hydrogen transfer

These are old definitions which aren't used very much nowadays. The most likely place you will come across them is in organic chemistry.

Oxidation is loss of hydrogen.

Reduction is gain of hydrogen.

Notice that these are exactly the opposite of the oxygen definitions.

For example, ethanol can be oxidised to ethanal:

You would need to use an oxidising agent to remove the hydrogen from the ethanol. A commonly used oxidising agent is potassium dichromate(VI) solution acidified with dilute sulphuric acid.

Noter: The equation for this is rather complicated for this introductory page. If you are interested, you will find a similar example (ethanol to ethanoic acid) on the page dealing with writing equations for redox reactions.

Ethanal can also be reduced back to ethanol again by adding hydrogen to it. A possible reducing agent is sodium tetrahydridoborate, NaBH4. Again the equation is too complicated to be worth bothering about at this point.

An update on oxidising and reducing agents

Oxidising agents give oxygen to another substance or remove hydrogen from it.

Reducing agents remove oxygen from another substance or give hydrogen to it.

Oxidation and reduction in terms of electron transfer

This is easily the most important use of the terms oxidation and reduction at A' level.

Oxidation is loss of electrons.

Reduction is gain of electrons.

It is essential that you remember these definitions. There is a very easy way to do this. As long as you remember that you are talking about electron transfer:

The equation shows a simple redox reaction which can obviously be described in terms of oxygen transfer.

Copper(II) oxide and magnesium oxide are both ionic. The metals obviously aren't. If you rewrite this as an ionic equation, it turns out that the oxide ions are spectator ions and you are left with:

A last comment on oxidising and reducing agents

If you look at the equation above, the magnesium is reducing the copper(II) ions by giving them electrons to neutralise the charge. Magnesium is a reducing agent.

Looking at it the other way round, the copper(II) ions are removing electrons from the magnesium to create the magnesium ions. The copper(II) ions are acting as an oxidising agent.

This is potentially very confusing if you try to learn both what oxidation and reduction mean in terms of electron transfer, and also learn definitions of oxidising and reducing agents in the same terms.

Personally, I would recommend that you work it out if you need it. The argument (going on inside your head) would go like this if you wanted to know, for example, what an oxidising agent did in terms of electrons:

An oxidising agent oxidises something else.

Oxidation is loss of electrons (OIL RIG).

That means that an oxidising agent takes electrons from that other substance.

So an oxidising agent must gain electrons.

Or you could think it out like this:

An oxidising agent oxidises something else.

That means that the oxidising agent must be being reduced.

Reduction is gain of electrons (OIL RIG).

So an oxidising agent must gain electrons.

Understanding is a lot safer than thoughtless learning!

Questions to test your understanding

If this is the first set of questions you have done, please read the introductory page before you start. You will need to use the BACK BUTTON on your browser to come back here afterwards.


Cellular respiration results when chemical redox reactions transfer electrons

In metabolic reactions, the most free energy is released by chemical reactions known as redox reactions. Redox reactions transfer electrons between molecules. A molecule that gains electrons is réduit a molecule that loses electrons is oxidized, which is how “redox” gets its name. You can use the phrase “OIL RIG” to remember that Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain. Different molecules have different tendencies to gain electrons, called the redox potential. A redox reaction between a pair of molecules with a large difference in redox potential results in a large release of free energy.

Cellular energy metabolism features a series of redox reactions. Heterotrophs oxidize (take electrons from) organic molecules (food) and give those electrons to an electron carrier molecule, called NAD+ (in the oxidized form) that accepts electrons from food to become NADH (the reduced form). NADH then cycles back to NAD+ by giving electrons to (reducing) an electron acceptor protein in a membrane, thus becoming oxidized to NAD+ again. In the membrane, the electrons are transferred down an electron transport chain, consisting of a series of membrane proteins and molecules with increasing redox potential. Components of the electron transport chain use the sequential releases of free energy to pump protons across the membrane against their electrochemical gradient.

The electron transport chain, part of cellular respiration, transfers electrons from donors to acceptors,operating in the cell membrane. The process generates an gradient of protons, in the form of hydrogen ions, outside the membrane. [Image modified by C. Spencer from a Wikimedia image by Fvasconcellos in the public domain.]

Cellular respiration is the cascade of electrons transfers (redox reactions) that culminates in the reduction of the terminal electron acceptor. The amount of energy released by these redox reactions, and thus the amount of energy available for ATP synthesis, depends on the redox potential of the terminal electron acceptor. Oxygène (O2) has the greatest redox potential, and thus respiration in an oxygen-rich environment like earth’s current environment results in the most ATP synthesized. Bacteria and Archaea (and some Eukarya) can use other terminal electron acceptors with lower redox potential when oxygen is not available type of respiration produces less ATP.


La chaîne de transport d'électrons

Firstly, electrons enter the transport chain through delivery by electron carriers NADH et FADH. These reduced electron carriers from the previous steps of cellular respiration transfer their electrons to molecules near the beginning of the transport chain. Following loss of their electrons, they are oxidised into NAD+ et FADH when can then be recyclé to other steps of respiration.

More specifically, NADH starts the process by depositing its electrons at Complexe I, turning into NAD+ and releasing a proton into the matrix. FADH2 is not as good at donating electrons as NADH (its electrons are at a lower energy level), so it cannot transfer its electrons to Complex I. Instead, FADH2 deposits electrons at Complex II. It is then reduced to FAD and releases 2 hydrogen atoms.

The electrons from Complexes I and II are then passed to another carrier, ubiquinone (Q). Q (now in the reduced form QH2) is a mobile electron carrier, free to travel through the membrane. Q transports the electrons to Complexe III. As electrons pass through Complex III, more hydrogen ions are pumped across the membrane, and the electrons are passed to cytochrome C, which is also mobile and free to pass through the membrane.

Cytochrome C passes the electrons to Complexe IV. Complex IV passes the electrons to oxygène, the terminal electron acceptor. Oxygen is split into two oxygen atoms, and accepts H+ from the matrix to form water. It takes two electrons, one oxygen (1/2 O2 molecule), and 2 H+ ions to form one water molecule. Complexes I, III, and IV use the energy released from electrons moving from higher to lower energy levels to move protons out of the matrix and into the intermembrane space. This generates a proton gradient.


Gain and Loss of Electrons

The original view of oxidation and reduction is that of adding or removing oxygen. An alternative view is to describe oxidation as the losing of electrons and reduction as the gaining of electrons. One example in which this approach is of value is in the high temperature reaction of lead dioxide .

In this reaction the lead atoms gain an electron (reduction) while the oxygen loses electrons (oxidation).

This electron view of oxidation and reduction helps you deal with the fact that "oxidation" can occur even when there is no oxygen! The definition of redox reactions is extended to include other reactions with nonmetals such as chlorine and bromine. For example, the reaction

Magnesium loses electrons and is therefore said to be "oxidized", whereas the chlorines gain electrons and are said to be reduced. Another way to judge that the chlorine has been reduced is the fact that the charge on the atoms is made more negative, or reduced. Treating that charge as an "oxidation number" is another way to characterize oxidation and reduction.

The view of oxidation and reduction as the loss and gain of electrons, respectively, is particularly appropriate for discussing reactions in electrochemical cells. For example, in the zinc-copper cell, the oxidation and reduction half-reactions are


Consider the reaction between zinc metal and hydrochloric acid.

If this reaction where broken down to the ion level:

First, look at what happens to the zinc atoms. Initially, we have a neutral zinc atom. As the reaction progresses, the zinc atom loses two electrons to become a Zn 2+ ion.

The zinc was oxidized into Zn 2+ ions. This reaction is an oxidation reaction.

The second part of this reaction involves the hydrogen ions. The hydrogen ions are gaining electrons and bonding together to form dihydrogen gas.

The hydrogen ions each gained an electron to form the neutrally charged hydrogen gas. The hydrogen ions are said to be reduced and the reaction is a reduction reaction. Since both processes are going on at the same time, the initial reaction is called an oxidation-reduction reaction. This type of reaction is also called a redox reaction (REDuction/OXidation).


The nature of the respiratory chain

Four types of hydrogen or electron carriers are known to participate in the respiratory chain, in which they serve to transfer two reducing equivalents (2H) from reduced substrate (UNEH2) to molecular oxygen (reaction [49]) the products are the oxidized substrate (UNE) et de l'eau (H2O).

The carriers are NAD + and, less frequently, NADP + the flavoproteins FAD and FMN (flavin mononucleotide) ubiquinone (or coenzyme Q) and several types of cytochromes. Each carrier has an oxidized and reduced form (e.g., FAD and FADH2, respectively), the two forms constituting an oxidation-reduction, or redox, couple. Within the respiratory chain, each redox couple undergoes cyclic oxidation-reduction i.e., the oxidized component of the couple accepts reducing equivalents from either a substrate or a reduced carrier preceding it in the series and in turn donates these reducing equivalents to the next oxidized carrier in the sequence. Reducing equivalents are thus transferred from substrates to molecular oxygen by a number of sequential redox reactions.

Most oxidizable catabolic intermediates initially undergo a dehydrogenation reaction, during which a dehydrogenase enzyme transfers the equivalent of a hydride ion (H + + 2e − , with e − representing an electron) to its coenzyme, either NAD + or NADP + . The reduced NAD + (or NADP + ) thus produced (usually written as NADH + H + or NADPH + H + ) diffuses to the membrane-bound respiratory chain to be oxidized by an enzyme known as NADH dehydrogenase the enzyme has as its coenzyme FMN. There is no corresponding NADPH dehydrogenase in mammalian mitochondria instead, the reducing equivalents of NADPH + H + are transferred to NAD + in a reaction catalyzed by a transhydrogenase enzyme, with the products being reduced NADH + H + and NADP + . A few substrates (e.g., acyl coenzyme A and succinate reactions [22] and [44]) bypass this reaction and instead undergo immediate dehydrogenation by specific membrane-bound dehydrogenase enzymes. During the reaction, the coenzyme FAD accepts two hydrogen atoms and two electrons (2H + 2e − ). The reduced flavoproteins (i.e., FMNH2 and FADH2) donate their two hydrogen atoms to the lipid carrier ubiquinone, which is thus reduced.

The fourth type of carrier, the cytochromes, consists of hemoproteins—i.e., proteins with a nonprotein component, or prosthetic group, called heme (or a derivative of heme), which is an iron-containing pigment molecule. The iron atom in the prosthetic group is able to carry one electron and oscillates between the oxidized, or ferric (Fe 3+ ), and the reduced, or ferrous (Fe 2+ ), forms. The five cytochromes present in the mammalian respiratory chain, designated cytochromes b, c1, c, une, et une3, act in sequence between ubiquinone and molecular oxygen. The terminal cytochrome of this sequence (une3, also known as cytochrome oxidase) is able to donate electrons to oxygen rather than to another electron carrier une3 is also the site of action of two substances that inhibit the respiratory chain, potassium cyanide and carbon monoxide. Special Fe-S complexes play a role in the activity of NADH dehydrogenase and succinate dehydrogenase.

In each redox couple, the reduced form has a tendency to lose reducing equivalents (i.e., to act as an electron or hydrogen donor) similarly, the oxidized form has a tendency to gain reducing equivalents (i.e., to act as an electron or hydrogen acceptor). The oxidation-reduction characteristics of each couple can be determined experimentally under well-defined standard conditions. The value thus obtained is the standard oxidation-reduction (redox) potential (Eó). Values for respiratory chain carriers range from Eó = −320 millivolts (one millivolt = 0.001 volt) for NAD + /reduced NAD + to Eó = +820 millivolts for 1 /2 O2/H2O the values for intermediate carriers lie between. Reduced NAD + is the most electronegative carrier, oxygen the most electropositive acceptor. During respiration, reducing equivalents undergo stepwise transfer from the reduced form of the most electronegative carrier (reduced NAD + ) to the oxidized form of the most electropositive couple (oxygen). Each step is accompanied by a decline in standard free energy (Δg′) proportional to the difference in the standard redox potentials (ΔE0) of the two carriers involved.

Overall oxidation of reduced NAD + by oxygen (ΔE0 = +1,140 millivolts) is accompanied by the liberation of free energy (Δg′ = −52.4 kilocalories per mole). In theory, this energy is sufficient to allow the synthesis of six or seven molecules of ATP. In the cell, however, this synthesis of ATP, called oxidative phosphorylation, proceeds with an efficiency of about 46 percent. Thus, only three molecules of ATP are produced per atom of oxygen consumed—this being the so-called P/2e - , P/O, or ADP/O ratio. The energy that is not conserved as ATP is lost as heat. The oxidation of succinate by molecular oxygen (ΔE0 = +790 millivolts), which is accompanied by a smaller liberation of free energy (Δg′ = −36.5 kilocalories per mole), yields only two molecules of ATP per atom of oxygen consumed (P/O = 2).