New User Special Price Expires in

Let's log you in.

Sign in with Facebook


Don't have a StudySoup account? Create one here!


Create a StudySoup account

Be part of our community, it's free to join!

Sign up with Facebook


Create your account
By creating an account you agree to StudySoup's terms and conditions and privacy policy

Already have a StudySoup account? Login here

BioChemistry notes; Unit 2

by: Kristin Scott

BioChemistry notes; Unit 2 MBIOS-303

Kristin Scott
GPA 3.6

Preview These Notes for FREE

Get a free preview of these Notes, just enter your email below.

Unlock Preview
Unlock Preview

Preview these materials now for free

Why put in your email? Get access to more of this material and other relevant free materials for your school

View Preview

About this Document

Biochem. notes module 2 (7)Carbohydrate and Nucleotide Structures; High Energy Compounds (8)Redox reactions and Vitamins (9)Glycolysis (10)Tricarboxylic Acid Cycle (11)Respiratory Chain (12)O...
Introductory Biochemistry
Dr. Ronald Rosemer
Class Notes
Carbohydrates, nucleotides, glycoysis, TCA, Respiration, OxidativePhosphorylation, Lipids
25 ?




Popular in Introductory Biochemistry

Popular in Biochemistry

This 52 page Class Notes was uploaded by Kristin Scott on Wednesday April 20, 2016. The Class Notes belongs to MBIOS-303 at Washington State University taught by Dr. Ronald Rosemer in Fall. Since its upload, it has received 28 views. For similar materials see Introductory Biochemistry in Biochemistry at Washington State University.

Similar to MBIOS-303 at WSU


Reviews for BioChemistry notes; Unit 2


Report this Material


What is Karma?


Karma is the currency of StudySoup.

You can buy or earn more Karma at anytime and redeem it for class notes, study guides, flashcards, and more!

Date Created: 04/20/16
Units 2: Metabolism Section 2.1: Carbohydrate and Nucleotide Structures; High Energy Compounds Carbohydrates (CHOs) are polyhydroxy aldehydes or polyhydroxy ketones or their derivatives   The basic empirical formula is either (CH 2) nor close to that   Saccharides = CHOs   "Sugar" usually = a small CHO. It also = the specific compound   sucrose is table sugar  Monosaccharides are the monomeric building blocks of polysaccarides   "­ose" = typical suffix for a sugar  C­3:  Triose  C­5:  Pentose (e.g., ribose)  C­6:  Hexose (e.g., glucose = dextrose; fructose = fruit sugar)  The two triose: (The D/L is used instead of R/S in biochemistry) Enantiomers: molecules that are mirror images of each other Chiral C in the plane of the slide. Solid bonds in  front of the plane, dashed bonds behind the plane. The D and L images are mirror images mirror  images of each other Units 2: Metabolism D-glucose (an aldohexose) D-fructose (a ketohexose) The L glucose does not occur naturally Formation of hemiacetals, acetals, hemiketals, and ketals Formation of the two ring forms of D­glucose α-D-Glucose Units 2: Metabolism β-D-Glucose α-D-Glucose β-D-Glucose  Reaction between the C­1 aldehyde group and the C­5 hydroxyl group forms a hemiacetal linkage,  resulting in a new chiral center at C­1. The resulting two stereoisomers differ only in the configuration  around the hemiacetal carbon. In the example shown, glucose is still D­glucose, regardless whether the  configuration around C­1 is alpha or beta.   The 6 membered ring is more stable than a 5 member ring α-D-fructose Formation of D­Fructose ring (hemiketal) β-D-fructose Units 2: Metabolism  The 5 member ring is more stable than a 6 member ring  Pyran Furan Nucleotides are dehydration products of a purine or pyrimidine, a ribose or deoxyribose, and a phosphate group.  Without a phosphate, it would be a nucleoside  Structure: Purine or N-glycosidic bond  Ribonucleotides have ­OH at the 2' position of ribose  Deoxyribonucleotides have ­H at the 2' position of deoxyribose   A glyosidic bond is the bond formed by dehydration between an ­OH (as in an alcohol) or ­NH (as in a  purine or pyrimidine base) and the ­OH of a hemi­acetal (as on the C­1 of ribose or deoxyribose). When  the bond is to a N atom (as in nucleotides ­­ see above), it is termed a "N­glycosidic bond". When the  bond is to an O atom, it is termed an "O­glycosidic bond" or, more commonly, simply as a "glycosidic  bond" (with the implied assumption that the bond is to an O atom).   The numbering convention for the ribose or deoxyribose moiety in a nucleotide is to use numbers  "primed"; i.e., 1', 2', 3', 4', 5'. o Numbers without primes in nucleotides refer to atoms in the purine or pyrimidine base.  The term "base" here means "building block", although it also refers to the fact that purine and  pyrimidine have N atoms in their rings ­­ i.e., purine and pyrimidine are slightly alkaline in aqueous  solution.  Two Structures of nitrogen bases: Units 2: Metabolism 3 5 3 5 7 2 6 2 6 8 1 1 9 Pyrimidine Purine  In nucleotide nomenclature, a number without a prime refers to the numbering convention in the purine  or pyrimidine base; a number with a prime refers to the numbering convention in the ribose or  deoxyribose.  Purines: Adenine Guanine Pyrimidines: Cytosine Uracil Thymine C and U nucleotides all play a role in metabolism in addition to their role in RNA/DNA. In the  metabolism section of this course we will see A very often (as ATP or ADP), G once (as GTP).   We will not see C and U, although they are important nucleotides in metabolism (e.g., in polysaccharide  and lipid synthesis) Open­chain and ring forms of D­ribose Units 2: Metabolism  Has a beta structure and the alpha carbon is only chiral in the ring form  beta­D­Ribose is much more commonly found in biological molecules than is alpha­D­ribose. Both  forms shown here are of the D configuration (which is determined by the configuration at C­4). Four Major Ribonucleotides Adenylate Guanylate Adenosine 5'-monophosphate Guanosine 5'-monophosphate AMPGMP Uridylate Cytidylate Uridine 5'-monophosphate Cytosine 5'-monophosphate UMPCMP Units 2: Metabolism Adenosine: ribose attached to Adenine. It’s a nucleoside without the phosphate Adenosine is a Adenosine Adenosine diphosphate nucleoside monophosphate is a (ADP) nucleotide (AMP) Adenosine triphosphate (ATP) γ β α ester acid anhydrides  Gamma is most important in metabolism  Ester is a dehydration product between an acid and an alcohol  Ester bond is not very reactive while the anhydride bonds are reactive  Hydrolysis of an anhydride bond yields more energy than hydrolysis of the ester. A carboxylic acid  anhydride and carboxylic acid ester are shown for comparison: Acetic anhydride Methyl ester of acetic acid more unstable more stable Units 2: Metabolism ATP is the major carrier of chemical reactions Inorganic phosphate (P ) i ADP Inorganic pyrophosphate (PP ) AMP Acetic and Phosphoric acid i O O O H 3 C ­ H3C C H 3 C O OH Acetic Acetate Acetyl acid group O O O HO P OH ­ HO P O HO P OH OH OH Phosphoric Phosphate Phosphoryl= phosphate = acid (dihydrogen- inogroupc phosphate   form shown here) Adenosine Triphosphate (ATP)  The bonds between the beta and gamma phosphate (acid anhydride bonds) are high energy bonds Hydrolysis of ATP Units 2: Metabolism O O O O O O ­ ­ ­ Ad Rib P O P O P O Ad Rib P O P O HO P O + O­ O­ O­ O ­ + O 2 ­ + H O Synthesis of ATPical energy (~50,000 joules/mol)  It is the reverse reaction of ATP and requires the same amount of energy (50,000joules/mol) Transfer of Phosphoryl group from ATP to an Acceptor O O O O O O ­ Ad Rib P O P O P O ­ Ad RibP O P O ­ X P O + ­ ­ ­ ­ + ­ X-H ­ + H O O O O O O High energy bond: a bond with a high group­transfer potential  The electrons in a high energy bond would rather be on another bond o EX:   B is a functional group like a phosphoryl group. Equilibrium lies far to the right.  There is a strong thermodynamic tendency to transfer a functional group B from A to C A▬B + C–H → A–H + C–B Catabolic pathways are degradative and are exergonic, release energy Anabolic pathways are biosynthetic reactions and are endergonic, require energy Example: Energy High Compound Thioester:  H C C Y H 3 C S R + Y -H → 3 + R-SH O O Units 2: Metabolism Section 2.2: Redox reactions and Vitamins  Redox reactions are the source of almost all of our production of energy AH2  +  B → A  +  BH2  AH2 is a reducing agent o  Reducing agents donate electrons (2 consonants):  e.g.  ½ H2 → H+  +  ε­  and becomes oxidized  B is an oxidizing agent and becomes reduced  o Oxidizing agents accept electrons (2 vowels):  e.g.  ½ O2  +  2 ε­ → ½ O2=   An example of a redox reaction:  H2 + ½ O2 → H2O ­ An oxidizing agent is reduced to form a reducing agent; a reducing agent is oxidized to form an  oxidizing agent ­ All redox reactions must have at least 2 substrates (oxidizing agent and reducing agent) and 2 products  (reduced product and oxidized product).  ­ Remember that a redox reaction is the transfer of one or more electons (usually 2 is the maximum) from  one compound to another Units 2: Metabolism Pyridine nucleotides (NAD , NADH, NADP , NADPH) Pyridine Nicotinic Acid (Niacin) - + 2 ε   +  + H   + NAD = NAD = Nicotinamide NADH = Reduced nicotinamide adenine dinucleotide adenine dinucleotide Oxidation and reduction example Oxidizing agent (being Reducing agent (being oxidized reduced) Vitamins are organic compounds in small amounts in the diet that are bodies can’t make.  Water soluble vitamins include  o vitamin B and B2(riboflavin)  Niacin (vitamin B3); defipellagra  Pantothenic acid o Vitamin C (ascorbic acid); defiscurvy or scorbutic Units 2: Metabolism Niacin is a building block for the pyridine nucleotides that is provided by diet  Pellagra occurs mostly in the south where corn not treated with lime is a dietary staple o Symptoms: diarrhea, dermatitis, dementia, and death  Corn is deficient in niacin and tryptophan (tryptophan is a niacin precursor)   B2 (= riboflavin) is a Flavin nucleotides (FAD, FADH2, FMN,FMNH2) Riboflavin/ vitamin B2 FAD = Flavin adenine flavin mononucleotide = FMN dinucleotide  FAD and FMN are oxidizing agents;   FADH  2nd FMNH  2re reducing agents.  - + 2 ε + + 2 H FAD = Flavin adenine dinucleotide FADH 2 = Reduced Flavin adenine dinucleotide -In the box is FMN -In the box is FMNH 2  A riboflavin deficiency doesn’t really exist in humans because our microflora make sufficient riboflavin. A deficiency occurs because of an overall nutritional deficiency (probably starvation)  AMP is a building block for flavins  NAD and NADP have slightly different functions  Units 2: Metabolism Vitamin C (ascorbic acid) is responsible for the collagen, the connective tissue of muscles  Scurvy is a vitamin C deficiency; wounds do not heal well, teeth fall out Fat soluble Vitamins: stored nutrition in fat. An excess with poison you.  Vitamin A; vision, embryonic development, cell growth, differentiation, apoptosis o Hypervitaminosis: too much vitamin A (it will kill you!)  Mammal livers have high levels of vitamin A (will kill you!)  Vitamin D; bone formation (not a real vitamin, can make it with UV light) o Symptoms; soft bones, bow legs  Vitamin E; reducing agent  Vitamin K; blood clotting agent Units 2: Metabolism Section 2.3: Glycolysis Glycolysis: the slitting of glucose Catabolism: degrades molecules exergonicly (releases energy) Anabolism: biosynthetic pathways that creates molecules endergonicly (requires energy) Food Work, (larger molecules) larger biomolecules NADP + ← ADP+Pi Anabolism → Smaller molecules Outline of Catabolism Units 2: Metabolism Metabolic Map that will accompany the Exam  Metabolism occurs in the mitochondria and cytosol   The glycolytic pathway: the anaerobic degradation of glucose to pyruvate or lactate. (no oxygen  required) Glucose  Pyruvate    2Ethanole + CO 2 2Acetyl CoA + 2CO2     4CO  +  42 O 2 Lactate Units 2: Metabolism Glycolysis I:  ATP ADP Glucose Glucose-6-P Hexokinase Fructose-6-Phosphohexose isomerase Fructose-1,6-bisP Glyceraldehyde-3-Psphofructokinase ATP ADP Aldolase Dihydroxyacetone-P Triose phosphate isomerase Units 2: Metabolism Glycolysis II: Triose-P isomerase Dihydroxyacetone-P 3-P-Glyceraldehyde + 1,3-bis-P-glGlyceraldehyde-3-P dehydrogenase 3-P-Glycerate NADPhosphoglycerate kinase 2-P-GlycePhosphoglycerate mutase ADP P-Enolpyruvate Enolase ATP PyruvatPyruvate kinase H2O ADP ATP Glycolysis break down Hexokinase: transfers a phosphoryl group from ATP to an acceptor Units 2: Metabolism +2 Mg + ATP + ADP Glucose Glucose 6-phosphate  ATP has 2 hi­energy bonds, ADP has 1, Glu­6­P none  A kinase catalyzes the transfer of a phosphoryl group (usually) from ATP to some acceptor  ATP and ADP bind Mg  to form a complex Mg 2+ Mg 2+ 2+  Formation of Mg  complexes partially shields the negative charges and enhances binding of adenine  nucleotides to the active sites of enzymes (such as kinases).  Kinase General Reaction: Units 2: Metabolism Phosphohexose Isomerase:  No high energy bonds  This reaction can also take place with both compounds in the linear (open chain) form Glucose 6-phosphate Fructose 6-phosphate Phosphofructokinase: Units 2: Metabolism  Note: 2 hi­energy bondsin the substrates (both in ATP), but only 1 in the products (1 in ADP, none  in  Fru­1,2P ). This provides the energy to drive the reaction.  +2 + ATP Mg + ADP Aldolase: Dihydroxyacetone phosphate Glyceraldehyde 3-phosphate Linear form: Fructose 1,6-bisphosphate aldolase  An aldolase enzyme catalyzes an aldol cleavage/addition  No high energy bonds Triose Phosphate Isomerase: Units 2: Metabolism Dihydroxyaceton Glyceraldehyde e 3-phosphate  phosphate No high energy bonds Glyceraldehyde 3­phosphate dehydrogenase: + 2- + NAD + HOPO 3 + + NADH + H Glyceraldehyde 1,3-bisphospho- 3-phosphate glycerate  No hi­energy bonds in the substrates, 1 hi­energy bond in the products as shown by the red arrow.  The aldehyde is oxidized  The energy derived from the redox rx. is used to drive the formation of the hi­energy bond in 1,3­ bisphosphoglycerate Review, Redox reaction from NAD to NADH + - + H + 2 e Oxidizing agent Reducing  The energy derived from the redox rx. is used to drive the formation of the hi­energy bond in 1,3­bisphosphoglycerate Phosphoglycerate Kinase: Units 2: Metabolism + ADP 1,3-Bisphospho- 3-Phosphoglycerate glycerate  Note that there are  2 hi­energy bonds in the substrates (one at the C­1 of 1,3­bisphosphoglycerate and one in ADP) as well  as in the products (both in ATP). Thus there is no net change in the number of hi­energy bonds. Note  that the reaction is reversible ­­ not surprising.  Phosphoglycerate mutase: 3-Phosphoglycerate 2-Phosphoglycerate  A mutase catalyzes the intramolecular migration of a functional group   No hi­energy bonds involved Enolase: + H O 2 2-Phosphoglycerate Phosphoenolpyruvate  The  (PEP) unstable enol  Units 2: Metabolism tautomer provides the energy to make PEP, a hi­energy compound. The hi­energy bond is shown by the  red arrow.  Enol/keto tautomerization drives the enolase reaction: Pyruvate Kinase: PhosEnol form of pyruvate                 Keto form of pyruvatePyruvate (PEP)  There are 2 hi­energy bonds in the substrate: 1 in PEP and 1 in ADP. There are also 2 hi­energy bonds in the product, both in ATP  This reaction is irreversible.  The enzyme is named for a direction  for which + ADP the reaction does not  go! lol + ATP Overview of Glycolysis + + Glucose + 2 NAD  + 2 ADP + 2 P →i2 Pyruvate + 2 NADH + 2 H  + 2 ATP  Input: 1 glucose, 2 NAD , 2ATP   Output: 2 pyruvate, 2 NADH, 4 ATP   Glycolysis is tightly regulated in order to provide control of:   use of nutrients (e.g., fats vs. carbohydrates)  ATP production so that it is made only when needed Units 2: Metabolism Overall reaction for glucose to pyruvate + 3­ + 2­ + + ­ + 4­ + + + + C 6 12  62 ADP    2 P   i2 NAD  → 2 C H O  3 23A3P    2 NADH   2 H    2 H O  2  Major functions of glycolysis:  o Generate some ATP anaerobically (a relatively small amount compared to aerobic catabolism) o Generate pyruvate for further metabolism  o anaerobic Catabolic pathways for pyruvate Lactate Dehydrogenase: + + NADH + H + + NAD + + Glucose + 2 NAD + 2 ADP + 2 P → 2 Pyruvate + 2 NADH + 2 H + 2 ATP i  NADH cannot enter the  mitochondria. Happens in the cytosol Lactate fermentation: Units 2: Metabolism • When is anaerobic glycolysis to lactate important? • Birth and drowning • Sprints • Cheetahs • What about anaerobically growing yeast? They do not have lactate dehydrogenase. The answer is: Reoxidation of NADH in the cytosol of yeast Units 2: Metabolism Alcohol Production by yeast Glucose to alcohol and CO2: 3- 2- - 4- C6 12 6 + 2 ADP + 2 Pi → 2 C2 5O + 2 HCO 3 + 2 ATP Units 2: Metabolism Alcohol Fermentation in Yeast • Two­step converstion of pyruvate to ethanol and CO   2 • Humans do not have pyruvate decarboxylase  • Humans do have alcohol dehydrogenase, but for ethanol utilization, not production   • CO  produced in the first step is responsible for: 2 Types of Muscles:  More mitochondria in red muscle  Birds that don’t fly have less mitochondria  Units 2: Metabolism Section 2.4: Tricarboxylic Acid Cycle  Outline of catabolism via acetyl coenzyme A  The citric acid cycle and oxidative  phosphorylation occurs in the mitochondria in eukaryotes Pyruvate dehydrogenase complex  Three enzymes involved (not shown here)  Thiamine (vitamin B1) is involved in the mechanism of this reaction Units 2: Metabolism Coenzyme A (CoA) and acetyl CoA Citric acid cycle/Tricaboxylic Cycle(TCA)/Krebs cycle  The acetyl CoA comes from  glucose Citrate Synthase: Units 2: Metabolism Aconitase (a mutase):  dehydration and rehydration reaction Isocitrate dehydrogenase: Alpha­Ketoglutarate dehydrogenase complex:  "Complex" because several copies of  the 3  enzymes  involved are  bonded  to one  another to  form a  structural  complex. Thiamine (vitamin B ) 1s  involved.   Similar to the pyruvate  dehydrogenase complex Units 2: Metabolism Succinyl CoA Synthesis:  GDP has one hi­energy bond, GTP has two GTP (guanosine triphosphate) Succinate dehydrogenase:  This is a redox reaction  NAD does not have enough oxidizing  power  to pull two electron  form the carbon­carbon  double bond. FAD  does. FAD and FADH : 2 Units 2: Metabolism Fumarase: Malate Dehydrogenase: TCA Cycle simplified  Units 2: Metabolism Functions of TCA Cycle  = oxidize acetyl­CoA to CO2 and H2O (aerobically) o Generates reducing power (NADH and FADH ) and a bit of GTP (= ATP in terms of also being  2 a high­energy compound)   Other entry and exit points in the cycle (which we do not discuss in this course)  o Important in anabolism and catabolism   Summary of TCA Cycle enzymes  Citrate synthase  Aconitase   Isocitrate dehydrogenase  → NADH  α­Ketoglutarate dehydrogenase  → NADH  Succinyl­CoA sythetase  → GTP Units 2: Metabolism  Succinate dehydrogenase  → FADH 2  Fumarase  Malate dehydrogenase  → NADH  Unit 2: Metabolism Section 2.5: Respiratory Chain Pyruvate dehydrogenase complex  "Complex" because  several copies of the 3 enzymes involved (and which are not shown here) are bonded to one another to  form a structural complex. Thiamine (vitamin B )1is involved in the mechanism of this reaction.  In the mitochondria The Mitochondrion  The outer membrane is very permeable to small molecules  The inner mitochondrial membrane is where cellular respiration happens. Nothing can traverse this membrane unless there is a transport protein to assist. Water can traverse it though.  There is a transport protein to bring in pyruvate   The matrix has a jello like consistency because there are so many proteins  Oxygen can’t defuse and CO2 can defuse out fast enough if the mitochondria was big. The solution to  increased activity is increasing the surface area (crista)  Cristae; respiratory chain, ATP synthesis, transport proteins  Matrix; Pyruvate dehydrogenase complex, TCA cycle, beta­oxidation of fatty acids Redox reactions  A reducing agent, has excess electrons. An oxidizing agent is deficient in electrons. The reducing agent  gives its electrons to the oxidizing agent  Unit 2: Metabolism Flow of electrons & protons through the 4 respiratory chain complexes  non­ reversible reactions  NAD is the oxidizing agent  FMNH2 is the reducing agent  Red arrows show the flow of electrons  The black arrows are connected to the oxidizing agent (deficient in e­) Function of the respiratory chain  Pass e­ along a series of redox reactions resulting in a release of energy o This energy is used to pump protons (H+) The Respiratory Chain Complex I: Unit 2: Metabolism  NADH is the major reducing agent that enters the (electron transport chain) ETC and supplies electrons  NADH donates two electrons and CoQ is reduced, Overall reaction:  NADH + ubiquinone + H  → NAD  + ubiquinol  Note that NADH, ubiquinone, NAD  and ubiquinol are not components of complex I; they are the substrates and products of this enzyme complex.   Ubiquinone is reduced with two e­ to ubiquinol  Reduction of ubiquinone occurs in two steps through the addition of one electron at a time; a semiquinone radical intermediate is formed after the addition of the first electron.  FMN is involved in complex I Complex III:  The reaction starts with 2 e­ donor (ubiquinol) and ends with a 1 e­acceptor (Fe3+ in chytochrome C)   CoQ passes 1 e­ at a time Overall reaction:  3+ 2+ + ubiquinol + 2 cyt c (Fe ) → ubiquinone + 2 cyt c(Fe ) + 2 H  Cytochrome = electron­transferring protein that binds a heme  3+ ­ 2+ o cyt c (Fe ) + ε → cyt c (Fe )  Note that ubiquinol, cyt c (Fe ), ubiquinone and cyt c (Fe ) are  not components of complex III; they are the substrates and  products of this enzyme complex.   Heme is a prosthetic group of cytochrome b and c  One FeS center donates electrons to: o cytochrome c   1 o 2 cytochromes b   All the above are members of the Q cycle  Unit 2: Metabolism ­ ­  In the Q cycle, one e goes directly to cyt c; the other e takes a  circular detour via cytochromes b back to reduced coenzyme Q  (QH )2then directly to cyt c  o The detour increases to 4 the number of protons (H ) pumped from the matrix into the  intermembrane space per 2 e­ passing along complex III  Complex IV or Cytochrome Oxidase  Need copper in diet for cellular respiration  An oxidase catalyzes a redox reaction in which oxygen is the oxidizing agent.  4 cyt c (Fe ) + O  2 4 H  → 4 cyt c (Fe ) + 2 H O  2  Complex IV contains 13 different polypeptides, including:  o cytochrome a and cytochrome a   3 2+ + o 3 Cu (Cu  → Cu )  o Zn, Mg (roles in stabilizing the proteins) Heme a in cytochrome aa 3  not covalently bonded to complex IV Reduction of Oxygen  Oxygen is reduced to water with 4 e­.  Unit 2: Metabolism  The three intermediates are very reactive oxygen radicals (ROS: reactive oxygen species; superoxide,  hydrogen peroxide, and then hydroxyl radical) (ROS are highly toxic)  Superoxide dismutase and catalase are protective intracellular enzymes that degrade hydrogen peroxide  to water and oxygen gas)  ROS production mostly with FMN in complex I Complex II  Succinate dehydrogenase passes electrons to ubiquinone succinate + ubiquinone → fumarate + ubiquinol  Complex II contains 4 different polypeptides including:  o FAD  o Attached to the polypeptide succinate dehydrogenase of the TCA cycle   3 FeS centers (neglect its role)   Heme b  562t involved in electron transfer)  Section 2.6: Oxidative Phosphorylation  Electrons from the reduced cofactors NADH and FADH  in t2e mitochondrial matrix are transferred to  proteins in the respiratory chain (in the inner mitochondrial membrane)   The electrons pass through a series of redox reactions in the respiratory chain until finally oxygen is  reduced to water (= oxidation)   Energy produced by the oxidation steps is used to pump protons from the matrix side of the inner  mitochondial membrane to the other side to set up a proton gradient  Energy released when protons flow down the energy gradient back into the matrix is used to condense ADP and P toiform ATP (= phosphorylation)   The electron transport chain (respiratory chain) is the oxidative part of oxidative phosphorylation Unit 2: Metabolism  4 protons pumped for  every pair of electrons in complex I, 1 ATP formed 6 protons pumped for every 3 pairs of electrons in complex III + IV, 1.5 ATPs formed Chemiosmotic theory  The reaction ADP + P  i ATP + H O2requires energy  This energy needed to phosphorylate ADP is provided by the flow of protons down an electrochemical  gradient across the inner mitochondrial membrane  The energy released by the respiratory chain is used to transport protons against the electrochemical  gradient  Chemiosmotic energy coupling (oxidative phosphorylation) requires membrane  The proton gradient needed for ATP synthesis can be established across the inner mitochondrial  membrane because it is largely impermeable to ions, including protons   The inner mitochondrial membrane contains proteins that couple the energy­producing flow of electrons in the respiratory chain with the energy­requiring flow of protons across the membrane (in the direction  matrix to intermembrane space)  The inner mitochondrial membrane contains a protein that couples the energy producing flow of protons (in the direction intermembrane space to matrix) to the phosphorylation of ADP   Chemiosmotic mechanism for oxidative phosphorylation Unit 2: Metabolism  B and BH  2epresent the initial reducing agents in the respiratory chain; e.g., NADH or FADH . 2  Protons travers the mitochondrial membrane  Takes a proton gradient and electrical gradient to make ATP  Proton motive force (= Δp) = energy released when H  moves across the inner mitochondrial membrane from the outside into the matrix  Δp = E  + 0.06 ΔpH   m m­c ­ Em = membrane electrical potential ­ ΔpH  = pH in matrix ­ pH in cytosol m­c l ­ 0.06 converts concentration into volts   Take home lesson: the energy relations can be quantitatively measured  The inner mitochondrial membrane separates two compartments of different proton concentrations, resulting in differences in chemical concentration (∆pH) and charge distribution  (i.e., an electrical potential) across the membrane. The net effect is the proton motive force. Flow of electrons thgouh 4 respiratory chain complexes Summary of electron transport  Complex I   Complex IV + + + NADH + 11H (N)+ ½O  2——>  NAD  + 10H (P)+ H2O       (NAD contributes a proton)  Complex II    Complex IV FADH + 2  +(N)+ ½O  2——>  FAD + 6H +(P)+ H2O  Difference in number of protons transported reflects differences in ATP synthesized. o N = negative (matrix) side of inner mito membrane o P = positive (cytosol) side of inner mito membrane Unit 2: Metabolism ATP Synthase ADP   P  i{H }    out          ATP   H O 2 {H }  + in +  {H } =out ton conc. in the intermembrane space   {H } =in oton conc. in the matrix    ATP synthase is in the inner mitochondrial membrane   F  is an ion channel and can inhibit proton flow o  F 1has three three identical subunits, alpha­beta. Gamma and epsilon subunits form the rotating shaft.  The alpha­beta subunits change conformation when the gamma and epsilon subunits rotate counter  clockwise.   One alpha­beta subunit has an ADP, another and ATP, and the third releases an ATP Summary of proton translocation to ATP synthesis  Proton translocation provides the energy to rotate the central shaft   (mechanism not well understood)  This causes a conformational change within all the three αβ subunit­pairs of the "bulb" sticking out into  the matrix  o  "αβ  subunit­pairs" = each subunit­pair is comprised of two polypeptides, a fact we "ignore" in  this course  The α polypeptides are regulatory  The β polypeptides contain the active sites that bind ADP and P  and (afIer reaction) ATP  The conformational change in each of the three pairs promotes condensation of ADP and P into ATP i  10 H  through F  channel for one turn of F   O + 1 o Thus:  10/3 = 3.3 H  per ATP (?)  Unit 2: Metabolism  P/O ratio = number of molecules of ATP produced via oxidative phosphorylation per two electrons passing through the respiratory chain   The first four substrates use NAD as the oxidizing agent while succinate uses Flavin. Complex II also does not have enough energy to pump protons. Remaining problems to solve: +  Reoxidize cytosolic NADH back to cytosolic NAD  AEROBICALLY  o Cannot use lactate dehydrogenase since pyruvate enters the TCA cycle and is thus not available  for lactate dehydrogenase  + o Inner mitochondrial membrane is impermeable to pyridine nucleotides (NAD  and NADH) o Allows separate control of NAD /NADH ratio  Solution: Transport the two ELECTRONS across the mitochondrial membrane, not NADH itself  o How? Via the glycerol phosphate shuttle  o Or the malate­aspartate shuttle (which is not described here)  Glycerol 3­phosphate shuttle (or cycle) Unit 2: Metabolism Outline of production of ATP and GTP during oxidation of glucose ATP yield for the oxidation of 1 mole of glucose Unit 2: Metabolism Or…   Anaerobic respiration is quicker so it is more useful during sprints. Aerobic catabolism of glucose Unit 2: Metabolism Section  2.7: Lipids Outline of catabolism via acetyl CoA Lipids: organic compounds insoluble in water but soluble in organic solvents (not a precise definition) Fatty acids: carboxylic acids with hydrocarbon chains ranging from 4 to 36 carbons long (C  to C ) 4 36 Unit 2: Metabolism  Some functions of lipids include: energy storage, building blocks for membranes, pigment, detergent,  transporters, antioxidants, etc. Important fatty acids:  The less saturated, the lower the melting point  Melting point increases with size  Fatty acids interact hydrophobicly  Larger fatty acids require more energy to break the hydrophobic interactions explaining the higher melting point ­ Steric: linear chain ­ Oleic: one point of unsaturation in chain (decreases the hydrophobic interactions, lowering the melting  point) Lipase: Hydrolysis of fat to fatty acids Entry of glycerol into the glycolytic or gluconeogenic pathway Unit 2: Metabolism Activation of a fatty acid: Fatty acyl CoA synthetase  A thioester causes the carbonyl group to have reactivity similar to that of a ketone o The reactivity is greater than the carbonyl group in a carboxylate. Similar to why an acyl  chloride is more reactive than a carboxylic acid Fatty acid entry into the mitochondria via the acyl­ carnitine/carnitine transport system  Example of antiport: one substance flows in while another flows out Unit 2: Metabolism Beta oxidation pathway  Both enzymes are in the matrix  Acyl CoA dehydrogenase is similar to succinate dehydrogenase un the TCA cycle   Enoyl CoA hydratase is similar to fumurase  Beta hydroxyacycl CoA dehydrogenase is analogous to malate dehydrogenase  The beta oxidation pathway starting with myristic acid Beta oxidation: another view Unit 2: Metabolism Function of beta oxidation in the matrix  oxidize fatty acids to acetyl CoA   o This generates FADH  and 2ADH   Acetyl CoA enters the TCA cycle to produce "lots of" NADH, FADH  and GTP  2  The NADH and FADH  enter2the respiratory chain to produce  "lots of" ATP   Number of beta­oxidation cycles needed to convert fatty acyl CoA completely to acetyl CoA = (n/2)­1  o where n = number of carbons in original fatty acid   E.g., start with stearoyl CoA (C 18  o 8 beta­oxidation cycles needed to form the 9 acetyl CoA   Hint: Butyroyl CoA (C ) 4s converted to 2 acetyl CoA with only one beta­oxidation cycle  Analogy: How many times do you cut a 10­foot piece of  rope to produce 10 pieces of rope, each 1­foot in length?  ATP yield during oxidation of one molecule of Palmitoyl CoA to 16 CO  and 12 H O 2 Unit 2: Metabolism *P/O of 2.5 for NADH and 1.5 for FADH 2 *GTP produced in another reaction  More energy from oxidizing fatty acids than carbohydrates. Store more fat than carbs  The specific gravity of fatty acids is greater than sugar Fuel in skeletal muscle Proportion of ATP derived from aerobic metabolism in various running events Unit 2: Metabolism During exercise, energy is derived aerobically Vitamins we have seen  Thiamin(e) = vitamin B :1 Precursor of thiamine  pyrophosphate  o Cofactor for alpha­keto acid  decarboxylation as well as some other  enymes    E.g., pyruvate dehydrogenase, 2­ ketoglutarate dehydrogenase  o Deficiency = beriberi, Wernicke­ Korsakoff syndrome   Riboflavin = vitamin B :2 Precursor of flavin nucleotides FAD and FADH   2 o Cofactor for many dehydrogenases   E.g., complex I and II of the respiratory chain  o Deficiency usually found only when there is a general vitamin  deficiency  + +  Niacin = vitamin B 3  Precursor of pyridine nucleotides NAD  and NADP   o Cofactor for many dehydrogenases    E.g., lactate dehydrogenase, malate dehydrogenase  o Deficiency = pellagra 


Buy Material

Are you sure you want to buy this material for

25 Karma

Buy Material

BOOM! Enjoy Your Free Notes!

We've added these Notes to your profile, click here to view them now.


You're already Subscribed!

Looks like you've already subscribed to StudySoup, you won't need to purchase another subscription to get this material. To access this material simply click 'View Full Document'

Why people love StudySoup

Jim McGreen Ohio University

"Knowing I can count on the Elite Notetaker in my class allows me to focus on what the professor is saying instead of just scribbling notes the whole time and falling behind."

Janice Dongeun University of Washington

"I used the money I made selling my notes & study guides to pay for spring break in Olympia, Washington...which was Sweet!"

Bentley McCaw University of Florida

"I was shooting for a perfect 4.0 GPA this semester. Having StudySoup as a study aid was critical to helping me achieve my goal...and I nailed it!"

Parker Thompson 500 Startups

"It's a great way for students to improve their educational experience and it seemed like a product that everybody wants, so all the people participating are winning."

Become an Elite Notetaker and start selling your notes online!

Refund Policy


All subscriptions to StudySoup are paid in full at the time of subscribing. To change your credit card information or to cancel your subscription, go to "Edit Settings". All credit card information will be available there. If you should decide to cancel your subscription, it will continue to be valid until the next payment period, as all payments for the current period were made in advance. For special circumstances, please email


StudySoup has more than 1 million course-specific study resources to help students study smarter. If you’re having trouble finding what you’re looking for, our customer support team can help you find what you need! Feel free to contact them here:

Recurring Subscriptions: If you have canceled your recurring subscription on the day of renewal and have not downloaded any documents, you may request a refund by submitting an email to

Satisfaction Guarantee: If you’re not satisfied with your subscription, you can contact us for further help. Contact must be made within 3 business days of your subscription purchase and your refund request will be subject for review.

Please Note: Refunds can never be provided more than 30 days after the initial purchase date regardless of your activity on the site.