Biochemistry 2 Final exam

1 Metabolism Bioenergetics Metabolism = the sum of all chemical reactions that take place in a cell or organism Bioenergetics = the quantitative study of the energy transductions that occur in livin.

1 Metabolism & Bioenergetics.

- Metabolism = the sum of all chemical reactions that take place in a cell ororganism

- Bioenergetics = the quantitative study of the energy transductions that occur inliving cells and the nature and function of the chemical processes underlying thesetransductions

2 Phototrophs (Autotrophs & Heterotrophs) Chemotrophs (Lithotrophs & organotrophs).

→ Các SV có thể được phân loại dựa trên SOURCES OF ENERGY (sunlight/oxidizable of chemical compounds) and SOURCES OF CARBON → synthesis ofcellular material

All organisms Phototrophs

(Energy from light)

Ex: purplebacteria, greenbacteria

Heterotrophs

(C form organic compounds)

Lithotrophs

(Energy frominorganiccompounds)

Organotrophs

(Energy fromorganiccompounds)

Ex: Sulfurbacteria,Hydrogen bacteria

Ex: Mostprokaryotes, allnon-phototrophiceukaryotes

3 Cells need energy to do all their work.

- To generate and maintain its highly ordered structure (biosynthesis ofmacromolecules)

- To generate all kinds of movement

- To generate concentration and electrical gradients across cell membranes

- To maintain a body temperature

- To generate light in some animals

- The “energy industry” (production, storage and use) is central to the economy ofthe cell society!

4 Catabolism/ Anabolism.

- Catabolism: (Dị hóa) → the series of reactions lead to less complex compounds

- Anabolism: (Đồng hóa) reactions lead to the formation of a more complexsubstance

5 Catabolic pathways.

- Catabolic pathways generally converge (con đường hội tụ)

- Anabolic pathways diverge (con đường phân kỳ)

- Some pathways are cyclic (theo chu kì)

- Glycolysis and oxidative phosphorylation (vdu cata)

- Cellular respiration equation where glucose is oxidized by oxygen to produceATP, adenosine triphosphate (vdu ana)

- What are the 3 stages of cellular respiration?

Stage 1: Acetyl-CoA production

Stage 2: Acetyl-CoA oxidation

Stage 3: Electron transfer and oxidative phosphorylation

- What do the major catabolic pathways oxidize?

1 Glycolysis

2 Pentose Phosphate Pathway (PPP)

3 Entner-Doudoroff Pathway

4 Tricarboxylic Acid Cycle

5 Glyoxylate Cycle

6 Vitamins in Coenzyme A, NAD, FAD, TPP, FH4, Acetyl CoA.

- Vitamin in:

+ Coeyme A: Vitamin B5 (Panthothenic acid).

+ NAD = nicotinamid adenin dinucleotid (+ hoặc NADP+ = nicotinamid adenin

dinucleotid phosphat): Vitamin B3 (Nicotinic acid).

+ FAD = Flavin adenin dinucleotide (và FMN = Flavin mononucleotid): Vitamin B2 (Riboflavin).

+ TPP (Thiamin pyrophosphat): vitamin B1 (Thiamin).

+ FH4 = Acid tetrahydrofolic: Vitamin B9 (Acid folic hay acid pteroyl glutamic + Aetyl CoA: Vitamin B5 (Panthothenic acid).

7 Acetyl CoA and malonyl CoA.

- Acetyl CoA (CH3~CO) : is a thioester with a large, negative, standard freeenergy of hydrolysis Thioesters contain a sulfur atom in the position occupied

by an oxygen atom in oxygen esters

+ Oxidative decarboxylation of pyruvate from glycolysis

+ Oxidation of long-chain fatty acids, or by oxidative degradation of certain aminoacids

+ Occurs in mitochondrial matrix (euka),in cytoplasm (proka)

+ The citric acid cycle (Krebs cycle) produces acetyl-coA

(Acetyl-CoA is an important biochemical molecule in cellular respiration It isproduced in the second step of aerobic respiration after glycolysis and carries thecarbon atoms of the acetyl group to the TCA cycle to be oxidized for energyproduction)

+ Acetyl-CoA is delivered to cytosol from the mitochondria as CITRATE

- Malonyl CoA: is a coenzyme A derivative of malonic acid

Function: provides the primary carbon source for the formation of palmitate (C16).

+ Fatty acid biosynthesis is a stepwise assembly of acetyl-CoA units (mostly asmalonyl-CoA) ending with palmitate (C16 saturated) & have 3 phases:

• Activation

• Elongation

• Termination

8 Firefly flash & luciferyl.

- From chemical energy into light energy An pyrophosphate cleavage of ATP toform luciferyl adenylate In the presence of O2 and luciferase, the luciferinundergoes a multiple step oxidative decarboxylation to oxyluciferin andaccompanied by remission of light

(Vietsubs: Từ năng lượng hóa học thành năng lượng ánh sáng Sự phân cắt pyrophosphat của ATP để tạo thành luciferyl adenylate Với sự hiện diện của O2 và luciferase, luciferin trải qua quá trình khử carboxyl oxy hóa nhiều bước thành oxyluciferin và kèm theo sự loại bỏ ánh sáng.)

Thông tin thêm: Đom đóm hoặc bọ sét tạo ra ánh sáng bên trong cơ thể chúng Quá

trình này được gọi là quá trình phát quang sinh học và được chia sẻ bởi nhiều sinh vật khác, hầu hết là các sinh vật biển Đom đóm sáng lên để thu hút bạn tình Để làm được điều này, những con đom đóm có chứa các tế bào chuyên biệt trong bụng của chúng để tạo ra ánh sáng Các tế bào này chứa một chất hóa học gọi là luciferin và tạo ra một loại enzyme gọi là luciferase Để tạo ra ánh sáng, luciferin kết hợp với oxy để tạo thành một phân tử không hoạt động được gọi là oxyluciferin Luciferase tăng tốc độ phản ứng, xảy ra theo hai bước:

1 Luciferin kết hợp với adenosine triphosphate (ATP), được tìm thấy trong tất cả các

tế bào , tạo thành luciferyl adenylate và pyrophosphate (PP i ) trên bề mặt của enzyme luciferase Luciferyl adenylate vẫn liên kết với enzyme:

luciferin + ATP -> luciferyl adenylate + PP i

2 Luciferyl adenylate kết hợp với oxy để tạo thành oxyluciferin và adenosine monophosphate (AMP) Ánh sáng được phát ra và oxyluciferin và AMP được giải phóng khỏi bề mặt của enzym:

luciferyl adenylate + O 2 -> oxyluciferin + AMP + ánh sáng

Bước sóng của ánh sáng phát ra từ 510 đến 670 nanomet (màu vàng nhạt đến xanh lục đỏ) Các tế bào tạo ra ánh sáng cũng có các tinh thể axit uric giúp phản xạ ánh sáng ra

khỏi ổ bụng Cuối cùng, oxy được cung cấp cho các tế bào thông qua một ống trong ổ bụng được gọi là khí quản ổ bụng Người ta không biết liệu việc bật-tắt đèn được điều khiển bởi các tế bào thần kinh hay sự cung cấp oxy.

Phản ứng hóa học luciferin-luciferase đã được sử dụng trong nhiều năm để đo lượng ATP được tạo ra trong tế bào và bởi các phản ứng hóa học khác nhau Gần đây, gen (phần DNA mã hóa protein) cho enzym luciferase đã được phân lập, được đặt trong gen của các sinh vật khác và được sử dụng để theo dõi quá trình tổng hợp và / hoặc biểu hiện của các gen khác.

? WHY THE REMISSION OF LIGHT FROM FIREFLY

9 Thermodynamics: Biological Energy transformations obey the Laws of thermodynamics.

- For any physical or chemical change, the total amount of energy in the universe

remains constant; but it cannot be created or destroyed

- The universe always tends toward increasing disorder: in all natural processes,the entropy of the universe increases

- Living cells and organisms are open system, exchanging both material andenergy with their surroundings; living systems are never at equilibrium with theirsurrounding, and the constant transactions between system and surroundingexplain how organisms can create order within themselves while operating withinthe second law of the thermodynamics

Vietsub: Đối với bất kỳ sự thay đổi vật lý hoặc hóa học nào, tổng lượng năng lượng trong

vũ trụ không đổi; nhưng nó không thể được tạo ra hoặc bị phá hủy Vũ trụ luôn có xu hướng ngày càng rối loạn: trong tất cả các quá trình tự nhiên, entropy của vũ trụ tăng lên Tế bào và sinh vật sống là hệ thống mở, trao đổi cả vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh; các hệ thống sống không bao giờ ở trạng thái cân bằng với xung quanh của chúng, và các giao dịch liên tục giữa hệ thống và xung quanh giải thích cách sinh vật có thể tạo ra trật tự bên trong chúng khi vận hành theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học.

10.Glycolysis: Final product, ATP.

- Glycolysis: final product PYRUVIC ACID, 2 ATP, 2 NADH (glucose C6 →

pyruvic acid C3)

+ Glycolysis in cytosol, glucose enters the glycolysis pathway by conversion toglucose-6-phosphate

+ Glycolysis -> Citric Acid Cycle -> Oxidative Phosphorylation (24e)

+ NADH produced in Glycolysis & Krebs Cycle is reoxidized via the respiratorychain, with production of much additional ATP

+ 1 PHƯƠNG TRÌNH QUAN TRỌNG CẦN NHỚ: Hexokinase catalyze.

- ATP: Adenosine 5’- triphosphate.

+ Glucose + 2 NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2 pyruvate + 2NADH + 2ATP.

11.LDL (low-density lipoprotein) & HDL (High density lipoprotein) Good & bad

cholesteron

12.Pyruvate: Structure, function, related enzyme in its metabolism, related reactions, related pathway & products.

- Structure:

- Function: is to participation in the generation of glucose (act as the transportmolecule that carries carbon atoms into the mitochondria for complete oxidation toCO2).

- Related enzyme in its metabolism:

+ In the process generated Acetyl-CoA, the first steps of the citric acid cycle & the

conversion of ATP to ADP → enzyme pyruvate dehydrogenase (PDC).

+ In the nucleus, the last reaction of glycolysis (PEP tạo pyruvate) → enzyme pyruvate kinase.

+ If aerobic respiration is not possible, lactase to pyruvate and vice versa (ngược

lại) → enzyme lactase dehydrogenase.

Thông tin thêm: đây là một quá trình thiết yếu trong giai đoạn phục hồi sau khi tậpthể dục

+ Enzyme Hexokinase/ Glucokinase (glucose metabolism in liver).

+ Có thể có (maybe hoii nha) enzyme Phosphofructosekinase.

- Related reactions, related pathway & products

+ Glucose (glylolysis)  2 pyrvate (lactic acid)  Ethanol (C2H5OH)

+ Pyruvate produced in Glycolysis is oxidized to CO2 via Krebs Cycle

13.Overview of plant metabolism Overview of photosynthesis.

- Overview of plant metabolism

+ Plant cells have green chloroplast.

+ Chloroplast + light energy ->> chemical energy

+ Plant pigment molecules absorb wavelength: 700 to 400nm

• Violet & blue: shortest, most energy

• Red: longest, least energy

+ Chlorophylls and carotenoids are the major pigments in plants

• Chlorophylls: only 5 important chlorophylls: a, b, c, d &bacteriochlorophyll

- Overview of photosynthesis.

+ Photosynthesis: (occur in leaves-chloroplast) is the process by which

autotrophic organisms use light energy to make sugar and O2 gas from CO2 andH2O

+ Almost all plants are photosynthetic autotrophs, as are some bacteria andprotists (sunlight energy is transformed to energy stored in the form of chemicalbonds)

+ Chloroplast contain several pigments: Chlorophyll (a & b), Carotenoids,Xanthophyll

+ Chloplast (lục lạp) → Thylacoids → Chlorophyll (diệp lục, green pigment) →capture the light for photosynthesis

+ There are 2 reaction: (in land plants & green algae).

• Light reactions: Solar (sun) light → chemical energy → ATP & NADPH.

Light reaction ATP → sugar synthesis

NADPH → electron → reduction (khử) CO2 to glucose

• Dark reactions: (Calvin cycle) CO2 → Sugar.

14.Light reaction & dark reaction Photosystem (PSI and PSII) Summary 3 steps of dark reaction (Calvin cycle) C3 plant, C4 plant, CAM plant, phosphoenolpyruvate.

- Light reaction & dark reaction : 2 reactions occur in Chloroplast

1 The light reaction:

12H 2 O + 12NADP + 18ADP → 6O 2 + 12NADPH+ 18ATP.

- Convert light energy to ATP & NADPH

- CO2 is added to the 5-C sugar RuBP → enzyme rubisco => Light independent

reactions Calvin cycle

- Electron transport chains generate ATP, NADPH, & O2

- Chemiosmosis powers ATP synthesis

- Summary: light dependent reaction:

+ Overall input: light energy, H2O

+ Overall output: ATP, NADPH, O2

- Steps:

2 The Dark reaction/ Calvin Cycle + Summary 3 steps of dark reaction (Calvin

cycle)

6CO 2 + 12NADPH + 18ATP → C 6 H 12 O 6 + 12NADP + 18ADP + 6H 2 O

- Convert CO2 to carbohydrate using ATP & NADPH

- What does the compound receive CO2 in dark reaction? → Ribulose phosphate.

-1,5 What is the first product in dark reaction? → 3-1,5 phosphoglycerate.

- What is the first trials = C3 sugar produce in dark reation? → 3-phosphate.

Glyceraldehyde This is a carbon reduction

- Process:

- Steps: 3

+ Carboxylation: C fixation combines CO2

+ Reduction: G3P synthesis uses energy

+ Regeneration: RuBP synthesis uses energy & 10 G3P

+ 1 phản ứng cần nhớ:

- Photosystem (PSI and PSII): there are 2 types of photosystems (PS) cooperate

in the light reaction

+ PSI: P700

+ PSII: P680

→ The best photosynthesis reaction requires the combination of PSI & PSII

=>> KEY REACTION IN LIGHT REACTION.

- C3 plant, C4 plant, CAM plant:

DIFFERENT C3 C4 CAM

three-carboncompound

Ex: Những câysống lâu năm

và giàu protein:

Wheat, oats,

Produces anintermediatefour-carboncompound,which split into

a three-carboncompound forthe Calvincycle

Ex: monocots &

dicots (Corn,millet,sugarcane,maize)

which gatherssunlight duringthe day and fixcarbon dioxide

at night

Ex: Những câychịu hạn, nướcmọng:succulents,cacti,pineapple,dragon fruit

including crabgrass, sugarcane,

corn, etc

In plantsadapted to dryenvironmentsincluding cactiand pineapples

te (3-PGA) atdaytime andoxaloacetate(OAA) at night

Requirements

for the Dark

Reaction

12 NADPH,18ATPs 12 NADPH, 30ATPs 12 NADPH, 39ATPs

- Day: RuBP

- In bundlesheath cells:

RuBPcarboxylase

By carbondioxide fixationand Calvincycle

By carbondioxide fixationand Calvincycle inseparate times

- Phosphoenolpyruvate: (PEP)

+ It regenerated by pyruvate (C3 acid)

+ PEP is the first CO2 acceptor of both C4 and CAM plants

+ Combine with HCO3- to create OAA

+ In the nucleus, the last reaction of glycolysis (PEP tạo pyruvate) by enzymepyruvate kinase

15.Krebs cycle: other names, ATP, GTP, NADH, FADH2, products (initial, intermediate & final products).

- Other names: citric cycle, tricarboxylic acid cycle

- 12 ATP (1 GTP = 1 ATP, 3 NADH = 9 ATP, 1 FADH2 = 2 ATP)

- Products: sản phẩm cuối cùng của chu trình acid citric cũng là chất phản ứng đầu tiên, nên chu trình chạy liên tục với sự có mặt của các chất phản ứng đủ.

+ Initial: Oxaloactase

+ Intermediate: Acetyl – CoA

+ Final products: Oxaloacetase

Respiration NADH: 2 ATP NADPH: 2 ATP

NADPH: 2-3ATP

- PRPP = 5-Phosphoribosyl 1-pyrophosphate

+ Structure:

+ Function:

• Is source to supply the C5 sugar

• Is the precursor in the purine biosynthesis

• Used for biosynthesis of NMN (Nicotinamide mononucleotic): PRPP +ATP => NAD+

+ Intense Light (high O2 concentrations)

+ High heat (vì TV sẽ đóng stomata = khí khổng lại để tiết kiệm H2O, chúng tiếp

tục photosynthesis, sử dụng CO2 và sx ra O2 với nồng độ cao)

+ When conditions are not optimum: inside the leaf

• The CO2 levels become low → close stomata, prevent H2O loss.

• If the plant continues to fix CO2 when its stomata are closed → CO2 will get used up (sd hết) and the O2 ratio in the leaf will increase.

• When the CO2 levels drop to (giảm xuống) around 50 ppm → Rubisco to combine O2 with Ribulose-1,5- bisphosphate instead of CO2.

18.Triosephosphate isomerase reaction = câu 13 ngay ý 2.

Isolation of 3 – PGA into phosdioxyaceton enzyme triose phosphate isomerase

19.Required precursors for glucose, sucrose & starch biosynthesis.

- Precursors for:

+ Glucose (Glycogen), Sucrose (Saccharose), cellulose synthesis → UDP-glucose.

• Sucrose synthesis in cytosol & by Sucrose 6-phosphate synthase

Sucrose 6-phosphate phosphatase

• Sucrose & Fructose have an importan in lignocellulose

• Cellulose synthesis occur in cytoplasm & at plasma membrane, by terminalcomplexes/ rosettes & consisting of (cellulose synthase & associatedenzyme)

• Fuction of UDP-glucose: substrate for cellulose synthase, adds glucosemonomers to nonreducing cell

+ Starch biosynthesis → ADP-glucose.

+ Thông tin thêm: GTP produce in production of succinate.

20.Gluconeogenesis Biosynthesis of Carbohydrates in animals Conversion of glucose to other Carbohydrates (in animals).

- Gluconeogenesis – “formation new sugar” (tăng sinh glucose): (GNG) is ametabolic pathway that results in the generation of glucose from non-carbohydrate carbon substrates such as lactate, glycerol, and glucogenic aminoacids (Gluconeogenesis (GNG) là một con đường trao đổi chất dẫn đến việc tạo ra glucose từ các chất carbon không phải carbohydrate như lactate, glycerol và các axit amin glucogenic).

+ synthesizing glucose from noncarbohydrate precursors → convers pyruvate &related 3-& 4-carbon compounds to glucose

+ Occur in all animals, plants, fungi & microorganisms

+ Essentially → the same in all tissues & all species

- Biosynthesis of Carbohydrates in animals:

+ When energy is not needed, glucose can be synthesis by gluconeogenesis

+ Intermediates of Glycolysis and Citric acid cycle are used to produce glucose.+ Gluconeogenesis is not the exact reversal of glycolysis: pyruvate to glucosedoes not occur by reversing the steps of glucose to pyruvate

Vietsub: Sự tăng sinh glucose không phải là sự đảo ngược của quá trình đường phân: pyruvate thành glucose nhưng không có nghĩa là được phép đảo ngược tất cả thứ tự phản ứng của glucose → pyruvate.

- Conversion of glucose to other Carbohydrates (in animals):

+ Conversion of glucose to other hexoses (isomers) and synthesis of di- orpolysaccharides

+ Activation of glucose by Uridine Triphosphate (UTP) to form UDP-glucose.(Similar to ATP)

+ Glycogenesis: conversion of glucose to glycogen

+ Exess glucose is stored in form of glycogen

21.β-oxidation of fatty acid: even number of carbon (2n C), odd number of carbon (2n C + 1), ?ATP, Acetyl CoA, products Reaction of β-oxidation of fatty acid (2n C).

- β-oxidation of fatty acid: 5 steps

+ Acyl CoA production

+ Dehydration – double bond production

+ Hydration - hydroxyl acyl CoA production

+ Dehydration – keto acyl CoA production

+ Cutting at β-linkage - acyl CoA & acetyl CoA production

- Nói thêm Fatty acid oxidation: 3 stage

+ Stage 1: loại bỏ 2C in the form of acetyl-CoA During each cycle of β-oxidation

→ Hình thành 1 phân tử NADH & FADH2

+ Stage 2: Acetyl-coA sẽ bị OXH trong citric cycle.

+ Stage 3: NADH & FADH2 đã được hình thành ở 2 stage trên sẽ tạo ATP thôngqua quá trình phosphorylation

( 1NADH, 1 FADH2 => 5ATP & in cytric cycle = 12 ATP)

+ Carbohydrate before enter into any biosynthesis/ degradation process,carbohydrate will combine with phosphate.

+ Fatty acids before enter into any reactions, fatty acids will combine with coA

acetyl Phương trình cần phải nhớ: metabolism of triglyceride.

- β-oxidation of fatty acid: even number of carbon (2n C), odd number of carbon(2n C + 1), ?ATP, Acetyl CoA, products.

+ The most commonly occurring fatty acids have an even number of carbonatoms (12 to 24 carbons)

+T nghĩ chắc kêu tính ATP á (những câu hỏi dưới đây chỉ bao quanh palmitic acid)

+ How many acetyl-CoA we get from β-oxidation of palmitic acid ? → 8

+ How many Acetyl-CoA require to synthesize the fatty acid? → 8

+ How many carbon in Acetyl-CoA? → 2

+ How many cycle happen ? 7 cycle (each cycle have 5 steps)

• Each cycle have 5 steps

• First step: 16C take out 1 Acetyl-CoA

• Final step have 4 carbon => cut & get 2 acetyl-CoA

+ How many ATP in each cycle? → 5 ATP.

• 1 FADH2 = 2 ATP

• 1 NADH = 3 ATP

- Reaction of β-oxidation of fatty acid (2n C):

22.Processing of dietary lipids in vertebrates.

- Maybe theo cái t hiểu thì dưới đây chắc là ng ta muốn nói như cái vietsub á vànhững phản ứng bên dưới là nói tới chuyển hóa triacylglycerol và sử dụng nhưnhiên liệu để dự trữ năng lượng á

- Why are triacylglycerols better energy stores than polysacharides?

+ The carbon atoms of fatty acids are more reduced than those of sugars

+ Triacylglycerols are hydrophobic and therefore unhydrated An organism thatcarries fat as a fuel does not have to carry extra weight of water of hydration that

is associated with stored polysaccharides In vertebrates triacylglycerols arestored in adipocytes or fat cells

Vietsubs: Triacylglycerol là chất kỵ nước và do đó không bị làm khan Một sinhvật mang chất béo làm nhiên liệu không phải gánh thêm trọng lượng nước hydrathóa được liên kết với các polysaccharid dự trữ Ở động vật có xương sống,triacylglycerol được lưu trữ trong tế bào mỡ hoặc tế bào mỡ

23.The use of glycerol.

- Glycerol-3-phosphate have a lot of reaction with phosphor dioxyaceton

- Glycerol/glycerin will combine with the phosphate to become phosphate & can change into phospho-dihydroxyaceton

glycerol Phosphodihydroxyaceton catalyzed by the trialphosphate isomelase to become 3glycerol phosphoglyraldehyde They can go to Krebs cycle/ any metabolism ofcarbohydrate.

3-→ The metabolism of glycerol required the phosphate group look like themonosaccharides, carbohydrate

24.Where does the process of carbohydrate, lipid, nucleic acid, amino acid, protein metabolism happen ?

- In mitochondria

- Ngoài ra, còn số khác như:

Cellulose synthesis Cytoplasm & plasma membrane

Gluconeogenes All animals, plants, fungi &

- Plants: any tissue/ any place

- Animals: liver, intestinal mucus (chấtnhầy ruột), mammary gland, adipose tisue(mô mỡ)

25.Nucleotide biosynthesis First products in purine & pyrimidine biosynthesis dUMP, dUDP, dCDP, dTMP, IMP.

- Nucleotide biosynthesis: