Bioenergetika Bioenergetics

Transkript

1 Bioenergetika Bioenergetics Tomáš Kučera 2012 Tisková verze Print version Prezentace Presentation

2 Bioenergetika Slide 1a Bioenergetika

3 Bioenergetika Slide 1b Bioenergetika jak organismy získávají, přeměňují, ukládají a využívají energii

4 Bioenergetika Slide 2a Termodynamika

5 Bioenergetika Slide 2b Termodynamika vzájemné přeměny různých druhů energie směřování fyzikálních a chemických pochodů měřítko samovolnosti (uskutečnitelnosti dějů) rovnovážné stavy

6 Bioenergetika Slide 2c Termodynamika vzájemné přeměny různých druhů energie směřování fyzikálních a chemických pochodů měřítko samovolnosti (uskutečnitelnosti dějů) rovnovážné stavy Základní pojmy

7 Bioenergetika Slide 2d Termodynamika vzájemné přeměny různých druhů energie směřování fyzikálních a chemických pochodů měřítko samovolnosti (uskutečnitelnosti dějů) rovnovážné stavy Základní pojmy systém (soustava) libovolná část prostoru uvažovaná odděleně od okolí

8 Bioenergetika Slide 2e Termodynamika vzájemné přeměny různých druhů energie směřování fyzikálních a chemických pochodů měřítko samovolnosti (uskutečnitelnosti dějů) rovnovážné stavy Základní pojmy systém (soustava) libovolná část prostoru uvažovaná odděleně od okolí izolovaný nevyměňuje s okolím hmotu ani energii uzavřený vyměňuje s okolím jen energii, nikoli hmotu otevřený vyměňuje s okolím hmotu i energii

9 Bioenergetika Slide 2f Termodynamika vzájemné přeměny různých druhů energie směřování fyzikálních a chemických pochodů měřítko samovolnosti (uskutečnitelnosti dějů) rovnovážné stavy Základní pojmy systém (soustava) libovolná část prostoru uvažovaná odděleně od okolí izolovaný nevyměňuje s okolím hmotu ani energii uzavřený vyměňuje s okolím jen energii, nikoli hmotu otevřený vyměňuje s okolím hmotu i energii ŽIVÉ SYSTÉMY JSOU VŽDY OTEVŘENÉ!

10 Bioenergetika Slide 2g Termodynamika vzájemné přeměny různých druhů energie směřování fyzikálních a chemických pochodů měřítko samovolnosti (uskutečnitelnosti dějů) rovnovážné stavy Základní pojmy systém (soustava) libovolná část prostoru uvažovaná odděleně od okolí izolovaný nevyměňuje s okolím hmotu ani energii uzavřený vyměňuje s okolím jen energii, nikoli hmotu otevřený vyměňuje s okolím hmotu i energii okolí zbytek vesmíru ŽIVÉ SYSTÉMY JSOU VŽDY OTEVŘENÉ!

11 Bioenergetika Slide 3a První věta termodynamiky

12 Bioenergetika Slide 3b První věta termodynamiky Energii nelze vytvořit ani zničit.

13 Bioenergetika Slide 3c První věta termodynamiky Energii nelze vytvořit ani zničit. U = U konečná U počáteční = Q W U vnitřní energie soustavy Q teplo přijaté soustavou od okolí W práce vykonaná soustavou na okolí

14 Bioenergetika Slide 3d První věta termodynamiky Energii nelze vytvořit ani zničit. U = U konečná U počáteční = Q W U vnitřní energie soustavy Q teplo přijaté soustavou od okolí W práce vykonaná soustavou na okolí izobarický děj (p = konst.)

15 Bioenergetika Slide 3e První věta termodynamiky Energii nelze vytvořit ani zničit. U = U konečná U počáteční = Q W U vnitřní energie soustavy Q teplo přijaté soustavou od okolí W práce vykonaná soustavou na okolí izobarický děj (p = konst.) U = Q p (pv) U + pv = H H = (U + pv) = Q p p tlak, V objem, H enthalpie

16 Bioenergetika Slide 4a Druhá věta termodynamiky

17 Bioenergetika Slide 4b Druhá věta termodynamiky Nelze sestrojit periodicky pracující tepelný stroj, který by dodával okolí práci na úkor tepla odebíraného jedinému tepelnému rezervoáru.

18 Bioenergetika Slide 4c Druhá věta termodynamiky Nelze sestrojit periodicky pracující tepelný stroj, který by dodával okolí práci na úkor tepla odebíraného jedinému tepelnému rezervoáru. Teplo nemůže při styku dvou těles různých teplot samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na těleso teplejší.

19 Bioenergetika Slide 4d Druhá věta termodynamiky Nelze sestrojit periodicky pracující tepelný stroj, který by dodával okolí práci na úkor tepla odebíraného jedinému tepelnému rezervoáru. Teplo nemůže při styku dvou těles různých teplot samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na těleso teplejší. dq T 0

20 Bioenergetika Slide 4e Druhá věta termodynamiky Nelze sestrojit periodicky pracující tepelný stroj, který by dodával okolí práci na úkor tepla odebíraného jedinému tepelnému rezervoáru. Teplo nemůže při styku dvou těles různých teplot samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na těleso teplejší. dq T 0 entropie S = Q T

21 Bioenergetika Slide 4f Druhá věta termodynamiky Nelze sestrojit periodicky pracující tepelný stroj, který by dodával okolí práci na úkor tepla odebíraného jedinému tepelnému rezervoáru. Teplo nemůže při styku dvou těles různých teplot samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na těleso teplejší. dq T 0 entropie S = Q T S = k lnp

22 Bioenergetika Slide 4g Druhá věta termodynamiky Nelze sestrojit periodicky pracující tepelný stroj, který by dodával okolí práci na úkor tepla odebíraného jedinému tepelnému rezervoáru. Teplo nemůže při styku dvou těles různých teplot samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na těleso teplejší. dq T 0 entropie S = Q T S = k lnp ukazatel samovolnosti děje v adiabaticky izolovaných soustavách

23 Bioenergetika Slide 4h Druhá věta termodynamiky Nelze sestrojit periodicky pracující tepelný stroj, který by dodával okolí práci na úkor tepla odebíraného jedinému tepelnému rezervoáru. Teplo nemůže při styku dvou těles různých teplot samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na těleso teplejší. dq T 0 entropie S = Q T S = k lnp ukazatel samovolnosti děje v adiabaticky izolovaných soustavách S soustava + S okolí = S vesmír > 0

24 Bioenergetika Slide 5a Gibbsova (volná) energie G = H TS G = H T S = Q p T S

25 Bioenergetika Slide 5b Gibbsova (volná) energie G = H TS G = H T S = Q p T S koná-li systém práci, je G = Q p T S + W T S Q p G W

26 Bioenergetika Slide 5c Gibbsova (volná) energie G = H TS G = H T S = Q p T S koná-li systém práci, je G = Q p T S + W T S Q p G W v biol. systému objemová práce zanedbatelná G = max. práce

27 Bioenergetika Slide 5d Gibbsova (volná) energie G = H TS G = H T S = Q p T S koná-li systém práci, je G = Q p T S + W T S Q p G W v biol. systému objemová práce zanedbatelná G = max. práce reálný děj není nikdy reversibilní G < W Práci vloženou do systému nelze celou získat zpět.

28 Bioenergetika Slide 5e Gibbsova (volná) energie G = H TS G = H T S = Q p T S koná-li systém práci, je G = Q p T S + W T S Q p G W v biol. systému objemová práce zanedbatelná G = max. práce reálný děj není nikdy reversibilní G < W Práci vloženou do systému nelze celou získat zpět. Úbytek G je roven maximální práci, kterou může systém odevzdat při izotermicko-izobarickém ději do okolí.

29 Bioenergetika Slide 5f Gibbsova (volná) energie G = H TS G = H T S = Q p T S koná-li systém práci, je G = Q p T S + W T S Q p G W v biol. systému objemová práce zanedbatelná G = max. práce reálný děj není nikdy reversibilní G < W Práci vloženou do systému nelze celou získat zpět. Úbytek G je roven maximální práci, kterou může systém odevzdat při izotermicko-izobarickém ději do okolí. rovnováha: G = 0

30 Bioenergetika Slide 5g Gibbsova (volná) energie G = H TS G = H T S = Q p T S koná-li systém práci, je G = Q p T S + W T S Q p G W v biol. systému objemová práce zanedbatelná G = max. práce reálný děj není nikdy reversibilní G < W Práci vloženou do systému nelze celou získat zpět. Úbytek G je roven maximální práci, kterou může systém odevzdat při izotermicko-izobarickém ději do okolí. rovnováha: G = 0 samovolný (exergonický) děj: G < 0 (může konat práci)

31 Bioenergetika Slide 5h Gibbsova (volná) energie G = H TS G = H T S = Q p T S koná-li systém práci, je G = Q p T S + W T S Q p G W v biol. systému objemová práce zanedbatelná G = max. práce reálný děj není nikdy reversibilní G < W Práci vloženou do systému nelze celou získat zpět. Úbytek G je roven maximální práci, kterou může systém odevzdat při izotermicko-izobarickém ději do okolí. rovnováha: G = 0 samovolný (exergonický) děj: G < 0 (může konat práci) endergonický děj: G > 0

32 Bioenergetika Slide 6a Gibbsova energie jeden z tzv. termodynamických potenciálů

33 Bioenergetika Slide 6b Gibbsova energie jeden z tzv. termodynamických potenciálů žádná informace o rychlosti ta dána mechanismem

34 Bioenergetika Slide 6c Gibbsova energie jeden z tzv. termodynamických potenciálů žádná informace o rychlosti ta dána mechanismem (ne)možnost děje dána jen počátečním a konečným stavem

35 Bioenergetika Slide 6d Gibbsova energie jeden z tzv. termodynamických potenciálů žádná informace o rychlosti ta dána mechanismem (ne)možnost děje dána jen počátečním a konečným stavem katalyzátor (enzym) může urychlit dosažení rovnováhy, ale ne změnit její stav

36 Bioenergetika Slide 6e Gibbsova energie jeden z tzv. termodynamických potenciálů žádná informace o rychlosti ta dána mechanismem (ne)možnost děje dána jen počátečním a konečným stavem katalyzátor (enzym) může urychlit dosažení rovnováhy, ale ne změnit její stav možnost spřažení

37 Bioenergetika Slide 6f Gibbsova energie jeden z tzv. termodynamických potenciálů žádná informace o rychlosti ta dána mechanismem (ne)možnost děje dána jen počátečním a konečným stavem katalyzátor (enzym) může urychlit dosažení rovnováhy, ale ne změnit její stav možnost spřažení závisí na teplotě: rovnováha: T = H S

38 Bioenergetika Slide 6g Gibbsova energie jeden z tzv. termodynamických potenciálů žádná informace o rychlosti ta dána mechanismem (ne)možnost děje dána jen počátečním a konečným stavem katalyzátor (enzym) může urychlit dosažení rovnováhy, ale ne změnit její stav možnost spřažení závisí na teplotě: rovnováha: T = H S

39 Bioenergetika Slide 7a Chemické rovnováhy pro reakci aa + bb cc + dd G = G 0 + RT ln [C]c [D] d [A] a [B] b G 0... standardní změna G dané reakce

40 Bioenergetika Slide 7b Chemické rovnováhy pro reakci aa + bb cc + dd G = G 0 + RT ln [C]c [D] d [A] a [B] b G 0... standardní změna G dané reakce konstantní člen závisí jen na konkrétní reakci

41 Bioenergetika Slide 7c Chemické rovnováhy pro reakci aa + bb cc + dd G = G 0 + RT ln [C]c [D] d G 0... standardní změna G dané reakce [A] a [B] b konstantní člen závisí jen na konkrétní reakci proměnný člen závisí na teplotě a koncentracích reaktantů a produktů

42 Bioenergetika Slide 7d Chemické rovnováhy pro reakci aa + bb cc + dd G = G 0 + RT ln [C]c [D] d G 0... standardní změna G dané reakce [A] a [B] b konstantní člen závisí jen na konkrétní reakci proměnný člen závisí na teplotě a koncentracích reaktantů a produktů rovnováha: G = 0 G 0 = RT ln K eq K eq = [C]c [D] d [A] a [B] b = e G0 RT

43 Bioenergetika Slide 7e Chemické rovnováhy pro reakci aa + bb cc + dd G = G 0 + RT ln [C]c [D] d G 0... standardní změna G dané reakce [A] a [B] b konstantní člen závisí jen na konkrétní reakci proměnný člen závisí na teplotě a koncentracích reaktantů a produktů rovnováha: G = 0 G 0 = RT ln K eq K eq = [C]c [D] d [A] a [B] b = e G0 RT G 0 a K eq v přímém vztahu

44 Bioenergetika Slide 7f Chemické rovnováhy pro reakci aa + bb cc + dd G = G 0 + RT ln [C]c [D] d G 0... standardní změna G dané reakce [A] a [B] b konstantní člen závisí jen na konkrétní reakci proměnný člen závisí na teplotě a koncentracích reaktantů a produktů rovnováha: G = 0 G 0 = RT ln K eq K eq = [C]c [D] d [A] a [B] b = e G0 RT G 0 a K eq v přímém vztahu 10násobná změna K eq změní G 0 o 5.7 kj/mol

45 Bioenergetika Slide 8a Změna Gibbsovy energie G 0 = G 0 f (products) G 0 f (reactants) G 0 f... G0 syntézy z prvků

46 Bioenergetika Slide 8b Změna Gibbsovy energie G 0 = G 0 f (products) G 0 f (reactants) G 0 f... G0 syntézy z prvků

47 Bioenergetika Změna Gibbsovy energie Slide 9a standardní stav

48 Bioenergetika Změna Gibbsovy energie Slide 9b standardní stav aktivita 1 mol/l

49 Bioenergetika Změna Gibbsovy energie Slide 9c standardní stav aktivita 1 mol/l 25 C

50 Bioenergetika Změna Gibbsovy energie Slide 9d standardní stav aktivita 1 mol/l 25 C 1 atm

51 Bioenergetika Slide 9e standardní stav aktivita 1 mol/l 25 C 1 atm Změna Gibbsovy energie biochemický standardní stav

52 Bioenergetika Slide 9f standardní stav aktivita 1 mol/l 25 C 1 atm Změna Gibbsovy energie biochemický standardní stav aktivita vody = 1

53 Bioenergetika Slide 9g standardní stav aktivita 1 mol/l 25 C 1 atm Změna Gibbsovy energie biochemický standardní stav aktivita vody = 1 ph = 7

54 Bioenergetika Slide 9h standardní stav aktivita 1 mol/l 25 C 1 atm Změna Gibbsovy energie biochemický standardní stav aktivita vody = 1 ph = 7 látky podléhající acidobazické disociaci: c = celková c všech forem při ph = 7

55 Bioenergetika Slide 10a Spřažené reakce

56 Bioenergetika Slide 10b Spřažené reakce A + B C + D G 1 D + E F + G G 2

57 Bioenergetika Slide 10c Spřažené reakce A + B C + D G 1 D + E F + G G 2 A + B + E C + F + G G 3 = G 1 + G 2 < 0

58 Bioenergetika Slide 10d Spřažené reakce A + B C + D G 1 D + E F + G G 2 A + B + E C + F + G G 3 = G 1 + G 2 < 0 ΔG 0 (kj.mol -1 ) Endergonická reakce: glukosa + P i glukosa-6-fosfát + H 2 O +13,8 Exergonická reakce: ATP + H 2 O ADP + P i 30,5 Spřažená reakce: glukosa + ATP glukosa-6-fosfát + ADP 16,7

59 Bioenergetika Slide 11a Redoxní potenciál

60 Bioenergetika Slide 11b Redoxní potenciál Aox n+ + B red A red + B n+ ox

61 Bioenergetika Slide 11c Redoxní potenciál Aox n+ + B red A red + B n+ ox

62 Bioenergetika Slide 11d Redoxní potenciál Aox n+ + B red A red + B n+ ox G = G 0 + RT ln [A red][b n+ ox] [A n+ ox ][B red ]

63 Bioenergetika Slide 11e Redoxní potenciál Aox n+ + B red A red + B n+ ox G = G 0 + RT ln [A red][b n+ ox] [A n+ ox ][B red ] G = nf E

64 Bioenergetika Slide 11f Redoxní potenciál Aox n+ + B red A red + B n+ ox G = G 0 + RT ln [A red][b n+ ox] [A n+ ox ][B red ] G = nf E E = E 0 RT nf [red] ln [ox] E = E0 RT nf ln [A red][b n+ ox ] [Aox n+ ][B red ]

65 Bioenergetika Slide 12a E jako energetická škála Redoxní potenciál

66 Bioenergetika Redoxní potenciál Slide 12b E jako energetická škála Redukovaná forma Oxidovaná forma E 0 (V) ΔG 0 acetaldehyd acetát -0,60 hodnoty vyšší H 2 2H + -0,42 (reduktans) isocitrát 2-oxoglutarát + CO 2-0,38 glutathion-sh glutathion-ss -0,34 NADH + H + NAD + -0,32 glyceraldehyd-3-fosfát + H 3 P0 4 1,3-bisfosfoglycerát -0,28 FADH 2 FAD -0,20 laktát pyruvát -0,19 malát oxalacetát -0,17 cytochrom b (Fe 2+ ) cytochrom b (Fe 3+ ) 0,00 sukcinát fumarát +0,03 dihydroubichinon ubichinon +0,10 cytochrom c (Fe 2+ ) cytochrom c (Fe 3+ ) +0,26 +ne ne H 2 O 2 O 2 +0,29 + hodnoty H 2 O ½ O 2 +0,82 (oxidans) nižší exergonický děj endergonický děj

67 Bioenergetika Redoxní potenciál Slide 13a E 0 = 0V pro standardní vodíkový poločlánek (elektrodu)

68 Bioenergetika Redoxní potenciál Slide 13b E 0 = 0V pro standardní vodíkový poločlánek (elektrodu) H + při ph 0, 25 C, 1 atm v rovnováze s elektrodou z Pt černi sycenou H 2

69 Bioenergetika Redoxní potenciál Slide 13c E 0 = 0V pro standardní vodíkový poločlánek (elektrodu) H + při ph 0, 25 C, 1 atm v rovnováze s elektrodou z Pt černi sycenou H 2 ph = 7 E 0 = 0.421V

70 Bioenergetika Slide 14a NAD(P) + NikotinamidAdeninDinukleotid(fosfát)

71 Bioenergetika Slide 14b NAD(P) + NikotinamidAdeninDinukleotid(fosfát) Redoxní reakce NAD(P) + NAD(P)H + H +

72 Bioenergetika Slide 15a Makroergické sloučeniny jejich hydrolýza pohání endergonické reakce

73 Bioenergetika Slide 15b Makroergické sloučeniny jejich hydrolýza pohání endergonické reakce obsahují makroergickou vazbu

74 Bioenergetika Slide 15c Makroergické sloučeniny jejich hydrolýza pohání endergonické reakce obsahují makroergickou vazbu ATP centrální role (univerzální energetická měna buňky)

75 Bioenergetika Slide 15d Makroergické sloučeniny jejich hydrolýza pohání endergonické reakce obsahují makroergickou vazbu ATP centrální role (univerzální energetická měna buňky) 3 fosfátové skupiny vázané 1 fosfoesterovou a 2 fosfoanhydridovými vazbami

76 Bioenergetika Slide 15e Makroergické sloučeniny jejich hydrolýza pohání endergonické reakce obsahují makroergickou vazbu ATP centrální role (univerzální energetická měna buňky) 3 fosfátové skupiny vázané 1 fosfoesterovou a 2 fosfoanhydridovými vazbami

77 Bioenergetika Slide 16a ATP R 1 O P + R 2 OH R 1 O H + R 2 OP reakce přenosu fosforylu obrovský metabolický význam

78 Bioenergetika Slide 16b ATP R 1 O P + R 2 OH R 1 O H + R 2 OP reakce přenosu fosforylu obrovský metabolický význam ATP + H 2 O ADP + P i G 0 = 30, 5 kj mol 1

79 Bioenergetika Slide 16c ATP R 1 O P + R 2 OH R 1 O H + R 2 OP reakce přenosu fosforylu obrovský metabolický význam ATP + H 2 O ADP + P i G 0 = 30, 5 kj mol 1 ATP + H 2 O AMP + PP i PP i + H 2 O 2 P i G 0 = 45.6 kj mol 1

80 Bioenergetika Slide 16d ATP R 1 O P + R 2 OH R 1 O H + R 2 OP reakce přenosu fosforylu obrovský metabolický význam ATP + H 2 O ADP + P i G 0 = 30, 5 kj mol 1 ATP + H 2 O AMP + PP i PP i + H 2 O 2 P i G 0 = 45.6 kj mol 1 kinetická stabilita, termodynamická nestabilita (vysoké G 0 )

81 Bioenergetika Slide 16e ATP R 1 O P + R 2 OH R 1 O H + R 2 OP reakce přenosu fosforylu obrovský metabolický význam ATP + H 2 O ADP + P i G 0 = 30, 5 kj mol 1 ATP + H 2 O AMP + PP i PP i + H 2 O 2 P i G 0 = 45.6 kj mol 1 kinetická stabilita, termodynamická nestabilita (vysoké G 0 ) energetický náboj buňky (obvykle 0,8 0,95) [ATP] [ADP] [ATP] + [ADP] + [AMP]

82 Bioenergetika Slide 16f ATP R 1 O P + R 2 OH R 1 O H + R 2 OP reakce přenosu fosforylu obrovský metabolický význam ATP + H 2 O ADP + P i G 0 = 30, 5 kj mol 1 ATP + H 2 O AMP + PP i PP i + H 2 O 2 P i G 0 = 45.6 kj mol 1 kinetická stabilita, termodynamická nestabilita (vysoké G 0 ) energetický náboj buňky (obvykle 0,8 0,95) adenylátkinasa ATP + AMP 2 ADP [ATP] [ADP] [ATP] + [ADP] + [AMP]

83 Bioenergetika Slide 16g ATP R 1 O P + R 2 OH R 1 O H + R 2 OP reakce přenosu fosforylu obrovský metabolický význam ATP + H 2 O ADP + P i G 0 = 30, 5 kj mol 1 ATP + H 2 O AMP + PP i PP i + H 2 O 2 P i G 0 = 45.6 kj mol 1 kinetická stabilita, termodynamická nestabilita (vysoké G 0 ) energetický náboj buňky (obvykle 0,8 0,95) adenylátkinasa ATP + AMP 2 ADP [ATP] [ADP] [ATP] + [ADP] + [AMP] ATP se obnovuje za pomoci ještě exergoničtějších reakcí

84 Bioenergetika A B Spřažené reakce Slide 17a G 0 = +4 kcal/mol

85 Bioenergetika A B Spřažené reakce [B] [A] = K eq = e G0 1,36 = 1, Slide 17b G 0 = +4 kcal/mol

86 Bioenergetika Slide 17c A B Spřažené reakce [B] [A] = K eq = e G0 1,36 = 1, A + ATP +H 2 O B + ADP + P i + H + G 0 = +4 kcal/mol G 0 = 3, 3 kcal/mol

87 Bioenergetika Slide 17d A B Spřažené reakce [B] [A] = K eq = e G0 1,36 = 1, A + ATP +H 2 O B + ADP + P i + H + G 0 = +4 kcal/mol K eq = [B] [A] [ADP][P i] [ATP] G 0 = 3, 3 kcal/mol = 2,

88 Bioenergetika A B Spřažené reakce [B] [A] = K eq = e G0 1,36 = 1, A + ATP +H 2 O B + ADP + P i + H + v rovnováze: K eq = [B] [A] [ADP][P i] [ATP] [B] [A] = K [ATP] eq [ADP][P i ] Slide 17e G 0 = +4 kcal/mol G 0 = 3, 3 kcal/mol = 2,

89 Bioenergetika A B Spřažené reakce [B] [A] = K eq = e G0 1,36 = 1, A + ATP +H 2 O B + ADP + P i + H + v rovnováze: K eq = [B] [A] [ADP][P i] [ATP] [B] [A] = K [ATP] eq [ADP][P i ] Slide 17f G 0 = +4 kcal/mol G 0 = 3, 3 kcal/mol = 2, [B] [A] = 2, = 1,

90 Bioenergetika A B Spřažené reakce [B] [A] = K eq = e G0 1,36 = 1, A + ATP +H 2 O B + ADP + P i + H + v rovnováze: K eq = [B] [A] [ADP][P i] [ATP] [B] [A] = K [ATP] eq [ADP][P i ] Slide 17g G 0 = +4 kcal/mol G 0 = 3, 3 kcal/mol = 2, [B] [A] = 2, = 1, rovnovážný poměr B/A je 10 8 krát vyšší!

91 Bioenergetika A B Spřažené reakce [B] [A] = K eq = e G0 1,36 = 1, A + ATP +H 2 O B + ADP + P i + H + v rovnováze: K eq = [B] [A] [ADP][P i] [ATP] [B] [A] = K [ATP] eq [ADP][P i ] Slide 17h G 0 = +4 kcal/mol G 0 = 3, 3 kcal/mol = 2, [B] [A] = 2, = 1, rovnovážný poměr B/A je 10 8 krát vyšší! hydrolýza n molekul ATP poměr 10 n8 krát vyšší!

92 Bioenergetika Spotřeba ATP Slide 18a

93 Bioenergetika Slide 18b Spotřeba ATP nízkoenergetické fosforylované sloučeniny

94 Bioenergetika Slide 18c Spotřeba ATP nízkoenergetické fosforylované sloučeniny vzájemné přeměny NTP tvorba CTP, GTP, UTP, datp, dctp, dgtp, dttp

95 Bioenergetika Slide 18d Spotřeba ATP nízkoenergetické fosforylované sloučeniny vzájemné přeměny NTP tvorba CTP, GTP, UTP, datp, dctp, dgtp, dttp nukleosiddifosfátkinasa ATP + NDP ADP + NTP

96 Bioenergetika Slide 18e Spotřeba ATP nízkoenergetické fosforylované sloučeniny vzájemné přeměny NTP tvorba CTP, GTP, UTP, datp, dctp, dgtp, dttp nukleosiddifosfátkinasa ATP + NDP ADP + NTP děje založené na konformačních změnách proteinů

97 Bioenergetika Slide 18f Spotřeba ATP nízkoenergetické fosforylované sloučeniny vzájemné přeměny NTP tvorba CTP, GTP, UTP, datp, dctp, dgtp, dttp nukleosiddifosfátkinasa ATP + NDP ADP + NTP děje založené na konformačních změnách proteinů skládání (folding) proteinů

98 Bioenergetika Slide 18g Spotřeba ATP nízkoenergetické fosforylované sloučeniny vzájemné přeměny NTP tvorba CTP, GTP, UTP, datp, dctp, dgtp, dttp nukleosiddifosfátkinasa ATP + NDP ADP + NTP děje založené na konformačních změnách proteinů skládání (folding) proteinů aktivní transport

99 Bioenergetika Slide 18h Spotřeba ATP nízkoenergetické fosforylované sloučeniny vzájemné přeměny NTP tvorba CTP, GTP, UTP, datp, dctp, dgtp, dttp nukleosiddifosfátkinasa ATP + NDP ADP + NTP děje založené na konformačních změnách proteinů skládání (folding) proteinů aktivní transport pohyby

100 Bioenergetika Vznik ATP Slide 19a

101 Bioenergetika Vznik ATP Slide 19b substrátová fosforylace

102 Bioenergetika Vznik ATP Slide 19c substrátová fosforylace oxidační fosforylace (fotofosforylace)

103 Bioenergetika Vznik ATP Slide 19d substrátová fosforylace oxidační fosforylace (fotofosforylace) adenylátkinasová reakce

104 Bioenergetika Vznik ATP Slide 19e substrátová fosforylace oxidační fosforylace (fotofosforylace) adenylátkinasová reakce fosfageny

105 Bioenergetika Vznik ATP Slide 19f substrátová fosforylace oxidační fosforylace (fotofosforylace) adenylátkinasová reakce fosfageny Metabolický obrat ATP

106 Bioenergetika Vznik ATP Slide 19g substrátová fosforylace oxidační fosforylace (fotofosforylace) adenylátkinasová reakce fosfageny Metabolický obrat ATP průměrný dospělý jedinec v klidu kolem 3 mol/h (1,5 kg/h), tj. kolem 40 kg/den

107 Bioenergetika Vznik ATP Slide 19h substrátová fosforylace oxidační fosforylace (fotofosforylace) adenylátkinasová reakce fosfageny Metabolický obrat ATP průměrný dospělý jedinec v klidu kolem 3 mol/h (1,5 kg/h), tj. kolem 40 kg/den intenzívní námaha až 0,5 kg/min

108 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 20a

109 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 20b fosfoanhydridy

110 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 20c fosfoanhydridy rezonanční stabilizace

111 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 20d fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze

112 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 20e fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze

113 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 20f fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy

114 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 20g fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy

115 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 20h fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy fosfosulfáty, acylfosfáty

116 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 20i fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy fosfosulfáty, acylfosfáty karbamoylfosfát

117 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 20j fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy fosfosulfáty, acylfosfáty karbamoylfosfát fosfoguanidiny (fosfageny fosfokreatin, fosfoarginin)

118 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 20k fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy fosfosulfáty, acylfosfáty karbamoylfosfát fosfoguanidiny (fosfageny fosfokreatin, fosfoarginin) enolfosfáty

119 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 20l fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy fosfosulfáty, acylfosfáty karbamoylfosfát fosfoguanidiny (fosfageny fosfokreatin, fosfoarginin) enolfosfáty thioestery

120 Bioenergetika Slide 21a

121 Bioenergetika Slide 22a Rozdělení organismů podle způsobu výživy (trofiky) Zdroj energie Světlo CO 2 FOTOLITOTROFNÍ Zdroj uhlíku Organické látky FOTOORGANOTROFNÍ Oxidace substrátů zelené a purpurové sirné bakterie, řasy, sinice, zelené rostliny CHEMOLITOTROFNÍ (anorganické substráty) sirné, železité, nitrifikační bakterie purpurové nesirné bakterie, autotrofní prvoci (krásnoočko) CHEMOORGANOTROFNÍ (organické substráty) bakterie, houby, prvoci, živočichové

122 Bioenergetika Slide 23a Schéma energetického metabolismu aminokyseliny mastné kyseliny β-oxidace cukry glykolýza pyruvát alternativní dráhy NADH NAD + NADH NAD + fermentační regenerace NADH laktát ethanol propionát butyrát butanol formiát H2 CO2 acetát 2,3-butandiol sukcinát oxidační dekarboxylace citrátový cyklus Ac~S CoA Calvinův cyklus CO 2 NADH NAD + NADPH NADP + ADP respirační řetězec O 2 fotosyntetický elektrontransportní řetězec hν ADP ATP oxidační fosforylace H 2 O fotofosforylace ATP

123 Konec

124 Bioenergetika (verze pro tisk na konci souboru) Tomáš Kučera 2012

125 Bioenergetika Slide 1 Bioenergetika jak organismy získávají, přeměňují, ukládají a využívají energii

126 Bioenergetika Slide 2 Termodynamika vzájemné přeměny různých druhů energie směřování fyzikálních a chemických pochodů měřítko samovolnosti (uskutečnitelnosti dějů) rovnovážné stavy Základní pojmy systém (soustava) libovolná část prostoru uvažovaná odděleně od okolí izolovaný nevyměňuje s okolím hmotu ani energii uzavřený vyměňuje s okolím jen energii, nikoli hmotu otevřený vyměňuje s okolím hmotu i energii okolí zbytek vesmíru ŽIVÉ SYSTÉMY JSOU VŽDY OTEVŘENÉ!

127 Bioenergetika Slide 3 První věta termodynamiky Energii nelze vytvořit ani zničit. U = U konečná U počáteční = Q W U vnitřní energie soustavy Q teplo přijaté soustavou od okolí W práce vykonaná soustavou na okolí izobarický děj (p = konst.) U = Q p (pv) U + pv = H H = (U + pv) = Q p p tlak, V objem, H enthalpie

128 Bioenergetika Slide 4 Druhá věta termodynamiky Nelze sestrojit periodicky pracující tepelný stroj, který by dodával okolí práci na úkor tepla odebíraného jedinému tepelnému rezervoáru. Teplo nemůže při styku dvou těles různých teplot samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na těleso teplejší. dq T 0 entropie S = Q T S = k lnp ukazatel samovolnosti děje v adiabaticky izolovaných soustavách S soustava + S okolí = S vesmír > 0

129 Bioenergetika Slide 5 Gibbsova (volná) energie G = H TS G = H T S = Q p T S koná-li systém práci, je G = Q p T S + W T S Q p G W v biol. systému objemová práce zanedbatelná G = max. práce reálný děj není nikdy reversibilní G < W Práci vloženou do systému nelze celou získat zpět. Úbytek G je roven maximální práci, kterou může systém odevzdat při izotermicko-izobarickém ději do okolí. rovnováha: G = 0 samovolný (exergonický) děj: G < 0 (může konat práci) endergonický děj: G > 0

130 Bioenergetika Slide 6 Gibbsova energie jeden z tzv. termodynamických potenciálů žádná informace o rychlosti ta dána mechanismem (ne)možnost děje dána jen počátečním a konečným stavem katalyzátor (enzym) může urychlit dosažení rovnováhy, ale ne změnit její stav možnost spřažení závisí na teplotě: rovnováha: T = H S

131 Bioenergetika Slide 7 Chemické rovnováhy pro reakci aa + bb cc + dd G = G 0 + RT ln [C]c [D] d G 0... standardní změna G dané reakce [A] a [B] b konstantní člen závisí jen na konkrétní reakci proměnný člen závisí na teplotě a koncentracích reaktantů a produktů rovnováha: G = 0 G 0 = RT ln K eq K eq = [C]c [D] d [A] a [B] b = e G0 RT G 0 a K eq v přímém vztahu 10násobná změna K eq změní G 0 o 5.7 kj/mol

132 Bioenergetika Slide 8 Změna Gibbsovy energie G 0 = G 0 f (products) G 0 f (reactants) G 0 f... G0 syntézy z prvků

133 Bioenergetika Slide 9 standardní stav aktivita 1 mol/l 25 C 1 atm Změna Gibbsovy energie biochemický standardní stav aktivita vody = 1 ph = 7 látky podléhající acidobazické disociaci: c = celková c všech forem při ph = 7

134 Bioenergetika Slide 10 Spřažené reakce A + B C + D G 1 D + E F + G G 2 A + B + E C + F + G G 3 = G 1 + G 2 < 0 ΔG 0 (kj.mol -1 ) Endergonická reakce: glukosa + P i glukosa-6-fosfát + H 2 O +13,8 Exergonická reakce: ATP + H 2 O ADP + P i 30,5 Spřažená reakce: glukosa + ATP glukosa-6-fosfát + ADP 16,7

135 Bioenergetika Slide 11 Redoxní potenciál Aox n+ + B red A red + B n+ ox G = G 0 + RT ln [A red][b n+ ox] [A n+ ox ][B red ] G = nf E E = E 0 RT nf [red] ln [ox] E = E0 RT nf ln [A red][b n+ ox ] [Aox n+ ][B red ]

136 Bioenergetika Slide 12 E jako energetická škála Redoxní potenciál Redukovaná forma Oxidovaná forma E 0 (V) ΔG 0 acetaldehyd acetát -0,60 hodnoty vyšší H 2 2H + -0,42 (reduktans) isocitrát 2-oxoglutarát + CO 2-0,38 glutathion-sh glutathion-ss -0,34 NADH + H + NAD + -0,32 glyceraldehyd-3-fosfát + H 3 P0 4 1,3-bisfosfoglycerát -0,28 FADH 2 FAD -0,20 laktát pyruvát -0,19 malát oxalacetát -0,17 cytochrom b (Fe 2+ ) cytochrom b (Fe 3+ ) 0,00 sukcinát fumarát +0,03 dihydroubichinon ubichinon +0,10 cytochrom c (Fe 2+ ) cytochrom c (Fe 3+ ) +0,26 +ne ne H 2 O 2 O 2 +0,29 + hodnoty H 2 O ½ O 2 +0,82 (oxidans) nižší exergonický děj endergonický děj

137 Bioenergetika Slide 13 Redoxní potenciál E 0 = 0V pro standardní vodíkový poločlánek (elektrodu) H + při ph 0, 25 C, 1 atm v rovnováze s elektrodou z Pt černi sycenou H 2 ph = 7 E 0 = 0.421V

138 Bioenergetika Slide 14 NAD(P) + NikotinamidAdeninDinukleotid(fosfát) Redoxní reakce NAD(P) + NAD(P)H + H +

139 Bioenergetika Slide 15 Makroergické sloučeniny jejich hydrolýza pohání endergonické reakce obsahují makroergickou vazbu ATP centrální role (univerzální energetická měna buňky) 3 fosfátové skupiny vázané 1 fosfoesterovou a 2 fosfoanhydridovými vazbami

140 Bioenergetika Slide 16 ATP R 1 O P + R 2 OH R 1 O H + R 2 OP reakce přenosu fosforylu obrovský metabolický význam ATP + H 2 O ADP + P i G 0 = 30, 5 kj mol 1 ATP + H 2 O AMP + PP i PP i + H 2 O 2 P i G 0 = 45.6 kj mol 1 kinetická stabilita, termodynamická nestabilita (vysoké G 0 ) energetický náboj buňky (obvykle 0,8 0,95) adenylátkinasa ATP + AMP 2 ADP [ATP] [ADP] [ATP] + [ADP] + [AMP] ATP se obnovuje za pomoci ještě exergoničtějších reakcí

141 Bioenergetika Slide 17 A B Spřažené reakce [B] [A] = K eq = e G0 1,36 = 1, A + ATP +H 2 O B + ADP + P i + H + v rovnováze: K eq = [B] [A] [ADP][P i] [ATP] [B] [A] = K [ATP] eq [ADP][P i ] G 0 = +4 kcal/mol G 0 = 3, 3 kcal/mol = 2, [B] [A] = 2, = 1, rovnovážný poměr B/A je 10 8 krát vyšší! hydrolýza n molekul ATP poměr 10 n8 krát vyšší!

142 Bioenergetika Slide 18 Spotřeba ATP nízkoenergetické fosforylované sloučeniny vzájemné přeměny NTP tvorba CTP, GTP, UTP, datp, dctp, dgtp, dttp nukleosiddifosfátkinasa ATP + NDP ADP + NTP děje založené na konformačních změnách proteinů skládání (folding) proteinů aktivní transport pohyby

143 Bioenergetika Slide 19 Vznik ATP substrátová fosforylace oxidační fosforylace (fotofosforylace) adenylátkinasová reakce fosfageny Metabolický obrat ATP průměrný dospělý jedinec v klidu kolem 3 mol/h (1,5 kg/h), tj. kolem 40 kg/den intenzívní námaha až 0,5 kg/min

144 Bioenergetika Slide 20 Makroergická vazba fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy fosfosulfáty, acylfosfáty karbamoylfosfát fosfoguanidiny (fosfageny fosfokreatin, fosfoarginin) enolfosfáty thioestery

145 Bioenergetika Slide 21

146 Bioenergetika Slide 22 Rozdělení organismů podle způsobu výživy (trofiky) Zdroj energie Světlo CO 2 FOTOLITOTROFNÍ Zdroj uhlíku Organické látky FOTOORGANOTROFNÍ Oxidace substrátů zelené a purpurové sirné bakterie, řasy, sinice, zelené rostliny CHEMOLITOTROFNÍ (anorganické substráty) sirné, železité, nitrifikační bakterie purpurové nesirné bakterie, autotrofní prvoci (krásnoočko) CHEMOORGANOTROFNÍ (organické substráty) bakterie, houby, prvoci, živočichové

147 Bioenergetika Slide 23 Schéma energetického metabolismu aminokyseliny mastné kyseliny β-oxidace cukry glykolýza pyruvát alternativní dráhy NADH NAD + NADH NAD + fermentační regenerace NADH laktát ethanol propionát butyrát butanol formiát H2 CO2 acetát 2,3-butandiol sukcinát oxidační dekarboxylace citrátový cyklus Ac~S CoA Calvinův cyklus CO 2 NADH NAD + NADPH NADP + ADP respirační řetězec O 2 fotosyntetický elektrontransportní řetězec hν ADP ATP oxidační fosforylace H 2 O fotofosforylace ATP

148 Konec

149 Bioenergetics Slide 1a Bioenergetics

150 Bioenergetics Slide 1b Bioenergetics how organisms gain, transform, store and utilize energy

151 Bioenergetics Slide 2a Thermodynamics

152 Bioenergetics Slide 2b Thermodynamics mutual conversions of different energy types directions of physical and chemical processes measure of spontaneity (possibility) of processes equilibrium states

153 Bioenergetics Slide 2c Thermodynamics mutual conversions of different energy types directions of physical and chemical processes measure of spontaneity (possibility) of processes equilibrium states Basic concepts

154 Bioenergetics Slide 2d Thermodynamics mutual conversions of different energy types directions of physical and chemical processes measure of spontaneity (possibility) of processes equilibrium states Basic concepts system an arbitrary part of space considered apart of its surroundings

155 Bioenergetics Slide 2e Thermodynamics mutual conversions of different energy types directions of physical and chemical processes measure of spontaneity (possibility) of processes equilibrium states Basic concepts system an arbitrary part of space considered apart of its surroundings isolated cannot exchange neither matter nor energy with the surroundings closed exchanges only energy, not matter isolated exchanges both energy and matter

156 Bioenergetics Slide 2f Thermodynamics mutual conversions of different energy types directions of physical and chemical processes measure of spontaneity (possibility) of processes equilibrium states Basic concepts system an arbitrary part of space considered apart of its surroundings isolated cannot exchange neither matter nor energy with the surroundings closed exchanges only energy, not matter isolated exchanges both energy and matter LIVING SYSTEMS ARE ALWAYS OPEN!

157 Bioenergetics Slide 2g Thermodynamics mutual conversions of different energy types directions of physical and chemical processes measure of spontaneity (possibility) of processes equilibrium states Basic concepts system an arbitrary part of space considered apart of its surroundings isolated cannot exchange neither matter nor energy with the surroundings closed exchanges only energy, not matter isolated exchanges both energy and matter LIVING SYSTEMS ARE ALWAYS OPEN! surroundings the rest of the universe

158 Bioenergetics Slide 3a First law of thermodynamics

159 Bioenergetics Slide 3b First law of thermodynamics Energy can neither be created nor destroyed.

160 Bioenergetics Slide 3c First law of thermodynamics Energy can neither be created nor destroyed. U = U final U initial = Q W U the system energy Q the heat absorbed by the system from the surroundings W work done by the system on the surroundings

161 Bioenergetics Slide 3d First law of thermodynamics Energy can neither be created nor destroyed. U = U final U initial = Q W U the system energy Q the heat absorbed by the system from the surroundings W work done by the system on the surroundings isobaric process (p = const.)

162 Bioenergetics Slide 3e First law of thermodynamics Energy can neither be created nor destroyed. U = U final U initial = Q W U the system energy Q the heat absorbed by the system from the surroundings W work done by the system on the surroundings isobaric process (p = const.) U = Q p (pv) U + pv = H H = (U + pv) = Q p p pressure, V volume, H enthalpy

163 Bioenergetics Slide 4a Second law of thermodynamics

164 Bioenergetics Slide 4b Second law of thermodynamics No process is possible in which the sole result is the absorption of heat from a reservoir and its complete conversion into work.

165 Bioenergetics Slide 4c Second law of thermodynamics No process is possible in which the sole result is the absorption of heat from a reservoir and its complete conversion into work. No process is possible whose sole result is the transfer of heat from a body of lower temperature to a body of higher temperature.

166 Bioenergetics Slide 4d Second law of thermodynamics No process is possible in which the sole result is the absorption of heat from a reservoir and its complete conversion into work. No process is possible whose sole result is the transfer of heat from a body of lower temperature to a body of higher temperature. dq T 0

167 Bioenergetics Slide 4e Second law of thermodynamics No process is possible in which the sole result is the absorption of heat from a reservoir and its complete conversion into work. No process is possible whose sole result is the transfer of heat from a body of lower temperature to a body of higher temperature. dq T 0 entropy S = Q T

168 Bioenergetics Slide 4f Second law of thermodynamics No process is possible in which the sole result is the absorption of heat from a reservoir and its complete conversion into work. No process is possible whose sole result is the transfer of heat from a body of lower temperature to a body of higher temperature. dq T 0 entropy S = Q T S = k lnp

169 Bioenergetics Slide 4g Second law of thermodynamics No process is possible in which the sole result is the absorption of heat from a reservoir and its complete conversion into work. No process is possible whose sole result is the transfer of heat from a body of lower temperature to a body of higher temperature. dq T 0 entropy S = Q T S = k lnp an indicator of process spontaneity only in adiabatically isolated systems

170 Bioenergetics Slide 4h Second law of thermodynamics No process is possible in which the sole result is the absorption of heat from a reservoir and its complete conversion into work. No process is possible whose sole result is the transfer of heat from a body of lower temperature to a body of higher temperature. dq T 0 entropy S = Q T S = k lnp an indicator of process spontaneity only in adiabatically isolated systems Ssystem + S surroundings = S universe > 0

171 Bioenergetics Slide 5a Gibbs free energy G = H TS G = H T S = Q p T S

172 Bioenergetics Slide 5b Gibbs free energy G = H TS G = H T S = Q p T S the system does a work, then G = Q p T S + W T S Q p G W

173 Bioenergetics Slide 5c Gibbs free energy G = H TS G = H T S = Q p T S the system does a work, then G = Q p T S + W T S Q p G W in a biol. system, pv-work unimportant G = max. work

174 Bioenergetics Slide 5d Gibbs free energy G = H TS G = H T S = Q p T S the system does a work, then G = Q p T S + W T S Q p G W in a biol. system, pv-work unimportant G = max. work a real process is never reversible G < W The work put into any system can never be fully recovered

175 Bioenergetics Slide 5e Gibbs free energy G = H TS G = H T S = Q p T S the system does a work, then G = Q p T S + W T S Q p G W in a biol. system, pv-work unimportant G = max. work a real process is never reversible G < W The work put into any system can never be fully recovered G decrease in a biological process represents its maximum recoverable work.

176 Bioenergetics Slide 5f Gibbs free energy G = H TS G = H T S = Q p T S the system does a work, then G = Q p T S + W T S Q p G W in a biol. system, pv-work unimportant G = max. work a real process is never reversible G < W The work put into any system can never be fully recovered G decrease in a biological process represents its maximum recoverable work. equilibrium: G = 0

177 Bioenergetics Slide 5g Gibbs free energy G = H TS G = H T S = Q p T S the system does a work, then G = Q p T S + W T S Q p G W in a biol. system, pv-work unimportant G = max. work a real process is never reversible G < W The work put into any system can never be fully recovered G decrease in a biological process represents its maximum recoverable work. equilibrium: G = 0 spontaneous (exergonic) process: G < 0 (it can do work)

178 Bioenergetics Slide 5h Gibbs free energy G = H TS G = H T S = Q p T S the system does a work, then G = Q p T S + W T S Q p G W in a biol. system, pv-work unimportant G = max. work a real process is never reversible G < W The work put into any system can never be fully recovered G decrease in a biological process represents its maximum recoverable work. equilibrium: G = 0 spontaneous (exergonic) process: G < 0 (it can do work) endergonic process: G > 0

179 Bioenergetics Slide 6a Free energy one of the thermodynamic potentials

180 Bioenergetics Slide 6b Free energy one of the thermodynamic potentials no information about the rate it is given by the mechanism

181 Bioenergetics Slide 6c Free energy one of the thermodynamic potentials no information about the rate it is given by the mechanism (non-)possibility of a process given only by the initial and final states

182 Bioenergetics Slide 6d Free energy one of the thermodynamic potentials no information about the rate it is given by the mechanism (non-)possibility of a process given only by the initial and final states a catalyst (enzyme) can only accelerate equilibrium attainment, not change its state

183 Bioenergetics Slide 6e Free energy one of the thermodynamic potentials no information about the rate it is given by the mechanism (non-)possibility of a process given only by the initial and final states a catalyst (enzyme) can only accelerate equilibrium attainment, not change its state coupling is possible

184 Bioenergetics Slide 6f Free energy one of the thermodynamic potentials no information about the rate it is given by the mechanism (non-)possibility of a process given only by the initial and final states a catalyst (enzyme) can only accelerate equilibrium attainment, not change its state coupling is possible depends on temperature: equilibrium: T = H S

185 Bioenergetics Slide 6g Free energy one of the thermodynamic potentials no information about the rate it is given by the mechanism (non-)possibility of a process given only by the initial and final states a catalyst (enzyme) can only accelerate equilibrium attainment, not change its state coupling is possible depends on temperature: equilibrium: T = H S

186 Bioenergetics Slide 7a Chemical equilibria for a reaction aa + bb cc + dd G = G 0 + RT ln [C]c [D] d [A] a [B] b G 0... standard G change of the reaction

187 Bioenergetics Slide 7b Chemical equilibria for a reaction aa + bb cc + dd G = G 0 + RT ln [C]c [D] d [A] a [B] b G 0... standard G change of the reaction constant term depends only on the reaction

188 Bioenergetics Slide 7c Chemical equilibria for a reaction aa + bb cc + dd G = G 0 + RT ln [C]c [D] d G 0... standard G change of the reaction [A] a [B] b constant term depends only on the reaction variable term depends on temperature and concentratins of reactants and products

189 Bioenergetics Slide 7d Chemical equilibria for a reaction aa + bb cc + dd G = G 0 + RT ln [C]c [D] d G 0... standard G change of the reaction [A] a [B] b constant term depends only on the reaction variable term depends on temperature and concentratins of reactants and products equilibrium: G = 0 G 0 = RT ln K eq K eq = [C]c [D] d [A] a [B] b = e G0 RT

190 Bioenergetics Slide 7e Chemical equilibria for a reaction aa + bb cc + dd G = G 0 + RT ln [C]c [D] d G 0... standard G change of the reaction [A] a [B] b constant term depends only on the reaction variable term depends on temperature and concentratins of reactants and products equilibrium: G = 0 G 0 = RT ln K eq K eq = [C]c [D] d [A] a [B] b = e G0 RT G 0 and K eq directly related

191 Bioenergetics Slide 7f Chemical equilibria for a reaction aa + bb cc + dd G = G 0 + RT ln [C]c [D] d G 0... standard G change of the reaction [A] a [B] b constant term depends only on the reaction variable term depends on temperature and concentratins of reactants and products equilibrium: G = 0 G 0 = RT ln K eq K eq = [C]c [D] d [A] a [B] b = e G0 RT G 0 and K eq directly related 10-fold change in K eq changes G 0 by 5.7 kj/mol

192 Bioenergetics Slide 8a Free energy changes G 0 = G 0 f (products) G 0 f (reactants) G 0 f... G0 of formation

193 Bioenergetics Slide 8b Free energy changes G 0 = G 0 f (products) G 0 f (reactants) G 0 f... G0 of formation

194 Bioenergetics Free energy changes Slide 9a standard state

195 Bioenergetics Free energy changes Slide 9b standard state activity 1 mol/l

196 Bioenergetics Free energy changes Slide 9c standard state activity 1 mol/l 25 C

197 Bioenergetics Free energy changes Slide 9d standard state activity 1 mol/l 25 C 1 atm

198 Bioenergetics Slide 9e standard state activity 1 mol/l 25 C 1 atm Free energy changes biochemical standard state

199 Bioenergetics Slide 9f standard state activity 1 mol/l 25 C 1 atm Free energy changes biochemical standard state water activity = 1

200 Bioenergetics Slide 9g standard state activity 1 mol/l 25 C 1 atm Free energy changes biochemical standard state water activity = 1 ph = 7

201 Bioenergetics Slide 9h standard state activity 1 mol/l 25 C 1 atm Free energy changes biochemical standard state water activity = 1 ph = 7 substances undergoing acidobasic dissociation: c = total c of all species at ph = 7

202 Bioenergetics Slide 10a Coupled reactions

203 Bioenergetics Slide 10b Coupled reactions A + B C + D G 1 D + E F + G G 2

204 Bioenergetics Slide 10c Coupled reactions A + B C + D G 1 D + E F + G G 2 A + B + E C + F + G G 3 = G 1 + G 2 < 0

205 Bioenergetics Slide 10d Coupled reactions A + B C + D G 1 D + E F + G G 2 A + B + E C + F + G G 3 = G 1 + G 2 < 0 ΔG 0 (kj.mol -1 ) Endergonic reaction: glucose + P i glucose-6-phosphate + H 2 O +13,8 Exergonic reaction: ATP + H 2 O ADP + P i 30,5 Coupled reaction: glucose + ATP glucose-6-phosphate + ADP 16,7

206 Bioenergetics Slide 11a Redox potential

207 Bioenergetics Slide 11b Redox potential Aox n+ + B red A red + B n+ ox

208 Bioenergetics Slide 11c Redox potential Aox n+ + B red A red + B n+ ox

209 Bioenergetics Slide 11d Redox potential Aox n+ + B red A red + B n+ ox G = G 0 + RT ln [A red][b n+ ox] [A n+ ox ][B red ]

210 Bioenergetics Slide 11e Redox potential Aox n+ + B red A red + B n+ ox G = G 0 + RT ln [A red][b n+ ox] [A n+ ox ][B red ] G = W = W el = nf E

211 Bioenergetics Slide 11f Redox potential Aox n+ + B red A red + B n+ ox G = G 0 + RT ln [A red][b n+ ox] [A n+ ox ][B red ] G = W = W el = nf E E = E 0 RT nf [red] ln [ox] E = E0 RT nf ln [A red][b n+ ox ] [Aox n+ ][B red ]

212 Bioenergetics Slide 12a E as an energy scale Redox potential

213 Bioenergetics Redox potential Slide 12b E as an energy scale Reduced form Oxidized form E 0 (V) ΔG 0 acetaldehyde acetate -0,60 values higher H 2 2H + -0,42 (reductant) isocitrate 2-oxoglutarate + CO 2-0,38 glutathione-sh glutathione-ss -0,34 NADH + H + NAD + -0,32 glyceraldehyde-3-phosphate + H 3 PO 4 1,3-bisphosphoglycerate -0,28 FADH 2 FAD -0,20 lactate pyruvate -0,19 malate oxalacetate -0,17 cytochrome b (Fe 2+ ) cytochrome b (Fe 3+ ) 0,00 succinate fumarate +0,03 dihydroubiquinone ubiquinone +0,10 cytochrome c (Fe 2+ ) cytochrome c (Fe 3+ ) +0,26 +ne ne H 2 O 2 O 2 +0,29 + values H 2 O ½ O 2 +0,82 (oxidant) lower exergonic reaction endergonic reaction

214 Bioenergetics Slide 13a Redox potential E 0 = 0V for standard hydrogen half-reaction (electrode)

215 Bioenergetics Redox potential Slide 13b E 0 = 0V for standard hydrogen half-reaction (electrode) H + at ph 0, 25 C, 1 atm in equilibrium with Pt-black electrode saturated with H 2

216 Bioenergetics Redox potential Slide 13c E 0 = 0V for standard hydrogen half-reaction (electrode) H + at ph 0, 25 C, 1 atm in equilibrium with Pt-black electrode saturated with H 2 ph = 7 E 0 = 0.421V

217 Bioenergetics Slide 14a NAD(P) + Nicotinamide Adenine Dinucleotide (Phosphate)

218 Bioenergetics Slide 14b NAD(P) + Nicotinamide Adenine Dinucleotide (Phosphate) Redox reaction NAD(P) + NAD(P)H + H +

219 Bioenergetics Slide 15a High-energy compounds hydrolyzed to drive endergonic reactions

220 Bioenergetics Slide 15b High-energy compounds hydrolyzed to drive endergonic reactions contain high-energy bond

221 Bioenergetics Slide 15c High-energy compounds hydrolyzed to drive endergonic reactions contain high-energy bond ATP a central role (universal energy currency of the cell)

222 Bioenergetics Slide 15d High-energy compounds hydrolyzed to drive endergonic reactions contain high-energy bond ATP a central role (universal energy currency of the cell) 3 phosphoryl groups bound by one phosphoester and two phosphoanhydride bonds

223 Bioenergetics Slide 15e High-energy compounds hydrolyzed to drive endergonic reactions contain high-energy bond ATP a central role (universal energy currency of the cell) 3 phosphoryl groups bound by one phosphoester and two phosphoanhydride bonds

224 Bioenergetics Slide 16a ATP R 1 O P + R 2 OH R 1 O H + R 2 OP phosphoryl transfer reaction enormous metabolic significance

225 Bioenergetics ATP Slide 16b R 1 O P + R 2 OH R 1 O H + R 2 OP phosphoryl transfer reaction enormous metabolic significance ATP + H 2 O ADP + P i G 0 = 30.5 kj mol 1

226 Bioenergetics ATP Slide 16c R 1 O P + R 2 OH R 1 O H + R 2 OP phosphoryl transfer reaction enormous metabolic significance ATP + H 2 O ADP + P i G 0 = 30.5 kj mol 1 ATP + H 2 O AMP + PP i PP i + H 2 O 2 P i G 0 = 45.6 kj mol 1

227 Bioenergetics ATP Slide 16d R 1 O P + R 2 OH R 1 O H + R 2 OP phosphoryl transfer reaction enormous metabolic significance ATP + H 2 O ADP + P i G 0 = 30.5 kj mol 1 ATP + H 2 O AMP + PP i PP i + H 2 O 2 P i G 0 = 45.6 kj mol 1 kinetic stability, thermodynamic instability (high G 0 )

228 Bioenergetics ATP Slide 16e R 1 O P + R 2 OH R 1 O H + R 2 OP phosphoryl transfer reaction enormous metabolic significance ATP + H 2 O ADP + P i G 0 = 30.5 kj mol 1 ATP + H 2 O AMP + PP i PP i + H 2 O 2 P i G 0 = 45.6 kj mol 1 kinetic stability, thermodynamic instability (high G 0 ) cell energy charge (usually ) [ATP] [ADP] [ATP] + [ADP] + [AMP]

229 Bioenergetics ATP Slide 16f R 1 O P + R 2 OH R 1 O H + R 2 OP phosphoryl transfer reaction enormous metabolic significance ATP + H 2 O ADP + P i G 0 = 30.5 kj mol 1 ATP + H 2 O AMP + PP i PP i + H 2 O 2 P i G 0 = 45.6 kj mol 1 kinetic stability, thermodynamic instability (high G 0 ) cell energy charge (usually ) adenylate kinase ATP + AMP 2 ADP [ATP] [ADP] [ATP] + [ADP] + [AMP]

230 Bioenergetics ATP Slide 16g R 1 O P + R 2 OH R 1 O H + R 2 OP phosphoryl transfer reaction enormous metabolic significance ATP + H 2 O ADP + P i G 0 = 30.5 kj mol 1 ATP + H 2 O AMP + PP i PP i + H 2 O 2 P i G 0 = 45.6 kj mol 1 kinetic stability, thermodynamic instability (high G 0 ) cell energy charge (usually ) adenylate kinase ATP + AMP 2 ADP [ATP] [ADP] [ATP] + [ADP] + [AMP] ATP is formed using more exergonic reactions

231 Bioenergetics A B Coupled reactions Slide 17a G 0 = +4 kcal/mol

232 Bioenergetics A B Coupled reactions [B] [A] = K eq = e G = Slide 17b G 0 = +4 kcal/mol

233 Bioenergetics Slide 17c A B Coupled reactions [B] [A] = K eq = e G = A + ATP +H 2 O B + ADP + P i + H + G 0 = +4 kcal/mol G 0 = 3.3 kcal/mol

234 Bioenergetics Slide 17d A B Coupled reactions [B] [A] = K eq = e G = A + ATP +H 2 O B + ADP + P i + H + G 0 = +4 kcal/mol K eq = [B] [A] [ADP][P i] [ATP] G 0 = 3.3 kcal/mol =

235 Bioenergetics A B Coupled reactions [B] [A] = K eq = e G = A + ATP +H 2 O B + ADP + P i + H + at equilibrium: K eq = [B] [A] [ADP][P i] [ATP] [B] [A] = K [ATP] eq [ADP][P i ] Slide 17e G 0 = +4 kcal/mol G 0 = 3.3 kcal/mol =

236 Bioenergetics A B Coupled reactions [B] [A] = K eq = e G = A + ATP +H 2 O B + ADP + P i + H + at equilibrium: K eq = [B] [A] [ADP][P i] [ATP] [B] [A] = K [ATP] eq [ADP][P i ] Slide 17f G 0 = +4 kcal/mol G 0 = 3.3 kcal/mol = [B] [A] = =

237 Bioenergetics A B Coupled reactions [B] [A] = K eq = e G = A + ATP +H 2 O B + ADP + P i + H + at equilibrium: K eq = [B] [A] [ADP][P i] [ATP] [B] [A] = K [ATP] eq [ADP][P i ] Slide 17g G 0 = +4 kcal/mol G 0 = 3.3 kcal/mol = [B] [A] = = the equilibrium B/A ratio is 10 8 times higher!

238 Bioenergetics A B Coupled reactions [B] [A] = K eq = e G = A + ATP +H 2 O B + ADP + P i + H + at equilibrium: K eq = [B] [A] [ADP][P i] [ATP] [B] [A] = K [ATP] eq [ADP][P i ] Slide 17h G 0 = +4 kcal/mol G 0 = 3.3 kcal/mol = [B] [A] = = the equilibrium B/A ratio is 10 8 times higher! n ATP molecules hydrolyzed the ratio 10 n8 times higher!

239 Bioenergetics ATP consumption Slide 18a

240 Bioenergetics Slide 18b ATP consumption low-energy phosphorylated compounds

241 Bioenergetics Slide 18c ATP consumption low-energy phosphorylated compounds NTP interconversions formation of CTP, GTP, UTP, datp, dctp, dgtp, dttp

242 Bioenergetics Slide 18d ATP consumption low-energy phosphorylated compounds NTP interconversions formation of CTP, GTP, UTP, datp, dctp, dgtp, dttp nucleoside diphosphate kinase ATP + NDP ADP + NTP

243 Bioenergetics Slide 18e ATP consumption low-energy phosphorylated compounds NTP interconversions formation of CTP, GTP, UTP, datp, dctp, dgtp, dttp nucleoside diphosphate kinase ATP + NDP ADP + NTP processes based on protein conformational changes

244 Bioenergetics Slide 18f ATP consumption low-energy phosphorylated compounds NTP interconversions formation of CTP, GTP, UTP, datp, dctp, dgtp, dttp nucleoside diphosphate kinase ATP + NDP ADP + NTP processes based on protein conformational changes protein folding

245 Bioenergetics Slide 18g ATP consumption low-energy phosphorylated compounds NTP interconversions formation of CTP, GTP, UTP, datp, dctp, dgtp, dttp nucleoside diphosphate kinase ATP + NDP ADP + NTP processes based on protein conformational changes protein folding active transport

246 Bioenergetics Slide 18h ATP consumption low-energy phosphorylated compounds NTP interconversions formation of CTP, GTP, UTP, datp, dctp, dgtp, dttp nucleoside diphosphate kinase ATP + NDP ADP + NTP processes based on protein conformational changes protein folding active transport movements

247 Bioenergetics ATP formation Slide 19a

248 Bioenergetics ATP formation Slide 19b substrate-level phosphorylation

249 Bioenergetics ATP formation Slide 19c substrate-level phosphorylation oxidative phosphorylation (photophosphorylation)

250 Bioenergetics ATP formation Slide 19d substrate-level phosphorylation oxidative phosphorylation (photophosphorylation) adenylate kinase reaction

251 Bioenergetics ATP formation Slide 19e substrate-level phosphorylation oxidative phosphorylation (photophosphorylation) adenylate kinase reaction phosphagens

252 Bioenergetics ATP formation Slide 19f substrate-level phosphorylation oxidative phosphorylation (photophosphorylation) adenylate kinase reaction phosphagens ATP turnover

253 Bioenergetics ATP formation Slide 19g substrate-level phosphorylation oxidative phosphorylation (photophosphorylation) adenylate kinase reaction phosphagens ATP turnover average adult resting person about 3 mol/h (1.5 kg/h), i.e. about 40 kg/day

254 Bioenergetics ATP formation Slide 19h substrate-level phosphorylation oxidative phosphorylation (photophosphorylation) adenylate kinase reaction phosphagens ATP turnover average adult resting person about 3 mol/h (1.5 kg/h), i.e. about 40 kg/day strenuous activity up to 0.5 kg/minute

255 Bioenergetics High-energy bonds Slide 20a

256 Bioenergetics High-energy bonds Slide 20b phosphoanhydrides

257 Bioenergetics High-energy bonds Slide 20c phosphoanhydrides resonance stabilization

258 Bioenergetics High-energy bonds Slide 20d phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion

259 Bioenergetics High-energy bonds Slide 20e phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion

260 Bioenergetics High-energy bonds Slide 20f phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion higher solvation energy of the hydrolysis products

261 Bioenergetics High-energy bonds Slide 20g phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion higher solvation energy of the hydrolysis products other anhydrides

262 Bioenergetics High-energy bonds Slide 20h phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion higher solvation energy of the hydrolysis products other anhydrides phosphosulphates, acylphosphates

263 Bioenergetics High-energy bonds Slide 20i phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion higher solvation energy of the hydrolysis products other anhydrides phosphosulphates, acylphosphates carbamoylphosphate

264 Bioenergetics High-energy bonds Slide 20j phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion higher solvation energy of the hydrolysis products other anhydrides phosphosulphates, acylphosphates carbamoylphosphate phosphoguanidines (phosphagens phosphocreatine, phosphoarginine)

265 Bioenergetics High-energy bonds Slide 20k phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion higher solvation energy of the hydrolysis products other anhydrides phosphosulphates, acylphosphates carbamoylphosphate phosphoguanidines (phosphagens phosphocreatine, phosphoarginine) enol phosphates

266 Bioenergetics High-energy bonds Slide 20l phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion higher solvation energy of the hydrolysis products other anhydrides phosphosulphates, acylphosphates carbamoylphosphate phosphoguanidines (phosphagens phosphocreatine, phosphoarginine) enol phosphates thioesters

267 Bioenergetics Slide 21a

268 Bioenergetics Slide 22a Organisms according to the metabolism type (trophics) Energy source Light CO 2 PHOTOLITOTROPHIC Carbon source Organic compounds PHOTOORGANOTROPHIC Substrate oxidation green and purple sulphur bacteria, cyanobacteria, algae, green plants CHEMOLITOTROPHIC (inorganic substrates) sulphur, ferric, nitrifying bacteria purple non sulphur bacteria, photototrophic protists (Euglena) CHEMOORGANOTROPHIC (organic substrates) bacteria, fungi, protists, animals

269 Bioenergetics Slide 23a Energy metabolism scheme amino acids fatty acids β-oxidation sugars glycolysis pyruvate alternative pathways NADH NAD + NADH NAD + fermentative NADH regeneration lactate ethanol propionate butyrate butanol formate H2 CO2 acetate 2,3-butandiol succinate oxidative decarboxylation citric acid cycle Ac~S CoA Calvin cycle CO 2 NADH NAD + NADPH NADP + ADP respiratory chain O 2 photosynthetic electron transport chain hν ADP ATP oxidative phosphorylation H 2 O photophosphorylation ATP

270 The End

271 Bioenergetics (print version in the end of the file) Tomáš Kučera 2012

272 Bioenergetics Slide 1 Bioenergetics how organisms gain, transform, store and utilize energy

273 Bioenergetics Slide 2 Thermodynamics mutual conversions of different energy types directions of physical and chemical processes measure of spontaneity (possibility) of processes equilibrium states Basic concepts system an arbitrary part of space considered apart of its surroundings isolated cannot exchange neither matter nor energy with the surroundings closed exchanges only energy, not matter isolated exchanges both energy and matter LIVING SYSTEMS ARE ALWAYS OPEN! surroundings the rest of the universe

274 Bioenergetics Slide 3 First law of thermodynamics Energy can neither be created nor destroyed. U = U final U initial = Q W U the system energy Q the heat absorbed by the system from the surroundings W work done by the system on the surroundings isobaric process (p = const.) U = Q p (pv) U + pv = H H = (U + pv) = Q p p pressure, V volume, H enthalpy

275 Bioenergetics Slide 4 Second law of thermodynamics No process is possible in which the sole result is the absorption of heat from a reservoir and its complete conversion into work. No process is possible whose sole result is the transfer of heat from a body of lower temperature to a body of higher temperature. dq T 0 entropy S = Q T S = k lnp an indicator of process spontaneity only in adiabatically isolated systems Ssystem + S surroundings = S universe > 0

276 Bioenergetics Slide 5 Gibbs free energy G = H TS G = H T S = Q p T S the system does a work, then G = Q p T S + W T S Q p G W in a biol. system, pv-work unimportant G = max. work a real process is never reversible G < W The work put into any system can never be fully recovered G decrease in a biological process represents its maximum recoverable work. equilibrium: G = 0 spontaneous (exergonic) process: G < 0 (it can do work) endergonic process: G > 0

277 Bioenergetics Slide 6 Free energy one of the thermodynamic potentials no information about the rate it is given by the mechanism (non-)possibility of a process given only by the initial and final states a catalyst (enzyme) can only accelerate equilibrium attainment, not change its state coupling is possible depends on temperature: equilibrium: T = H S

278 Bioenergetics Slide 7 Chemical equilibria for a reaction aa + bb cc + dd G = G 0 + RT ln [C]c [D] d G 0... standard G change of the reaction [A] a [B] b constant term depends only on the reaction variable term depends on temperature and concentratins of reactants and products equilibrium: G = 0 G 0 = RT ln K eq K eq = [C]c [D] d [A] a [B] b = e G0 RT G 0 and K eq directly related 10-fold change in K eq changes G 0 by 5.7 kj/mol

279 Bioenergetics Slide 8 Free energy changes G 0 = G 0 f (products) G 0 f (reactants) G 0 f... G0 of formation

280 Bioenergetics Slide 9 standard state activity 1 mol/l 25 C 1 atm Free energy changes biochemical standard state water activity = 1 ph = 7 substances undergoing acidobasic dissociation: c = total c of all species at ph = 7

281 Bioenergetics Slide 10 Coupled reactions A + B C + D G 1 D + E F + G G 2 A + B + E C + F + G G 3 = G 1 + G 2 < 0 ΔG 0 (kj.mol -1 ) Endergonic reaction: glucose + P i glucose-6-phosphate + H 2 O +13,8 Exergonic reaction: ATP + H 2 O ADP + P i 30,5 Coupled reaction: glucose + ATP glucose-6-phosphate + ADP 16,7

282 Bioenergetics Slide 11 Redox potential Aox n+ + B red A red + B n+ ox G = G 0 + RT ln [A red][b n+ ox] [A n+ ox ][B red ] G = W = W el = nf E E = E 0 RT nf [red] ln [ox] E = E0 RT nf ln [A red][b n+ ox ] [Aox n+ ][B red ]

283 Bioenergetics Slide 12 E as an energy scale Redox potential Reduced form Oxidized form E 0 (V) ΔG 0 acetaldehyde acetate -0,60 values higher H 2 2H + -0,42 (reductant) isocitrate 2-oxoglutarate + CO 2-0,38 glutathione-sh glutathione-ss -0,34 NADH + H + NAD + -0,32 glyceraldehyde-3-phosphate + H 3 PO 4 1,3-bisphosphoglycerate -0,28 FADH 2 FAD -0,20 lactate pyruvate -0,19 malate oxalacetate -0,17 cytochrome b (Fe 2+ ) cytochrome b (Fe 3+ ) 0,00 succinate fumarate +0,03 dihydroubiquinone ubiquinone +0,10 cytochrome c (Fe 2+ ) cytochrome c (Fe 3+ ) +0,26 +ne ne H 2 O 2 O 2 +0,29 + values H 2 O ½ O 2 +0,82 (oxidant) lower exergonic reaction endergonic reaction

284 Bioenergetics Slide 13 Redox potential E 0 = 0V for standard hydrogen half-reaction (electrode) H + at ph 0, 25 C, 1 atm in equilibrium with Pt-black electrode saturated with H 2 ph = 7 E 0 = 0.421V

285 Bioenergetics Slide 14 NAD(P) + Nicotinamide Adenine Dinucleotide (Phosphate) Redox reaction NAD(P) + NAD(P)H + H +

286 Bioenergetics Slide 15 High-energy compounds hydrolyzed to drive endergonic reactions contain high-energy bond ATP a central role (universal energy currency of the cell) 3 phosphoryl groups bound by one phosphoester and two phosphoanhydride bonds

287 Bioenergetics Slide 16 ATP R 1 O P + R 2 OH R 1 O H + R 2 OP phosphoryl transfer reaction enormous metabolic significance ATP + H 2 O ADP + P i G 0 = 30.5 kj mol 1 ATP + H 2 O AMP + PP i PP i + H 2 O 2 P i G 0 = 45.6 kj mol 1 kinetic stability, thermodynamic instability (high G 0 ) cell energy charge (usually ) adenylate kinase ATP + AMP 2 ADP [ATP] [ADP] [ATP] + [ADP] + [AMP] ATP is formed using more exergonic reactions

288 Bioenergetics Slide 17 A B Coupled reactions [B] [A] = K eq = e G = A + ATP +H 2 O B + ADP + P i + H + at equilibrium: K eq = [B] [A] [ADP][P i] [ATP] [B] [A] = K [ATP] eq [ADP][P i ] G 0 = +4 kcal/mol G 0 = 3.3 kcal/mol = [B] [A] = = the equilibrium B/A ratio is 10 8 times higher! n ATP molecules hydrolyzed the ratio 10 n8 times higher!

289 Bioenergetics Slide 18 ATP consumption low-energy phosphorylated compounds NTP interconversions formation of CTP, GTP, UTP, datp, dctp, dgtp, dttp nucleoside diphosphate kinase ATP + NDP ADP + NTP processes based on protein conformational changes protein folding active transport movements

290 Bioenergetics Slide 19 ATP formation substrate-level phosphorylation oxidative phosphorylation (photophosphorylation) adenylate kinase reaction phosphagens ATP turnover average adult resting person about 3 mol/h (1.5 kg/h), i.e. about 40 kg/day strenuous activity up to 0.5 kg/minute

291 Bioenergetics Slide 20 phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion High-energy bonds higher solvation energy of the hydrolysis products other anhydrides phosphosulphates, acylphosphates carbamoylphosphate phosphoguanidines (phosphagens phosphocreatine, phosphoarginine) enol phosphates thioesters

292 Bioenergetics Slide 21