je část změny celkové energie schopná konat práci, když systém směřuje k rovnováze (za konstantního P a T). aa + bb cc + dd.

Transkript

1 BIOENERGETIA Základním znakem živých organismů je vysoký stupeň organisovanosti. Ve sání s okolím mají vysoký stupeň strukturní uspořádanosti. To se týká i energetického aparátu. Živý organismus je otevřeným systémem, kryje svou energii na úkor okolí a zvyšuje v něm neuspořádanost. Rovnováha s okolím je jen zdánlivá dynamická ováha. Hnací silou chemických i fyzikálních procesů je snaha o dosažení maximální entropie S. Přitom pro zjištění směru reakcí a pro ováhy chemických reakcí užíváme vztah Δ G =ΔH TΔ S, kde je část změny celkové energie schopná konat práci, když systém směřuje k ováze (za konstantního P a T). aa + bb cc + dd Δ G =Δ G + RTln c [ C] [ D] a [ A].[ B]. d b Δ G můžeme spočítat pro každou reakci, budeme-li znát Δ G a koncentraci reagujících látek. Směřuje-li systém k ováze, G klesá a reakce je schopna konat práci. V ováze je G= G min a tudíž Δ G =. Δ G = RTln k = 2,3RTlog k Δ G je definována jako standardní stav, v němž všechny reagující látky jsou přítomny v 1 M koncentraci. Δ G určuje jestli bude chemická reakce při daných koncentracích reaktantů i produktů probíhat v daném směru či ne. Chemická reakce probíhá jen je-li Δ G <. Je-li Δ G > může reakce probíhat v daném směru za předpokladu, že koncentrace reagujících látek jsou takové, že Δ G <. představuje maximální práci, která může být vykonána teoreticky. Skutečně vykonaná práce závisí na výkonnosti systému a je mnohem menší. Exergonické a endergonické reakce a konvence značení. Rovnovážnou konstantu můžeme zjistit analytickým měřením. a) = 1; Δ G = ; Δ G =, pokud je 1 mol reagující látky zcela přeměněn na produkt b) > 1; Δ G <; exergonická reakce, probíhá spontánně v napsaném směru, pokud vychází z 1M koncentrace všech složek c) <1; Δ G >; endergonická reakce - spontánně v napsaném směru neprobíhá, nao pak má snahu běžet obráceně Tabulka č.1 Vztah mezi a standardní Δ G (J/mol) Δ G při teplotě 25 C Uhrová H

2 Voda Vstupuje-li do reakce voda (ať jako produkt nebo reaktant), je její termodynamická aktivita vždy považována za u 1,, přestože molární koncentrace vody ve zředěném vodném systému je 55,5 M. V biochemické energetice je většina hodnot vztažena na ph 7, a ne jako ve fyzikální chemii na ph. Standardní změnu Gibbsovy energie při ph 7, proto označujeme Δ G. Hodnoty Δ G předpokládají, že reaktanty i produkty, schopné ionizace, jsou složeny ze směsi ionizovaných i neionizovaných forem tak, jak existují při ph 7,. Proto se hodnoty Δ G musejí na přepočítávat. Přitom závislost na ph je mnohdy těžko vypočitatelná. Výpočet Δ G Příklad výpočtu Gibbsovy energie pro reakci přechodu mezi glukosa-1-fosfátem a glukosa- 6-fosfátem (reakci katalyzuje enzym fosfoglukomutáza) glukosa-1-p glukosa-6-p. Je-li koncentrace glukosa-1-p c =,2 M proběhne reakce ve směru, ve kterém je napsaná stejně je-li c =,2 M glukosa-6-p, reakce ěž proběhne a ustaví se stejná ováha:,1 M glukosa-1-p a,19 M glukosa-6-p. glu-6-p,19 = = 19. glu-1-p,1 Z vypočtené zjistíme Δ G při 25 C pak Δ G = -2,3 RT log = [ ] [ ] Z výsledku ( Δ G = -2,3.8, log19 = -7,31 kj/mol < ) vyplývá, že uvedená reakce je exergonická. GA D Změny se při následně probíhajících reakcích se sčítají. A B B C C D Δ je algebraickým součtem jednotlivých reakcí. To je výhodné pro určení některé reakce, jejíž nemůžeme přímo stanovit. Jinou možností je výpočet ze standardních změn jednotlivých reakčních komponent. G produktu Δ minus součet Chyba takových výpočtů však bývá značná. Δ G substrátu. Lze využít tabelovaných hodnot Uhrová H je v tomto případě a součtu reakčních složek. Gibbsova energie hydrolýzy fosforečných sloučenin Obdobně se rozložení do dvou či více kroků využívá při stanovení pro hydrolýzu ATP. Přímé měření ovážné konstanty hydrolýzy ATP není totiž praktické, neboť reakce je při své ováze dost daleko ve směru hydrolýzy. Analytické metody neumožňují stanovení ovážných koncentrací ATP, ADP a P dostatečně přesně. ATP + glukosa ADP + glukosa-6-p glukosa-6-p + H 2 O glukosa + P

3 výsledkem reakce je ATP + H 2 O ADP + P Δ G 1 + Δ G = Δ G 2 = - 16,74 + (-13,81) = -3,55 kj/mol ADP + H 2 O AMP + P anorg. Δ G = - 3,5 kj/mol AMP + H 2 O adenosin + P anorg Δ G = - 14,2 kj/mol Z uvedeného vyplývá, že fosfátová vazba na ribosu je esterová, ostatní dvě jsou typu anhydridu. Anhydridové vazby mají všeobecně větší negativní Δ G. Proč mají zmíněné vazby tak vysokou Δ G? Vyplývá to z vlastností látek ( Δ G je změna mezi produkty a výchozími látkami). Fosfátový anion při ph 7, (a těsně kolem ph 7,) je rezonančním hybridem, ve kterém má formální dvojná vazba charakter jednoduché vazby a naopak. Rezonanční hybridy jsou stálejší, obsahují méně Gibbsovy energie, než jejich formální struktura naznačuje. Fosfátové skupiny ve fosforečných organických sloučeninách (ATP, ADP atd.) mají charakter rezonančních hybridů stabilizovaných různým množstvím rezonanční energie, která je závislá na rozložení náboje u sousedních funkčních skupin. Při hydrolýze nastává značná změna i v rezonanční energii. Je mnohem větší rozdíl v rezonanční energii mezi produkty a výchozími látkami při hydrolýze ATP než glukóza-6-p. 2 Při hydrolýze ATP se odpuzují ion HPO 3 4 a ADP, čímž je zabráněno zpětnému vzniku ATP. Při hydrolýze glukóza-6-p nemá glukóza náboj, neodpuzuje molekulu fosfátu a možnost zpětné reakce je větší. Oba terminální atomy P v molekule ATP mají schopnost odčerpávat e - a díky tomu je anhydridická vazba náchylnější k hydrolýze. Podmínky ovlivňující Δ G hydrolýzy ATP 1) ph - Δ GATP vzrůstá s rostoucím ph vyplývá to z disociačních konstant , HATP ATP + H p 1= 6, , HADP ADP + H p 2 = 6, , H2PO4 HPO 4 +H p 3=6,78 Vliv ph na změnu G při hydrolýze ATP 2) Mg 2+ - tvoří s ionizovanými formami komplexy, které vratnou reakcí znovu disociují. Afinita Mg 2+ ke každé ze sloučenin je jiná a roste s hodnotou ph. ATP 4- ADP 3- HPO HATP HADP 2- HPO MgATP 2- MgADP - MgHPO 4 V živých buňkách jsou koncentrace ATP, ADP, P odlišné od standardní koncentrace 1M, pro které jsou uvedeny. Pro intracelu- rální ph, skutečnou koncentraci Mg 2+ a ATP, ADP a P, je Δ G hydrolýzy ATP 52,3 kj/mol. Navíc tato hodnota není stálá, liší se v čase i prostoru. Vliv koncentrace Mg 2+ při hydrolýze ATP na změny G při ph 7, Uhrová H

4 Změny Standardní hydrolýzy některých fosforečných sloučenin Δ G (kj.mol -1 ) fosfoenolpyruvát -61,9 3-fosfoglycerolfosfát -49,3 fosfokreatin -43,1 ATP ADP + PP -3,5 glukóza -1-P -2,9 fruktóza -6-P -15,9 glukóza -6-P -13,8 glycerol -1-P -9,2 Sloučeniny s větší Δ G mají tendenci k úplnější hydrolýze v ovážném stavu. aždá sloučenina s větší zápornou může fosforylovat níže postavenou sloučeninou. a reverzibilita enzymových reakcí Negativní hodnota není apriori předpokladem pro reverzibilnost reakcí. Δ G = -16,7 kj/mol glu-6-p hexokináza glu-1-p prakticky nevratná Jiné reakce se stejnou hodnotou mohou probíhat oběma směry. Reverzibilita reakcí závisí na koncentraci látek v buňce. Reakce A B Δ G = -16,7 kj/mol ale: běží zprava doleva, když koncentrace A je velmi nízká a B vysoká (např. díky následné reakci, která A neustále odebírá). Termodynamická analýza musí znát sled reakcí. Další zdroje energie v podobě P vazby kreatinfosfát - vzniká jako zásobárna energie reakcí kreatinu s ATP (při přítomnosti velkého množství ATP). Zpětně se energie přenáší na ADP ATP. kreatinfosfát v kosterním svalu poskytuje zde chemickou energii v době kontrakce svalu (i několik minut) Je přítomen i v hladkém svalstvu a nervových buňkách, v malém množství v játrech, ledvinách apod. (u jiných druhů, např. bezobratlých, přebírá jeho funkci argininfosfát, u mikroorganismů polymetafosfát) Uhrová H

5 Uplatňují se i další 5-difosfáty a 5-trifosfáty G, U, C v ribo- a deoxyribonukleotidech. Pochody v organismu katabolické anabolické A odbourávání cukrů, lipidů, bílkovin za vzniku CO 2, NH 3, H 2 O, močoviny, etanolu, kyseliny mléčné, octové apod. Doprovázeno pochody vedoucími ke konzervaci energie, ob- vykle ATP (hodnota Δ G pro molekulu ATP = - 3,5 kj/mol). A - biosyntetické fáze tvorba NA, bílkovin, polysacharidů, lipidů z jednoduchých prekurzorů za spotřeby energie (štěpením ATP). Obě cesty i A jsou tvořeny řadou následných reakcí enzymově katalyzovaných. Reakčních kroků je poměrně hodně (>1). Při A je limitující hodnotou získatelná z ATP. Toto základní kvantum energie je odpovědné za základní dílčí reakce i A pochodů. Tři úě katabolických a anabolických pochodů atabolické pochody I - Na této úi jsou tvořeny základní stavební kameny II- Další odbourávání a vznik jednoduchých intermediátů (acetyl CoA) III- Intermediáty jsou v rebsově cyklu oxidovány až na CO 2 a H 2 O Anabolické pochody I - Jednoduché prekurzory jsou za spotřeby energie převedeny ve stavební kameny makromolekul atd. Reverzibilita katabolických a anabolických pochodů je z ekonomického pohledu pro organismus nejvýhodnější. Přesto každý katabolický pochod zahrnuje ompartmentace A a pochodů v eukaryotické buňce stupně, které jsou v rámci anabolického pochodu obcházeny. Je to proto, že i A pochody jsou regulovány nezávisle a mohou tak probíhat současně (přičemž jeden může být stimulován a druhý brzděn). Regulační stupně jsou jednak v odlišných krocích, jednak v tom, že a A pochody jsou lokalizovány v jiných částech buňky. Uhrová H

6 ATP je tvořen z ADP během aerobní oxidace v živočišných tkáních oxidační fosforylace. Cyklus ATP představuje přenos chemické energie z katabolických reakcí metabolismu k procesům vyžadujícím příkon energie. ATP je tvořen z ADP tzv. spřaženými reakcemi na úkor energie získané odbouráním složitějších organických molekul. ATP dokáže jiné molekuly energizovat svou makroergickou vazbou. Tak se mohou podílet na chemické práci. Energie ze štěpení ATP je použito pro aktivní transport anorganických iontů a substrátů metabolismu přes membránu proti koncentračnímu gradientu (osmotická práce). Fosforylací ADP na úkor oxidačních reakcí poskytujících energii se cyklus uzavře novotvorbou ATP. Glykolýza Embden Mayerhof C 2 H 5 OH I Neuberg - kyselé, neutrální prostředí (glukosa glycerin, acetaldehyd) II Neuberg - kyselé, neutrální prostředí(glukosa glycerin, acetaldehyd) III Neuberg alkalické prostředí (glukosa glycerin, etanol, CO 2 a kys. octová) Ve svalech je koncentrace ATP poměrně malá (,4 mmol/1 g), protože vznikající ATP převádí energii, není-li spotřebována na svalovou práci, na kreatinfosfát. reatinfosfát je pohotovou zásobárnou makroergických vazeb a tím energie. Vratnou reakcí s ADP může vznikat kreatin a ATP nebo může být kreatinfosfát hydrolyzován přímo za uvolnění energie z makroergické vazby. To je důležité pro okamžité svalové výkony, kdyby nebylo možné potřebné množství energie dodat glykogenolýzou. Při kontrakci svalu se do sebe zasouvají vlákna aktinu a myosinu a vytvářejí aktinomyosin. Současně se štěpí ATP. fáze kontrakční provázená vzestupem Ca 2+ glykogen kyselina mléčná kreatin-p + ADP kreatin + ATP kreatin-p + H 2 O kreatin + H 3 PO 4 celkový obsah ATP se nemění, hlavní obsah - P fáze restituční - provázená poklesem Ca 2+ glykogen kyselina mléčná ATP + kreatin kreatin-p + ADP celkový obsah ATP se nemění, stoupá obsah P S poklesem Ca 2+ se uvolňuje vazba aktin myosin a dojde k pasivnímu natažení svalu.. Uhrová H