Bioenergetika Bioenergetics

Transkript

1 Bioenergetika Bioenergetics Tomáš Kučera 2011 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 izochorický děj (V = 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 izochorický děj (V = konst.) W = p dv U = Q V

16 Bioenergetika Slide 3f 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 izochorický děj (V = konst.) izobarický děj (p = konst.) W = p dv U = Q V

17 Bioenergetika Slide 3g 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 izochorický děj (V = konst.) izobarický děj (p = konst.) W = p dv U = Q V U = Q p (pv) U + pv = H H = (U + pv) = Q p p tlak, V objem, H enthalpie

18 Bioenergetika Slide 4a Druhá věta termodynamiky

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

20 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.

21 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

22 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

23 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

24 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

25 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

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

27 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

28 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

29 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.

30 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.

31 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

32 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)

33 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

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

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

36 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

37 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

38 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

39 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

40 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

41 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

42 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

43 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

44 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

45 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

46 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

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

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

49 Bioenergetika Změna Gibbsovy energie Slide 9a standardní stav

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

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

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

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

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

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

56 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

57 Bioenergetika Slide 10a Spřažené reakce

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

59 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

60 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

61 Bioenergetika Slide 11a Redoxní potenciál

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

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

64 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 ]

65 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

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

67 Bioenergetika Slide 12a E jako energetická škála Redoxní potenciál

68 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

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

70 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

71 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

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

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

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

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

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

77 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

78 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

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

80 Bioenergetika ATP Slide 16b 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 G 0 = 45, 6 kj mol 1

81 Bioenergetika ATP Slide 16c 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 G 0 = 45, 6 kj mol 1 ATP se obnovuje za pomoci ještě exergoničtějších reakcí

82 Bioenergetika ATP Slide 16d 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 G 0 = 45, 6 kj mol 1 ATP se obnovuje za pomoci ještě exergoničtějších reakcí kinetická stabilita, termodynamická nestabilita (vysoké G 0 )

83 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17a

84 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17b fosfoanhydridy

85 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17c fosfoanhydridy rezonanční stabilizace

86 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17d fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze

87 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17e fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze

88 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17f fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy

89 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17g fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy

90 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17h fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy fosfosulfáty

91 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17i fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy fosfosulfáty acylfosfáty

92 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17j fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy fosfosulfáty acylfosfáty fosfoguanidiny (fosfageny fosfokreatin, fosfoarginin)

93 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17k fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy fosfosulfáty acylfosfáty fosfoguanidiny (fosfageny fosfokreatin, fosfoarginin) enolfosfáty

94 Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17l fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy fosfosulfáty acylfosfáty fosfoguanidiny (fosfageny fosfokreatin, fosfoarginin) enolfosfáty thioestery

95 Bioenergetika Slide 18a

96 Bioenergetika Slide 19a 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

97 Bioenergetika Slide 20a 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 + hν ADP respirační řetězec O 2 fotosyntetický elektrontransportní řetězec ADP ATP oxidační fosforylace H 2 O fotofosforylace ATP

98 Konec

99 Bioenergetika (verze pro tisk na konci souboru) Tomáš Kučera 2011

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

101 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!

102 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 izochorický děj (V = konst.) izobarický děj (p = konst.) W = p dv U = Q V U = Q p (pv) U + pv = H H = (U + pv) = Q p p tlak, V objem, H enthalpie

103 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

104 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

105 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

106 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

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

108 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

109 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

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

111 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

112 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

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

114 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

115 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 G 0 = 45, 6 kj mol 1 ATP se obnovuje za pomoci ještě exergoničtějších reakcí kinetická stabilita, termodynamická nestabilita (vysoké G 0 )

116 Bioenergetika Slide 17 Makroergická vazba fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy fosfosulfáty acylfosfáty fosfoguanidiny (fosfageny fosfokreatin, fosfoarginin) enolfosfáty thioestery

117 Bioenergetika Slide 18

118 Bioenergetika Slide 19 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

119 Bioenergetika Slide 20 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 + hν ADP respirační řetězec O 2 fotosyntetický elektrontransportní řetězec ADP ATP oxidační fosforylace H 2 O fotofosforylace ATP

120 Konec

121 Bioenergetics Slide 1a Bioenergetics

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

123 Bioenergetics Slide 2a Thermodynamics

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

125 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

126 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

127 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

128 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!

129 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

130 Bioenergetics Slide 3a First law of thermodynamics

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

132 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

133 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 isochoric process (V = const.)

134 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 isochoric process (V = const.) U = Q V

135 Bioenergetics Slide 3f 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 isochoric process (V = const.) isobaric process (p = const.) U = Q V

136 Bioenergetics Slide 3g 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 isochoric process (V = const.) isobaric process (p = const.) U = Q V U = Q p (pv) U + pv = H H = (U + pv) = Q p p pressure, V volume, H enthalpy

137 Bioenergetics Slide 4a Second law of thermodynamics

138 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.

139 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.

140 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

141 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

142 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

143 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

144 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

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

146 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

147 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

148 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

149 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.

150 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

151 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)

152 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

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

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

155 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

156 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

157 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

158 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

159 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

160 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

161 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

162 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

163 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

164 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

165 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

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

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

168 Bioenergetics Free energy changes Slide 9a standard state

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

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

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

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

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

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

175 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

176 Bioenergetics Slide 10a Coupled reactions

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

178 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

179 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

180 Bioenergetics Slide 11a Redox potential

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

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

183 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 ]

184 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

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

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

187 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

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

189 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

190 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

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

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

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

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

195 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)

196 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

197 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

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

199 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 ATP + H 2 O AMP + PP i G 0 = 45.6 kj mol 1

200 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 G 0 = 45.6 kj mol 1 ATP formed using more highly exergonic reactions

201 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 G 0 = 45.6 kj mol 1 ATP formed using more highly exergonic reactions kinetic stability, thermodynamic instability (high G 0 )

202 Bioenergetics High-energy bonds Slide 17a

203 Bioenergetics High-energy bonds Slide 17b phosphoanhydrides

204 Bioenergetics High-energy bonds Slide 17c phosphoanhydrides resonance stabilization

205 Bioenergetics High-energy bonds Slide 17d phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion

206 Bioenergetics High-energy bonds Slide 17e phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion

207 Bioenergetics High-energy bonds Slide 17f phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion higher solvation energy of the hydrolysis products

208 Bioenergetics High-energy bonds Slide 17g phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion higher solvation energy of the hydrolysis products other anhydrides

209 Bioenergetics High-energy bonds Slide 17h phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion higher solvation energy of the hydrolysis products other anhydrides phosphosulphates

210 Bioenergetics High-energy bonds Slide 17i phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion higher solvation energy of the hydrolysis products other anhydrides phosphosulphates acylphosphates

211 Bioenergetics High-energy bonds Slide 17j phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion higher solvation energy of the hydrolysis products other anhydrides phosphosulphates acylphosphates phosphoguanidines (phosphagens phosphocreatine, phosphoarginine)

212 Bioenergetics High-energy bonds Slide 17k phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion higher solvation energy of the hydrolysis products other anhydrides phosphosulphates acylphosphates phosphoguanidines (phosphagens phosphocreatine, phosphoarginine) enol phosphates

213 Bioenergetics High-energy bonds Slide 17l phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion higher solvation energy of the hydrolysis products other anhydrides phosphosulphates acylphosphates phosphoguanidines (phosphagens phosphocreatine, phosphoarginine) enol phosphates thioesters

214 Bioenergetics Slide 18a

215 Bioenergetics Slide 19a 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

216 Bioenergetics Slide 20a 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 + hν ADP respiration chain O 2 photosynthetic electron transport chain ADP ATP oxidative phosphorylation H 2 O photophosphorylation ATP

217 The End

218 Bioenergetics (print version in the end of the file) Tomáš Kučera 2011

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

220 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

221 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 isochoric process (V = const.) isobaric process (p = const.) U = Q V U = Q p (pv) U + pv = H H = (U + pv) = Q p p pressure, V volume, H enthalpy

222 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

223 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

224 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

225 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

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

227 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

228 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

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

230 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

231 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

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

233 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

234 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 G 0 = 45.6 kj mol 1 ATP formed using more highly exergonic reactions kinetic stability, thermodynamic instability (high G 0 )

235 Bioenergetics Slide 17 phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion High-energy bonds higher solvation energy of the hydrolysis products other anhydrides phosphosulphates acylphosphates phosphoguanidines (phosphagens phosphocreatine, phosphoarginine) enol phosphates thioesters

236 Bioenergetics Slide 18