Bioenergetika a makroergické sloučeniny

Transkript

1 Bioenergetika a makroergické sloučeniny Tomáš Kučera tomas.kucera@lfmotol.cuni.cz Ústav lékařské chemie a klinické biochemie 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova v Praze a Fakultní nemocnice v Motole 2017

2 Bioenergetika jak organismy získávají, přeměňují, ukládají a využívají energii

3 Gibbsova (volná) energie G = H TS G = H T S = Q p T S 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

4 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 H S G = H T S + Reakce je výhodná enthalpicky (exotermní) i entropicky. Bude spontánní (exergonická) při jakékoli teplotě. Reakce je enthalpicky výhodná, ale entropicky nevýhodná. Bude spontánní jen při teplotách pod T = H S. + + Reakce je enthalpicky nevýhodná, ale entropicky výhodná. Bude spontánní jen při teplotách nad T = H S. + Reakce je nevýhodná enthalpicky (endotermní) i entropicky. Bude nespontánní (endergonická) při jakékoli teplotě. Přepsáno z Voet, D., Voet, J. G.: Biochemistry, John Wiley & Sons, Inc., 2011 (4. vydání)

5 Chemické rovnováhy Reakce a A + b B c C + d D 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 proměnný člen závisí na teplotě a koncentracích reaktantů a produktů Rovnováha G = 0 [C] c [D] d K eq = [A] a [B] b G 0 = RT ln K eq = e G 0 RT G 0 a K eq v přímém vztahu 10násobná změna K eq změní G 0 o 5,7 kj mol 1

6 Změna Gibbsovy energie G 0 = G 0 f (products) G 0 f (reactants) G 0 f = G 0 syntézy z prvků Sloučenina G 0 f (kj mol 1 ) acetaldehyd 139,7 acetát 369,2 acetyl-coa 374,1 a cis-akonitát 3 920,9 C 2 (g) 394,4 C 2 (aq) 386,2 HC 3 587,1 citrát ,6 dihydroxyaceton ,2 ethanol 181,5 fruktosa 915,4 fruktosa-6-fosfát ,3 fruktosa-1,6-bisfosfát ,8 fumarát 2 604,2 α-d-glukosa 917,2 glukosa-6-fosfát ,3 Sloučenina G 0 f (kj mol 1 ) glyceraldehyd-3-fosfát ,6 H + 0,0 H 2 (g) 0,0 H 2 (l) 237,2 isocitrát ,0 α-ketoglutarát 2 798,0 laktát 516,6 l-malát 2 845,1 H 157,3 oxalacetát 2 797,2 fosfoenolpyruvát ,5 2-fosfoglycerát ,6 3-fosfoglycerát ,7 pyruvát 474,5 sukcinát 2 690,2 sukcinyl-coa 686,7 a a pro vznik z volných prvků + volného CoA Přepsáno dle Voet, D., Voet, J. G.: Biochemistry, John Wiley & Sons, Inc., 2011 (4. vydání)

7 Změna Gibbsovy energie standardní stav aktivita 1 mol l 1 25 C 1 bar biochemický standardní stav aktivita vody = 1 ph = 7 látky podléhající acidobazické disociaci: c = celková c všech forem při ph = 7

8 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 Fosforylace glukosy: Glc + ATP Glc-6- P + ADP endergonická reakce: glukosa + P glukosa-6- P G 0 = 13,8 kj mol 1 exergonická reakce: ATP + H 2 ADP + P G 0 = 30,5 kj mol 1 celková (spřažená) reakce: glukosa + ATP glukosa-6- P + ADP G 0 = 16,7 kj mol 1

9 Redoxní potenciál také oxidačně redukční (oxidoredukční, redukční) vyjadřuje schopnost látky přijímat elektrony ox + n e red (poločlánek) Voet, D., Voet, J. G.: Biochemistry, John Wiley & Sons, Inc., 2011 (4. vydání) A ox + B red n e A red + B ox ernstova rovnice G = G 0 + RT ln [A red][b ox ] [A ox ][B red ] G = nf E E = E 0 RT nf ln [red] [ox] E = E 0 RT nf ln [A red][b ox ] [A ox ][B red ]

10 Redoxní potenciál E jako energetická škála Redukovaná forma xidovaná forma E 0 (V) ΔG 0 acetaldehyd acetát -0,60 hodnoty vyšší H2 2H + -0,42 (reduktans) isocitrát 2-oxoglutarát + C2-0,38 glutathion-sh glutathion-ss -0,34 ADH + H + AD + -0,32 glyceraldehyd-3-fosfát + H3P04 1,3-bisfosfoglycerát -0,28 FADH2 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 ,29 + hodnoty H2 ½ 2 +0,82 (oxidans) nižší exergonický děj endergonický děj Voet, D., Voet, J. G.: Biochemistry, John Wiley & Sons, Inc., 2011 (4. vydání) Skutečný směr reakce ale závisí také na poměru koncentrací [red]/[ox] (případně na dalších faktorech)

11 Redoxní potenciál E 0 = 0 V pro standardní vodíkový poločlánek (elektrodu) H + při ph0, 25 C, 1 bar v rovnováze s elektrodou z Pt černi sycenou H 2 ph = 7 E 0 = 0.421V

12 Makroergické sloučeniny obsahují makroergickou vazbu jejich hydrolýza pohání endergonické reakce ATP centrální role (univerzální energetická měna buňky) 3 fosfátové skupiny vázané 1 fosfoesterovou a 2 fosfoanhydridovými vazbami P γ fosfoandydridové vazby P β fosfoesterová vazba P α H H H H H H adenosin AMP ADP ATP H 2 Překresleno dle Voet, D., Voet, J. G.: Biochemistry, John Wiley & Sons, Inc., 2011 (4. vydání)

13 ATP R 1 P + R 2 H R 1 H + R 2 P reakce přenosu fosforylu obrovský metabolický význam ATP + H 2 ADP + P G 0 = 30,5 kj mol 1 ATP + H 2 AMP + P P G 0 = 45,6 kj mol 1 P P + H 2 2 P G 0 = 19,2 kj mol 1 kinetická stabilita, termodynamická nestabilita (vysoké G 0 ) energetický náboj buňky (obvykle 0,8 0,95) [ATP] [ADP] [ATP] + [ADP] + [AMP] adenylátkinasa: ATP + AMP 2 ADP ATP se obnovuje za pomoci ještě exergoničtějších reakcí

14 Spřažené reakce A B G 0 = 16,7 kj mol 1 [B] [A] = K eq = e G RT 0 = 1, A + ATP + H 2 B + ADP + P + H + v rovnováze: K eq = [B] [A] [ADP][ P ] = 2, [ATP] G 0 = 13,8 kj mol 1 [B] [A] = K [ATP] eq [ADP][ P ] = 2, = 1, rovnovážný poměr B/A je 10 8 krát vyšší! hydrolýza n molekul ATP poměr 10 8n krát vyšší!

15 Spotřeba ATP nízkoenergetické fosforylované sloučeniny vzájemné přeměny TP tvorba CTP, GTP, UTP, datp, dctp, dgtp, dttp nukleosiddifosfátkinasa ATP + DP ADP + TP děje založené na konformačních změnách proteinů skládání (folding) proteinů aktivní transport pohyby

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

17 Makroergická vazba makroergická vazba neexistuje! fosfoanhydridy rezonanční stabilizace vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy elektrostatická repulze P H P H H P P H + P + R + P Překresleno dle Berg, J. M., Tymoczko, Gatto, G. J. Jr., J. L., Stryer, L.: Biochemistry, W. H. Freeman and Company, 2012 (8. vydání) ostatní anhydridy fosfosulfáty, acylfosfáty karbamoylfosfát fosfoguanidiny (fosfageny) fosfokreatin, fosfoarginin enolfosfáty thioestery

18 Makroergické sloučeniny makroergické sloučeniny také neexistují! H 2 P P P H H H 2C C P P H C H + 2 CH 3 CH 2 C H H H H adenosintrifosfát (ATP) acetylfosfát (acylfosfáty) fosfokreatin (fosfamidy) P P H H H H H H adenosindifosfát (ADP) H 2 H 2C P C C fosfoenolpyruvát (enolfosfáty) CoA S CCH 3 acetylkoenzym A (thioestery)

19 Schéma energetického metabolismu aminokyseliny mastné kyseliny β-oxidace cukry glykolýza pyruvát alternativní dráhy ADH AD + ADH AD + fermentační regenerace AD + laktát ethanol propionát butyrát butanol formiát H2 C2 acetát 2,3-butandiol sukcinát oxidační dekarboxylace citrátový cyklus Ac~S CoA Calvinův cyklus C 2 ADH AD + ADPH ADP + ADP respirační řetězec 2 fotosyntetický elektrontransportní řetězec hν ADP ATP oxidační fosforylace H 2 fotofosforylace ATP

20 Konec konec Děkuji za pozornost!

21 Gibbsova energie H S G = H T S + Reakce je výhodná enthalpicky (exotermní) i entropicky. Bude spontánní (exergonická) při jakékoli teplotě. Reakce je enthalpicky výhodná, ale entropicky nevýhodná. Bude spontánní jen při teplotách pod T = H S. + + Reakce je enthalpicky nevýhodná, ale entropicky výhodná. Bude spontánní jen při teplotách nad T = H S. + Reakce je nevýhodná enthalpicky (endotermní) i entropicky. Bude nespontánní (endergonická) při jakékoli teplotě.

22 Změna Gibbsovy energie Sloučenina G 0 f (kj mol 1 ) acetaldehyd 139,7 acetát 369,2 acetyl-coa 374,1 a cis-akonitát 3 920,9 C 2 (g) 394,4 C 2 (aq) 386,2 HC 3 587,1 citrát ,6 dihydroxyaceton ,2 ethanol 181,5 fruktosa 915,4 fruktosa-6-fosfát ,3 fruktosa-1,6-bisfosfát ,8 fumarát 2 604,2 α-d-glukosa 917,2 glukosa-6-fosfát ,3 Slo gly H + H 2 H 2 iso α-k lak l-m H oxa fos 2-f 3-f py suk suk a pro vz

23 Sloučenina G 0 f (kj mol 1 ) glyceraldehyd-3-fosfát ,6 H + 0,0 H 2 (g) 0,0 H 2 (l) 237,2 isocitrát ,0 α-ketoglutarát 2 798,0 laktát 516,6 l-malát 2 845,1 H 157,3 oxalacetát 2 797,2 fosfoenolpyruvát ,5 2-fosfoglycerát ,6 3-fosfoglycerát ,7 pyruvát 474,5 sukcinát 2 690,2 sukcinyl-coa a pro vznik z volných prvků + volného CoA 686,7 a t, D., Voet, J. G.: Biochemistry, John Wiley & Sons, Inc., 2011 (4. vydání)

24 Makroergické sloučeniny dridovými vazbami H 2 fosfoandydridové vazby fosfoesterová vazba P γ P β P α H H H ADP ATP H H H adenosin AMP

25 Makroergická vazba elektrostatická repulze P H P H H P H + P ostatní anhydridy fosfosulfáty, acylfosfáty karbamoylfosfát fosfoguanidiny (fosfageny) fosfokreatin,

26 R P + + P ekresleno dle Berg, J. M., Tymoczko, Gatto,. J. Jr., J. L., Stryer, L.: Biochemistry, W. H. eeman and Company, 2012 (8. vydání)

27

28 Redukovaná forma xidovaná forma E 0 (V) ΔG 0 acetaldehyd acetát -0,60 hodnoty vyšší H 2 2H + -0,42 (reduktans) isocitrát 2-oxoglutarát + C 2-0,38 glutathion-sh glutathion-ss -0,34 ADH + H + AD + -0,32 glyceraldehyd-3-fosfát + H 3P0 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 ,29 + hodnoty H 2 ½ 2 +0,82 (oxidans) nižší exergonický děj endergonický děj

29 aminokyseliny mastné kyseliny β-oxidace cukry glykolýza pyruvát alternativní dráhy ADH AD + ADH AD + fermentační regenerace AD + laktát ethanol propionát butyrát butanol formiát H2 C2 acetát 2,3-butandiol sukcinát oxidační dekarboxylace citrátový cyklus Ac~S CoA Calvinův cyklus C 2 ADH AD + ADPH ADP + ADP respirační řetězec 2 fotosyntetický elektrontransportní řetězec hν ADP ATP oxidační fosforylace H 2 fotofosforylace ATP