METABOLISMUS SLOUČENINY S MAKROERGNÍMI VAZBAMI

Transkript

1 METABOLISMUS SLOUČENINY S MAKROERGNÍMI VAZBAMI

2 Obsah Formy organismů Energetika reakcí Metabolické reakce Makroergické sloučeniny

3 Formy organismů

4 Autotrofní x heterotrofní organismy

5 Práce a energie Energie se definuje jako schopnost soustavy konat práci Faktor intenzity - měřítkem rozdílu potenciálových energií 1. Rozdíl výšek 2. Rozdíl elektrických potenciálů 3. Rozdíl chemických potenciálů - změna Gibbsovy energie Faktor kapacity - měřítkem množství přenášené substance 1. Hmotnost vody 2. Velikost náboje 3. Množství reagující látky

6 Přeměna a uchování energie

7 Energetika a průběh dějů exergonické rovnováha endergonické energetické spřažení

8 Chemické reakce Stručné termodynamické principy uzavřený systém

9 Vztah mezi rovnovážnou konstantou a ΔG

10 Aktivační energie

11 Metabolismus a jeho obecné rysy = soubor pochodů přeměny látek v živých organismech Metabolická dráha řada následných reakcí vedoucí k tvorbě určitého produktu Katabolismus degradační dráhy rozklad složitých metabolitů na jednodušší produkty (často společné meziprodukty dále metabolizované hlavní oxidační drahou Anabolismus biosyntéza, výchozí látky (např. pyruvát, acetyl-coa meziprodukty citrátového cyklu

12 Metabolické dráhy Jsou nevratné - dráha vedoucí od prvního produktu ke druhému (1) se musí lišit od dráhy vedoucí od druhého produktu k prvnímu (2) nezávislá kontrola rychlostí obou drah (1) A (2) Y X Dráhy obsahují obecně jednu nevratnou exergonickou reakci, většina dílčích reakci probíhá v blízkosti rovnovážného stavu Jsou regulovatelné. Regulace enzymu, katalyzující určující reakci Probíhají na specifických místech - lokalizace

13 Metabolické dráhy

14 Makroergické sloučeniny Uvolňují značné množství energie v rychlém a jednoduchém pochodu (reakci) Nelze charakterizovat jako látky s vysokým obsahem energie Znázorňují se pomocí symbolu ~ pro tzv. makroergickou vazbu Vazba ~ není sama zdrojem energie, ta je záležitostí přeměny celé molekuly. Tato vazba ovšem při reakci zaniká Srovnání množství uvolněné energie Standartní reakcí pro srovnání je hydrolýza a její ΔG 0 Uvádí se hranice 25 kj/mol

15 Makroergické sloučeniny Typy makroergických sloučenin Fosforylované sloučeniny polyfosfáty (anhydridy) směsné anhydridy COOH a P i enolfosfáty fosfoamidy (guanidinfosfáty) Thioestery Zdrojem energie je přeměna (hydrolýza) celé molekuly, tj. ΔG 0 reakce resp. K Uplatní se zde i následné pochody Tautomerizace produktu a resonanční stavy Hydratace

16 Tabulka změny standardní Gibbsovy energie hydrolýzy fosfátů některých biologicky významných sloučenin Sloučenina ΔG 0 (kjmol -1 ) Fosfoenolpyruvát - 61,9 1,3-bisfosfoglycerát - 49,4 ATP ( AMP + PP i 2P i ) -45,6 Acetylfosfát -43,1 Fosfokreatin -43,1 ATP ( ADP + P i ) -30,5 Glukosa-1-fosfát -20,9 PP i -19,2 Fruktosa-6-fosfát -13,8 Glukosa-6-fosfát -13,8 Glycerol-3-fosfát -9,2 Změna Gibbsovy volné energie - závisí na ph, iontové síle, koncentraci dvojmocných iontů. Koncentrace látek se mění na obou stranách membránového obalu organely v rozmezí několika řádů

17 ATP (Polyfosfáty - anhydridy)

18 Proč je ATP tak energeticky bohatá molekula? Aktivní forma ATP je obvykle komplex ATP s Mg 2+ nebo Mn 2+. ATP je energeticky bohatá molekula, protože její trifosfátová část obsahuje dvě fosfoanhydridové vazby. Důvodem je resonanční stabilizace, elektrostatické odpuzování a stabilita produktů. Produkty hydrolýzy, jako je fosfát:amp (adenosinmonofosfát) nebo ADP (adenosindifosfát), vykazují větší stabilitu a menší elektrostatickou repulzi než ATP. H 2 O PP i Posun reakce doprava je výsledkem Snížení repulsních sil nábojů, menší pnutí molekuly Lepší solvatace produktů, více resonančních stavů snížení energie

19 Výpočet změny volné energie hydrolýzy ATP na ADP a P i v buňce Vnitrobuněčná koncentrace ATP se udržuje v rozmezí: 2 10 mm. Koncentrace ADP a P i jsou variabilní. Při typické buněčné koncentraci [ATP] = 3, 0 mm, konc. [ADP] = 0, 8 mm konc.[ P i ] = 4, 0 mm je volná energie hydrolýzy ATP na ADP a P i při 37 o C: - 48, 1 kj.mol -1 Podle vzorce: DG = D G o + RT. ln [ADP].[ P i ]/ [ATP]. D G o = - 35, 6 kj.mol -1

20 ATP ADP a fosfát, základní energetický metabolit 2 ~, hydrolýza γ fosfátu má ΔG 0 = 30,5 kj/mol Zpětná reakce - velmi složitý endergonický pochod ATP AMP a difosfát Uvolní se více energie ΔG 0 = 45,6 kj/mol Další se uvolní hydrolýzou difosfátu PP i + H 2 O = 2 P i (chemicky P 2 O H 2 O 2 HPO 4 2 ) ΔG 0 = 19,3 kj/mol (přesto se řadí k makroergickým sloučeninám) Zdroj energie pro některé bakteriální transporty

21 Tvorba ATP Fosforylace na substrátové úrovni v počátečních fázích metabolismu sacharidů Fotofosforylace (první fáze fotosyntézy)

22 Tvorba ATP 3. Adenylátkinasová reakce rychlé, ale omezené možnosti 2 ADP = ATP + AMP Efektivita ATP jako energetického zdroje ATP + H 2 O = ADP + P i ΔG = ΔG 0 + RT ln ([P]/[R]) Když [ATP]/[ADP][P i ] = 500 (tzv. fosforylační potenciál buňky), pak hodnota ΔG dosahuje až 50 kj/mol Význam udržování vysoké [ATP]

23 Kreatinfosfát, fosfoarginin (fosfoamidy - guanidinfosfáty) Produkt hydrolýzy je lépe rezonančně stabilizován + H 2 N nebo nebo O C N N H X P O - O - R R = - CH 2 CO 2 X = CH 3 Fosfokreatin R = NH 3 + CH 2 CH 2 CH 2 CH CO 2 - X = H Fosfoarginin

24 Rychlá regenerace ATP Kreatinkinasa, svaly ATP + H 2 O = ADP + Pi ΔG 0 = - 30,5 kj.mol -1 Kooperace s ATP Kr-P + H 2 O = Kr + Pi ΔG 0 = - 43,1 kj.mol -1 Kreatinfosfátu buněk s kreatinkinasou jako pufr ATP Buňka v klidovém stavu - Reakce směrem k syntéze kreatinfosfátu Zvýšená metabolická aktivita posun k syntéze ATP

25 1,3-bisfosfoglycerát, acetylfosfát směsné anhydridy 3-fosfát typ acylfosfátu Produkty hydrolýzy (-COOH) lépe rezonančně stabilizovány O OH O C H 3 C ~ OPO 3 2- Acetylfosfát 2- C C ~ OPO 2- O 3 POCH 2 3 1,3-Bisfosfoglycerát

26 Enolfosfáty Fosfo-enol-pyruvát Vysoce záporná hodnota ΔG 0 hydrolýzy je způsobena následným přesmykem na stabilní keto-formu (množství rezonančních stavů analogie s přesmykem vinylalkoholu na acetaldehyd)

27 CoA-SH thioestery R-CO~SX + H 2 O = R-COO- + H+ + HSX O-estery makroergické nejsou, jsou resonančně lépe stabilizovány a ΔG 0 hydrolýzy je menší)

28 DG O hydrolýzy (kj.mol -1 ) ~ P ~ P Fosfoenolpyruvát 1,3-Bisfosfoglycerát Fosfokreatin ATP P P ~ P Vysokoenergetické sloučeniny Nízkoenergetické sloučeniny Glukosa-6-fosfát Glycerol-3-fosfát

29 Fosforylace na substrátové úrovni

30 Spřažené reakce Probíhají společně Ani spontánní exergonická neprobíhá Energii pro endergonickou reakci dodává exergonická Spřažení formou Konformačních změn Tvorby meziproduktů Gradientů Syntéza a využití energetických metabolitů Makroergické sloučeniny

31 G (kj.mol -1 ) Endergonní poloreakce 1 P i + glukosa glukosa-6-p Exergonní poloreakce 2 ATP + H 2 O ADP + P i Celková spojená reakce ATP + glukosa ADP + glukosa-6-p