Bioenergetika. přeměny energie v živých organismech

Transkript

1 Bioenergetika přeměny energie v živých organismech

2 Chemiosmotická teorie 1978 Mitchell Nobelova cena na semipermeabilní membráně tvorba elektrochemického gradientu na membráně protonové pumpy protonmotivní síla

3 ATP vznik * substrátovou fosforylací * membránová fosforylace

4 Dělení podle zdroje energie chemotrofy oxidují chemické sloučeniny fermentace (nepotřebuje kyslík) nebo respirace (potřebuje O 2 ) fototrofy využívají energii světelného záření

5 Dělení podle zdroje elektronů (redukční síly) organotrofy oxidují organické sloučeniny buď kompletní oxidace na CO 2 nebo částečná lithotrofy oxidují anorganické sloučeniny např. H 2 S, S - na SO 4 2- H 2 na H 2 O Fe 2+ na Fe 3+ NH 4+ na NO 2 - NO 2- na NO 3 -

6 Dělení podle zdroje uhlíku autotrofy zdrojem uhlíku je CO 2 heterotrofy uhlík z organických sloučenin

7 Typ metabolismu Zdroj C Hlavní způsob výroby NADPH Zdroj H (e - ) Konečný akcept. H (e - ) Hlavní způsob výroby ATP Příklady organismů FOTOLITHO- TROFY CO 2 oxygenní fotosynthesa H 2 O CO 2 membránová vyšší zelené rostliny, sinice, prochlorobakterie (autotrofní) anoxygenní fotosynthesa H 2 S, H 2, S fosforylace ve světlé fázi sirné purpurové a zelené bakterie FOTOORGANO -TROFY organ. anoxygenní fotosynthesa H 2 organické látky různé organické fotosynthesy bezsirné purpurové bakterie (heterotrofní) látky viz chemoorganotrofy (mastné kys., sukcinát) látky membránová fosforylace (bakteriorhodopsin) Halobacterium halobium CHEMOLITHO -TROFY CO 2 redukce NADP + za užití ATP Fe 2+, NH 4 +, NO 2 -, S 2-, S, H 2,, CH 4 O 2 (aerobní) železité, nitrifikační a bezbarvé sirné bakterie (autotrofní) (fixace v Calvin. cyklu) redukce NADP + na úkor proton-motivní síly H 2 CO 2, S, Fe 3+ (anaerobní) membránová fosforylace methanogenní b., desulfurisační b. pentosový cyklus + O 2 (aerobní) aerobní membránová fosforylace živočichové, plísně, octové bakterie.. CHEMOORGA- NOTROFY (heterotrofní) organ. látky pomocné" reakce: isocitrátdehydrog. malátdehydrog. (jablečný enzym) glutamátdehydrog. organické látky ( živiny ) jiné extracelulární akceptory (NO 3 -, SO 4 2-, CO 2, fumarát) (anaerobní) anaerobní membránová fosforylace denitrifikační, desulfurizační, acetogenní a sukcinogení bakterie + redukce NADP + pomocí NADH na úkor PMF meziprodukty metabolismu (pyruvát, acetaldehyd,...) (fermentující) substrátová fosforylace (pouze) laktobacily, kvasinky, škrkavky, klostridia

8 Typy metabolismu Chemotrofy Využívají chemické sloučeniny pro získání energie Chemolitotrofy Používají anorganické sloučeniny Chemoorganotrofy používají organické sloučeniny Chemolithoautotrofy uhlík z CO 2 Mixotrofy uhlík z organických látek Fototrofy Pro získání energie používají světlo Fotoautotrofy uhlík z CO 2 Fotoheterotrofy Uhlík z organických látek

9 Máte dva typy organismů,rozhodněte, jaký je mezi jejich členy vztah. 1 bakterie 2 chemolitotrofní autotrof a) Všechny bakterie jsou chemolitotrofní autotrofy, ale ne všechny chemolitotrofní autotrofy jsou bakterie b) Všechny chemolitotrofní autotrofy jsou bakterie, ale ne všechny bakterie jsou chemolitotrofními autotrofy c) Všechny bakterie jsou chemolitotrofní autotrofy a zároveň všechny chemolitotrofní autotrofy jsou bakterie d) Žádná bakterie není chemolitotrofní autotrof e) Některé bakterie jsou chemolitotrofní autotrofy, jiné ne, některé chemolitotrofní autotrofy jsou bakterie, jiné ne

10 Využit ití energie - chemická práce ATP jako účastník chemické reakce reakce katalyzované enzymy ze třídy tranferas ATP + S ADP + SP (př. glukosa glukosa-6-p) ATP + S AMP + S-PPi (př. thiamin thiamin difosfát) ATP + S AMP-S + PPi (př. připojení AMP k rostoucí RNA) ATP + S adenosyl-s+ PPi + Pi (př. vznik S-adenosyl-methioninu)

11 Využit ití energie - mechanická práce cytoskelet bakteriální bičíky

12 Využit ití energie - elektroosmotická práce tvorba a udržování gradientů látek na membránách aktivní transport

13 Využit ití na regulaci dějůd na úrovni buňky i celého organismu syntéza regulátorů regulační kaskády sbalování proteinů a chaperony degradace proteinů

14 Využit ití energie - světeln telná energie bioluminiscence (zvláštní případ chemiluminiscence) A B B* + hν

15 Využit ití energie - tepelná energie hlavně ztráty energie při reakcích, pasivním transportu,... pro udržení konstantní teploty teplokrevných organismů příklady květ lotosu konstantní teplota 30 C hnědá tuková tkáň pro rychlé ohřátí organismu nesmyslné cykly pro rychlý ohřev svalový třes okamžité prohřátí brouk prskavec obranná reakce

16 Kinetika rychlost chemických reakcí v závislosti na podmínkách základní pojmy homogenní / heterogenní reakce molekularita reakce, řád reakce reakční rychlost reakce izolované / simultánní

17 Důležité vztahy integrální a diferenciální tvary rychlostních rovnic obecně. dξ v = dt například pro I. řád diferenciální dc dt A = k. c A integrální c A = c. e A0 kt souvislost mezi rovnovážnou konstantou a rychlostními konstantami K rov = k k 1-1

18 Arrheniova rovnice k = A.e -E a RT

19 Katalyzované reakce katalyzátor = látka, která ovlivní mechanismus reakce a mění rychlost reakce, během reakce se nespotřebovává

20 Kinetika denaturace a renaturace proteinů vychází z dvoustavového modelu předpokládá se, že není žádný přechodný stav N k 1 k 2 D pokud se uvažuje meziprodukt, obvykle předpoklad jedna reakce pomalá, druhá rychlá k 12 S k 21 D D N F k 23 k 32

21 Metody pro měřm ěření kinetiky klasické metody - kontinuální měření, diskontinuální relaxační metody - teplotní skok, NMR metody s rychlým mícháním

22 Metody s rychlým míchm cháním Metoda kontinuálního toku Stopped flow Stopped flow s dvojitým mícháním Quench flow Omezení metody mrtvý čas

23 Metody s rychlým míchm cháním metoda kontinuáln lního toku použití: enzymová kinetika, sbalování proteinů

24 Metody s rychlým míchm cháním stopped-flow mrtvý čas od 0,25 ms použití: enzymová kinetika, sbalování proteinů, konformační změny, vazba substrátů, transport substrátu ve vesikulech

25 Stopped-flow příklad výsledků z měření metodou stopped-flow, ornithin aminotransferasa mutant Y85I nebo Y55A, reakce PMP formy s α-ketoglutarátem ,045 Absorbance at 418 nm mm 5 mm mm mm Time (s) Absorbance at 418 nm 0,043 0,041 0,039 0,037 0,035 0,033 0,05 mm 0,25 mm 0,031 0,5 mm 2,5 mm 0,029 5 mm 25 mm 0,027 0,025 0,0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3 Time (s) kobs (1/s) Concentration of a-ketoglutarate (mm) kobs (1/s) Concentration of a-ketoglutarate (mm) k obs > 5000/s k obs = 126/s

26 Metody s rychlým míchm cháním stopped-flow s dvojitým míchm cháním

27 Metody s rychlým míchm cháním quench flow mrtvý čas od 0,2 ms použití vazba substrátů, enzymová kinetika, kinetika sbalování proteinů, konformační změny,

28 Metody pro měřm ěření kinetiky záblesková fotolýza

29 Metody pro měřm ěření kinetiky metoda teplotního skoku

30 Příště Farmakokinetika Elektrochemie