Bioenergetika Bioenergetics Tomáš Kučera 2011 Tisková verze Print version Prezentace Presentation
Bioenergetika Slide 1a Bioenergetika
Bioenergetika Slide 1b Bioenergetika jak organismy získávají, přeměňují, ukládají a využívají energii
Bioenergetika Slide 2a Termodynamika
Bioenergetika Slide 2b Termodynamika vzájemné přeměny různých druhů energie směřování fyzikálních a chemických pochodů měřítko samovolnosti (uskutečnitelnosti dějů) rovnovážné stavy
Bioenergetika Slide 2c Termodynamika vzájemné přeměny různých druhů energie směřování fyzikálních a chemických pochodů měřítko samovolnosti (uskutečnitelnosti dějů) rovnovážné stavy Základní pojmy
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
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
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!
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!
Bioenergetika Slide 3a První věta termodynamiky
Bioenergetika Slide 3b První věta termodynamiky Energii nelze vytvořit ani zničit.
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
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.)
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
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
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
Bioenergetika Slide 4a Druhá věta termodynamiky
Bioenergetika Slide 4b Druhá věta termodynamiky Nelze sestrojit periodicky pracující tepelný stroj, který by dodával okolí práci na úkor tepla odebíraného jedinému tepelnému rezervoáru.
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.
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
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
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
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
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
Bioenergetika Slide 5a Gibbsova (volná) energie G = H TS G = H T S = Q p T S
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
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
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.
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.
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
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)
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
Bioenergetika Slide 6a Gibbsova energie jeden z tzv. termodynamických potenciálů
Bioenergetika Slide 6b Gibbsova energie jeden z tzv. termodynamických potenciálů žádná informace o rychlosti ta dána mechanismem
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Bioenergetika Slide 8a Změna Gibbsovy energie G 0 = G 0 f (products) G 0 f (reactants) G 0 f... G0 syntézy z prvků
Bioenergetika Slide 8b Změna Gibbsovy energie G 0 = G 0 f (products) G 0 f (reactants) G 0 f... G0 syntézy z prvků
Bioenergetika Změna Gibbsovy energie Slide 9a standardní stav
Bioenergetika Změna Gibbsovy energie Slide 9b standardní stav aktivita 1 mol/l
Bioenergetika Změna Gibbsovy energie Slide 9c standardní stav aktivita 1 mol/l 25 C
Bioenergetika Změna Gibbsovy energie Slide 9d standardní stav aktivita 1 mol/l 25 C 1 atm
Bioenergetika Slide 9e standardní stav aktivita 1 mol/l 25 C 1 atm Změna Gibbsovy energie biochemický standardní stav
Bioenergetika Slide 9f standardní stav aktivita 1 mol/l 25 C 1 atm Změna Gibbsovy energie biochemický standardní stav aktivita vody = 1
Bioenergetika Slide 9g standardní stav aktivita 1 mol/l 25 C 1 atm Změna Gibbsovy energie biochemický standardní stav aktivita vody = 1 ph = 7
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
Bioenergetika Slide 10a Spřažené reakce
Bioenergetika Slide 10b Spřažené reakce A + B C + D G 1 D + E F + G G 2
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
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
Bioenergetika Slide 11a Redoxní potenciál
Bioenergetika Slide 11b Redoxní potenciál Aox n+ + B red A red + B n+ ox
Bioenergetika Slide 11c Redoxní potenciál Aox n+ + B red A red + B n+ ox
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 ]
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
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 ]
Bioenergetika Slide 12a E jako energetická škála Redoxní potenciál
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
Bioenergetika Redoxní potenciál Slide 13a E 0 = 0V pro standardní vodíkový poločlánek (elektrodu)
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
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
Bioenergetika Slide 14a NAD(P) + NikotinamidAdeninDinukleotid(fosfát)
Bioenergetika Slide 14b NAD(P) + NikotinamidAdeninDinukleotid(fosfát) Redoxní reakce NAD(P) + NAD(P)H + H +
Bioenergetika Slide 15a Makroergické sloučeniny jejich hydrolýza pohání endergonické reakce
Bioenergetika Slide 15b Makroergické sloučeniny jejich hydrolýza pohání endergonické reakce obsahují makroergickou vazbu
Bioenergetika Slide 15c Makroergické sloučeniny jejich hydrolýza pohání endergonické reakce obsahují makroergickou vazbu ATP centrální role (univerzální energetická měna buňky)
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
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
Bioenergetika Slide 16a ATP R 1 O P + R 2 OH R 1 O H + R 2 OP reakce přenosu fosforylu obrovský metabolický význam
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
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
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 )
Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17a
Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17b fosfoanhydridy
Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17c fosfoanhydridy rezonanční stabilizace
Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17d fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze
Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17e fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze
Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17f fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy
Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17g fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy
Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17h fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy fosfosulfáty
Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17i fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy fosfosulfáty acylfosfáty
Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17j fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy fosfosulfáty acylfosfáty fosfoguanidiny (fosfageny fosfokreatin, fosfoarginin)
Bioenergetika Makroergická vazba Slide 17k fosfoanhydridy rezonanční stabilizace elektrostatická repulze vyšší solvatační energie produktů hydrolýzy ostatní anhydridy fosfosulfáty acylfosfáty fosfoguanidiny (fosfageny fosfokreatin, fosfoarginin) enolfosfáty
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
Bioenergetika Slide 18a
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
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
Konec
Bioenergetika (verze pro tisk na konci souboru) Tomáš Kučera 2011
Bioenergetika Slide 1 Bioenergetika jak organismy získávají, přeměňují, ukládají a využívají energii
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!
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
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
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
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
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
Bioenergetika Slide 8 Změna Gibbsovy energie G 0 = G 0 f (products) G 0 f (reactants) G 0 f... G0 syntézy z prvků
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
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
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 ]
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
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
Bioenergetika Slide 14 NAD(P) + NikotinamidAdeninDinukleotid(fosfát) Redoxní reakce NAD(P) + NAD(P)H + H +
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
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 )
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
Bioenergetika Slide 18
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
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
Konec
Bioenergetics Slide 1a Bioenergetics
Bioenergetics Slide 1b Bioenergetics how organisms gain, transform, store and utilize energy
Bioenergetics Slide 2a Thermodynamics
Bioenergetics Slide 2b Thermodynamics mutual conversions of different energy types directions of physical and chemical processes measure of spontaneity (possibility) of processes equilibrium states
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
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
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
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!
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
Bioenergetics Slide 3a First law of thermodynamics
Bioenergetics Slide 3b First law of thermodynamics Energy can neither be created nor destroyed.
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
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.)
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
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
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
Bioenergetics Slide 4a Second law of thermodynamics
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.
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.
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
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
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
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
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
Bioenergetics Slide 5a Gibbs free energy G = H TS G = H T S = Q p T S
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
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
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
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.
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
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)
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
Bioenergetics Slide 6a Free energy one of the thermodynamic potentials
Bioenergetics Slide 6b Free energy one of the thermodynamic potentials no information about the rate it is given by the mechanism
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Bioenergetics Slide 8a Free energy changes G 0 = G 0 f (products) G 0 f (reactants) G 0 f... G0 of formation
Bioenergetics Slide 8b Free energy changes G 0 = G 0 f (products) G 0 f (reactants) G 0 f... G0 of formation
Bioenergetics Free energy changes Slide 9a standard state
Bioenergetics Free energy changes Slide 9b standard state activity 1 mol/l
Bioenergetics Free energy changes Slide 9c standard state activity 1 mol/l 25 C
Bioenergetics Free energy changes Slide 9d standard state activity 1 mol/l 25 C 1 atm
Bioenergetics Slide 9e standard state activity 1 mol/l 25 C 1 atm Free energy changes biochemical standard state
Bioenergetics Slide 9f standard state activity 1 mol/l 25 C 1 atm Free energy changes biochemical standard state water activity = 1
Bioenergetics Slide 9g standard state activity 1 mol/l 25 C 1 atm Free energy changes biochemical standard state water activity = 1 ph = 7
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
Bioenergetics Slide 10a Coupled reactions
Bioenergetics Slide 10b Coupled reactions A + B C + D G 1 D + E F + G G 2
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
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
Bioenergetics Slide 11a Redox potential
Bioenergetics Slide 11b Redox potential Aox n+ + B red A red + B n+ ox
Bioenergetics Slide 11c Redox potential Aox n+ + B red A red + B n+ ox
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 ]
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
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 ]
Bioenergetics Slide 12a E as an energy scale Redox potential
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
Bioenergetics Slide 13a Redox potential E 0 = 0V for standard hydrogen half-reaction (electrode)
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
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
Bioenergetics Slide 14a NAD(P) + Nicotinamide Adenine Dinucleotide (Phosphate)
Bioenergetics Slide 14b NAD(P) + Nicotinamide Adenine Dinucleotide (Phosphate) Redox reaction NAD(P) + NAD(P)H + H +
Bioenergetics Slide 15a High-energy compounds hydrolyzed to drive endergonic reactions
Bioenergetics Slide 15b High-energy compounds hydrolyzed to drive endergonic reactions contain high-energy bond
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)
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
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
Bioenergetics Slide 16a ATP R 1 O P + R 2 OH R 1 O H + R 2 OP phosphoryl transfer reaction enormous metabolic significance
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
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
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 )
Bioenergetics High-energy bonds Slide 17a
Bioenergetics High-energy bonds Slide 17b phosphoanhydrides
Bioenergetics High-energy bonds Slide 17c phosphoanhydrides resonance stabilization
Bioenergetics High-energy bonds Slide 17d phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion
Bioenergetics High-energy bonds Slide 17e phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion
Bioenergetics High-energy bonds Slide 17f phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion higher solvation energy of the hydrolysis products
Bioenergetics High-energy bonds Slide 17g phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion higher solvation energy of the hydrolysis products other anhydrides
Bioenergetics High-energy bonds Slide 17h phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion higher solvation energy of the hydrolysis products other anhydrides phosphosulphates
Bioenergetics High-energy bonds Slide 17i phosphoanhydrides resonance stabilization electrostatic repulsion higher solvation energy of the hydrolysis products other anhydrides phosphosulphates acylphosphates
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)
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
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
Bioenergetics Slide 18a
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
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
The End
Bioenergetics (print version in the end of the file) Tomáš Kučera 2011
Bioenergetics Slide 1 Bioenergetics how organisms gain, transform, store and utilize energy
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
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
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
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
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
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
Bioenergetics Slide 8 Free energy changes G 0 = G 0 f (products) G 0 f (reactants) G 0 f... G0 of formation
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
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
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 ]
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
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
Bioenergetics Slide 14 NAD(P) + Nicotinamide Adenine Dinucleotide (Phosphate) Redox reaction NAD(P) + NAD(P)H + H +
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
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 )
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
Bioenergetics Slide 18