bioenergetika a makroergickØ slou£eninybiochemie.lf2.cuni.cz/cesky/biox2zimni/prednasky... ·...

Bioenergetikaa makroergické

sloučeniny

Tomáš Kuč[email protected]

Ústav lékařské chemie a klinické biochemie2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova v Praze a Fakultní nemocnice v Motole

2017

Bioenergetika

jak organismyzískávají,přeměňují,ukládajía využívají

energii

Gibbsova (volná) energie

G = H− TS ⇒ ∆G = ∆H− T∆S = Qp − T∆S

Úbytek G je roven maximální práci, kterou můžesystém odevzdat při izotermicko-izobarickém ději dookolí.

rovnováha: ∆G = 0samovolný (exergonický) děj: ∆G < 0 (může konatpráci)endergonický děj: ∆G > 0

Gibbsova energie

jeden z tzv. termodynamických potenciálůžádná informace o rychlosti – ta dána mechanismem(ne)možnost děje dána jen počátečním a konečnýmstavem

katalyzátor (enzym) může urychlit dosažení rovnováhy, alene 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 nevý-

hodná. Bude spontánní jen při teplotách pod T = ∆H∆S .

+ + Reakce je enthalpicky nevýhodná, ale entropicky vý-hodná. Bude spontánní jen při teplotách nad T = ∆H

∆S .+ − Reakce je nevýhodná enthalpicky (endotermní) i entro-

picky. Bude nespontánní (endergonická) při jakékoli tep-lotě.

Přep

sáno

zVo

et,D

.,Vo

et,J

.G.:

Bio

chem

istr

y,Jo

hnW

iley

&So

ns,I

nc.,

2011

(4.v

ydán

í)

Chemické rovnováhyReakce a A + b B c C + d D

∆G = ∆G0 + RT ln[C]c[D]d

[A]a[B]b

(∆G0 = standardní změna G dané reakce)

konstantní člen – závisí jen na konkrétní reakciproměnný člen – závisí na teplotě a koncentracíchreaktantů a produktů

Rovnováha

∆G = 0⇓

∆G0 = −RT ln Keq

Keq =[C]c[D]d

[A]a[B]b= e

−∆G0RT

∆G0 a Keq v přímém vztahu

10násobná změna Keq změní ∆G0 o 5,7 kJ mol−1

Změna Gibbsovy energie

∆G0 =∑

∆G0f (produkty)−∑

∆G0f (reaktanty)

∆G0f = ∆G0 syntézy z prvků

Sloučenina ∆G0f (kJ mol−1)

acetaldehyd 139,7acetát 369,2acetyl-CoA 374,1a

cis-akonitát3– 920,9CO2 (g) 394,4CO2 (aq) 386,2HCO–3 587,1citrát3– 1166,6dihydroxyaceton2– 1293,2ethanol 181,5fruktosa 915,4fruktosa-6-fosfát2– 1758,3fruktosa-1,6-bisfosfát4– 2600,8fumarát2– 604,2α-d-glukosa 917,2glukosa-6-fosfát2– 1760,3


glyceraldehyd-3-fosfát2– 1285,6H+ 0,0H2 (g) 0,0H2O (l) 237,2isocitrát3– 1160,0α-ketoglutarát2– 798,0laktát– 516,6l-malát2– 845,1OH– 157,3oxalacetát2– 797,2fosfoenolpyruvát3– 1269,52-fosfoglycerát3– 1285,63-fosfoglycerát3– 1515,7pyruvát– 474,5sukcinát2– 690,2sukcinyl-CoA 686,7a

apro vznik z volných prvků + volného CoA

Přep

sáno

dle

Voet

,D.,

Voet

,J.G

.:B

ioch

emis

try,

John

Wile

y&

Sons

,Inc

.,20

11(4

.vyd

ání)


standardní stavaktivita 1 mol l−125 ◦C1 bar

biochemický standardní stavaktivita vody = 1pH = 7látky podléhající acidobazické disociaci:c = celková c všech forem při pH = 7

Spřažené reakce

A + B C + D ∆G1D + E F + G ∆G2

A + B + E C + F + G ∆G3 = ∆G1 + ∆G2 < 0

Fosforylace glukosy: Glc + ATP Glc-6- P + ADPendergonická reakce:

glukosa + P glukosa-6- P ∆G0′ = 13,8 kJ mol−1

exergonická reakce:

ATP + H2O ADP + P ∆G0′ = −30,5 kJ mol−1

celková (spřažená) reakce:

Glc + ATP Glc-6- P + ADP ∆G0′ = −16,7 kJ mol−1

Redoxní potenciáltaké oxidačně redukční (oxidoredukční, redukční)vyjadřuje schopnost látky přijímat elektronyox + n e– red (poločlánek)Aox + Bred

n e– Ared + Box

Nernstova rovnice

∆G = ∆G0 + RT ln[Ared][Box][Aox][Bred]

∆G = −nF ∆E

E = E0−RTnF· ln

[red][ox]

⇒ ∆E = ∆E0−RTnF· ln

[Ared][Box][Aox][Bred]

Voet

,D.,

Voet

,J.G

.:B

ioch

emis

try,

John

Wile

y&

Sons

,Inc

.,20

11(4

.vyd

ání)

Redoxní potenciálE jako energetická škála

Redukovaná forma Oxidovaná forma E0´(V) ΔG0´acetaldehyd acetát -0,60 – hodnoty

(reduktans)vyšší

H2 2H+ -0,42

exer

goni

cký

děj

ende

rgon

ický

děj

isocitrát 2-oxoglutarát + CO2 -0,38

+ne– –ne–

glutathion-SH glutathion-SS -0,34NADH + H+ NAD+ -0,32glyceraldehyd-3-fosfát + H3P04 1,3-bisfosfoglycerát -0,28FADH2 FAD -0,20laktát pyruvát -0,19malát oxalacetát -0,17cytochrom b (Fe2+) cytochrom b (Fe3+) 0,00sukcinát fumarát +0,03dihydroubichinon ubichinon +0,10cytochrom c (Fe2+) cytochrom c (Fe3+) +0,26H2O2 O2 +0,29 + hodnoty

(oxidans)H2O ½ O2 +0,82 nižší

Voet

,D.,

Voet

,J.G

.:B

ioch

emis

try,

John

Wile

y&

Sons

,Inc

.,20

11(4

.vyd

ání)

Skutečný směr reakce ale závisí také na poměrukoncentrací [red]/[ox] (případně na dalších faktorech)

Redoxní potenciál

E0 = 0 V pro standardní vodíkový poločlánek(elektrodu)

H+ při pH0, 25 ◦C, 1 bar v rovnováze s elektrodouz Pt černi sycenou H2pH = 7⇒ E0′ = −0,421 V

Makroergické sloučeninyobsahují „makroergickou vazbu“jejich hydrolýza pohání endergonické reakce

ATPcentrální role (univerzální „energetická měna“ buňky)3 fosfátové skupiny vázané 1 fosfoesterovou a2 fosfoanhydridovými vazbami

OP

O

O–OP

O

O–OP

O

O–O–

HOH

H

OH

H

N N

N

NH2

N

H

Oαβγ

fosfoesterovávazba

fosfoandydridovévazby

adenosinAMP

ADPATP Přek

resl

eno

dle

Voet

,D.,

Voet

,J.G

.:B

ioch

emis

try,

John

Wile

y&

Sons

,Inc

.,20

11(4

.vyd

ání)

ATPR1 O P + R2 OH R1 OH + R2 O P

reakce přenosu fosforylu – obrovský metabolickývýznam

ATP + H2O ADP + P ∆G0 = −30,5 kJ mol−1ATP + H2O AMP + P P ∆G0 = −45,6 kJ mol−1P P + H2O 2 P ∆G0 = −19,2 kJ mol−1

kinetická stabilita, termodynamická nestabilita(vysoké |−∆G0|)energetický náboj buňky (obvykle 0,8–0,95)

[ATP] + 12 [ADP][ATP] + [ADP] + [AMP]

adenylátkinasa: ATP + AMP 2 ADPATP se obnovuje za pomoci ještě exergoničtějšíchreakcí

Spřažené reakce

A B ∆G0′ = 16,7 kJ mol−1

[B][A]

= Keq = e−∆G0

RT = 1,15 · 10−3

A + ATP + H2O B + ADP + P + H+∆G0′ = −13,8 kJ mol−1

Keq =[B][A]·

[ADP][ P ][ATP]

= 2,67 · 102

v rovnováze:[B][A]

= Keq[ATP]

[ADP][ P ]= 2,67 · 102 · 500 = 1,34 · 105

rovnovážný poměr B/A je 108krát vyšší!hydrolýza n molekul ATP⇒ poměr 108nkrát vyšší!

Spotřeba ATP

„nízkoenergetické“ fosforylované sloučeniny

vzájemné přeměny NTPtvorba CTP, GTP, UTP, dATP, dCTP, dGTP, dTTPnukleosiddifosfátkinasa ATP + NDP ADP + NTP

děje založené na konformačních změnách proteinůskládání (folding) proteinůaktivní transportpohyby

ATP

Vznik ATPsubstrátová fosforylaceoxidační fosforylace (fotofosforylace)adenylátkinasová reakcefosfageny

Metabolický obrat ATPprůměrný dospělý jedinec v klidukolem 3 mol h−1 (1,5 kg h−1), tj. kolem 40 kg d−1

intenzívní námaha – až 0,5 kg min−1

„Makroergická vazba“

fosfoanhydridyrezonanční stabilizacevyšší solvatační energie produktů hydrolýzyelektrostatická repulze

P

O

OHO–

O–P

OOH

O–

O–P OOH

O–

O–

P

O–

H+O

O–O– P

+

O–

ORO–

+O

P

O–

O–O–

Přek

resl

eno

dle

Ber

g,J.

M.,

Tym

oczk

o,G

a�o,

G.J

.Jr.,

J.L.

,Str

yer,

L.:

Bio

chem

istr

y,W

.H.F

reem

anan

dC

ompa

ny,2

012

(8.v

ydán

í)

ostatní anhydridyfosfosulfáty, acylfosfátykarbamoylfosfát

fosfoguanidiny (fosfageny) – fosfokreatin,fosfoargininenolfosfátythioestery

Makroergické sloučeniny

makroergické sloučeniny také neexistují!

OP

O

O–OP

O

O–OP

O

O–O–

HOH

H

OH

H

N N

N

NH2

N

H

O

adenosintrifosfát (ATP)

OP

O

O–OP

O

O–O–

HOH

H

OH

H

N N

N

NH2

N

H

O

adenosindifosfát (ADP)

H2C C

O

O P

O

O–O–

acetylfosfát (acylfosfáty)

H2C C

O

P O−O−O

CO

O–

fosfoenolpyruvát (enolfosfáty)

–O P

O

O–

HN C

NH+2

N

CH3

CH2 CO

O–

fosfokreatin (fosfamidy)

CoA S COCH3

acetylkoenzym A (thioestery)

Schéma energetického metabolismu

Ac~S–CoA

CO2

O2

H2O

NADH NAD+

ATP

ADP

NADPH NADP+

hν

NADHNAD+

NADH NAD+

ATP

ADP

pyruvát

cukry

glykolýza

mastné kyseliny

β-oxidace

aminokyseliny

citrátový cyklus

respiračnířetězec

oxidačnífosforylace

laktátethanolpropionátbutyrátbutanolformiátH2CO2acetát2,3-butandiolsukcinát

Calvinův cyklus

fotosyntetickýelektrontransportnířetězec

alternativnídráhy

fermentačníregeneraceNAD+

oxidačnídekarboxylace

fotofosforylace

Konec

konec

Děkuji za pozornost!

Gibbsova energie

jeden z tzv. termodynamických potenciálůžádná informace o rychlosti – ta dána mechanismem(ne)možnost děje dána jen počátečním a konečnýmstavem

katalyzátor (enzym) může urychlit dosažení rovnováhy, alene 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 nevý-

hodná. Bude spontánní jen při teplotách pod T = ∆H∆S .

+ + Reakce je enthalpicky nevýhodná, ale entropicky vý-hodná. Bude spontánní jen při teplotách nad T = ∆H

∆S .+ − Reakce je nevýhodná enthalpicky (endotermní) i entro-

picky. Bude nespontánní (endergonická) při jakékoli tep-lotě.

Přep

sáno

zVo

et,D

.,Vo

et,J

.G.:

Bio

chem

istr

y,Jo

hnW

iley

&So

ns,I

nc.,

2011

(4.v

ydán

í)


∆G0 =∑


∆G0f (reaktanty)







apro vznik z volných prvků + volného CoA

Přep

sáno

dle

Voet

,D.,

Voet

,J.G

.:B

ioch

emis

try,

John

Wile

y&

Sons

,Inc

.,20

11(4

.vyd

ání)


∆G0 =∑


∆G0f (reaktanty)







apro vznik z volných prvků + volného CoAPř

epsá

nodl

eVo

et,D

.,Vo

et,J

.G.:

Bio

chem

istr

y,Jo

hnW

iley

&So

ns,I

nc.,

2011

(4.v

ydán

í)

Makroergické sloučeniny

obsahují „makroergickou vazbu“jejich hydrolýza pohání endergonické reakce

ATPcentrální role (univerzální „energetická měna“ buňky)3 fosfátové skupiny vázané 1 fosfoesterovou a2 fosfoanhydridovými vazbami

OP

O

O–OP

O

O–OP

O

O–O–

HOH

H

OH

H

N N

N

NH2

N

H

Oαβγ

fosfoesterovávazba

fosfoandydridovévazby

adenosinAMP

ADPATP Přek

resl

eno

dle

Voet

,D.,

Voet

,J.G

.:B

ioch

emis

try,

John

Wile

y&

Sons

,Inc

.,20

11(4

.vyd

ání)

„Makroergická vazba“


P

O

OHO–

O–P

OOH

O–

O–P OOH

O–

O–

P

O–

H+O

O–O– P

+

O–

ORO–

+O

P

O–

O–O–

Přek

resl

eno

dle

Ber

g,J.

M.,

Tym

oczk

o,G

a�o,

G.J

.Jr.,

J.L.

,Str

yer,

L.:

Bio

chem

istr

y,W

.H.F

reem

anan

dC

ompa

ny,2

012

(8.v

ydán

í)




P

O

OHO–

O–P

OOH

O–

O–P OOH

O–

O–

P

O–

H+O

O–O– P

+

O–

ORO–

+O

P

O–

O–O–

Přek

resl

eno

dle

Ber

g,J.

M.,

Tym

oczk

o,G

a�o,

G.J

.Jr.,

J.L.

,Str

yer,

L.:

Bio

chem

istr

y,W

.H.F

reem

anan

dC

ompa

ny,2

012

(8.v

ydán

í)



Redukovaná forma Oxidovaná forma E0´(V) ΔG0´acetaldehyd acetát -0,60 – hodnoty

(reduktans)vyšší

H2 2H+ -0,42

exer

goni

cký

děj

ende

rgon

ický

děj

isocitrát 2-oxoglutarát + CO2 -0,38

+ne– –ne–

glutathion-SH glutathion-SS -0,34NADH + H+ NAD+ -0,32glyceraldehyd-3-fosfát + H3P04 1,3-bisfosfoglycerát -0,28FADH2 FAD -0,20laktát pyruvát -0,19malát oxalacetát -0,17cytochrom b (Fe2+) cytochrom b (Fe3+) 0,00sukcinát fumarát +0,03dihydroubichinon ubichinon +0,10cytochrom c (Fe2+) cytochrom c (Fe3+) +0,26H2O2 O2 +0,29 + hodnoty

(oxidans)H2O ½ O2 +0,82 nižší

Ac~S–CoA

CO2

O2

H2O

NADH NAD+

ATP

ADP

NADPH NADP+

hν

NADHNAD+

NADH NAD+

ATP

ADP

pyruvát

cukry

glykolýza

mastné kyseliny

β-oxidace

aminokyseliny

citrátový cyklus

respiračnířetězec

oxidačnífosforylace

laktátethanolpropionátbutyrátbutanolformiátH2CO2acetát2,3-butandiolsukcinát

Calvinův cyklus

fotosyntetickýelektrontransportnířetězec

alternativnídráhy

fermentačníregeneraceNAD+

oxidačnídekarboxylace

fotofosforylace

Príloha

bioenergetika a makroergickØ slou£eninybiochemie.lf2.cuni.cz/cesky/biox2zimni/prednasky... ·...

Documents