BIOKÉMIAI ALAPOKBIOKÉMIAI ALAPOK

ALAPVETŐ FOLYAMATOKALAPVETŐ FOLYAMATOK::

1.1. A kémiai energia A kémiai energia felszabadítása a tápanyag felszabadítása a tápanyag molekulák oxidációjával.molekulák oxidációjával.

2.2. A kémiai energia A kémiai energia felhasználásafelhasználása

A kémiai energia felhasználásaA kémiai energia felhasználása A környezetből felvett anyagok átalakítása A környezetből felvett anyagok átalakítása

egyszerű építőelemekké.egyszerű építőelemekké.(pl.: glicerin, glükóz, egyes aminosavak)(pl.: glicerin, glükóz, egyes aminosavak)

Az építőelemekből makromolekulák felépítése.Az építőelemekből makromolekulák felépítése.( poliszacharidok, fehérjék, zsírok,)( poliszacharidok, fehérjék, zsírok,)

A szervezet működéséhez szükséges egyéb A szervezet működéséhez szükséges egyéb speciális molekulák szintézise és lebontása.speciális molekulák szintézise és lebontása.(enzimek, hormonok)(enzimek, hormonok)

A végtermékek átalakulása ürítésre alkalmas A végtermékek átalakulása ürítésre alkalmas vegyületekké.vegyületekké.( pl.:karbamid)( pl.:karbamid)

Transzportfolyamatok a sejten belül, Transzportfolyamatok a sejten belül, illetve ailletve a

sejtmembránon át a sejt és a sejtmembránon át a sejt és a környezete közöttkörnyezete között

Mechanikai munkavégzés: sejtmozgás, Mechanikai munkavégzés: sejtmozgás, izommunkaizommunka

Anyagcsere:Anyagcsere:Mindazon folyamatok összessége, mely Mindazon folyamatok összessége, mely során az élő szervezet kémiai energiát során az élő szervezet kémiai energiát termel, tárol és fogyaszt.termel, tárol és fogyaszt.

szintézis = szintézis = anabolizmusanabolizmus

AnyagcsereAnyagcsere lebontás = lebontás =

katabolizmuskatabolizmus MetabolizmusMetabolizmus = = anabolizmusanabolizmus + +

katabolizmuskatabolizmus

FEHÉRJÉK POLISZACHARIDOK LIPIDEK

AMINOSAVAK MONOSZACHARIDOK GLICERIN+ZSÍRSAVAK

PIROSZŐLŐSAV

ACETIL-CoA

Citrát kör

H2ONH3CO2

I. sz

aka

szII

. sz

akas

zII

I. s

zaka

sz

fényfény COCO22 + H + H22OO

AUTOTRÓFAUTOTRÓFHETEROTRÓFHETEROTRÓF

glükóz + oxigénglükóz + oxigén

BIOLÓGIAI FOLYAMATOK BIOLÓGIAI FOLYAMATOK TERMODINAMIKAI ALAPJAITERMODINAMIKAI ALAPJAI

A folyamatok irányát a termodinamika II. A folyamatok irányát a termodinamika II. főtétele határozza meg.főtétele határozza meg.

Azok a folyamatok mennek önként Azok a folyamatok mennek önként végbe, melyek során az entrópia nő.végbe, melyek során az entrópia nő.

U = U = Q + Q + W WU = U = Q +WQ +Whh – p – p V V

mivel a rendszer végzi, állandó légköri nyomásonmivel a rendszer végzi, állandó légköri nyomáson

ppV + V + U = U = Q + WQ + Whh

H = H = Q + W Q + Whh

QQ S =S = entrópiaentrópia

TT

S * T = S * T = QQ H = H = S T + WS T + Whh

H - T H - T S = WS = Whh

Szabadentalpia-változásSzabadentalpia-változás

U = U = Q + Q + W W U = T U = T S + S + W W U – T U – T S = S = WW

szabadenergiaszabadenergia

F = W

G = Wh

Valamely rendszer belső-energiája változásának Valamely rendszer belső-energiája változásának ((U) munkavégzésre alkalmas része a U) munkavégzésre alkalmas része a szabadenergia-változás(szabadenergia-változás(F) .F) . F = F = U – T U – T SS S-entrópia változás S-entrópia változás

T – abszolút hőmérsékletT – abszolút hőmérsékletbiológiai rendszereknél biológiai rendszereknél V= V= p=0 p=0 (állandó)(állandó)

H= H= UU G= G= H-T H-T S S ill.ill. G= G= U -T U -T S S

ezért:ezért: G = G = FFA szabadentalpia-változással (A szabadentalpia-változással (G) jellemezzük G) jellemezzük valamely egyensúly felé irányuló rendszer valamely egyensúly felé irányuló rendszer összes energiájának (összes energiájának (U) munkavégzésre U) munkavégzésre alkalmas részét. alkalmas részét.

Egyensúlyra vezető reverzibilis reakció esetén:Egyensúlyra vezető reverzibilis reakció esetén:aA + bBaA + bB cC + dD cC + dD

[C][C]cc [D] [D]d

d

G = G = GG°° + RT ln + RT ln

[A][A]aa [B] [B]bb

GG°° - standard szabadentalpia változás - standard szabadentalpia változásR- egyetemes gázállandó (8,314 J/K mol)R- egyetemes gázállandó (8,314 J/K mol)A [ ] – megfelelő anyag koncentrációja, mol/ A [ ] – megfelelő anyag koncentrációja, mol/

dmdm33

[C][C]cc [D] [D]dd

KKegyegy == G = G = GG°° + RT ln K + RT ln Kegyegy

[A][A]aa [B] [B]bb

Egyensúlyban:Egyensúlyban:G = 0G = 0

GG°° = - RT ln K = - RT ln Kegyegy

A biokémiai reakciók jelentős részeredoxi-A biokémiai reakciók jelentős részeredoxi-

reakció, melyre felírható:reakció, melyre felírható:(elektronszám változással járó folyamat)(elektronszám változással járó folyamat)

GGoo = - n F = - n F EEoo

n – elektronszámn – elektronszám

F- Faraday szám (96500 C)F- Faraday szám (96500 C)

EEoo – redoxpotenciál változás – redoxpotenciál változás

redoxirendszer: piroszőlősav redoxirendszer: piroszőlősav tejsav tejsav

COOHCOOH COOHCOOH

C O C O H C OH H C OH

CHCH33 CHCH33

( ox.alak; keton)( ox.alak; keton) ( red.alak; szekunder ( red.alak; szekunder

alkohol alkohol ))

Összefüggés az egyensúlyi állandó és a Összefüggés az egyensúlyi állandó és a standard szabadentalpia változás közöttstandard szabadentalpia változás között

KKegy egy < 1 < 1 G° > G° > 00

KKegy egy = 1 = 1 G° G° == 00

KKegy egy > 1 > 1 G° G° << 00

G° előjele nem határozza meg a reakció G° előjele nem határozza meg a reakció végbemenetelét, arra a végbemenetelét, arra a G előjeléből lehet G előjeléből lehet következtetni.következtetni.

HaHa

G G << 00 EXERGONIKUS folyamat EXERGONIKUS folyamat (önként vég(önként végbbemenő)emenő)

G G == 00 EGYENSÚLYI folyamatEGYENSÚLYI folyamat(nincs változás)(nincs változás)

G > G > 0 ENDERGONIKUS 0 ENDERGONIKUS ffolyamatolyamat(csak energiafelvétellel megy végbe)(csak energiafelvétellel megy végbe)

Biokémiai reakciók végbemenetelének Biokémiai reakciók végbemenetelének lehetőségeilehetőségei

Az élő rendszer folyamatos munkát végez Az élő rendszer folyamatos munkát végez egyensúlyt akar létrehozniegyensúlyt akar létrehozni

a biológiai rendszerek nyílt rendszereka biológiai rendszerek nyílt rendszerekfolyamatos anyag- és energia cserét folyamatos anyag- és energia cserét folytatnak környezetükkel, miközben folytatnak környezetükkel, miközben fenntartják az egyensúlyi állapototfenntartják az egyensúlyi állapotot

STACIONER STACIONER ÁLLAPOTÁLLAPOT

(„steady state”)(„steady state”)

1)1) Folyamatos kémiai reakciókFolyamatos kémiai reakciókugyanannyi A típusú molekula keletkezik, mint ugyanannyi A típusú molekula keletkezik, mint amennyi elreagáltamennyi elreagált

st. körülmény, megfelelő enzim és katalizátor st. körülmény, megfelelő enzim és katalizátor

jelenlétében, híg vizes oldatban Gl-1-P : Gl-6-P jelenlétében, híg vizes oldatban Gl-1-P : Gl-6-P

koncentrácóaránya : koncentrácóaránya : 1:191:19

ha Gl-6-P –ból Fr-6-P keletkezik, az arány marad, mert azha Gl-6-P –ból Fr-6-P keletkezik, az arány marad, mert az

elreagált helyett új képződik glikogénbőlelreagált helyett új képződik glikogénből

Glükóz-1-foszfát

O-P

Glükóz-6-P Fruktóz-6-foszfát

2) Koncentráció általi szabályozás2) Koncentráció általi szabályozás

Kezdet: [DHAP]Kezdet: [DHAP]00 = 10 = 10 -1 -1 mol/dmmol/dm33

Egyensúlyban : [DHAP] Egyensúlyban : [DHAP] egyegy= 4,5 = 4,5 ·· 10 10 -3 -3 mol/dmmol/dm33

[G-3-P][G-3-P]egyegy = 9,5 = 9,5 ·· 10 10 -2 -2 mol/dmmol/dm33

4,5 4,5 ·· 10 10 -3-3

K=K= = 4,7 = 4,7 ·· 10 10 -2-2

9,5 9,5 ·· 10 10 -2-2

25 C25 C°°-on -on G G °° = +7,58 kJ/mol = +7,58 kJ/mol (endergonikus)(endergonikus)

izomeráz

dihidroxi-aceton- foszfát

glicerinaldehid-3-foszfát

De:De:[DHAP][DHAP]00= 6 = 6 ·· 10 10 -5 -5 mol/dmmol/dm33

[G-3-P][G-3-P]00 = 5 = 5 ·· 10 10 -2 -2 mol/dmmol/dm33

6 6 ·· 10 10 -5-5

G = 7,58 kJ/mol + 8,314 kJ/mol G = 7,58 kJ/mol + 8,314 kJ/mol ·· 298 K 298 K ·· ln ln 5 5 ·· 10 10 -2-2

G = - 9,08 kJ/molG = - 9,08 kJ/mol

3) Kapcsolt reakciók3) Kapcsolt reakciókA) A) egyik reakció pozitív egyik reakció pozitív G G °° értékét egy vele értékét egy vele

összefüggő reakció nagyobb negatív összefüggő reakció nagyobb negatív G G °° értéke értéke fedezifedezi

ΔΔGG°°’ = + 3,75 kJ/mol’ = + 3,75 kJ/mol ΔΔGG°°’ = - 15,4 kJ/mol’ = - 15,4 kJ/mol ΔΔGG°°’ = - 11,65 kJ/mol’ = - 11,65 kJ/mol

almasav almasav fumársav átalakulás kedvezőtlen, de fumársav átalakulás kedvezőtlen, de ammóniumion jelenlétében aszparaginsav jön létre ammóniumion jelenlétében aszparaginsav jön létre és a felszabaduló energia elegendő az előbbi és a felszabaduló energia elegendő az előbbi folyamathozfolyamathoz

COOH

CH2

HO C H

COOH

HOOC

CH

CH

COOH

COOH

CH2

H2N C H

COOH almasav fumársav aszparaginsav

fumaráz aszpartáz

NH4+

B) fruktóz-6-P B) fruktóz-6-P fruktóz-1,6-diP átalakulás fruktóz-1,6-diP átalakulás

ΔΔGG°°’ = + 16,2 kJ/mol’ = + 16,2 kJ/mol

ATP + HATP + H22O O ADP + HPO ADP + HPO442- 2- ΔΔGG°°’ = - 30,5 kJ/mol’ = - 30,5 kJ/mol

a két reakció időben és térben elkülöníthetőa két reakció időben és térben elkülöníthető

fruktóz-6-P + ATP fruktóz-6-P + ATP fruktóz-1,6-diP + ADP fruktóz-1,6-diP + ADP

ΔΔGG°°’ = - 14,3 kJ/mol’ = - 14,3 kJ/mol

fruktóz-6-P fruktóz-1,6-difoszfát

+ HPO42-

H2O