SKLOPLJENE REAKCIJE IN PRETOK

ENERGIJE V ŢIVEM SVETU

•Bioenergetika in metabolizem

•Sklopljene reakcije

• Vloga ATP in drugih ‘energetsko bogatih spojin’ pri prenosu energije

• Pretok energije v ţivem svetu

Biokemija I, 9. predavanje – 1. del, 11. 3. 2011 (D. Rozman)

Metabolizem

Katabolizem (razgradnja) Anabolizem (izgradnja)

Katabolične poti proizvedejo kemično energijo v obliki ATP, NADH, NADPH in FADH2.

Le-te se vključijo v anabolične poti, kjer se male molekule pretvarjajo v makromolekule

Go’ = +13 kJ/mol

Go’ = +2 kJ/mol

Go’ = +16 kJ/mol

Go’ = +24 kJ/mol

Go’ = - 8 kJ/mol

Go’ = - 49 kJ/mol

Go’ = +4 kJ/mol

Go’ = +2 kJ/mol

Go’ = - 61 kJ/mol

Go’ = +6 kJ/mol

PROBLEM: Kako dobiti pri endergonskih

reakcijah dovolj potrebnih produktov?

REŠITEV: Sklopljene reakcije!

I. A + B C + D Go = + 11,5 kJ/mol

II. D + E F + G Go = -22,9 kJ/mol

: A + B + E C + F + G Go = (+ 11,5 - 22,9) kJ/mol = - 11,4 kJ/mol

Pogoji za uspešno sklopitev:

• skupni intermediat (D)

• reakciji potekata v istem kompartmentu

• vsota Go < 0 (skupna reakcija je eksergonska)

KI = (C).(D) = 10-2 = 1/100

(A).(B)

KII = (F).(G) = 104 = 10000/1

(D).(E)

K = (C).(F).(G) = 102 = 100/1

(A).(B).(E)

Glukoza + Pi glukoza-6-fosfat + H2O ; G1 = + 13,8 kJ/mol

ATP + H2O ADP + Pi ; G2 = - 30,5 kJ/mol

Glukoza + ATP glukoza-6-fosfat + ADP ; G3 = - 16,7 kJ/mol

K1 = 1/2130

K2 = 181.400/1

K3 = K1.K2 = 85/1

o

o

K1 = ------------------------(glu-6-P).(H2O)

(glu).(Pi)

K2 = ------------------------(ADP).(Pi)

(ATP).(H2O)

K3 = ------------------------(glu).(ATP)

(glu-6-P).(ADP)

ΔG2 = -RTlnK2

ΔG1 = -RTlnK1

ΔG3 = -RTlnK3 =

= -RTlnK1 + (-RTlnK2) = -RTlnK1K2

o

o

o

Primer sklopljene reakcije – sinteza glukoze-6 fosfata v procesu glikolize

Glukoza se s prenosom fosfatne skupine iz ATP aktivira in tako lahko

vstopa v nadaljne katabolične reakcije

o

Go’ = +13 kJ/mol

Go’ = +2 kJ/mol

Go’ = +16 kJ/mol

Go’ = +24 kJ/mol

Go’ = - 8 kJ/mol

Go’ = - 49 kJ/mol

Go’ = +4 kJ/mol

Go’ = +2 kJ/mol

Go’ = - 61 kJ/mol

Go’ = +6 kJ/mol

Go’(+) = + 67 kJ/mol

Go’(-) = - 110 kJ/mol

Go’(+) + Go’(-) = - 43 kJ/mol

Proces pretvorbe glukoze do piruvata je eksergonski, zato

teče v desno!

ATP + H2O ADP + Pi ; Go’ = - 30 kJ/mol

(pomembno je, da nastane veliko Pi!)

HIDROLIZA ATP JE MOČNO EKSERGONSKA REAKCIJA!

(pomembna pa je tudi relativno visoka bariera med reaktanti in produkti)

Go’ = - 30 kJ/mol

ATP = molekula z ‘energetsko bogato’ vezjo – kaj to pomeni?

estrska vezanhidridni vezi

ATP + H2O ADP + Pi ; Go’ = - 30 kJ/mol

Prosta entalpija hidrolize ATP ni negativna zaradi razcepa vezi P-O, ampak

zaradi produktov reakcije, ki imajo niţjo prosto entalpijo kot reaktanti.

ATP DAJE ENERGIJO S PRENOSOM FOSFATNE SKUPINE IN NE

S PREPROSTO HIDROLIZO

Pravi substrat pri večini encimskih reakcij je MgATP2-.

V fizioloških pogojih je tako relevantna Go’ hidrolize MgATP2-.

Štirje vzroki za G<<0 pri hidrolizi ATP:

1. Odboj nabojev na fosfatih

2. Produkti se stabilizirajo z resonanco (Pi

in ADP več resonančnih oblik kot ATP)

3. Produkt sprošča H+, ki ga voda ‘pobere’

4. Hidratacija produkta (Pi in ADP sta bolj

hidratirana kot ATP)

TODA POMNI: NI BISTVO V HIDROLIZI,

AMPAK V PRENOSU FOSFATNE SKUPINE!

vez ---

vez ---

ve

z ---

X

prost Pi Pi vezan v ATP

3D struktura Pi je tetraedrična

Resonančna stabilizacija Pi

Več resonančnih oblik pri prostem Pi kot pri vezanem,

zato večja stabilnost!

Go’ za hidrolizo ATP NE SME biti najbolj negativna v organizmu,

ker ATP ne bi mogel nastati!

NASTANEK ATP ‘NA RAVNI SUBSTRATA’

(druga moţnost je v dihalni verigi)

Energija hidrolize

ATPje med energijo

hidrolize visoko- in

nizko-energijskih

spojin.

INTERMEDIATI GLIKOLIZE, KI OMOGOČAJO NASTANEK ATP

‘NA RAVNI SUBSTRATA’

FOSFOKREATIN JE POMEMBEN PRI NASTANKU ATP V

DELUJOČI PROGASTI MIŠICI

Pretvorba kemične energije v

svetlobno energijo pri kresnički

Praktična uporaba

bioluminiscence v biokemiji in

klinični biokemiji.

PRETOK ENERGIJE V ŢIVEM SVETU (MED ORGANIZMI!)

ENERGIJA JE SKRITA KOT KEMIČNA

ENERGIJA V STRUKTURI MOLEKUL!

H2O

Sonce je primarni vir energije za ţivljenje na Zemlji!

RAZLIČNI ORGANIZMI IMAJO ENAKE KEMIJSKE ZNAČILNOSTI,

PRESNAVLJAJO IN GRADIJO ENAKE BIOMOLEKULE

http://ecoplexity.org/node/132

HETEROTROFI JEDO AVTOTROFE IN HETEROTROFE

ATP je skupna energijska valuta (kot evro med drţavami evro-območja EU)

(podobno delujejo vsi nukleozid-trifosfati)

POVZETEK

ATP predstavlja kemično povezavo med katabolizmom in anabolizmom. Je

kot energijska valuta ţivih celic. Eksergonska pretvorba ATP v ADP in Pi je

sklopljena s številnimi endergonskimi reakcijami in procesi.

Čeprav je direktna hidroliza ATP lahko izvor energije pri nekaterih procesih,

kot so konformacijske spremembe proteinov, je običajno prenos fosfatne

skupine tisti del procesa, ki poveţe energijo razpada ATP z endergonskimi

pretvorbami substratov.

Da ATP ohrani visok potencial prenosa fosfata, morajo biti koncentracije

ATP dosti nad ravnoteţnimi koncentracijami, kar zagotavljajo katabolični

procesi in oksidativna fosforilacija.

V celicah obstajajo drugi metaboliti z veliko negativno prosto entalipjo

prenosa fosfatne skupine – te molekule so pomembne pri regeneraciji

zalog ATP na ravni substrata.

Pi, ki je prisoten v mnogih celicah, sluţi kot rezervoar fosfatnih skupin z

visokim potencialom prenosa.

TOPNOST

Biokemija I, 9. predavanje - 2. del, 11. 3. 2011 (D. Rozman)

• minerali v ţivem svetu

• topnost in topnostni produkt

• kristalizacija v fizioloških razmerah (biomineralizacija)

MINERALI V ŢIVEM SVETU

Veliko organizmov ima trdna tkiva, ki jih sestavljajo minerali.

Funkcija teh tkiv je lahko zelo različna:

• opora (kosti in hrustanec)

• gibanje (kosti)

• zaščita oz. obramba (oklepi, bodice, zobje)

• grizenje, trganje in drobljenje hrane (zobje)

• zaznavanje zvoka (slušne koščice), teţnosti ter ravnoteţja (polţ),

svetlobe (leče) in magnetizma (strukture iz feromagnetičnih mineralov)

Glavne vrste mineralov v ţivem svetu:

• kalcijev karbonat (CaCO3)

• kalcijevi fosfati, predvsem apatit (Ca10(PO4)6(OH)2)

• silicijevi in ţelezovi oksidi (predvsem SiO2 in Fe2O3)

• različni kovinski sulfidi, sulfati in oksalati (npr.: Fe3S4, CdS, BaSO4,

SiSO4, CaC2O4.H2O)

Kosti omogočajo gibanje in premikanje in zagotavljajo zaščito pomembnih

organov.

Človek ima okrog 210 kosti, velik

del je skupaj z mišicami namenjen

premikanju.

ZAŠČITA IN OBRAMBA:

zobje (1), ‘oklep’ (2, 3, 4), bodice (5, 6).

Minerali:

Ca10(PO4)6(OH)2 - apatit (slike 1, 2, 3),

CaCO3 - kalcit (sliki 4, 5),

SrSO4 - stroncijev sulfat (slika 6)1

2

3 4

5

6

1

2

3

4

Zobje pri človeku (1), konju (2) in morskem

psu (3) so iz apatita, pri morski latvici (4) pa

tudi, le notranja stran je iz ţelezovega oksida.

GRIZENJE IN DROBLJENJE HRANE:

MINERALI V slušnih koščicah (1), ravnoteţnem organu (2), za orientacijo - zaznavo

magnetnega polja (3) in pri shranjevanju ţelezovih ionov (4).

1 2

3 41: apatit Ca10(PO4)6(OH)2

2: kalcit CaCO3

3: magnetit Fe3O4

4: ţelezov hidroksid

Fe-OH

znotraj proteinske strukture

IIO

TOPNOSTNI PRODUKT

Če je snov prisotna v več fazah (npr.: kot trdna – 1, v

raztopini – 2, v plinu – 3), je sistem v ravnoteţju, ko so

kemijski potenciali v vseh fazah enaki.

1

2

3

Pri preučevanju raztapljanja plinsko fazo zanemarimo, obenem pa upoštevamo, da

je kemijski potencial trdne snovi konstanten. V raztopini so moţne le koncentracije,

ki so manjše ali enake koncentraciji, ki ustreza kemijskemu potencialu trdne snovi.

Zato lahko v topilu raztopimo le omejeno količino trdne snovi. Ko doseţemo mejno

koncentracijo (nasičeno koncentracijo), se prične vsa dodatna trdna snov usedati na

dno posode in se ne raztaplja več, raztopina pa ima tudi konstantno koncentracijo in

pravimo, da je nasičena. Primer:

Na+

Na+

Na+

Na+

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

NaCl

NaCl Na+ + Cl-)(

)).((.

NaCl

ClNaKdisoc

trdno v raztopini

= 1!

)).(( ClNaKs

‘nasičeni’ koncentraciji!

TOPNOSTNI PRODUKT

LASTNOSTI TOPNOSTNEGA PRODUKTA

Na+

Na+

Na+

Na+

Cl-

Cl-

Cl-

Cl-

NaCl

NaCl Na+ + Cl-

trdno v raztopini

)).(( ClNaKs

TOPNOSTNI PRODUKT

• Če je topnostni produkt preseţen, se preseţek soli izloči (kristalizira) kot oborina.

Če torej v ta sistem dodamo nekaj NaCl, se bo ta usedel na dno posode, ker je

raztopina ţe nasičena in preseţemo topnostni produkt.

• Tudi če dodamo nekaj druge soli, ki vsebuje ali Na+ ali Cl- ione, bo topnostni

produkt preseţen in NaCl se bo obarjal.

• Če dodamo nekaj topila, se bo raztopina razredčila, produkt (Na+).(Cl-) bo manjši

od Ks in nekaj oborjene soli NaCl, ki je na dnu posode, se bo raztopilo, dokler

ponovno ne doseţemo Ks. Če dodamo dovolj topila, se lahko seveda vsa oborjena

sol na dnu posode raztopi.

• Če torej hočemo imeti v telesu stabilne minerale, mora biti v njihovi okolici

koncentracija ionov, ki minerale sestavljajo taka, da ustreza topnostnemu produktu

in se minerali niti ne obarjajo niti ne raztapljajo.

‘nasičeni’ koncentraciji! K = (Na+)(Cl-)

(NaCl)

= 1dogovor

KALCIJEV HIDROKSIAPATIT IN FLUOROAPATIT V KOSTEH IN ZOBEH

Glavna sestavina kosti in zob je kalcijev hidroksiapatit:

Ca10(PO4)6(OH)2 Ks = (Ca)10(PO4)6(OH)2 = 10-114 mol18/l18

Nekaj pa je tudi kalcijevega flouroapatita

Ca10(PO4)6F2 Ks = (Ca)10(PO4)6(F)2 = 10-118 mol18/l18

Vrednosti Ks sta zelo majhni, povesta pa tudi, da je fluoroapatit 10.000 krat

slabše topen (bolj stabilen) kot hidroksiapatit. Zato skušajo s tabletami

natrijevega fluorida pri otrocih povečati količino fluoroapatita v zobeh

(zamenjati OH- ion v hidroksiapatitu za F- ion) in tako povečati odpornost

zob.

Raztopina okrog mineralov kosti in zob v izvenceličnem matriksu in slini

mora biti nasičena, da se kostni in zobni minerali ne raztapljajo. Hkrati pa

ta sistem omogoča remodeliranje kosti in njihovo ‘popravljanje’ npr. pri

razvoju skeleta in ob zlomih.

Pri prevelikem prenasičenju pa lahko pride do patološke mineralizacije, ki

vodi v ledvične, ţolčne in druge ‘kamne’.

Acta Cir. Bras. vol.25 no.5 São Paulo Sept./Oct. 2010

PATOLOŠKA KRISTALIZACIJA - LEDVIČNI KAMNI

Za izoblikovanje kosti, npr. slušne koščice kladivca

(malleus) ali vretenca v hrbtenici, je potrebno

remodeliranje mineralnega dela kosti. To je nujno

tudi pri popravljanju zlomov in drugih napak.

Dejansko se remodeliranje (raztapljanje in ponovna

mineralizacija) stalno dogaja, ker se kosti stalno

obnavljajo!

Kladivce (pogled z dveh strani)

vretence

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

PO43-

PO43-

PO43-

PO43-

PO43-

PO43-

OH-

OH-

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca10(PO4)6(OH)2

BIOMINERALIZACIJA V KOSTEH IN ZOBEH

Ko zaradi dovolj velike koncentracije ionov preseţemo vrednost topnostnega

produkta, se prične kristalizacija (obarjanje) mineralov. Pri vretenčarjih so

koncentracije ionov v okolici kosti in zob običajno nasičene. Preseţenje

topnostnega produkta lahko doseţemo na več načinov, navadno pa do tega

pride zaradi povečanja aktivnosti alkalne fosfataze, ki odceplja fosfatne ione

iz organskih fosfatov.

Rast kristalov je na začetku nespontan proces ( GN > 0),

ker energija urejanja ionov v kristal GI presega energijo

vezi med ioni v kristalu GB. Šele ko preseţemo kritični

radij kristala (r*), postane I GBI > I GII in proces postane

spontan ( GN se zmanjšuje).

Zato je začetek kristalizacije teţaven in zahteva veliko

prenasičenje. Ko nastane dovolj kristalov, ki presegajo

velikost določeno z r* (kristalizacijska jedra), pa je

kristalizacija v razmerah prenasičenja spontan proces.

Ca10(PO4)6(OH)2 ; Ks = (Ca)10(PO4)6(OH)2 = 10-114 mol18/l18

BIOMINERALIZACIJA, KRISTALIZACIJSKA JEDRA IN EPITAKSA

Začetek mineralizacije lahko olajšamo in pospešimo z vnosom umetnih

kristalizacijskih jeder. Ta so lahko iz enake ali podobne snovi kot kristalizirajoči

mineral. Pomembno je, da si površini kristalizacijskega jedra in

kristalizirajočega minerala ustrezata po strukturi, naboju in geometriji.

Takšno ustrezanje imenujemo EPITAKSA.

Pri biomineralizaciji imajo vlogo kristalizacijskih jeder komponente organskega

matriksa v medceličnini. Pomembni so proteini, predvsem kolagen, in

glikozaminoglikani (glikoproteini).

Zmanjšanje r* v prisotnosti organskega

matriksa. 1: kristalizacija brez in 2: v

prisotnosti organskega matriksa.

EPITAKSA: strukturna, elektrostatska

in geometrijska ustreznost organskega

matriksa (kristalizacijskega jedra)

rastočemu kristalu.

organski

matriks

rastoči kristal

Ann Rheum Dis 1998;57:255 doi:10.1136/ard.57.4.255

PRIMER EPITAKSE- urejene plasti kristalov natrijevega urata (sol sečne

kisline) pri putiki

Biominerals—hierarchical nanocomposites: the example of bone E. Beniash

WIREs Nanomed Nanobiotechnol 2011 3 47–69 DOI: 10.1002/wnan.105

(a) Raven organa—femoralna kost (b)

(b) Raven tkiva—osteonalna kompaktna kost (rdeče označeni osteon)

(c) Microskopska raven —kostne lamele

(d) Mesoskopska raven- snopi mineraliziranih kolagenskih vlaken

(e) Nanoskala —mineralizirani fibrli kolagena

(f) Molekularna raven —razporeditev molekul kolagena in mineralnih kristalov v

mineralizianem kolagenskem vlaknu

Copyright 2008 Nature Publishing Group

www.wiley.com/wires/nanomed

HIERARHIČNA ORGANIZACIJA KOSTI, OD MAKRO DO MIKRO SKALE

Biomineralizacija kolagena v kosti

(a) Naključno organizirane mekromolekule lahko sproţijo rast kristala s tem, da

privlačijo kovinske ione

(b) Kisli proteini lahko pomagao pri orientaciji kristala in tako usmerjajo rast.

(c) Makromolekule, ki se lahko prilagajajo obliki površine rastočega kristala. Lahko

tako zaustavijo njegovo rast.

Modeli mineralizacije s kislimi proteini

Mineralna faza kosti

- Sestoji iz hidroksiapatit karbonata s heksagonalno kristalno strukturo

- Namesto karbonata je lahko anion tudi fosfat ali hidroksid.

- Kostni kristali so najmanji znani biogeni kristali , 2–6 nm debeli, 30–50 nm

široki, in 60–100 nm dolgi

- Kljub majhni velikosti os zelo stabilni in se neradi raztapljajo.

- Lastnost neobčutljivosti na raztapljanje dobijo v nanoskali , kjer njihova

velikost postane manjša od kritične velikosti za raztapljanje.