Presentasjon lastes. Vennligst vent

Presentasjon lastes. Vennligst vent

Bioenergetiske prinsipper Forutsetningen for at biokjemiske prosesser forløper Winnie Eskild, IMBV 2004.

Liknende presentasjoner


Presentasjon om: "Bioenergetiske prinsipper Forutsetningen for at biokjemiske prosesser forløper Winnie Eskild, IMBV 2004."— Utskrift av presentasjonen:

1 Bioenergetiske prinsipper Forutsetningen for at biokjemiske prosesser forløper Winnie Eskild, IMBV 2004

2 Metabolisme = katabolisme + anabolisme

3 Katabole prosesser konvergerer Anabole prosesser divergerer

4 Hva driver biokjemiske reaksjoner Forskell mellom Gibbs fri energi i startprodukt og sluttprodukt Ved de rette forholdene vil en biokjemisk reaksjon forløpe til likevekt oppnås Ved likevekt går reaksjonen like fort i begge retninger aA + bB cC + dD Likevektskonstanten er da K eq = C c D d A a B b  G’ o er definert for fysiologiske forhold hvor pH er 7, H 2 O er 55,5 M og Mg 2+ er 1 mM. Gjelder også K’ eq Drivkraften i en reaksjon,  G’ o og K’ eq har følgende relation  G’ o = -RTln K’ eq

5 Sammenheng mellom  G’ o og K’ eq Eksponentielt forhold mellom  G’ o og K’ eq: Små endringer i  G’ o => store endringer i K’ eq Bare litt negativ  G’ o => likevekten sterkt forskjøvet mot produkt

6 Sammenheng mellom  G’ o og K’eq

7 Glukose-1-fosfat og glukose-6-fosfat Når enzym er tilstede vil det ved likevekt være 19 ganger mere glukose-6-fosfat uansett om utgangspunktet er 1 M glukose-1-fosfat eller 1 M glukose-6-fosfat. Enzyme: fosfoglukomutase. Glukose-1-fosfat glukose-6-fosfat K’eq = glukose-6-fosfat = 0,95 M = 19 glukose-1-fosfat 0,05 M Ut fra denne likevektskonstant kan vi beregne endring i standard fri energi  G’ o = -RT ln K eq = -(8,315 J/mol x K)(298 K)(ln 19) = J/mol = - 7,3 kJ/mol

8 I cellen finnes ingen standard konsentrasjoner  G =  G’ o + RT ln C D A B Her er A,B,C og D de aktuelle konsentrasjonene Ved likevekt er  G = 0 Vi får da at  G’ o = -RT lnK’ eq Det er  G som avgjør om en reaksjon forløper, selvom  G’ 0 er positiv kan godt  G være negativ Ved å fjerne produktene så snart de er dannet holdes K’ eq under 1 og stor nok til at hele uttrykket blir negativt

9  G’ o verdier kan adderes Glukose + Pi Glukose-6-fosfat + H 2 O  G’ o = 13,8 kJ/mol ATP + H 2 O ADP + Pi  G’ o = -30,5 kJ/mol Glukose + ATP Glukose-6-fosfat + ADP  G’ o = -16,7 kJ/mol De to delreaksjoner har hver sin  G’ o men det er sumreaksjonen som teller i biokjemien Derved blir en endergon reaksjon mulig ved kopling til en eksergon reaksjon slik at den totale reaksjonen er eksergon

10 ATP som energileverandør Når ATP deltar i reaksjoner og etter endt reaksjon foreligger som ADP + P i eller AMP + 2 P i sir vi at hydrolysering av ATP har levert energi til å drive reaksjonen I de fleste tilfelle forekommer en gruppeoverføring fra ATP til et mellomprodukt. Denne gruppen kan være fosfat, pyrofosfat eller AMP

11 Overføring av aminogruppe til glutamat koster ATP

12 Aktivering av en fettsyre koster ”2” ATP

13 Grunnlaget for det høye energinivået i bindingene mellom fosfatgruppene i ATP Figur 14-1

14 ATP ATP har 3 negativ ladete fosfatgrupper: elektrostatisk frastøting Fraspalting av en fosfatgruppe gir mulighet for resonansstabilisering og den gjenværende ADP kan dissosiere og frigi en H+ til omgivelsene hvor konsentrasjonen av protoner er svært lav ATP 4- + H 2 O ADP 3- + P i 2- + H +  G’ o = - 30,5 kJ/mol Denne gjelder under standardbetingelser. I cellen er ATP tilstede i helt andre konsentrasjoner og i tillegg kompleksbundet med Mg 2+ I cellen vil en derfor oftere se  G på kJ/mol

15 ATP Hydrolyse av  anhydrid- bindingen frigir ca 46 kJ/mol I tillegg frigis det ca 19 kJ/mol ved hydrolyse av PPi Hydrolyse av  anhydrid- bindingen frigir ca 31 kJ/mol

16 ATP i røde blodceller Her er konsentrasjonene: ATP: 2,25 mM, ADP: 0,25 mM, Pi: 1,65 mM  Gp brukes til å angi den reelle hydrolyseringsenergi  Gp =  G’ o + RTln Settes verdiene inn får en:  Gp = - 51,8 kJ/mol  Gp kalles fosforyleringspotensialet og angir den aktuelle fri hydrolyseringsenergi i et gitt miljø  Gp vil variere fra celle til celle og innen cellen avhengig av tilgang på energi, pH, andre reaktanter o.l. Total ATP, ADP og Pi i cellen kan være langt høyere enn de konsentrasjoner som er tilgjengelige for disse reaksjoner, ved f.eks. å være tett knyttet til proteiner ADPPi ATP

17 Nukleotidnivå i forskjellige celler Tabell 14-5

18 Andre energirike forbindelser Fosfoenolpyruvat Fosfoenolpyruvat har energirik fosfoester binding Fosfoenolpyruvat har bare en resonansform mens pyruvat har både enolformen og ketoformen PEP 3+ + H 2 O pyruvat + P i  G’o = - 61,9 kJ/mol

19 1,3-Bisfosfoglyserat 1,3-bisfosfoglyserat har en anhydridbinding med bare én resonansform Etter hydrolyse kan 3-fosfo- glyserat fradissosiere en H+ til et med miljø med lave konsentrasjoner av H+ og får i tillegg to resonansformer 1,3-bisfosfoglyserat 4- + H 2 O => 3-fosfoglyserat 3- + Pi 2+ + H +  G’ o = - 49,3 kJ/mol

20 Flere fosfoforbindelser

21 ATP er cellens energivaluta ATP’s fosforyleringspotensiale er passe stort til at gjøre det svært velegnet til å ta imot og gi fra seg energi i cellens forskjellige reaksjoner ATP er stabilt fordi aktiverings- energien for hydrolyse er høy ATP må bindes til spesifikke enzymer som katalyserer prosesser hvor ATP er ”energi- leverandør” før hydrolyse er mulig Enzymene muliggjør nøye kontroll av energiforbruket

22 Thioestre frigir mye energi ved hydrolyse

23 Acetyl-coenzym A Acetyl-CoA + H 2 O acetat - + CoA + H +  G’ o = - 32,2 kJ/mol

24 Fire forhold som gir store, negative  G’ o ved hydrolyse 1) Fjerning/reduksjon av elektrisk frastøting mellom grupper Eks: ATP 2) Stabilisering av produktene ved ionisering Eks: ATP, acylfosfater, thioestre 3) Stabilisering av produktene ved tautomerisering Eks: fosfoenolpyruvat 4) Resonanstabilisering av produktene acylfosfater, thioestre, Pi

25 Bioenergetiske prinsipper Ib

26 Oppgave 1 Beregn K eq ved 37 o C for reaksjonen: Fosfoarginin + ADP arginin + ATP Likevektskonsentrasjonenen av substrater og produkter er: Fosfoarginin 0,737 mM ADP 0,750 mM Arginin 4,78 mM ATP 3,87 mM Hva er  G’ o for reaksjonen?. Er den spontan under standard forhold?

27 Svar på oppgave 1 K eq = K eq = 33,5  G’ o = -RT ln K eq  G’ o = -(8,3145 x 10-3 kJ x K -1 x mol -1 )(298K) x ln33,5  G’ o = -8,7 kJ/mol Reaksjonen vil gå spontant under standard betingelser argininATP fosfoargininADP (4,78 x ) (3,87 x ) (0,737 x ) (0,75 x )

28 Oppgave 2 Likevektskonstanten for omdannelse av glukose-6-fosfat til fruktose-6-fosfat er 0,41. Reaksjonen er reversibel og katalyseres av enzymet fosfoheksose isomerase. Hva er  G’ o for denne reaksjonen? Hvilken retning vil reaksjonen gå under standard forhold? Hva er  G for reaksjonen ved 37 o C når konsentrasjonen av glukose-6-fosfat er 2,0 mM og konsentrasjonen av fruktose-6-fosfat er 0,5 mM? Hvilken retning vil reaksjonen gå under disse forholdene?

29 Svar på oppgave 2  G’ o = -RT ln K eq = -(8,3145 x kJ/K/mol)(298K)ln 0,41 = 2,2 kJ/mol Reaksjonen går mot dannelse av glukose-6-fosfat  G =  G’o + RT ln = 2,2 kJ/mol + (8,3145 x kJ/K/mol)(310K)ln = 2,2 kJ/mol - 3,57 kJ/mol = - 1,37 kJ/mol Reaksjonen går mot dannelse av fruktose-6-fosfat Fruktose-6-fosfat Glukose-6-fosfat 5 x x 10 -3

30 Bioenergetiske prinsipper II

31 Elektronforflytning utfører arbeid Et batteri kan utføre arbeid når polene forbindes via f.eks en motor Denne åpner en vei slik at elektronene kan vandre mot den delen av batteriet som har størst elektronaffinitet. I metabolismen vandrer elektroner fra glukose til oksygen via en rekke elektrontransportører som da kan utføre arbeid Glukose O 2 e e e

32 Elektrontransportkjeden Elektroner vandrer gjennom elektrontransportkjeden mot O 2 Elektronoverføringen er eksergon pga oksygens mere positive E’ o Frigjort energi brukes til å skape en protongradient over membranen Protoner passerer tilbake gjennom membranen i en eksergon prosess som leverer energi til å fosforylere ADP til ATP

33 Redoksreaksjoner Reaksjoner hvor elektroner overføres fra et molekyl til et annet Tap av elektroner = oksidasjon Tilførsel av elektroner = reduksjon Elektronoverføringer er den egentlige basis for alt arbeid som utføres i en celle Organismer uten fotosyntese ekstraherer elektroner ut av næringsstoffer (mat) Fotosyntetiske organismer henter elektronene fra H 2 O ved hjelp av sollysets energi

34 Karbons mange oksidasjonstrinn

35 Oksidasjoner involverer ikke nødvendigvis oksygen, det kan også være tap H (H + + e - ) Elektronoverføringer kan foregå på flere måter –Direkte overføring: Fe 2+ + Cu 2+ Fe 3+ + Cu + –Overføring av H: AH 2 A + 2e H + –Overføring av hydridion: H - –Oksygenering: R-CH 3 + 1/2 O 2 R-CH 2 -OH –Reduserende ekvivalent = 2 e -

36 Standard reduksjonspotensialet E o og fysiologisk SRP E’ o Standard reduksjonspotensialet, E o angir en relativ affinitet for e - Biokjemien definerer standard reduksjonspotensialet ved fysiologiske forhold (298 K, pH 7) Elektroner vandrer til elektroden med det mest positiv E’ o Referansen er: H + + e - 1/2 H 2, E’ o = 0,00 V Både reduksjonspotensiale og konsentrasjon er med på å bestemme i hvilken retning elektronene vil vandre

37

38

39 Reelt reduksjonspotensiale Nernst likning: E = E o + RT ln elektron mottaker nF elektron donor = E o + ln R = gasskonstanten T = o Kelvin n = antall elektroner overført/molekyle F = Faradays konstant 0,026 V n elektron mottaker elektron donor

40 Elektronoverføring representerer energi Elektronoverføring utfører arbeid og representerer energi  E’ o = E’ o for elektron mottakeren - E’ o for elektron donoren Eksempel: acetaldehyd + NADH + H + etanol + NAD + 1)acetaldehyd + 2H + + 2e - etanol E’ o = -0,197 V 2)NAD + + 2H + + 2e - NADH + H + E’ o = -0,320 V Elektronmottaker er reaksjonen med mest pos. E’ o, dvs 1)  E’ o = -0,197 - ( -0,320) = 0,123 V   ’ o er relatert til  G’ o ved uttrykket  G’ o = -nF  E’ o  E’ o = - 2(96,5 kJ/V x mol)(0,123 V) = - 23,7 kJ/mol Denne reaksjon vil altså gå mot etanol dannelse, når de deltakende forbindelsene er tilstede i 1M, men det har vi ikke i en levende celle

41 Hvis konsentrasjonen av acetaldehyd og NADH er 1M, mens konsentrasjonen av etanol og NAD + er 0,1 M E acetaldehyd = E’ o + RT ln acetaldehyd nF etanol => -0,167 V E NADH = E’ o + RT ln NAD+ nF NADH => -0,350 V  E = -0,167 V - (- 0,350 V) = 0,183 V  G = -nF  E = -2( 96,5 kJ/Vmol)(0,183V) = - 35,3 kJ/mol Viser kraftig forskyvning i retning av produktdannelse Et mere realistisk eksempel

42 Elektronoverføring i metabolismen skjer i mange små trinn Fullstendig oksidasjon av glukose har en  G’ o = kJ/mol Oksidasjonen skjer i mange trinn av passe størrelse for å ta vare på mest mulig energi, typisk den energimengde som kreves for å danne én ATP Elektronoverføringen skjer bare unntaksvis direkte til ATP Mange elektronbærende kofaktorer deltar i nedbrytningen av glukose

43 Elektronbærende kofaktorer NAD +, NADP +, FMN, FAD er vannløselige kofaktorer NAD +, NADP + assosieres relativt løst til sine enzymer og kan vandre mellom proteiner FMN, FAD assosieres tett til sine enzymer, flavoproteinene og betraktes som prostetiske grupper. Forlater dem ikke Quinoner (ubiquinon, plastoquinon) er lipidløselige kofaktorer og fungerer i membraner Jern-svovl proteiner har tett bundne kofaktorer, prostetiske grupper Cytokromene har tett bundne kofaktorer, prostetiske grupper

44 NAD + og NADP +

45 NAD + og NADH er kofaktorer for enzymene i katabolismen Vanlig konsentrasjon totalt for disse er 10  M Det er mest NAD + noe som favoriserer overføring av H - fra substrater NADP + og NADPH er kofaktorer for enzymene i anabolismen Vanlig konsentrasjon totalt for disse er 1  M Det er mest NADPH noe som favoriserer syntese av nye molekyler De fungerer alle som kofaktorer for enzymer av typen oksidoreduktaser eller dehydrogenaser

46 Spesifisitet i valg av kofaktor

47 Spesifisitet i valg av kofaktorer

48 FAD og FMN

49 Disse kan ta imot én eller to elektroner i form av hydrogen atomer FAD + H = FADH + H = FADH 2 Disse flavinnukleotider er svært tett bundet til sine enzymer og anses som prostetiske grupper På grunn av sin tette assosiering har disse varierende reduksjons-potensiale


Laste ned ppt "Bioenergetiske prinsipper Forutsetningen for at biokjemiske prosesser forløper Winnie Eskild, IMBV 2004."

Liknende presentasjoner


Annonser fra Google