ATP Realfagkonferansen NTNU 2015

Sant eller usant: Når bindingen mellom de ytterste fosfatgruppene i ATP brytes, frigis det energi

Sant eller usant: Når bindingen mellom de ytterste fosfatgruppene i ATP brytes, frigis det energi Ja %

Bildet viser et ATP-molekyl der en binding er markert med en pil. Hvilket utsagn er SANT? A)Det kreves alltid energi å bryte en binding. Det gjelder også for denne bindingen. B)Det kreves energi for å bryte de fleste bindinger, men dette er en energirik binding som avgir energi når den brytes C)Alle bindinger avgir energi når de brytes D)Det kreves energi for å bryte kovalente bindinger, men dette er en ionebinding, og de avgir energi når de brytes En flervalgsoppgave:

Bildet viser et ATP-molekyl der en binding er markert med en pil. Hvilket utsagn er SANT? A)Det kreves alltid energi å bryte en binding. Det gjelder også for denne bindingen. B)Det kreves energi for å bryte de fleste bindinger, men dette er en energirik binding som avgir energi når den brytes C)Alle bindinger avgir energi når de brytes D)Det kreves energi for å bryte kovalente bindinger, men dette er en ionebinding, og de avgir energi når de brytes En flervalgsoppgave: A B C D 46% PPU kjemi fagdidaktikk n=14

Bildet viser et ATP-molekyl der en binding er markert med en pil. Hvilket utsagn er SANT? A)Det kreves alltid energi å bryte en binding. Det gjelder også for denne bindingen. B)Det kreves energi for å bryte de fleste bindinger, men dette er en energirik binding som avgir energi når den brytes C)Alle bindinger avgir energi når de brytes D)Det kreves energi for å bryte kovalente bindinger, men dette er en ionebinding, og de avgir energi når de brytes En flervalgsoppgave: A B C: D: 51% 31% 12% 6% n= år siving NTNU

Sant eller usant: ATP får en reaksjon til å gå selv om den er energetisk ugunstig («motbakkereaksjon»)

Sant eller usant: ATP får en reaksjon til å gå selv om den er energetisk ugunstig («motbakkereaksjon») Ja 100%

Sant eller usant: ATP hydrolyserer lett (reagerer lett med vann)

Sant eller usant: ATP hydrolyserer lett (reagerer lett med vann) 2 11 Ja Nei

Sant eller usant: ATP avgir sin energi til andre molekyler

Sant eller usant: ATP avgir sin energi til andre molekyler 10 3 Ja Nei

Organisk kjemi Mål for opplæringen er at eleven skal kunne  gjøre rede for struktur og egenskaper til aminosyrer, proteiner, lipider, karbohydrater og ATP  gjøre forsøk med enzymer og forklare hvordan de fungerer Fra læreplanen i Kjemi 2:

Utdrag fra lærebøker om ATP «Legg merke til bindingene mellom fosfor- og oksygenatomene i den venstre delen av strukturformelen. Disse er tegnet som en rød bølget linje, noe som skal symbolisere at de er energirike.» (Aqua 2, 2011)

«Når ATP mister en fosfatgruppe, blir det dannet et ADP-molekyl (adenosindifosfat), og det blir frigjort energi» (Kjemi 2, 2011)

«Hydrolyse av trifosfatet ATP til difosfatet ADP frigjør mye energi» (Kjemien stemmer 2, 2008)

Fra Kjemi 1:

Om bindinger «Det er dermed mer stabilt for atomene å holde sammen......enn å være alene......» (Aqua 1, 2010)

Om bindinger «Det er elektriske tiltrekningskrefter eller såkalte bindinger som holder atomene sammen i grunnstoffer og kjemiske forbindelser» (Kjemien stemmer 1, 2007)

Om bindinger «Atomene har gått sammen og danner molekyler fordi molekylene er mer stabile og inneholder mindre energi enn de frie atomene» (Kjemi 1, 2010)

Hvem har rett? Svaret er Kjemi 1-bøkene

«Legg merke til bindingene mellom fosfor- og oksygenmolekylene......Disse er tegnet med en rød, bølget linje, noe som skal symbolisere at de er energirike. Når disse brytes, blir energi frigitt ved at fosfat eller difosfat spaltes av.» (Himmelsk kjemi, 2006) Kjemi II-bøkene er ikke så ille, men noe kan feiltolkes. Sitatet under er verre:

X

X

Om ATP

X

Bios Biologi 2, 2.utgave

?

Om ATP (Biologi for lærere): «Bindingen mellom de to ytterste fosfatgruppene er ustabile og har mye energi. Dette er angitt på figuren med en krøll. Det kreves mye mindre energi å bryte dem enn det de selv frigjør»

The two phosphoanhydride bonds of ATP are sometimes called «high- energy» bonds, but they are no different from other covalent bonds. All that matters is that breaking these bonds is a process with a large negative free energy change.» Fra Pratt & Cornely «Essential Biochemistry» 2014 (Wiley)

Kan det være slik at norske lærere «får hjelp til å misforstå» hva kjemiske bindinger er i utdannelsen sin, og at norske kjemi-lærebøker ikke er tydelige nok til at disse feilene blir rette opp? I så fall er vi ikke alene. Dette er godt dokumentert i andre land som Canada, USA og Storbritannia. Eksempelet viser at de ulike fagene henger sammen. Funksjonen til ATP handler både om biologi, kjemi og fysikk.

ATP Myter og virkemåte

Noen myter om ATP De «energirike bindingene» i ATP frigir energi når de brytes (Lipmann 1941) ATP får en reaksjon til å gå selv om den er energetisk ugunstig («motbakkereaksjon») ATP hydrolyserer lett (reagerer lett med vann) ATP avgir sin energi til andre molekyler

Grunnleggende om kjemiske reaksjoner: Det kreves alltid energi for å bryte en binding, og det frigis alltid energi når en binding dannes Likevektsreaksjoner går raskest i den retningen som gir en nedgang i Gibbs fri energi Dette gjelder også katalyserte reaksjoner

Hvordan virker ATP? Fosforylering av ADP til ATP krever energi. En moderat energimengde i reaksjonen gjør at ATP relativt enkelt kan gjendannes Det finnes et effektivt enzym som kan koble sammen ADP og P i til ATP Bygd på R. W Hanson 1989

Hvordan virker ATP? Ved pH rundt 7 reagerer ikke ATP med vann i særlig grad uten katalysator (Frigitt energi: Ca 50 kJ/mol, aktiveringsenergi: Ca 300 kJ/mol)

To virkemåter: Reaksjon med ATP kan gi en alternativ reaksjonsvei. En slik reaksjonsvei fører til at alle reaksjonstrinnene blir spontane Når enzymer reagerer med ATP endres den tredimensjonale formen

Eksempel 1a: Biosyntese 2 glukose maltose (krever energi / ikke spontan) Glukose + ATP G 4 P + ADP (spontan) Glukose + G 4 P maltose + Pi (spontan) Totalreaksjon: 2 glukose + ATP maltose + ADP + Pi (spontan)

I stedet for en reaksjon med ∆G>0,velges en annen reaksjonsvei der ATP inngår slik at ∆G blir negativ

Eksempel 1b: Biosyntese Reaksjonen: CH 3 CO 2 H + HSCoA CH 3 COSCoA + H 2 O Enzymatisk regulerte delreaksjoner: CH 3 CO 2 H + ATP CH 3 CO 2 P + ADP CH 3 CO 2 P + HSCoA CH 3 COSCoA + Pi CH 3 CO 2 H + ATP + HSCoA CH 3 COSCoA + ADP + Pi

Eksempel 1b: Biosyntese Reaksjonen: CH 3 CO 2 H + HSCoA CH 3 COSCoA + H 2 O Enzymatisk regulerte delreaksjoner: CH 3 CO 2 H + ATP CH 3 CO 2 P + ADP CH 3 CO 2 P + HSCoA CH 3 COSCoA + Pi CH 3 CO 2 H + ATP + HSCoA CH 3 COSCoA + ADP + Pi (∆G>0) (∆G<0)

Eksempel 1b, Hva som ikke skjer: Reaksjonen: CH 3 CO 2 H + HSCoA CH 3 COSCoA + H 2 O En mulig kobling: CH 3 CO 2 H + HSCoA CH 3 COSCoA + H 2 O ATP + H 2 O ADP + Pi CH 3 CO 2 H + ATP + HSCoA CH 3 COSCoA + ADP + Pi Denne koblingen skjer ikke, pga høy konsentrasjon av vann (∆G>0) (∆G<0)

2: Ionetransport, kalsiumpumpa University of Minnesota

2: Ionetransport, kalsiumpumpa ons/research_highlig hts/no_52/

Når ATP bindes og frigis, endres den tredimensjonale formen til proteinene seg slik at det skjer en ionetransport

2: Ionetransport, natrium-kaliumpumpa

Eksempel 3: Bevegelse Molecular machines Aktin og myosin i muskelkontraksjon I dette tilfellet skjer det en hydrolyse av ATP (reaksjon med vann)

Motorproteiner 1 Motorproteiner 2

Motorproteiner

Aktin, myosin og ATP:

Motorproteiner «Motor proteins» På tross av variasjonen av «biologiske maskiner», deler de alle en nøkkel- egenskap: energi-drevne endringer i 3D- struktur av proteiner. En eller flere komponenter i biologiske maskiner binder et nukleotid, som ATP eller GTP. (McKee & McKee, side 35)

Hvorfor avgir hydrolyse av ATP energi? Reaksjonen mellom ATP og vann er eksoterm Ved normal pH er fosfatgruppene negativt ladd og frastøter hverandre når bindingen mellom dem brytes Når ATP spaltes, vil både ADP og Pi hydratiseres Gunstig med hensyn til entropi (uorden) Fosfat er stabilt pga resonanshybridisering