Biokjemi Om å forstå kjemi og energi i biologiske systemer Per-Odd Eggen Realfagkonferansen, NTNU, 2013

En drøfting av to spørsmål: Hvor ligger «energien i sukker»?(20 min) Hvilken rolle har NADH i energioverføring? (20 min) + litt om «Bluebottleforsøket» (10 min)

Noen grunnleggende momenter Innsikt i kjemi kan forhåpentlig gi økt forståelse av fotosyntese og celleånding Kjemi - basiskunnskap

Målet er at eleven skal kunne: • gjøre rede for struktur og egenskaper til aminosyrer, proteiner, lipider, karbohydrater og ATP • forklare rollen til hydrogen som energibærer i fotosyntese og celleånding • forklare betydningen av stereoisomeri i biokjemiske reaksjoner • gjøre forsøk med enzymer og forklare hvordan de fungerer

Målet er at eleven skal kunne: • gjøre rede for struktur og egenskaper til aminosyrer, proteiner, lipider, karbohydrater og ATP • forklare rollen til hydrogen som energibærer i fotosyntese og celleånding • forklare betydningen av stereoisomeri i biokjemiske reaksjoner • gjøre forsøk med enzymer og forklare hvordan de fungerer

Blir dette stoffet presentert forskjellig i biologi og kjemi?

Hva sier lærebøkene? Figurer og tekst for å gi oversikt over de ulike prosessene Kobles i liten grad til resten av kjemi- teorien

Lærebokfigur I: (Celleånding)

Lærebokfigur II: (Fotosyntese)

1: Hvordan kan hydrogen «bære energi»?

Noen sentrale stoffer: CO2 Glukose O2

Vi starter med: Og ender opp med (Og så tilbake igjen) CO2 og Glukose

Vi starter med: Og ender opp med Hvor er energien? CO2 og Glukose og

Blir det forklart i læreverkene? Hvor er energien? Blir det forklart i læreverkene? Hva vil elevene svare på spørsmålet?

Hvilke bindinger er det snakk om? C H C = O O H C O O = O C C

Hvilke bindinger er det snakk om? C H C = O O H C O

Hvilke bindinger er det snakk om? C H C = O O H C O Bindings- lengde: 1,06 Å 1,16 Å 0,96 Å 1,42 Å

Hvilke bindinger er det snakk om? C H C = O O H C O Bindings- lengde: 1,06 Å 1,16 Å 0,96 Å 1,42 Å Bindings- energi: 414 800 464 358 (kJ/mol)

Hvilke bindinger er det snakk om? O = O C C Bindings- lengde: 1,21 Å 1,53 Å

Hvilke bindinger er det snakk om? O = O C C Bindings- lengde: 1,21 Å 1,53 Å Bindings- energi: 498 347 (kJ/mol)

Hvilke bindinger er det snakk om? O = O C C Bindings- lengde: 1,21 Å 1,53 Å Oksygen er stabil, men reaktiv Bindings- energi: 498 347 (kJ/mol)

Bindinger i sukker Bindinger i vann og CO2 C H C O O H C = O Bindings- lengde: 1,06 Å 1,42 Å 0,96 Å 1,16 Å Bindings- energi: 414 358 464 800 (kJ/mol)

= = = = Energi inn = = = = = = = =

= = = = = Energi ut =

= = = = = = = = = = = =

Hva er summen av bindingsenergiene? (Energien som trengs for å bryte en binding)

Bindingsenergi: C-C: 5 x 347 kJ/mol O=O: 6 x 498 kJ/mol C-H: 7 x 414 kJ/mol O-H: 17 x 464 kJ/mol C-O: 7 x 358 kJ/mol Sum: 18015 kJ/mol = = = = = =

= = Bindingsenergi: C=O: 12 x 800 kJ/mol O-H: 24 x 464 kJ/mol Sum: 20736 kJ/mol = = = = = = = = = =

= ca energigevinsten når sukker forbrennes Differanse: 2721 kJ per mol glukose = ca energigevinsten når sukker forbrennes

Hvor mye energi blir dannet per mol om vi lager molekylene ut fra grunnstoffene? (Dannelsesentalpi)

Dannelsesentalpi: Vann: 6 x -286 kJ/mol Oksygen: 6 x 0 kJ/mol Glukose: -1270 kJ/mol Sum: -2986kJ/mol = = = = = =

= = Dannelsesentalpi: CO2: 6 x -393 kJ/mol Vann: 12 x -286 kJ/mol Sum: -5790kJ = = = = = = = = = =

= ca energigevinsten når sukker forbrennes Differanse: 2804 kJ per mol glukose = ca energigevinsten når sukker forbrennes

Når hydrogenet bindes til oksygen igjen, blir energien frigitt. I fotosyntesen flyttes hydrogen fra vann til andre forbindelser med større bindingslengde/mindre bindingsenergi. Når hydrogenet bindes til oksygen igjen, blir energien frigitt.

Hva vil elevene svare på dette: Hvor kommer energien fra når ATP avgir energi?

Dette gjelder alle bindinger!

Det kreves alltid energi for å bryte en binding, For at en binding skal dannes mellom to atomer, må det være en netto energinedgang i systemet (de to atomene): ionene eller molekylene som dannes ved omarrangering av elektronene må ha lavere energi enn de to atomene hver for seg. Det kreves alltid energi for å bryte en binding, og det frigis alltid energi når en binding dannes.

Spalting av ATP til ADP og Pi krever energi, men samtidig dannes to stoffer som lett danner nye bindninger til f.eks. vann. Da frigis det en god del energi.

Kort bindingsavstand gir sterkere binding og dermed frigis mer energi når en slik binding dannes. Når sukker reagerer med oksygen, blir lange bindinger erstattet med kortere. Eller sagt på en annen måte: Svake bindinger blir erstattet med sterkere.

Energien ligger ikke i glukose, men i reaksjonen mellom glukose og oksygen!

Skyldes Forskjellig bindingsenergi Forskjellige bindingslengder Forskjell i entropi (orden)

Kovalent radius: O: 60 pm H: 25 pm C: 70 pm

Kovalent radius: O: 60 pm H: 25 pm C: 70 pm

Unngå «Energirike bindinger» «Oksygen er et avfallsstoff»

11: Hvordan overføres energien fra glukose i celleåndingen?

Nærmere bestemt: Hva skjer i elektrontransportkjeden?

Hva elevene vet om redoksreaksjoner: Overføring av elektroner Overføring av 2H Overføring av O

Hvilken rolle spiller NADH? Bindingsenergi Det krever lite energi å bryte bindingen til H og overføre H+ og elektroner til elektrontransportkjeden

Hvilken rolle spiller NADH? Samtidig har NADH lavt reduksjonspotensial

Om reduksjonspotensialer Lavt reduksjonspotensial betyr at et stoff har liten evne til å tiltrekke seg elektroner og det er lett å ta et elektron fra den reduserte formen Det vil si at «elektronene er svakt bundet»

Denne figuren er kjent fra før for elevene Eo(V) Ag+ + e- Ag +0,80 Cu2+ + 2e- Cu +0,34 2H+ + 2e- H2 Fe2+ + 2e- Fe -0,45 Zn2+ + 2e- Zn -0,76 Mg2+ + 2e- Mg -2,37 Na+ + e- Na -2,71

Denne burde være gjenkjennbar Eo(V) 1/2O2 +2H+ +2e- H2O +0,82 Cytokr. c(+3) + e- Cytokr. c(+2) +0,22 Q10 (oks) + e- Q10(red) +0,10 Cytokr. b(+3) + e- Cytokr. b(+2) +0,07 2H+ + 2e- H2 (ved pH0) FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0,22 -0,32 NAD+ + H+ +2e- NADH + H+ 2H+ + 2e- H2 (ved pH7) -0,42

Denne burde være gjenkjennbar Legg merke til Eo(V) 1/2O2 +2H+ +2e- H2O +0,82 Denne burde være gjenkjennbar Cytokr. c(+3) + e- Cytokr. c(+2) +0,22 Q10 (oks) + e- Q10(red) +0,10 Cytokr. b(+3) + e- Cytokr. b(+2) +0,07 2H+ + 2e- H2 (ved pH0) Legg merke til FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0,22 -0,32 NAD+ + H+ +2e- NADH + H+ 2H+ + 2e- H2 (ved pH7) -0,42

Denne burde være gjenkjennbar Legg merke til Eo(V) 1/2O2 +2H+ +2e- H2O +0,82 Denne burde være gjenkjennbar Cytokr. c(+3) + e- Cytokr. c(+2) +0,22 Q10 (oks) + e- Q10(red) +0,10 Cytokr. b(+3) + e- Cytokr. b(+2) +0,07 2H+ + 2e- H2 (ved pH0) Legg merke til FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0,22 -0,32 NAD+ + H+ +2e- NADH + H+ 2H+ + 2e- H2 (ved pH7) -0,42

Denne burde være gjenkjennbar Legg merke til Eo(V) 1/2O2 +2H+ +2e- H2O +0,82 Denne burde være gjenkjennbar Cytokr. c(+3) + e- Cytokr. c(+2) +0,22 Q10 (oks) + e- Q10(red) +0,10 2H+ + 2e- H2 (ved pH0) Legg merke til FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0,22 Cytokr. b(+3) + e- Cytokr. b(+2) -0,32 NAD+ + H+ +2e- NADH + H+ 2H+ + 2e- H2 (ved pH7) -0,42

Denne burde være gjenkjennbar Legg merke til Eo(V) 1/2O2 +2H+ +2e- H2O +0,82 Denne burde være gjenkjennbar Cytokr. c(+3) + e- Cytokr. c(+2) +0,22 Q10 (oks) + e- Q10(red) +0,10 Cytokr. b(+3) + e- Cytokr. b(+2) +0,07 2H+ + 2e- H2 (ved pH0) Legg merke til FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0,22 -0,32 NAD+ + H+ +2e- NADH + H+ 2H+ + 2e- H2 (ved pH7) -0,42

Denne burde være gjenkjennbar Legg merke til Eo(V) 1/2O2 +2H+ +2e- H2O +0,82 Denne burde være gjenkjennbar Cytokr. c(+3) + e- Cytokr. c(+2) +0,22 Q10 (oks) + e- Q10(red) +0,10 Cytokr. b(+3) + e- Cytokr. b(+2) +0,07 2H+ + 2e- H2 (ved pH0) Legg merke til FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0,22 -0,32 NAD+ + H+ +2e- NADH + H+ 2H+ + 2e- H2 (ved pH7) -0,42

Kompleks 1 (med jern-svovel -proteiner) Protonpumpe

Kompleks II (Kan oksidere FADH2) Ikke protonpumpe

Kompleks III (Cytokrom b og c) Protonpumpe

Kompleks IV (Også med cytokrom C) Protonpumpe

O2 - den siste elektronmottakeren 1/2 O2 + 2H+ +2e- H2O

ATP syntetase som drives av H+-gradienten

Tilsvarer en energi på 339 kJ/mol Eo(V) Ag+ + e- Ag +0,80 Cu2+ + 2e- Cu +0,34 2H+ + 2e- H2 3,51V Fe2+ + 2e- Fe -0,45 Zn2+ + 2e- Zn -0,76 Tilsvarer en energi på 339 kJ/mol Mg2+ + 2e- Mg -2,37 Na+ + e- Na -2,71 ∆G = -nFEo

ADP + Pi ATP + H2O krever 30,5 kJ/mol Eo(V) 1/2O2 +2H+ +2e- H2O +0,82 Q10 (oks) + e- Q10(red) +0,10 Cytokr. c(+3) + e- Cytokr. c(+2) +0,22 Cytokr. b(+3) + e- Cytokr. b(+2) +0,07 1,14V 2H+ + 2e- H2 (ved pH0) 110 kJ/mol e- (220 kJ/mol for 2e-) FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0,22 -0,32 NAD+ + H+ +2e- NADH + H+ 2H+ + 2e- H2 (ved pH7) -0,42 ADP + Pi ATP + H2O krever 30,5 kJ/mol

2Ag+ 2e- Cu Fe Zn Mg Na

2Ag+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag Cu2+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag Cu2+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag Cu2+ Fe2+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag Fe2+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag Fe2+ Zn2+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag Zn2+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag Zn2+ Mg2+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag Mg2+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag Mg2+ 2Na+ Cu Fe Zn Mg Na

Ag 2Na+ Cu Fe Zn Mg Na

Her er det energi som kan utnyttes! Eo(V) Ag+ + e- Ag +0,80 Cu2+ + 2e- Cu +0,34 2H+ + 2e- H2 3,51V Fe2+ + 2e- Fe -0,45 Zn2+ + 2e- Zn -0,76 Mg2+ + 2e- Mg -2,37 Na+ + e- Na -2,71 Her er det energi som kan utnyttes!

1/2 O2 +2H+ 2e- Kompleks 4 Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

1/2 O2 +2H+ Kompleks 4 Oks Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Oks Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Oks Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Oks Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Oks Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Oks Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Oks Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Oks Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Oks Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Oks Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Oks Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Oks Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+ NAD+

NADH «bærer» altså løst bundet H til elektrontransportkjeden. Har lavt reduksjonspotensial

1/2 O2 +2H+ 2e- Kompleks 4 H+ Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

1/2 O2 +2H+ Kompleks 4 Oks H+ Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Oks H+ Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O H+ H+ H+ Kompleks 4 Oks H+ Kompleks 3 H+ H+ H+ H+ Kompleks 2 H+ FADH2 FADH2 Kompleks 1 H+ H+ H+ NADH + H+ H+ H+

Protongradienten driver ATP-syntesen Protongradienten driver ATP-syntesen. Gradienten er tosidig: konsentrasjon og elektrisk ladning.

Unødvendig komplisert? Det finnes mange enklere kjemiske reaksjoner som avgir energi Hvorfor ikke velge en av dem?

Hvorfor sukker og fett? Stabile stoffer Kan lagres lenge Høy konsentrasjon av energi (lav vekt og volum) Ikke giftig Kan bygges av de vanligste grunnstoffene

Hvorfor så mange reaksjonstrinn? Gir muligheter til å lage mange nyttige mellomprodukter Energien kan hentes ut med minimale tap Varmeproduksjonen blir håndterbar

Ikke glem totalreaksjonen: I fotosyntesen dannes glukose av vann og CO2 I celleåndingen hentes energien ut igjen

Bluebottle En kort elektrontransportkjede

Komplisert kjemi: (Fra Journal of Chemical Education, 2012, 89, s 1426)

O2 Metylenhvitt Glukose

O2 2e- Metylenhvitt Glukose

O2 Metylenblått Glukose

Peroksid Metylenblått Glukose

Peroksid Metylenblått Glukose

Metylenblått Glukonat

O2 Metylenhvitt Glukonat

O2 Metylenhvitt Glukose

O2 2e- Metylenhvitt Glukose

O2 Metylenblått Glukose

Peroksid Metylenblått Glukose

Peroksid Metylenblått Glukose

Metylenblått Glukonat

O2 Metylenhvitt Glukonat

Spørsmål eller kommentarer? Eller vil dere ha lunsj?

Vi stopper der - Takk for meg!

Nernsts ligning: E = Eo - (RT/nF)lnQ eller: E = Eo - (0,0592/n)logQ

2Ag+ Ag Cu2+ Fe2+ Zn2+ Mg2+ Na+ Cu Fe Zn Mg Na 0,46V 3,51V 0,79V 0,31V

2Ag+ Ag Cu2+ Fe2+ Zn2+ Mg2+ Na+ Cu Fe Zn Mg Na 0,46V 3,51V 0,79V 0,31V

= = = = = = = = = = = =

= = = = = =

H2O Kompleks 4 Oks H+ Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Oks H+ Kompleks 3 H+ Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 H+ Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Oks Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Oks Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Oks Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Oks Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Oks Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Oks Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Oks Kompleks 1 NADH + H+

H2O H+ H+ H+ Kompleks 4 H+ H+ Kompleks 3 H+ H+ Kompleks 2 H+ FADH2 H+ H+ Oks Kompleks 1 H+ H+ NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Oks Kompleks 1 NADH + H+

H2O Kompleks 4 Kompleks 3 Kompleks 2 FADH2 Kompleks 1 NADH + H+ NAD+