16.10.2013 Bioenergetikk 2014 – ikke ferdig, brukte lang tid innl vis. Kahoot funka ok. 16.10.2013 Ferdig ca på tiden. Litt spørsmål knyttet til ATP. Tror.

Presentasjon om: "16.10.2013 Bioenergetikk 2014 – ikke ferdig, brukte lang tid innl vis. Kahoot funka ok. 16.10.2013 Ferdig ca på tiden. Litt spørsmål knyttet til ATP. Tror."— Utskrift av presentasjonen:

1 Bioenergetikk 2014 – ikke ferdig, brukte lang tid innl vis. Kahoot funka ok. Ferdig ca på tiden. Litt spørsmål knyttet til ATP. Tror det er nyttig å ta dette med for å forklare hvorfor ATP er så energirik. Har tatt inn en ny slide i forelesningen til i morgen om glykolysen. Gjentar alt om ATP og oppklarer usikkerhet rundt fosforyl (-PO3 (2-)) og fosfat (-OPO3 (2-)). Bioenergetikk, IA 2014

2 Store Norske Leksikon:
Store Norske Leksikon: Bioenergetikk, den gren av biokjemien som beskjeftiger seg med de mekanismene som organismene bruker for å skaffe den energien de trenger for å holde livsprosessene i gang. Wikipedia: Bioenergetikk er en alternativ behandlingsmetode som ble utviklet i USA på 1960-tallet. Metoden bygger på en teori om at psykiske problemer, stress, sinne og frykt innvirker på både bevegelser, pust, kroppsholdning og sittemåte. Bioenergetikk blir også kalt «en kroppsorientert form for psykoterapi». Bioenergetikk er sammensatt av de greske ordene bio som betyr liv, og energetikk som betyr læren om energien og omdanningen av den. Energistrøm gjennom levende systemer

3 Relevante læringsmål, Biokjemi:
beskrive nedbrytingen av glykogen, disakkarider, monosakkarider og fettsyrer, og forklare hvordan slik nedbryting er koplet til dannelse av ATP Relevant studiemateriell: Lehninger; Principles of biochemistry, 6th Ed., Kapittel 13 Lippincott’s; Biochemistry, 5th Ed., Kapittel 6 (Baynes; Medical biochemistry, 3rd Ed., Kapittel 9) Bioenergetikk

4

5 Det store bildet Metabolisme er summen av alle kjemiske omdannelser som skjer i en celle eller en organisme. Heterotrofe organismer må skaffe energi fra omgivelsene i form av komplekse organiske og energirike molekyler som typisk er endeprodukter fra autotrofe organismer (planter) som har laget disse ved bruk av solenergi til omdannelse av CO2 til organiske forbindelser + O2. Nedbrytningen av energirike organiske forbindelser skjer i en rekke metabolske (katabolske) spor som har til formål å generere byggesteiner og energirike mellomprodukter som ATP, som igjen brukes til å konstruere komplekse molekyler som cellen behøver. Dette skjer i en rekke anabolske (energikrevende) reaksjoner (metabolske spor). Oksygen forbrukes og CO2 genereres. Bioenergetikk

6 ATP (Adenosine trifosfat) – den viktigste energibæreren i celler
Bindingene mellom fosfatgruppene i adenosin trifosfat (ATP) er meget energirike. ATP er derfor den viktigste bæreren av raskt tilgjengelig energi i cellene. ATP forbrukes nesten straks det er dannet, slik at det kontinuerlig må erstattes i cellene. Hydrolyse av den terminale fosfatbindingen frigjør 30.5 kJ/mol. Adenin Ribose-sukker Fosfat-grupper O C N P H Energirik binding Dette er dG0 – v standard betingelser, men i cella vil dG være mer negativ (mer energi frigis) fordi konsentrasjonene er mye lavere enn 1M. Bioenergetikk

7 ATP Den mengden ATP som brytes ned og dannes pr dag hos mennesket, tilsvarer omtrent kroppsvekten Pris på ATP fra Sigma Chemicals: 5g = $296 Det vil si at en aktiv person på 100 kg produserer ATP for ~6 mill $/dag Bioenergetikk

8 Bioenergetikk og termodynamikk
Bioenergetikk og termodynamikk Bioenergetikk er applikasjon av termodynamiske lover til biokjemiske systemer. Beskriver energioverføringer i celler og hvordan de kjemiske prosessene kan kvantifiseres. Dagens tema: Termodynamikk Fosforylgruppeoverføringer og energioverføringer Massevirkningsloven og Gibbs fri energi Oksidasjon og reduksjons -reaksjoner i celler Bioenergetikk

9 Energioverføringene i biokjemiske reaksjoner følger de samme termodynamiske lover som ellers i naturen Lov: I enhver fysisk og kjemisk forandring vil den totale energimengden i universet forbli konstant, selv om energiens form kan forandres. Lov: I alle naturlige prosesser vil universets entropi (grad av uorden) øke. Bioenergetikk

10 Energi kan anta ulike former
Potensiell energi kan omformes til bevegelsesenergi, som igjen kan omformes til varmeenergi Noe av bevegelses-energien kan benyttes til å løfte en bøtte vann, som derved får økt potensiell energi. Tilsvarende mindre energi avgis som varme Potensiell bevegelsesenergi lagret i vannbøtta kan benyttes til å drive ulike hydrauliske maskiner, og f. eks. omformes til elektrisk energi, som igjen kan omformes til kjemisk energi (eks. kunstgjødsel-produksjon) Bioenergetikk

11 Viktige termodynamiske definisjoner
H Entalpi: Varmeenergien, eller den samlede energien i et system (feks i en bestemt mengde av en kjemisk forbindelse) Forandring i entalpi i løpet av en reaksjon. Bestemmes av antallet og typen av kjemiske bindinger i reaktanter og produkt. Er H positiv, sier vi at reaksjonen er endoterm (varme tas opp). Er H negativ, sier vi den er eksoterm (varme avgis) Entropi: Grad av uorden i et system. Den delen av energien som ikke kan utføre arbeid Gibbs fri energi: Den delen av energien i et system som kan utføre arbeid. Er G positiv, sier vi at reaksjonen er endergon. Er G negativ, sier vi den er eksergon. Disse verdiene er relatert til hverandre som følger: H S G Konstant temperatur og trykk – vil også gjelde i biologiske systemer G = H - T S Bioenergetikk

12 Energioverføringer i levende organismer
Energiekstraksjon fra omgivelsene Levende organismer opprettholder intern orden ved å ta opp fri energi (DG, sollys og næringsstoffer) fra omgivelsene og gir tilbake tilsvarende mengde energi i form av varme (DH) og entropi (DS). E omdannes til arbeid Frigi E som varme Frigi mindre organiserte sluttprodukt Somg Produksjon av mer organiserte polymerer Ssystem Suniverse = Ssystem + Somg > 0 Bioenergetikk

13 Eks.:Termodynamikkens andre lov (Entropi, S):
Oksidasjon av glukose C6H12O6 + 6 O2  6CO2 + 6 H2O + energi I denne prosessen blir 7 molekyler konvertert til (og tilfeldig delt inn i) 12 nye molekyler.  økning i entropi (molekylær uorden). Bioenergetikk

14 Termodynamikkens andre lov (Entropi, S):
Termodynamikkens andre lov (Entropi, S):

15 Massevirkningsloven I en kjemisk reaksjon: aA + bB  cC + dD
I en kjemisk reaksjon: aA + bB  cC + dD vil reaksjonen forløpe inntil en likevekt er innstilt seg mellom produktene og reaktantene. Denne likevekten er uttrykt som følger: [C]c[D]d [A]a[B]b Keq = Cato M Guldberg og Peter Waage Hvordan bruke termodynamikk i biologiske reaksjoner? Må knytte de til reaktanter og produkter Hastigheten av de to reaksjonene er proposjonal med konsentrasjonen av reaktantene som inngår. Hvis mengden av en av reaktantene eller produktene endres, vil konsentrasjonene av de andre komponentene også endres for å opprettholde likevekten. Dette har stor betydning for biologiske reaksjoner. Bioenergetikk

16 Massevirkningsloven, likevekt og Gibbs fri energi
I en kjemisk reaksjon AB vil alltid likevekten være forskjøvet mot den siden som har lavest innhold av fri energi, G. Hvis G for reaksjonen er negativ, vil altså likevekten være forskjøvet mot høyre. Standard fri energiendring Go : 25oC (=298 K) og 1 M reaktanter. 1 M H+ tilsvarer pH=0. Biokjemi: benytter pH=7, bruker symbolet G’o. Setter en opp reaksjonen under disse betingelsene, og måler konsentrasjonen av A og B når likevekt er inntrådt, får en et mål for G’o. G’o= -RT ln [B]/[A] = -RT ln K’eq I en kjemisk reaksjon AB vil alltid likevekten være forskjøvet mot den siden som har lavest innhold av fri energi, G. Hvis G for reaksjonen er negativ, vil altså likevekten være forskjøvet mot høyre. G vil ikke bare være bestemt av egenskapene til A og B, men også av konsentrasjonen av reaktantene, og temperaturen. Kjemikere og fysikere har alltid målt endringer i fri energi ved 25oC (=298 K) og 1 M utgangskonsentrasjon av alle reaktanter (Go ). Dette har vært lite hensiktsmessig for biokjemikere, da 1 M H+ tilsvarer pH=0. En har i stedet benyttet pH=7. En har da gitt energien symbolet G’o. R = gasskonstanten = J/mol x K Merk at en kan utføre arbeid fra Gibbs fri energi bare når en kjemisk reaksjon går mot likevekt. Når likevekten først er nådd, kan ikke reaksjonen lenger produsere energi til arbeid. Bioenergetikk

17 Endringer i fri energi I en levende celle vil de lokale konsentrasjoner av reaktanter og produkt så godt som aldri være 1M. Så den virkelige G vil ikke være lik G’o. Forholdet mellom de to verdiene er G= G’o +RT ln [B]/[A] Reaksjon: AB I biokjemiske spor i cellen vil sjelden et produkt (B) bli liggende ”ubrukt”, men vil omsettes videre. Hvis den videre omsetningen er effektiv, kan den cellulære konsentrasjonen av B bli svært lav. Det betyr at ln [B]/[A] kan få en høy negativ verdi, og at G kan bli negativ selv om G’o er positiv. Reaksjonen vil derfor kunne gå mot høyre. Kahoot! Bioenergetikk

18 Likevektskonstanten og DG’0
Ettersom G’o måles under gitte betingelser, vil enhver biokjemisk reaksjon ha en konstant G’o. I en kjemisk reaksjon: aA  bB [B]b [A]a K’eq = Ved likevekt er reaksjonens totale endring i fri energi DG=0. Likningen blir da slik: G’o= -RT ln [B]/[A] = -RT ln K’eq R = gasskonstanten = J/mol x K Bioenergetikk

19 Endringer i G’o er additive
For å få energimessig ugunstige (høy positiv G’o) reaksjoner til å foregå i cellene, kan reaksjonen kobles sammen med en energimessig gunstig reaksjon (høy negativ G’o). Den totale G’o for reaksjonen vil da bli summen av G’o for de to reaksjonene, og den totale reaksjonen kan derved bli eksergon. En svært vanlig metode er å koble hydrolyse av ATP til energimessig ugunstige reaksjoner. Bioenergetikk

20 Endringer i G’o er additive
Glukose + Pi  glukose 6-fosfat + H20 G′0 = 13.8 kJ/mol (1) (Den omvendte reaksjonen, hydrolyse av G-6-P er spontan.) ATP + H20  ADP + Pi G′0 = ‒30.5 kJ/mol (2) (G′0 verdiene av sekvensielle reaksjoner er additive.) Glukose + ATP  glukose 6-fosfat + ADP G′0 = ‒16.7 kJ/mol (3) Viktig her: Må ha nok aktiveringsenergi for å sette i gang selv termodynamisk gunstige reaksjoner. Feks forbrenning av ved – veldig gunstig termodynamisk, men ved romtemp vil ikke veden antennes av seg selv. Men ved tilførsel av litt energi (fyrstikk) så vil reaksjonen settes i gang m produksjon av varme og lys, og fortsette til all veden er oppbrukt fordi energien som genereres underveis vil drive reaksjonen til endes. I biologiske systemer gjøres denne jobben av katalysatorer – enzymer. Få reaksjoner hadde skjedd raskt nok om det ikke var for at de ble katalysert. SÅ – termodynamikken sier bare noe om hvilken retning en reaksjon går – ingenting om hastighet. Tilsvarende vil en katalysator, et enzym, ikke kunne påvirke retningen av en reaksjon /kan ikke endre likevektskonstanten, men hastigheten på reaksjonen.

21 Transport av elektroner kan utføre arbeid
Transport av elektroner kan utføre arbeid Når vi kobler et batteri til en motor, vil strømmen av elektroner fra den ene polen til den andre polen kunne få motoren til å utføre arbeid. Tilsvarende vil elektroner som doneres fra ett molekyl til et molekyl med høyere elektronaffinitet (mer stabilt), avgi energi. Denne energien kan benyttes av cellene til å utføre arbeid. Det er dette prinsippet som benyttes for å syntetisere ATP fra de reduserte elektronbærerne NADH og FADH2. red-ox reaksjoner er ansvarlig for alt arbeid som utføres i levende organismer Oksidasjon : elektrontap fører til at en forbindelse blir oksidert Reduksjon : elektronmottakelse fører til at en forbindelse blir redusert Bioenergetikk

22 Energien i næringsmolekyl trekkes ut til energibærere som ATP, NADH, NADPH og FADH2
Exergon / katabolsk reaksjon: systemet frigir fri energi G < 0 Endergon / anabolsk reaksjon: systemet bli tilført fri energi G > 0 Bioenergetikk

23 Energien som frigjøres ved hydrolyse av ATP skyldes:
Redusert ladningsrepulsjon mellom de negative ladningene på ATP. Resonansstabilisering av avspaltet fosfat (Pi) Ionisering av produktet ADP2- til ADP3- frigjør H+ i miljø med veldig lav [H+] (~10-7M / pH~7) Bedre solvatisering av ADP og Pi relativt til ATP Det er fosforyl som fjernes fra ATP. Det dannes fosfat etter at O fra H2O hektes på. Fosfoanhydridbinding spaltes Massebalansen favoriserer også dannelse av ADP og Pi fordi konsentrasjonene i cella er langt under likevekt. Dette er dG0 – v standard betingelser, men i cella vil dG være mer negativ (mer energi frigis) fordi konsentrasjonene er mye lavere enn 1M. Men – ATP stabil v pH 7 fordi aktiveringsenergien for reaksjonen er veldig høy – må ha katalysator. Finnes mer høyenergetiske fosfatforbindelser (og andre forb) slik at ATP kan regenereres fra ADP og Pi Fosfat: Fosforyl: -OPO32- -PO32- Bioenergetikk

24 Oksidasjon Oksidasjon innebærer fjerning av elektroner - enten alene eller i form av hydrogenatomer. Oksidasjoner er nedbrytningseaksjoner (katabolske) som frigjør energi. H Redusert molekyl Oksydert molekyl + Hydrogen-atomer Frigitt energi red-ox reaksjoner er ansvarlig for alt arbeid som utføres i levende organismer. Oksidasjon : elektrontap fører til at en forbindelse blir oksidert. Vvis tap av hydrogen heller en tilførsel av oksygen, så dehydrogenering (katalysert av dehydrogenaser). I biokjemien ofte 2 elektroner som overføres til oksygen. Reduksjon : elektronmottakelse fører til at en forbindelse blir redusert For karbon i karbonforbindelser, vil økt grad av oksidasjon i praksis tilsvare en økning i antall C-O-bindinger Bioenergetikk

25 Reduksjon I syntesereaksjoner (anabolske) skjer det motsatte. Forbindelser reduseres ved at elektroner eller hydrogenatomer tas opp. Energi H H H + H Oksydert molekyl Hydrogen-atomer Redusert molekyl I cellene skjer oksidasjons- og reduksjonsprosesser samtidig. Når næringsmolekyler oksideres, tas ofte elektronene opp av bestemte elektronbærere, som blir redusert. Disse elektronbærerne kan deretter avgi elektronene til syntesereaksjoner i cellene, blant annet til dannelse av ATP. red-ox reaksjoner er ansvarlig for alt arbeid som utføres i levende organismer. For heterotrofe organismer (ikke fotosyntetiske) vil elektrondonorene være reduserte forbindelser som kommer fra mat. I fotosyntetiske organismer er elektrondonor en kjemisk forbindelse som eksiteres av lys fra sola. Elektronene overføres vha elektronbærere i cella til elektrofile mottakere i reaksjoner som katalyseres av enzymer, og hvor energi frigjøres. Typisk i cella: Oksidasjon av glukose til en mer elektrofil mottaker, feks O2. Drivkraften er elektromotiv kraft, dvs forskjellen i elektrofili. Skjer gjennom en rekke reaksjoner der elektronene bringes videre av elektronbærere. Energien brukes til biologisk arbeid, feks utført av enzymer. Feks ATP syntese i mitokondriene. Oksidasjon : elektrontap fører til at en forbindelse blir oksidert Reduksjon : elektronmottakelse fører til at en forbindelse blir redusert Bioenergetikk

26 De viktigste elektronbærerne er NADH, NADPH og FADH2
De viktigste elektronbærerne er NADH, NADPH og FADH2 Koenzymer: Nikotinamid adenin dinukleotid (NAD/NAD+) Nikotinamid adenin dinukleotid fosfat (NADP/NADP+) Fra vitaminet Niacin (Nikotinsyre / Vitamin B3) Prostetisk gruppe: Flavin adenin dinukleotid (FAD/FAD+) Fra vitamin riboflavin (Vitamin B2) Konservering av fri energi som genereres v katabolske reaksjoner, feks nedbrytning (oksidasjon) av glukose: elektronene doneres til spesialiserte elektronbærere (som reduseres). NAD+, NADP+ - to nukleotider som er bundet sammen via fosfatgrupper i fosfoanhydridbinding. Koenzymer, løselige. NAD+ virker oftest i katabolske reaksjoner (oksidasjoner, dehydrogeneringer), mens NADPH er ofte koenzym i reduksjoner (anabolske prosesser). Bestemt av konsentrasjon av ox vs red form av de ulike molekylene. Prostetisk gruppe – tett bundet til proteinet det virker sammen med (enzymet, typisk et flavoprotein). Vil ikke diffundere for å overføre elektroner til nytt substrat, men gjør at flavoproteiner kan holde på elektroner mens de utfører redoks reksjoner NAD+ + 2e- + 2H+  NADH + H+ (NAD+ reduseres til NADH) NADP+ + 2e- + 2H+  NADPH + H+ (NADP+ reduseres til NADPH) FAD+ + 2e- + 2H+  FADH2 (FAD+ reduseres til FADH2)

27 De viktigste elektronbærerne er NADH, NADPH og FADH2
De viktigste elektronbærerne er NADH, NADPH og FADH2 (Framside) (Bakside) Substratet donerer 2 H atomer Hvert oksiderte nukleotid aksepterer et hydrid ion (proton + 2 e-) H+ frigis til medium Niacinmangel : Pellagra = DDD Pellagra – Niacin-mangel, precursor for NAD pyridin-lignende ring. Niacin syntetiseres fra tryptofan, men vi klarer ikke nok – spes folk med diett som er lav i tryptofan, feks mais. Fører til svikt i alle NAD-avh dehydrogenaser, alvorlig, kjennetegnes ved DDD – dermatitt, diare, demens, og ofte etterfulgt av død. Bioenergetikk

28 De viktigste elektronbærerne er NADH, NADPH og FADH2
De viktigste elektronbærerne er NADH, NADPH og FADH2 FADH2 er mer allsidig enn NAD(P)H: Aksepterer 1 eller 2 e- med 1 eller 2 H+ (begge medfører hydrogen overføring) Reduksjonspotensial (-0.4 V til V) avhengig av bindingsstyrke Flavin nukleotid co-enzymer er bundet til enzymer, kalles flavoproteiner. Prostetiske grupper. Derivater av riboflavin vitamin.

29 Sammendrag Termodynamikkens lover kan anvendes på systemer av levende organismer. Kjemiske reaksjoner er gunstige når den frie energien til produktene er lavere enn den frie energien til reaktantene. Energimessig ugunstige reaksjoner kan gjøres mulig ved å sammenkoble en ugunstig reaksjon med svært gunstige reaksjoner. Oksidasjon/reduksjonsreaksjoner involverer overføring av elektroner fra reduserte organiske molekyler til spesialiserte red/oks kofaktorer. De reduserte kofaktorene kan brukes i biosyntetiske spor eller brukes som energi til ATP syntese. Bioenergetikk

30 «Det store bildet» Metabolisme er summen av alle kjemiske omdannelser som skjer i en celle eller en organisme. Heterotrofe organismer må skaffe energi fra omgivelsene i form av komplekse organiske og energirike molekyler som typisk er endeprodukter fra autotrofe organismer (planter) som har laget disse ved bruk av solenergi til omdannelse av CO2 til organiske forbindelser + O2. Nedbrytningen av energirike organiske forbindelser skjer i en rekke metabolske (katabolske) spor som har til formål å generere byggesteiner og energirike mellomprodukter som ATP, som igjen brukes til å konstruere komplekse molekyler som cellen behøver. Dette skjer i en rekke anabolske (energikrevende) reaksjoner (metabolske spor). Oksygen forbrukes og CO2 genereres. Bioenergetikk