Forelesninger i BI Våren 2003 Energi og metabolisme (Kap.3)

Presentasjon om: "Forelesninger i BI Våren 2003 Energi og metabolisme (Kap.3)"— Utskrift av presentasjonen:

1 Forelesninger i BI 101 - Våren 2003 Energi og metabolisme (Kap.3)
Tor-Henning Iversen, Plantebiosenteret (PBS), Institutt for biologi,NTNU Tlf PBS`s hjemmeside;

2 Forelesninger BI 101 - vår 2003 HVA SKAL GJENNOMGÅES I KAP. 8 ?
Termodynamikkens lover : Energistrømmen i levende ting Termodynamikkens lover Fri energi Aktiveringsenergi Enzymer som biologiske katalysatorer : Om enzymer Hvordan virker enzymer ? Hvilke former kan enzymer ha ? Forhold som påvirker enzymaktivitet ATP som energikilde Cellens metabolisme - en enkel oversikt : Hvordan er metabolismen organisert ? Metabolismens evolusjon

3 Forelesninger BI 101 - vår 2003 ENERGI-FORMER OG ARBEID
Energi er sentralt når det gjelder å forklare hvordan fysiske og biologiske forandringer skjer. Energi er definert som evne til å utføre et arbeid. En fjellklatrer vil under klatringen bruke betydelige energimengder ; den potensielle energi hos klatreren øker med høyden - ved et fall utfor vil den potensielle energi overføres til kinetisk energi (bevegelsesenergi). For å kunne gjennomføre klatringen vil kroppscellene omforme den potensielle energi i kjemiske bindinger til kinetisk energi i muskelkontraksjoner. I Kap. 8 fokuseres det på å vise sammenheng mellom energi og arbeid. Fysiske prinsipper vil knyttes til de kjemiske forbindelser og kjemiske endringer som skjer i levende systemer. Enzymer som påvirker hastigheten av en metabolisme(stoffskifte) -prosess vil derfor være sentrale som regulatorer av de viktigste metabolisme-veier (pathways) i cellen.

4 Forelesninger BI 101 - vår 2003 METABOLISME,ENERGI OG TERMODYNAMIKK
Alle levende organismer mottar energi fra omgivelsene - ingen levende organismer produserer energi. Men - energi som fremtrer i mange former kan omformes fra en form til en annen gjennom de kjemiske reaksjoner som skjer i cellen ( metabolisme). Varme, lys, elektrisitet, mekanisk energi etc. er ulike former for kinetisk energi ( se figur). Energi knyttet til posisjoner og tyngdekraft kalles potensiell energi - som også er forbundet med kjemiske bindinger. Hos planter blir f.eks. lysenergi benyttet for å binde CO2 til mer kompliserte karbohydrater dvs. lysets kinetiske energi lagres som potensiell energi i karbohydratets kjemiske bindinger. Gjennom cellulære prosesser omformes den potensielle energien i cellens respirasjon. Fysiske lover (termodynamikken) styrer all energiomforming, identifiserer tilgjengelig energi for å utføre arbeid og bestemmer energistrømmen.

5 Forelesninger i BI 101 - Våren 2003 Energistrømmen i levende ting
Energi er per definisjon : ”kapasitet til å gjøre arbeid”. Kinetisk energi er lik bevegelsesenergi (Figure 8.2 b). Bevegelige objekter utfører arbeid ved å få andre objekter til å bevege seg. Potensiell energi er som nevnt lik lagrings-energi. Objekter som ikke beveges aktivt (Figure 8.2 a), men som har kapasitet til å bevege seg - inneholder potensiell energi. Energi kan innta mange former og måles på ulike måter: mekanisk energi, varme, lyd, elektrisk strøm, lys eller radioaktiv stråling. Den mest målbare formen er som varme fordi alle andre former kan omdannes til varme. Varme måles innenfor biologien i kilokalorier (kcal) som er lik 1000 kalorier (cal). I cal er varmen som kreves for å øke temperaturen i 1 gram vann med 1oC. I fysikken brukes joule ; 1 joule=0.239 cal. Figure 8.2

6 Forelesninger i BI 101 - Våren 2003 Energistrømmen i levende ting (forts.) : Red-oks reaksjoner
Energi strømmer inn i den biologiske verden fra solen med en intensitet på 40 millioner milliarder cal pr. sekund. I fotosyntetiserende organismer fanges brøkdeler av dette opp gjennom fotosyntesen. Denne energien blir lagret som potensiell energi i kovalente bindinger mellom atomene i sukkermolekyler (kfr. Kap 3). Styrken til en kovalent binding måles som den mengden energi som skal til for å bryte den - f.eks. kreves 98.8 kcal for å bryte 1 mol av C-H-bindinger. Gjennom en kjemisk reaksjon kan bindingsenergien bli overført til nye typer av bindinger. Når et atom eller molekyl mister et elektron blir det oksidert; når et elektron opptas blir det redusert. Dette skjer samtidig - kalles en red-oks reaksjon (Figure 8.3). Red-oks reaksjoner er viktige i energi-strømmen i biologiske systemer fordi elektronene som bærer med seg energi passerer fra ett atom til et annet. Elektronets energi avhenger av dets avstand fra kjernen og dens tiltrekking på elektronet. Denne energi-vandringen blir nøye gjennomgått i Kap. 9 og 10. Figure 8.3

7 Forelesninger i BI 101 - Våren 2003 Termodynamikkens lover
Termodynamikkens lover er et sett med universelle lover som styrer alle energi-forandringer i universet. Termodynamikkens 1. lov omfatter energimengden i universet og sier at energi kan ikke skapes eller nedbrytes. Energi kan bare skifte form f.eks. fra potensiell til bevegelsesenergi. Denne loven er relevant når man betrakter universet som et hele eller et lukket system ( f.eks. solsystemet, jorden eller en termos; se figuren). I et lukket system finnes også åpne systemer - f.eks. en celle som utveksler stoffer og energi med omgivelsene dvs. bryter derfor ikke med 1. lov. Universets totale energimengde forblir konstant. Gjennom vår fordøyelse omdannes energien fra kjemiske bindinger i nærings-forbindelser til f.eks. bevegelse. Under omdanningen vil endel ikke kunne nyttigjøres som arbeid men bli et varmetap. Selv om den totale mengde i universet er konstant vil den tilgjengelige delen som skulle kunne utnyttes til arbeid forsvinne gradvis som varme.

8 Forelesninger i BI 101 - Våren 2003 Termodynamikkens lover
Termodynamikkens 2. lov er knyttet til omformingen til varme eller tilfeldig molekylær bevegelse. Loven sier at når energi omdannes fra en form til en annen vil noe av energien bli utilgjengelig for å utføre et arbeid. Med andre ord - ingen fysisk prosess eller kjemisk reaksjon er 100% effektiv dvs. noe går tapt f.eks. som varme. Loven sier at uorden i universet eller entropien øker. Dette vil si at uorden er mer sannsynlig enn orden. Generelt vil energi-omforminger skje spontant ved å overføre stoff fra en mer ordnet (lite stabil form) til en mindre ordnet dvs. mer stabil form (Figure 8.5). Ettersom tiden går blir det mer uorden på barnerommet og det kreves energi for å rydde. Figure 8.5

9 Forelesninger i BI 101 - Våren 2003 Fri energi
Fri energi er den formen for energi som er tilgjengelig dvs. nyttbar til å bryte eller bygge opp en kjemisk binding. Fri energi er den energi som er tilgjengelig til å gjøre et arbeid i et system. Total energi er summen av nyttbar og ikke-nyttbar energi. I et molekyl i en celle (konstant trykk og volum) brukes symbolet G (”Gibbs free energy”) . Den totale energi i et biologisk system kalles entalpi (H ), den nyttbare kalles fri energi (G) og den ikke-nyttbare kalt entropien (S ) som er produktet av systemets uorden og den absolutte temperatur [T : angies i grader Kelvin (K = oC+273) ] : G = H - TS Forelesninger i BI Våren Fri energi

10 Forelesninger i BI 101 - Våren 2003 Fri energi
I en kjemisk reaksjon i en celle dannes nye bindinger og det skjer endringer i fri energi : ∆G = ∆H - T ∆S ∆G er en meget viktig faktor i kjemiske reaksjoner i cellen. TS viser en forandring i entropien dvs. det er flere produkter i en kjemisk reaksjon enn reaktanter - altså en øket uorden eller tilfeldighet i systemet. Dette er et resultat av alle kjemiske og fysiske endringer og biologiske prosesser som fører i retning mot øket uorden. Oppløsning av en fast NaCl-krystall (lav entropi) i vann gir ioner som er i uorden, tilfeldigheten øker og samtidig entropien (S). Tilbakeføring til den opprinnelige krystall krever tilførsel av energi - vannet fordamper og det skjer en krystallisering av saltet. Når ∆G er positiv (reaksjonsproduktene inneholder mer fri energi enn reaktantene) betyr det at reaksjonen ikke skjer spontant men krever tilførsel av energi. Dette er en endergonisk reaksjon. Når ∆G er negativ (reaksjonsproduktene inneholder mindre fri energi enn reaktantene) vil reaksjonen skje spontant. Dette er en exergonisk reaksjon som frigjør energi (se Figure 8.6) Figure 8.6

11 Forelesninger i BI 101 - Våren 2003 Aktiveringsenergi
Aktiveringsenergi er den formen for ekstra energi som kreves for å starte en reaksjon (Figure 8.7 a). Hastigheten på en exergonisk reaksjon - som normalt ikke foregår raskt -kan økes ved tilførsel av en slik ekstra energi som destabiliserer de eksisterende kjemiske bindingene. Den prosessen som nedsetter aktiveringsenergien for å starte en reaksjon kalles katalyse og forbindelser som fungerer slik kalles katalysatorer (Figure 8.7b). Merk at katalysatorer (f.eks. enzymer) øker reaksjonshastigheten uten å endre forholdet mellom reaktanter og produkter. Figure 8.7

12 Forelesninger i BI 101 - Våren 2003 Enzymer som biologiske katalysatorer : Om enzymer
Enzymer ble omtalt i Kap. 3 som ”...globulære proteiner som er meget substratspesifikke og øker betydelig hastigheten på kjemiske reaksjoner..” dvs. de er katalysatorer. (Noen biologiske katalysatorer er ikke-proteiner men RNA-molekyler). Proteinets 3D-form gjør at enzymene kan gi midlertidig plass for substratene (reaktantene) som skal omdannes. Enzymet nedsetter aktiveringsenergien for at nye bindinger skal kunne dannes, men omdannes ikke selv. Et eksempel i boken er carbonic-anhydrase (Figure 8A) som virker i blodet og katalyser reaksjonen med omsetning av molekyler av karbonsyre (hydrogenkarbonat) per sekund ( uten enzym : 200 molekyler per time - Les mer om enzymet på s. 149): CO2 + H2O --> H2CO3 --> HCO3- + H+ Figure 8.A

13 E + S --> ES --> E + P
Forelesninger i BI Våren Enzymer som biologiske katalysatorer : Hvordan virker enzymer ? Enzymer er spesifikke dvs. de virker kun på bestemte reaktanter eller substrater. Enzymet får ofte navn etter substratet ved tillegg av endelsen ”- ase” - f.eks. virker enzymet hexokinase på hexose-sukkere. Men - mange enzymer har navn som ikke følger dette mønster (f.eks. trypsin som er et fordøyelsesenzym som nedbryter proteiner). Substrat-molekyler (S) bindes med ulike bindingstyper (H-bindinger, ione-bindinger eller kovalente) til et aktivt sete (eksempel enzymet lysozyme - Figure 8.8) på enzymet under reaksjonen og danner et intermediært substrat-enzym-kompleks. Når reaksjonen er over frigjøres enzymet upåvirket fra produktene (P) : E + S --> ES --> E + P Figure 8.8

14 E + S --> ES --> E + P
Forelesninger i BI Våren Enzymer som biologiske katalysatorer : Hvordan virker enzymer ?(forts.) ES-komplekset (Figure 8.9) er et resultat av ”induced fit” (= indusert tilpassing) dvs. bindingen av substratet til enzymet forårsaker en ny tilpasset form. Figure 8.9 viser hvordan enzymet sucrase (spalter sukrose--> glukose + fruktose) endrer form rundt sukrose-molekylet og bindingene i aminosyre-restene i det aktive setet brytes og det dannes to produkter (P) : E + S --> ES --> E + P Figure 8.9

15 Forelesninger i BI Våren Enzymer som biologiske katalysatorer : Hvordan virker enzymer ?(forts.) I de kjemiske bindingsprosesser i aminosyre-restene som foregår i det aktive setet - bryting av eksisterende og nydannelse - bruker enzymet ulike mekanismer (se figuren - a-c) : a. bestemt orientering av substratet, b. påfører substratet ladninger ( syre-base katalyse og metall-ion katalyse ) og c. påfører et mekanisk press på substratet.

16 Forelesninger i BI Våren Enzymer som biologiske katalysatorer : Hvordan virker enzymer ?(forts.) ES-komplekset har en lavere aktiveringsenergi enn «transition state» i den ikke-katalyserte reaksjonen (se figuren) - uten at dette påvirker den fri energi (G) mellom reaktanter og produkter. Men - hastigheten i reaksjonen mot likevekt er betydelig øket.

17 Slike multienzym-komplekser har fordeler :
Forelesninger i BI Våren Enzymer som biologiske katalysatorer : Hvilke former kan enzymer ha ? Enzymer kan opptre fritt i cytoplasma i cellen eller bundet til celleorganeller. I en metabolisme-kjede kan ulike enzymer være løst koblet til hverandre i et større multienzym-kompleks som arbeider i kjede. I Figure 8.10 er vist et eksempel - pyruvat-dehydrogenase (pyruvat = ravsyre) i Krebs-syklus som har 60 underenheter. Slike multienzym-komplekser har fordeler : gir nærhet mellom de ulike substrater og produkter reduserer muligheten for sideeffekter ved reaksjonene alle reaksjonene i komplekset kan reguleres som en enhet Figure 8.10

18 Det finnes to former for ribozymer :
Forelesninger i BI Våren Enzymer som biologiske katalysatorer : Hvilke former kan enzymer ha ? (forts.) Som nevnt er ikke alle biologiske katalysatorer proteiner - også RNA kan ha en slik oppgave bl.a. i fotosyntesen. Slike RNA-katalysatorer kalles ”ribozymer” - og viser substrat-spesifisitet og gir i likhet med enzymer øket hastighet. Det finnes to former for ribozymer : de som gjennomfører intramolekylær katalyse er foldete og katalyserer reaksjoner på seg selv de som gjennomfører intermolekylær katalyse på andre molekyler enn seg selv. Det ser ut som om ribozymer kan virke både som informasjons- molekyler (se Kap. 3) og biologiske katalysatorer. Dette betyr i en evolusjonsmessig sammenheng kan RNA ha blitt utviklet først og katalysert reaksjonen av de første proteiner dvs. enzymer.

19 Forelesninger i BI Våren Enzymer som biologiske katalysatorer : Forhold som påvirker enzymaktivitet Enzym-hastigheten er påvirket av konsentrasjonen av substratet og av enzymet som virker på det. I tillegg vil en rekke kjemiske og fysiske faktorer - som endrer enzymets 3D-form - påvirke aktiviteten : temperatur pH inhibitorer og aktivatorer enzym-cofaktorer Enzym-hastigheten øker med temperaturen opp til et punkt (temperatur-optimum), for så å falle (Figure 8.11). Årsaken er at her er den induserte tilpassing (induced fit - se tidligere) optimal for enzymets funksjon. Ved høye temperaturer denaturerer enzymet. I kroppen vår er optimums-temperaturen 37.5oC. Ekstremer finnes i bakterier som lever i varme kilder (> 70oC). Figure 8.11

20 Enzymer har derfor et pH-optimum - vanligvis pH 6-8.
Forelesninger i BI Våren Enzymer som biologiske katalysatorer : Forhold som påvirker enzymaktivitet (forts.) Enzym-hastigheten påvirkes av H+-konsentrasjonen (dvs. pH) i den løsning enzymet virker i, fordi dette endrer ladningene i enzymets aminosyre-rester. Enzymer har derfor et pH-optimum - vanligvis pH 6-8. Ekstremer er enzymer i f.eks. magesekken. Pepsin spalter proteiner ved pH 2 mens trypsin er mer normalt og krever pH 6-8 (Figure 8.11). Figure 8.11

21 Forelesninger i BI Våren Enzymer som biologiske katalysatorer : Forhold som påvirker enzymaktivitet (forts.) Inhibitorer og aktivatorer er spesifikke stoffer som bindes til enzymet og påvirker formen. På denne måten kan cellen regulere hvilke enzymer som skal være aktive. Inhibitorer - naturlige og kunstig tilførte - bindes til enzymer og nedsetter hastigheten av enzym-reaksjonen. Bindingen kan være reversibel eller irreversibel. De naturlig forekommende regulerer metabolismen - de kunstige brukes ved behandling av sykdommer eller i forbindelse med laboratorie-undersøkelser for å få kunnskap om enzymer. Et eksempel på en irreversibel inhibitor er DIPF (diiso-propylphosphorofluoridate) som bindes til OH-gruppen i aminosyren serin i enzymet og blokkerer derved det aktive setet hos enzymet. DIPF tilhører gruppen nervegasser da de virker på enzymet acetylcholinesterase som er helt sentralt ved nerveimpulser bl.a. signaler til muskelceller. Nervegassen Sarin ble brukt på undergrunnen i Tokyo i 1995.

22 Enzym-hemningen (Figure 8.12) foregår på to måter:
Forelesninger i BI Våren Enzymer som biologiske katalysatorer : Forhold som påvirker enzymaktivitet (forts.) Enzym-hemningen (Figure 8.12) foregår på to måter: 1. ved competitive (konkurrerende) inhibitorer 2. ved non-competitive (ikke-konkurrerende) inhibitorer De competitive inhibitorer er et eksempel på en reversibel inhibitor da slike molekyler kjemper med substratet om plass på enzymets aktive sete og derved hemmes enzymaktiviteten. Når konsentrasjonen av den konkurrerende inhibitor synker blir det flere aktive seter ledig og enzymet blir igjen aktivt. Non-competitive inhibitorer bindes til enzymet et stykke ifra det aktive setet (se om allosteriske seter på neste side) og fører til en konformasjonsendring hos enzymet som derved blir hemmet i sin aktivitet. Figure 8.12

23 Forelesninger i BI Våren Enzymer som biologiske katalysatorer : Forhold som påvirker enzymaktivitet (forts.) Som nevnt i Kap. 3 så vil et protein kunne ha en kvarternær struktur dvs. enzymer med en slik konformasjon har multiunderenheter. Slike enzymer kan være allosteriske (”ulik form”) dvs. en eller flere av underenhetene kan endres for så å påvirke de øvrige deler av enzymet (Figure 8.12). De fleste non-competitive inhibitorer bindes til spesielle deler av enzymet - de allosteriske seter - som virker som av/på-brytere. Binding av et stoff (en effektor) til et slikt sete kan slå enzymet av/på i dets aktive og inaktive former. Et stoff som bindes til og reduserer enzym-aktiviteten kalles en allosterisk inhibitor. Et stoff som øker aktiviteten kalles en aktivator. Figure 8.12

24 NAD+ består av NMP (nicotinamide monofosfat) og AMP (Figure 8.13).
Forelesninger i BI Våren Enzymer som biologiske katalysatorer : Forhold som påvirker enzymaktivitet (forts.) Noen enzymer krever ikke-protein-molekyler for å fungere (Tabell 6.1). Dette er 1. cofaktorer (uorganiske ioner), 2. coenzymer (ikke-protein organisk molekyl, f.eks. mange vitaminer) og 3. prostetiske grupper ( fast bundet til enzymet f.eks. hem-grupper). Coenzymer er ikke fast bundet til enzymet, endres kjemisk under enzym-reaksjonen og frigjøres fra enzymet etter at reaksjonen er gjennomført. Eksempler på coenzymer er NAD (nicotinamide adenin dinukleotid), ATP og ADP. Når NAD+ opptar et elektron og et H-atom fra det aktive setet av et enzym, blir det redusert til NADH. NAD+ består av NMP (nicotinamide monofosfat) og AMP (Figure 8.13). Figure 8.13

25 Forelesninger i BI 101 - Våren 2003 ATP som energikilde
Den viktigste energikilden i cellen er adenosin trifosfat (ATP). Cellen bruker ATP til alle energikrevende prosesser - oppbygging av karbohydrater, andre kjemiske reaksjoner, transport over membraner etc. Strukturen av et ATP-molekyl er vist i Figure ribose (5-C-sukker), adenin(en N-base; se Kap. 3) og en trifosfat-gruppe. ATP lagrer energi pga den negativt ladete fosfat-gruppen - en ”sammenrullet fjær” (coiled spring). De ustabile bindingene som holder fosfatene sammen har en lav aktiveringsenergi og brytes lett ved avgivelse av mye energi. Vanligvis er det kun den ytterste P-gruppen som avspaltes ; ATP --> ADP + Pi + energi (7.3 kcal/mol) Cellene bruker ATP til å drive endergoniske reaksjoner. ATP er meget kortlivet og kan ikke brukes av cellen som en lagringsform. Dette gjør istedet karbohydrater og fett. Figure 8.14

26 To hovedformer for metabolisme-reaksjoner forekommer i cellen :
Forelesninger i BI Våren Cellens metabolisme - en enkel oversikt : Hvordan er metabolismen organisert ? To hovedformer for metabolisme-reaksjoner forekommer i cellen : 1. Anabolske (anabolisme = oppbyggende) reaksjoner bygger opp energi og 2. Katabolske (katabolisme = nedbrytende) reaksjoner bruker energi Mange reaksjoner i metabolismen foregår i en biokjemisk kjedereaksjon (biochemical pathway) hvor produktet fra en reaksjon blir substratet i neste (Figuer 8.15). Enzymer for de fleste trinn i en slik kjede er lokalisert i visse compartment i cellen f.eks. finnes sitronsyresyklus-enzymene (og prosessene) i mitokondriene. Det er skissert hypotetisk hvordan biokjemiske kjedereaksjoner kan ha utviklet seg - kan leses. Figure 8.15

27 Forelesninger i BI Våren Cellens metabolisme - en enkel oversikt : Hvordan er metabolismen organisert ? (forts.) Reguleringen av de biokjemiske kjede-reaksjoner som gjennomføres av cellen, er viktig for at de skal fungere effektivt. Målet er å syntetisere metabolitter etter behov. Den vanlige reguleringsformen er basert på feedback-mekanismer : endeproduktet i kjeden bindes til et allosterisk sete på det enzymet som katalyserer første reaksjon i kjeden (feedback-inhibering). Skjematisk vist i Figure 8.16. Figure 8.16

28 Forelesninger i BI Våren Cellens metabolisme - en enkel oversikt : Metabolismens evolusjon Samvirket mellom anabolisme og katabolisme har utviklet seg samstemt gjennom evolusjonen. Nedbrytning : de mest primitive former for liv oppnådde kjemisk energi gjennom nedbrytning av organiske molekyler som var blitt produsert abiotisk. Senere ble energien lagret i ATP. Glykolyse : nedbrytning av glukose til et 3-C molekyl over 10 trinn, var 2. utviklingstrekk i evolusjonen av metabolisme. Nettoutbyttet er 2 ATP (se Kap. 9). Anaerob fotosyntese : tredje trinn i evolusjonen var utviklingen av en kjemiosmotisk prosess hvor lysenergi ble brukt for å pumpe protoner ut av cellen for deretter å bruke protongradienten til produksjon av ATP. Fotosyntese kan skje uten oksygen ; H2S tjener som kilde for H-atomer og fritt svovel dannes som biprodukt. Nitrogen-fiksering :fjerde trinn i evolusjonen av metabolisme. Består i binding av fritt nitrogen (N2 ) som krever brytning av trippelbindingen mellom de to N-atomer. Merk at oksygen virker som en hemmer av N-fikseringen. Skjer idag i oksygen-frie soner i N2-fikserende bakterier (Rhizobium). Aerob fotosyntese : femte trinn i evolusjonen av metabolisme var at H2O erstattet H2S i fotosyntesen (behandles i Kap. 10) Aerob respirasjon : siste trinn i metabolisme-evolusjonen (behandles i Kap. 9)