BIOENERĢĒTIKA: ievads

1. BIOENERĢĒTIKA: ievads Lai dzīvie organismi spētu pastāvēt, tiem nepieciešama enerģija Bioenerģētika ir bioķīmijas nozare, kas pēta kā šūnas pārveido, uzkrāj un izmanto enerģiju Centrālais bioenerģētikas pētījumu objekts – ATP veidošanās oksidatīvajā fosforilēšanā un fotofosforilēšanā: procesi, kas notiek mitohondrijos un hloroplastos

2. ATP – šūnas centrālais “enerģētiskais starpprodukts” Ar “~” apzīmētās t.s. “makroerģiskās” saites hidrolizējot izdalās daudz enerģijas

4. • ATP un ADP molekulu negatīvo lādiņu daļēji ekranē saistīšanās ar magnija joniem • ATP ūdens vidē ir kinētiski stabils (stabilitāte zūd, fosfātgrupu aizvietojot ar arsenātu) • ATP ir svarīgs fosfātgrupu donors

5. Lai ATP šūnā funkcionētu kā enerģijas donors, svarīgs ir fosforilēšanas potenciāla lielums, nevis vienkārši ATP koncentrācija Fosforilēšanas potenciāls ir ATP hidrolīzes brīvā enerģija Kas ir brīvā enerģija?

6. Jebkura reakcija noris līdz brīdim, kad tiek sasniegts līdzsvars: A B , ko raksturo līdzsvara konstante: Keq = [B] / [A] Pie pastāvīgas temperatūras un spiediena termodinamiskā funkcija, kas kvantitatīvi raksturo reakcijas attālinātību no līdzsvara stāvokļa ir reakcijas brīvā enerģija, jeb Gibsa enerģija, ko apzīmē ar G Jo tālāk no līdzsvara stāvokļa, jo reakcijā izdalās (vai tās norisei jāpievada) vairāk brīvās enerģijas

7. Gibsa enerģijas izmaiņas norāda, kāds daudzums enerģijas izdalās (ja G<0) vai jāpievada (ja G>0), vienu molu substrāta pārvēršot produktā pie nemainīgām produkta un substrāta koncentrācijām (t. i., reakcijas laikā pastāvīgi pievadot substrātu un aizvadot produktu) • ja G<0, reakcija var noritēt spotāni ar enerģijas izdalīšanos • ja G>0, tad, lai notiktu reakcija, jāpievada enerģija • ja G=0, iestājies reakcijas līdzsvars Brīvās enerģijas izmaiņas atkarīgas gan no tā, kādas saites tiek sarautas un kādas veidojas, gan arī no reaģentu un produktu koncentrācijām: G = G0 + RT . ln([B]/[A])

8. G0ir standarta brīvā enerģija, kas raksturo reakciju standartapstākļos, par kādiem fizikālajā ķīmijā pieņem 1M koncentrācijas visiem reakcijā iesaistītajiem komponentiem Bioķīmijā lietoG0’, kas atbilst pH 7 (nevis pH 0) un 55 M ūdens koncentrācijai Standarta brīvo enerģiju var atrast pēc reakcijas līdzsvara konstantes (jo līdzsvara apstākļos G= 0): G0 = - RT . ln Keq

9. G = G0 + RT . ln([B]/[A]) [B]/[A] = KeqG=0 [B]/[A] = 10Keq G=5,7 kJ/mol [B]/[A] = 100KeqG=11,4 kJ/mol Ja [B]/[A] pieaug/samazinās par kārtu, G(pie 25 0C) pieaug/samazinās par 5,7 kJ/mol

10. ATP hidrolīzes reakciju apraksta šķietamā līdzsvara konstante K’eq = [ADP].[Pi]/[ATP] , kas atkarīga no pH un Mg2+ koncentrācijas Pie pH 7 un [Mg2+] = 10 mM K’eq = 105 Metaboliski aktīvu šūnu mitohondrijos attiecība [ADP].[Pi]/[ATP] ir par ~10 kārtām zemāka: 10-5(~10 mM ATP, ~10 mM Pi, 10-5 M ADP) Mitohondrijos fosforilēšanas potenciāls (Gp) ir: -57 kJ/mol

12. ATP var veidoties: • substrāta līmeņa fosforilēšanas reakcijās, kurās ATP veidojas kādā vienā atsevišķā enzimātiskā reakcijā piemēram: PEP + ADP = piruvāts + ATP •oksidatīvajā fosforilēšanā un fotofosforilēšanā:energosajūdzošajās membrānās ar elektronu transporta ķēžu starpniecību pārveidojotsubstrāta ķīmisko enerģiju vai gaismas kvantu enerģiju transmembrānas jonu gradienta enerģijā, kuru ATP sintāze apgriezeniski pārvērš ATP fosfoanhidrīdsaites enerģijā

13. Enerģijas pārvērtības oksidatīvajā fosforilēšanā jeb Bioenerģētikas “centrālā dogma”: Enerģijas atbrīvošanaRed-oks reakcijaselpošanas ķēdē Enerģijas pārveidošana Transmembrānas jonugradients Enerģijas akumulēšana ATP sintēze

14. Hemiosmotiskā hipotēze -protondzinējspēks kā enerģijas starpforma H+versus~ “Ķīmiskās sajūgšanas hipotēze” – elektronu transporta rezultātā elpošanas ķēdē veidojas starpsavienojumi ar makroerģisko saiti Peter Mitchell 1920-1992 “The oxphos wars”

15. Energosajūdzošās membrānas ir: • mitohondriju iekšējā membrāna (oksidatīvā fosforilēšana) • hloroplastu tilakoīdu membrāna (fotofosforilēšana) • baktēriju citoplazmatiskā membrāna (sastopami abi fosforilēšanas veidi)

16. Evolucionāri elektronu transporta ķēdes radušās prokariotos Mitohondriji un hloroplasti cēlušies no brīvi dzīvojošiem prokariotiem, tiem stājoties simbiotiskās attiecībās ar primitīvajām eikariotu šūnām Bez bioenerģētiskās simbiozes pastāv arī bioenerģētiskais parazītisms - riketsijas

17. Riketsijas – iekššūnas parazīti ar vienkāršotu metabolismu, kas ATP importē no saimniekšūnas

19. Mitochondrial tomograms

20. Piruvātdehidrogenāzes komplekss

21. Trikarbonskābju jeb Krebsa cikls

22. Taukskābju beta-oksidācija

23. Elektronu transports, protondzinējspēka veidošanās un ATP sintēze notiek uz iekšējās membrānas

24. Hloroplastu tilakoīdi - “noraisījušās mitohondriju kristas”

25. Transmembrānas jonu gradients – līdzās ATP otra “konvertējamā” enerģijas forma Mitohondrijos, hloroplastos un vairumā baktēriju energosajūdzošais jons ir H+ Daļā baktēriju energosajūdzošais jons ir Na+ • Mitohondrijos un baktērijās gradients veidojas, no iekšējās telpas transportējot protonus ārā • Hloroplastos protoni tiek transportēti no stromas tilakoīdu iekšienē (lūmenā)

27. Protondzinējspēks – transmembrānas protonu elektroķīmisko potenciālu starpība; raksturo brīvās enerģijas daudzumu, kas iegūstams, pārvietojot 1 molu protonus pāri membrānai pa pH un elektriskā potenciāla gradientu (vienlaikus uzturot nemainīgu šo gradientu lielumu) µH+ =  + RT/F . ln(Hout/Hin) µH+ =  + 2,3 . RT/F . lg(Hout/Hin) µH+ =  + 2,3 . RT/F . [lg(Hout) – lg(Hin)] µH+ =  - 2,3 . RT/F . (pHout –pHin ) 60 mV pie 30 0C µH+ =  - 2,3 . RT/F . pH

28. Protondzinējspēka lielumu mēra milivoltos Uz energosajūdzošās membrānas tiek uzturēts ap 150 – 200 mV liels protondzinējspēks 100 mV liels protondzinējspēks atbilst 9,6 kJ lielai enerģijai uz vienu molu pāri membrānai transportēto protonu Atkarībā no energosajūdzošās membrānas paveida var dominēt viens vai otrs protondzinējspēka komponents: • uz mitohondriju iekšējās membrānas - , • uz hloroplastu tilakoīdu membrānas - pH, • uz baktēriju citoplazmatiskās membrānas - pH pie zema vides pH un  pie neitrāla un bāziska pH

29. Kādi eksperimenti liecina, ka protondzinējspēks ir enerģijas starpforma starp elektronu transportu un ATP? •skābekļa pulss anaerobā mitohondriju suspensijā izraisa vides paskābināšanos • hloroplastu suspensijas apgaismošana izraisa vides pasārmināšanos • uz membrānas inducēts pH gradients(mitohondriju un baktēriju suspensijās – vidi paskābinot, submitohondriālajām daļiņām un hloroplastiem – pasārminot) izraisa ATP sintēzi •ATP pievienošana submitohondriālajām daļiņām izraisa vides pasārmināšanos

31. Kas vēl liecina, ka protondzinējspēks ir enerģijas starpforma starp elektronu transportu un ATP? • starp protondzinējspēka ģenerēšanas sistēmām un ATP sintāzi nepastāv specifiska mijiedarbība – ATP sintēze var notikt dažādās himērās sistēmās un nav atkarīga no komponentu stehiometriskajām attiecībām • protondzinējspēka ģenerēšana un ATP sintēze var nesakrist laikā(piem. apgaismo hloroplastus un tad tumsā pievieno ADP un fosfātu) • elektronu transporta sajūgšanai ar ATP sintēzi nepieciešama intakta membrāna ar zemu H+ caurlaidību • atjūdzēji ir lipofīlas vājas skābes

33. Ja bioenerģētikas “centrālā dogma” ir pareiza, tad jāatbild uz jautājumiem: • kādi mehanismi elektronu transportu saista ar protondzinējspēka veidošanu? • kā protondzinējspēka enerģija tiek izmantota ATP sintēzei?