1 / 40

KVANTITATIVNÍ TERMODYNAMIKA

KVANTITATIVNÍ TERMODYNAMIKA. 4.ročník biochemie. BENG-qTD. Bioenergetika v kostce. BENG-qTD. Něco na úvod. Učebnice biochemie jsou plné omylů, chyb a nesprávných vysvětlení, vyplývajících z „ termodynamické ignorance “ Báje a mýty: * „ATP jako vysokoenergetická sloučenina“

armani
Download Presentation

KVANTITATIVNÍ TERMODYNAMIKA

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. KVANTITATIVNÍTERMODYNAMIKA 4.ročník biochemie

  2. BENG-qTD Bioenergetika v kostce ...

  3. BENG-qTD Něco na úvod... • Učebnice biochemie jsou plné omylů, chyb a nesprávných vysvětlení, vyplývajících z „termodynamické ignorance“ • Báje a mýty: • * „ATP jako vysokoenergetická sloučenina“ • * pojem „makroergní sloučeniny“ • * „účinnost přeměny energie 40%“

  4. BENG-qTD Trochu opakování … • Systémy: • Izolované (adiabatické) • Uzavřené • Otevřené – vyžadují popis pomocí nerovnovážné TD • Příspěvek rovnovážné TD v biochemii: • Studium jednotlivých reakcí jako uzavřené systémy • Otázka rovnovážného stavu reakce • Odchylka aktuálního stavu z rovnováhy • Hlavní nástroj pro: • Výpočet rovnovážných podmínek při přenosu energie a určení odchylky od rovnovážného stavu (= schopnost vykonávat práci) • Eliminace „termodynamicky nemožných“ reakcí

  5. BENG-qTD Entropie a Gibbsova energie Někdo na entropii nevěří …

  6. BENG-qTD Entropie a Gibbsova energie 2 Entropie – hnací síla Enthalpie (teplo) Gibssova energie = zahrnuje výměnu tepla a tok entropie G = H - TSGibbs-Helmholtzova rovnice PokudG< 0systém je schopen vykonávat práci (pokud je k dispozici příslušný mechanismus, kterým ji může vykonávat) Gibbsova energie v biochemii: 1) Reakce substrátů „zásobujících“ respirační řetězec a syntézu ATP 2) Redoxní potenciály při přenosu elektronů (dýchání, fotosyntéza) 3) Elektrochemické gradienty při přenosu iontů na membránách 4) Energie při absorbci kvant světla při fotosyntéze

  7. BENG-qTD G jako funkce odchylky z rovnováhy Gibbsova energie = funkce poměru mezi pozorovaným a rovnovážným stavem reaktantů a produktů  G odpovídá Gibbsově energii/mol uvolněné při průběhu reakce beze změny koncentrace substrátu a produktu (in vivo)

  8. BENG-qTD G a rovnovážná konstanta reakce VÝCHODISKO: - uvažování reakcí ve smyslu vychýlení z rovnovážného stavu Lze odvodit: G = -2.3 RT log K/  R … plynová konstanta T … absolutní teplota  … poměr nerovnovážných konc. Z toho vyplývá: G je funkcí vychýlení z rovnováhy Gje negativní pro  < K G je pozitivní pro  > K CcobsDdobs  = AaobsBbobs ZÁVĚR: - Gnedává odpověď na otázku: „Kolik energie se uvolní při průběhu reakce z aktuálního stavu do rovnováhy ?“

  9. BENG-qTD Hodnoty G pro hydrolýzu ATP K ´= [ADP][Pi] [ATP] zdánlivá reakční konstantapro hydrolýzu ATP na ADP a Pi Za „fyziologického“ stavu(pH= 7, 10-2 Mg2+ ) lze určit: K ´= 105 M( ignorujeme vliv vody, pH, ionizačního stavu,…) a) Pro rovnovážný stav platí platí:  ´= K ´= 105 M pro cytoplazmu (10-2 Pi, 10-3 ADP) – odhad rovnovážné koncentrace ATP 10-10 b) MTCH udržují odchylku od rovnovážného stavu na ´= 10-5 M pro MTCH (10-2 Pi, 10-5 ADP) - odhad koncentrace ATP 10-2 „Fosforylační potenciál“ G (pro syntézu) = - G (pro hydrolýzu)

  10. BENG-qTD Hodnoty G pro hydrolýzu ATP

  11. BENG-qTD Zdánlivé TD konstanty • K´ … zdánlivá rovnovážná konstanta • Vztah k reálným podmínkám v buňce: • aktivita vs. koncentrace • H2O jako reaktant nebo produkt • Ionizační stavy a chelatace • Ad 1) • * v biochemických systémech nelze určit aktivity všech reaktantů = používaní koncentrací • Ad 2) • * v ředěných roztocích = voda jakoby ve standardním stavu (tj. jako čistá kapalina při tlaku 1 atm) • tj. neobjevuje se v rovnicích (pokud jsou K a  definovány za stejných podmínek)

  12. BENG-qTD K´ a ionizační stav Ad 3) * jeden nebo více reaktantů nebo produktů ionizovatelný * nebo je schopen chelatovat kation Rovnovážná konstanta – suma ionizovaných a chelatovaných forem nebo specifické formy vystupující v reakci ? [ ATP] = [ATP4-] + [ATP3-] + [ATP.Mg2-] + [ATP.Mg-] Předpokládá se průběh reakce: ATP.Mg2- + H20 = ADP.Mg- + HPO42- + H+ Problémy: a) průběh reakce není zcela jasně znám b) experimentálně obtížné určit koncentrace forem „pravá konstanta“ K = [ADP.Mg-][HPO42-][H+] [ATP.Mg2-]

  13. BENG-qTD Omezená platnost K´ Závěr: K´není univerzální konstantou K´je závislá na pH, koncentraci kationtu, … G je odvozena z K´ , proto: 1) Gje podobně jako K´platná pouze pro příslušné podmínky 2) G musí být vypočteno za stejných podmínek jako K´ Obecně platí: G = -2.3 RT log10 K/  Pro hypotetické standardní podmínky (1M koncentrace, čistá kapalina nebo čistý plyn při tlaku 1 atm): G0 = -2.3 RT log10 K

  14. BENG-qTD Co vlastně znamená G0? G0 nevypovídá nic o: a) o hodnotě G0pro reakci v buňce b) o směru spontánního průběhu reakce v buňce nebo o hodnotě Guvolněné (spotřebované) při reakci Lze odvodit: G = -2.3 RT log10 K/  G = -2.3 RT log10 K + 2.3 RT log10  G = G0+ 2.3 RT log10  Pro rovnovážné podmínky: G = 0 a tedy  = K

  15. BENG-qTD „Vysokoenergetické“ vazby v ATP- mýtus nebo realita ? • Schopnost reaktantů „vykonávat užitečnou práci“ • je dána vychýlením aktuálního poměru koncentrací z rovnovážného stavu • nikoliv vlastností jednotlivých složek reakce • Příklad 1: moře naplněné rovnovážnou směsí ATP, ADP a Pi • …. nic se neděje! • Příklad 2: glukosa-6-P v koncentraci 1010 větší než rovnovážné • … schopen konat práci v buňce jako ATP

  16. BENG-qTD REDOXní potenciály Dýchání a fotosyntéza  přenos elektronů v transportních řetězcích

  17. BENG-qTD Redox potenciály: trocha pojmů • Oxidačně-redukční reakce: • Redoxní páry • Příklad: Fe 3+.cyt c + 1 e- Fe2+.cyt c • Poloreakce • Příklad: Pyruvát + NADH + H+ Laktát + NAD+ • Oxidace NADH  NAD+ + H+ + 2e- • Redukce Pyruvát + 2 H+ + 2e- Laktát • Redoxní reakce je možno popsat pomocí TD pojmů a veličin • Používají se elektrochemické veličiny • x někdy zamlžuje TD podstatu jevů

  18. BENG-qTD Stanovení redox potenciálů • Redoxní poloreakce jsou vratné a lze je popsat rovnovážnou konstantou ! • PROBLÉM: • * elektronyneexistují volně v roztoku • * analogie v elektrochemii – rovnováha kov/roztok soli • ŘEŠENÍ: • - popis soustavy 2 poločlánků spojených můstkem • (kovová elektroda v rovnováze s 1M roztokem soli) • „Standardní vodíková elektroda“ = nulový potenciál • - H2 při 1 atm na platinové elektrodě • - v roztoku o 1Mkoncentraci H+ při 250C • 2H+ + 2 e-H2 • Potenciály kovových elektrod se odvozují ve vztahu k elektrodě vodíkové

  19. BENG-qTD Redoxní potenciály v biochemii Standardní redoxní potenciál: - definován vůči vodíkové elektrodě - Ox/Red komponent v jednotkové aktivitě (nebo 1M) - pH=0

  20. BENG-qTD Standardní redoxní potenciál Eo je určen za definovaných standardních podmínek vůči vodíkové elektrodě Obdobně jako pro Gibbsovu energii lze pro redoxní pár Ox + ne  Red odvodit vztah: E = E0+ 2,3 RT/nF log10 ([Ox]/[Red]) R …. plynová konstanta F … Faradayova konstanta Standardní redox potenciál

  21. BENG-qTD V redoxních reakcích často vystupují protony: Ox + ne + mH +  Red E0 se stává negativnějším se zvyšujícím se pH: změna 2,3 RT/F(m /n) mV na jednotku pH tj. při m = n je změna - 60mV/pH V biochemii se definuje standardní redox potenciál při pH 7 E0´ ( označován také Em,7 = „mid-point potenciál“) E0´ pro redox pár H +/ 1/2 H2 je 7 x (-60)mV= - 420 mV Pro hodnotu aktuálního potenciálu: Eh,pH=x = Em,pH=x+ 2,3 RT/nF log10 ([Ox]/[Red]) Redox potenciál a pH

  22. BENG-qTD Tabulka redox potenciálů

  23. BENG-qTD • Redoxní pár oxidovaný/ redukovaný glutathione: • GSSG + 2e + 2H +  2 GSH • - Jeden z nejdůležitějších faktorů pro udržení redoxní rovnováhy v cytoplazmě a matrix MTCH • Nestejné množství reaktantů a produktů = závislost redox potenciálu na absolutní koncentraci • Pro n=2 Eh,pH 7 = E0´ + 30 log10 ([GSSG]/[GSH]2) • E0´ = -240 mV (pH 7, 25oC, 1M GSSG a 1M GSH) • Pro udržení redoxního potenciálu na – 200mV je potřeba: • a) při celkové konc. glutathionu 10mM: 1.2mM GSSG • b) při celkové konc. glutathionu 1mM: 20M GSSG Příklad: glutathion

  24. BENG-qTD Význam celkové koncentrace glutathionu ~ kinetický limit enzymu glutathion-reduktasy ?

  25. BENG-qTD Pro redoxní páry A a B: Eh= Eh(A) – Eh(B) - Lze odvodit G = - nF Eh Z podmínky pro rovnováhu G = 0…. Eh= 0 Příklad: mitochondrie NADH/NAD+Eh,7 = - 280mV O2/H2O Eh,7 = + 780mV Eh= 1,16 V … měřítko TD nerovnováhy mezi páry - při přenosu 2 molů elektronů v dýchacím řetězci: G= -2 x 96,5 x 1,16 = - 224 kJ mol-1 Vztah G a rozdílu redox potenciálů

  26. BENG-qTD Na membráně s existujícím membránovým potenciálem platí : G = - nF (Eh +) - Pohyb e- vůči napětí na membráně – „z kopce/do kopce“ Redoxní potenciály na membráně

  27. BENG-qTD Platí obecně pro pohyb iontů přes membrány ~2 hnací síly: 1) koncentrační gradient 2)membránový potenciál  Koncentrační gradient (přenos z koncentrace [X]A do [X]B) G (kJmol-1) = 2,3 RT log [X]B/[X]A Membránový potenciál (přenos kationtu Xm+ po potenciálu  ): G (kJmol-1)= - mF  Celkový elektrochemický potenciál: Xm += G=- mF  +2,3 RT log [X]B/[X]A speciální případ: protony Elektrochemický potenciál iontu

  28. BENG-qTD Pro přenos protonů lze odvodit vztah: H += - F  +2,3 RT pH kde pH je definováno jako pH v P-fázi minus pH v N-fázi Historická poznámka: Mitchellova definice protonmotivní síly p (mV) = - (H +/ F) H + 1kJmol -1 odpovídáp 10,4 mV p 200 mV odpovídá H + 19 kJ mol -1 Pro 25oC a dosazení konstant: p (mV) =  - 59 pH Elektrochemický potenciál protonů

  29. BENG-qTD Fotony - primární zdroj G při fotosyntéze * energie fotonu E =h h … Planckova konst. 6,62 x 10-34  … frekvence záření (s-1) S 1 molem látky interaguje N fotonů: G = N h =Nhc /= 120 000 /(kJ mol-1) Absorbce 1 molu červeného světla (600 nm) při fotosyntéze: cca G = 200 kJ mol-1

  30. Případ mitochondrií: • protonmotivní síla p je „převodníkem“ mezi Eh a GATP • in vivo nerovnovážné podmínky (otevřený systém) • in vitro lze dosáhnout „rovnováhy“ • např. isolované MTCH – rovnováha mezi protonmotivní silou a syntézou ATP – pokud neprobíhá hydrolýza ATP • - lze testovat lehkým vychýlením z rovnováhy – reakce musí běžet opačným směrem • „Průsak protonů“ MTCH membránou – ustálená hodnota p pod rovnovážnou hodnotou odpovídající Eh • (tj. „vždy tečou nějaké elektrony“ z NADH na kyslík) Bioenergetické přeměny a jejich stechiometrie

  31. BENG-qTD Příklad: přechod 2 e- v dýchacím řetězci v redox rozmezí  Eh přečerpá n H+ Rovnováhy bude dosaženo pro: n p = 2  Eh Závěr: - čím vyšší stechiometrie H+/ O, tím nižšího rovnovážného p může být dosaženo (analogie převodů na kole do kopce) Platí pouze pro vstup a výstup e- na stejné straně membrány !!! x přenos succinátdehydrogenasa (matrix) – cyt c (cyt) n p = 2 ( Eh+) Čerpání protonů dýchacím řetězcem

  32. BENG-qTD Rovnovážný vztah pro syntézu ATP v mtch matrix:  Gp, matrix = n´ Fp kde n´… stechiometrie H+/ATP Závěr: - čím vyšší stechiometrie H+/ATP, tím vyšší G lze dosáhnout při daném p (platí i pro bakteriální membrány a stroma chloroplastů) Transport ADP/Pi do a ATP ven z mitochondrií = příspěvek transportní energie pro celkovou energii (n´ je zpravidla mezi 3 a 4)  Gp, cyt= (n´ + 1) Fp Čerpání protonů při syntéze ATP

  33. BENG-qTD • „ Oxidace NADH kyslíkem má Go = 220kJmol-1, syntéza ATP má Go=+31kJmol-1 takže pokud na každý NADH jsou syntetizovány 3 molekuly ATP, oxidativní fosforylace zachycuje asi 93 kJmol-1, což je účinnost 42%…“ (nejmenovaná učebnice biochemie) • Nelze pominout: • v buňce nejsou standardní podmínky • ve fyzikální chemii nelze jednoduše spočítat účinnost podílem zdánlivého „výstupu“ a „vstupu“ • Realita: • Přenos 2 molů e- při oxidaci NADH p= 200mV a přenos 10mol H+ • * energie konzervovaná v protonovém gradientu 10 x 200 x F = 200kJ • * při syntéze ATP a přenosu do Cyt p = 3 x 60 kJ = 180kJ Účinnost syntézy ATP

  34. BENG-qTD Rovnovážná distribuce nabitých iontů mezi kompartmenty A a B oddělených membránou (pro G = 0) Z rovnice pro elektrochemický potenciál platí za rovnováhy: Xm+ = 0=- mF  + 2,3 RT log [X M+]B [X M+]A  = 2,3 RT/mF . log [X M+]B [X M+]A - vztah mezi rovnovážnými koncentracemi iontu za daného membránového potenciálu - elektrochemická rovnováha nastává při rozdílných koncentrací !!! Nabité molekuly a 

  35. BENG-qTD A) Membránový gradient a pH gradient na membránách: - vliv na rovnovážnou distribuci permeabilních iontů s disociabilními protony - použití syntetických kationtů pro měření  a pH B) Membránový potenciál generovaný přenosem jednoho iontu ovlivňuje distribuci všech ostatních iontů - např. transport H+ přesun iontů elektrickým uniportem Specifika: * Anionty jsou vypuzovány z negativně nabité matrix * Kationty se akumulují v exponenciální závislosti na  * Dvojmocné kationty akumulují daleko více než jednomocné Rovnovážná distribuce kyselin a zásad

  36. BENG-qTD Rovnovážná distribuce nabitých iontů mezi kompartmenty A a B Nabité molekuly a 

  37. BENG-qTD • Distribuce neutrální molekuly není ovlivněna - rovnováha nastane při vyrovnání koncentračního gradientu • Slabé kyseliny a zásady (pKa 3-11) • * obvykle prochází jako nenabité molekuly x v ionizované formě nepropustné i při vysokém koncentračním gradientu • * protonované kys. a deprotonované báze – nezávislost na  • * při existencipH - dochází k rozdělení ionizovaných částic • - slabé kyseliny akumulace v alkalickém zóně (matrix) • - slabé zásady akumulace v kyselé zóně (mezimembránový) Slabé kyseliny/báze a pH

  38. BENG-qTD Další typy membránových potenciálů Difúzní potenciál - vznik membránového potenciálu přidáním soli, jejíž kation a anion mají rozdílnou permeabilitu membránou (rozdíl od potenciálu tvořeného prací iontové pumpy) např. KCl + valinomycin – vyšší propustnost pro K+ vede ke vzniku  uvnitř částice (lze popsat Nerstovou rovnicí) * na plasmatické embráně eukaryot trvalé difúzní potenciály Povrchový potenciál – konc. H+ v bezprostřední blízkosti membrány je vyšší než v roztoku * neovlivňuje p x může ovlivnit membránově vázané indikátory

  39. BENG-qTD Další oblíbená kapitola: Nerovnovážná TD

  40. BENG-qTD Pokračování příště

More Related