1 / 49

Bioenergetiske prinsipper

Bioenergetiske prinsipper. Forutsetningen for at biokjemiske prosesser forløper. Winnie Eskild, IMBV 2004. Metabolisme = katabolisme + anabolisme. Katabole prosesser konvergerer Anabole prosesser divergerer. Hva driver biokjemiske reaksjoner.

cachez
Download Presentation

Bioenergetiske prinsipper

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. Bioenergetiske prinsipper Forutsetningen for at biokjemiske prosesser forløper Winnie Eskild, IMBV 2004

  2. Metabolisme = katabolisme + anabolisme

  3. Katabole prosesser konvergererAnabole prosesser divergerer

  4. Hva driver biokjemiske reaksjoner • Forskell mellom Gibbs fri energi i startprodukt og sluttprodukt • Ved de rette forholdene vil en biokjemisk reaksjon forløpe til likevekt oppnås • Ved likevekt går reaksjonen like fort i begge retninger aA + bB <=> cC + dD • Likevektskonstanten er da Keq= CcD d • A a B b • DG’o er definert for fysiologiske forhold hvor pH er 7, H2O er 55,5 M og Mg 2+ er 1 mM. Gjelder også K’eq • Drivkraften i en reaksjon , DG’o og K’eq har følgende relation • DG’o = -RTln K’eq

  5. Sammenheng mellom DG’o og K’eqEksponentielt forhold mellom DG’o og K’eq:Små endringer iDG’o => store endringer i K’eqBare litt negativDG’o => likevekten sterkt forskjøvet mot produkt

  6. Sammenheng mellom DG’o og K’eq

  7. Glukose-1-fosfat og glukose-6-fosfat • Når enzym er tilstede vil det ved likevekt være 19 ganger mere glukose-6-fosfat uansett om utgangspunktet er 1 M glukose-1-fosfat eller 1 M glukose-6-fosfat. Enzyme: fosfoglukomutase. • Glukose-1-fosfat <=> glukose-6-fosfat • K’eq = glukose-6-fosfat = 0,95 M = 19 • glukose-1-fosfat 0,05 M • Ut fra denne likevektskonstant kan vi beregne endring i standard fri energi • DG’o = -RT ln Keq • = -(8,315 J/mol x K)(298 K)(ln 19) • = - 7296 J/mol • = - 7,3 kJ/mol

  8. I cellen finnes ingen standard konsentrasjoner • DG = DG’o + RT ln C D • A B • Her er A,B,C og D de aktuelle konsentrasjonene • Ved likevekt er DG = 0 • Vi får da at DG’o = -RT lnK’eq • Det er DG som avgjør om en reaksjon forløper, selvom DG’0 er positiv kan godt DG være negativ • Ved å fjerne produktene så snart de er dannet holdes K’eq under 1 og stor nok til at hele uttrykket blir negativt

  9. DG’o verdier kan adderes • Glukose + Pi Glukose-6-fosfat + H2O DG’o = 13,8 kJ/mol • ATP + H2O ADP + Pi DG’o = -30,5 kJ/mol • Glukose + ATP Glukose-6-fosfat + ADP DG’o = -16,7 kJ/mol • De to delreaksjoner har hver sin DG’o men det er sumreaksjonen som teller i biokjemien • Derved blir en endergon reaksjon mulig ved kopling til en eksergon reaksjon slik at den totale reaksjonen er eksergon

  10. ATP som energileverandør • Når ATP deltar i reaksjoner og etter endt reaksjon foreligger som ADP + Pi eller AMP + 2 Pi sir vi at hydrolysering av ATP har levert energi til å drive reaksjonen • I de fleste tilfelle forekommer en gruppeoverføring fra ATP til et mellomprodukt. Denne gruppen kan være fosfat, pyrofosfat eller AMP

  11. Overføring av aminogruppe til glutamat koster ATP

  12. Aktivering av en fettsyre koster ”2” ATP

  13. Grunnlaget for det høye energinivået i bindingene mellom fosfatgruppene i ATP Figur 14-1

  14. ATP • ATP har 3 negativ ladete fosfatgrupper: elektrostatisk frastøting • Fraspalting av en fosfatgruppe gir mulighet for resonansstabilisering og den gjenværende ADP kan dissosiere og frigi en H+ til omgivelsene hvor konsentrasjonen av protoner er svært lav • ATP 4- + H2O ADP 3- + Pi2- + H+ • DG’o = - 30,5 kJ/mol • Denne gjelder under standardbetingelser. I cellen er ATP tilstede i helt andre konsentrasjoner og i tillegg kompleksbundet med Mg 2+ • I cellen vil en derfor oftere se DG på 50-65 kJ/mol

  15. ATP • Hydrolyse av a-b anhydrid-bindingen frigir ca 46 kJ/mol • I tillegg frigis det ca 19 kJ/mol ved hydrolyse av PPi • Hydrolyse av b-g anhydrid-bindingen frigir ca 31 kJ/mol

  16. ATP i røde blodceller • Her er konsentrasjonene: ATP: 2,25 mM, ADP: 0,25 mM, Pi: 1,65 mM • DGp brukes til å angi den reelle hydrolyseringsenergi • DGp = DG’o + RTln • Settes verdiene inn får en: DGp = - 51,8 kJ/mol • DGp kalles fosforyleringspotensialet og angir den aktuelle fri hydrolyseringsenergi i et gitt miljø • DGp vil variere fra celle til celle og innen cellen avhengig av tilgang på energi, pH, andre reaktanter o.l. • Total ATP, ADP og Pi i cellen kan være langt høyere enn de konsentrasjoner som er tilgjengelige for disse reaksjoner, ved f.eks. å være tett knyttet til proteiner ADP Pi ATP

  17. Nukleotidnivå i forskjellige celler Tabell 14-5

  18. Andre energirike forbindelser Fosfoenolpyruvat • Fosfoenolpyruvat har energirik fosfoester binding • Fosfoenolpyruvat har bare en resonansform mens pyruvat har både enolformen og ketoformen • PEP 3+ + H2O pyruvat + Pi • DG’o = - 61,9 kJ/mol

  19. 1,3-Bisfosfoglyserat • 1,3-bisfosfoglyserat har en anhydridbinding med bare én resonansform • Etter hydrolyse kan 3-fosfo-glyserat fradissosiere en H+ til et med miljø med lave konsentrasjoner av H+ og får i tillegg to resonansformer • 1,3-bisfosfoglyserat 4- + H2O => 3-fosfoglyserat 3- + Pi 2+ + H+ • DG’o = - 49,3 kJ/mol

  20. Flere fosfoforbindelser

  21. ATP er cellens energivaluta • ATP’s fosforyleringspotensiale er passe stort til at gjøre det svært velegnet til å ta imot og gi fra seg energi i cellens forskjellige reaksjoner • ATP er stabilt fordi aktiverings-energien for hydrolyse er høy • ATP må bindes til spesifikke enzymer som katalyserer prosesser hvor ATP er ”energi-leverandør” før hydrolyse er mulig • Enzymene muliggjør nøye kontroll av energiforbruket

  22. Thioestre frigir mye energi ved hydrolyse

  23. Acetyl-coenzym A • Acetyl-CoA + H2O acetat- + CoA + H+ • DG’o = - 32,2 kJ/mol

  24. Fire forhold som gir store, negative DG’o ved hydrolyse 1) Fjerning/reduksjon av elektrisk frastøting mellom grupper Eks: ATP 2) Stabilisering av produktene ved ionisering Eks: ATP, acylfosfater, thioestre 3) Stabilisering av produktene ved tautomerisering Eks: fosfoenolpyruvat 4) Resonanstabilisering av produktene acylfosfater, thioestre, Pi

  25. Bioenergetiske prinsipper Ib

  26. Oppgave 1 • Beregn Keq ved 37oC for reaksjonen: • Fosfoarginin + ADP arginin + ATP • Likevektskonsentrasjonenen av substrater og produkter er: • Fosfoarginin 0,737 mM • ADP 0,750 mM • Arginin 4,78 mM • ATP 3,87 mM • Hva er DG’o for reaksjonen?. Er den spontan under standard forhold?

  27. Svar på oppgave 1 • Keq = • Keq = • Keq = 33,5 • DG’o= -RT ln Keq • DG’o= -(8,3145 x 10-3 kJ x K-1 x mol-1)(298K) x ln33,5 • DG’o= -8,7 kJ/mol • Reaksjonen vil gå spontant under standard betingelser arginin ATP fosfoarginin ADP (4,78 x 10-3) (3,87 x 10-3) (0,737 x 10-3) (0,75 x 10-3)

  28. Oppgave 2 • Likevektskonstanten for omdannelse av glukose-6-fosfat til fruktose-6-fosfat er 0,41. Reaksjonen er reversibel og katalyseres av enzymet fosfoheksose isomerase. • Hva er DG’o for denne reaksjonen? • Hvilken retning vil reaksjonen gå under standard forhold? • Hva er DG for reaksjonen ved 37oC når konsentrasjonen av glukose-6-fosfat er 2,0 mM og konsentrasjonen av fruktose-6-fosfat er 0,5 mM? • Hvilken retning vil reaksjonen gå under disse forholdene?

  29. Svar på oppgave 2 • DG’o = -RT ln Keq = -(8,3145 x 10-3 kJ/K/mol)(298K)ln 0,41 = 2,2 kJ/mol Reaksjonen går mot dannelse av glukose-6-fosfat • DG = DG’o + RT ln = 2,2 kJ/mol + (8,3145 x 10-4 kJ/K/mol)(310K)ln = 2,2 kJ/mol - 3,57 kJ/mol = - 1,37 kJ/mol Reaksjonen går mot dannelse av fruktose-6-fosfat Fruktose-6-fosfat Glukose-6-fosfat 5 x 10-4 2 x 10-3

  30. Bioenergetiske prinsipper II

  31. Elektronforflytning utfører arbeid • Et batteri kan utføre arbeid når polene forbindes via f.eks en motor Denne åpner en vei slik at elektronene kan vandre mot den delen av batteriet som har størst elektronaffinitet. • I metabolismen vandrer elektroner fra glukose til oksygen via en rekke elektrontransportører som da kan utføre arbeid e e e e e e Glukose O2

  32. Elektrontransportkjeden • Elektroner vandrer gjennom elektrontransportkjeden mot O2 • Elektronoverføringen er eksergon pga oksygens mere positive E’o • Frigjort energi brukes til å skape en protongradient over membranen • Protoner passerer tilbake gjennom membranen i en eksergon prosess som leverer energi til å fosforylere ADP til ATP

  33. Redoksreaksjoner • Reaksjoner hvor elektroner overføres fra et molekyl til et annet • Tap av elektroner = oksidasjon • Tilførsel av elektroner = reduksjon • Elektronoverføringer er den egentlige basis for alt arbeid som utføres i en celle • Organismer uten fotosyntese ekstraherer elektroner ut av næringsstoffer (mat) • Fotosyntetiske organismer henter elektronene fra H2O ved hjelp av sollysets energi

  34. Karbons mange oksidasjonstrinn

  35. Karbons mange oksidasjonstrinn • Oksidasjoner involverer ikke nødvendigvis oksygen, det kan også være tap H (H+ + e-) • Elektronoverføringer kan foregå på flere måter • Direkte overføring: Fe 2+ + Cu 2+ <=> Fe 3+ + Cu+ • Overføring av H: AH2 <=> A + 2e- + 2 H+ • Overføring av hydridion: H- • Oksygenering: R-CH3 + 1/2 O2 R-CH2-OH • Reduserende ekvivalent = 2 e-

  36. Standard reduksjonspotensialet Eo og fysiologisk SRP E’o • Standard reduksjonspotensialet, Eo angir en relativ affinitet for e- • Biokjemien definerer standard reduksjonspotensialet ved fysiologiske forhold (298 K, pH 7) • Elektroner vandrer til elektroden med det mest positiv E’o • Referansen er: H+ + e- 1/2 H2 , E’o = 0,00 V • Både reduksjonspotensiale og konsentrasjon er med på å bestemme i hvilken retning elektronene vil vandre

  37. Reelt reduksjonspotensiale • Nernst likning: E = Eo + RT ln elektron mottaker • nFelektron donor • = Eo + ln • R = gasskonstanten • T = o Kelvin • n = antall elektroner overført/molekyle • F = Faradays konstant elektron mottaker 0,026V n elektron donor

  38. Elektronoverføring representerer energi • Elektronoverføring utfører arbeid og representerer energi • DE’o = E’o for elektron mottakeren - E’o for elektron donoren • Eksempel: acetaldehyd + NADH + H+ etanol + NAD+ • acetaldehyd + 2H+ + 2e- etanol E’o = -0,197 V • NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+ E’o = -0,320 V • Elektronmottaker er reaksjonen med mest pos. E’o, dvs 1) • DE’o = -0,197 - ( -0,320) = 0,123 V • D’o er relatert til DG’o ved uttrykket DG’o = -nF DE’o • DE’o = - 2(96,5 kJ/V x mol)(0,123 V) = - 23,7 kJ/mol • Denne reaksjon vil altså gå mot etanol dannelse, når de deltakende forbindelsene er tilstede i 1M , men det har vi ikke i en levende celle

  39. Et mere realistisk eksempel • Hvis konsentrasjonen av acetaldehyd og NADH er 1M, mens konsentrasjonen av etanol og NAD+ er 0,1 M • Eacetaldehyd = E’o + RT ln acetaldehyd • nF etanol => -0,167 V • ENADH = E’o + RT ln NAD+ • nF NADH => -0,350 V • DE = -0,167 V - (- 0,350 V) = 0,183 V • DG = -nF DE • = -2( 96,5 kJ/Vmol)(0,183V) • = - 35,3 kJ/mol Viser kraftig forskyvning i retning av produktdannelse

  40. Elektronoverføring i metabolismen skjer i mange små trinn • Fullstendig oksidasjon av glukose har en DG’o = - 2840 kJ/mol • Oksidasjonen skjer i mange trinn av passe størrelse for å ta vare på mest mulig energi, typisk den energimengde som kreves for å danne én ATP • Elektronoverføringen skjer bare unntaksvis direkte til ATP • Mange elektronbærende kofaktorer deltar i nedbrytningen av glukose

  41. Elektronbærende kofaktorer • NAD+, NADP+, FMN, FAD er vannløselige kofaktorer • NAD+, NADP+ assosieres relativt løst til sine enzymer og kan vandre mellom proteiner • FMN, FAD assosieres tett til sine enzymer, flavoproteinene og betraktes som prostetiske grupper. Forlater dem ikke • Quinoner (ubiquinon, plastoquinon) er lipidløselige kofaktorer og fungerer i membraner • Jern-svovl proteiner har tett bundne kofaktorer, prostetiske grupper • Cytokromene har tett bundne kofaktorer, prostetiske grupper

  42. NAD+ og NADP+

  43. NAD+ og NADP+ • NAD+ og NADH er kofaktorer for enzymene i katabolismen • Vanlig konsentrasjon totalt for disse er 10 mM • Det er mest NAD+ noe som favoriserer overføring av H- fra substrater • NADP+ og NADPH er kofaktorer for enzymene i anabolismen • Vanlig konsentrasjon totalt for disse er 1 mM • Det er mest NADPH noe som favoriserer syntese av nye molekyler • De fungerer alle som kofaktorer for enzymer av typen oksidoreduktaser eller dehydrogenaser

  44. Spesifisitet i valg av kofaktor

  45. Spesifisitet i valg av kofaktorer

  46. FAD og FMN

  47. FAD og FMN • Disse kan ta imot én eller to elektroner i form av hydrogen atomer • FAD + H = FADH + H = FADH2 • Disse flavinnukleotider er svært tett bundet til sine enzymer og anses som prostetiske grupper • På grunn av sin tette assosiering har disse varierende reduksjons-potensiale

More Related