Bioenergetikaa makroergické
sloučeniny
Tomáš Kuč[email protected]
Ústav lékařské chemie a klinické biochemie2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova v Praze a Fakultní nemocnice v Motole
2017
Bioenergetika
jak organismyzískávají,přeměňují,ukládajía využívají
energii
Gibbsova (volná) energie
G = H− TS ⇒ ∆G = ∆H− T∆S = Qp − T∆S
Úbytek G je roven maximální práci, kterou můžesystém odevzdat při izotermicko-izobarickém ději dookolí.
rovnováha: ∆G = 0samovolný (exergonický) děj: ∆G < 0 (může konatpráci)endergonický děj: ∆G > 0
Gibbsova energie
jeden z tzv. termodynamických potenciálůžádná informace o rychlosti – ta dána mechanismem(ne)možnost děje dána jen počátečním a konečnýmstavem
katalyzátor (enzym) může urychlit dosažení rovnováhy, alene změnit její stav⇒možnost spřažení
závisí na teplotě: rovnováha: T = ∆H∆S
∆H ∆S ∆G = ∆H− T∆S− + Reakce je výhodná enthalpicky (exotermní) i entropicky.
Bude spontánní (exergonická) při jakékoli teplotě.− − Reakce je enthalpicky výhodná, ale entropicky nevý-
hodná. Bude spontánní jen při teplotách pod T = ∆H∆S .
+ + Reakce je enthalpicky nevýhodná, ale entropicky vý-hodná. Bude spontánní jen při teplotách nad T = ∆H
∆S .+ − Reakce je nevýhodná enthalpicky (endotermní) i entro-
picky. Bude nespontánní (endergonická) při jakékoli tep-lotě.
Přep
sáno
zVo
et,D
.,Vo
et,J
.G.:
Bio
chem
istr
y,Jo
hnW
iley
&So
ns,I
nc.,
2011
(4.v
ydán
í)
Chemické rovnováhyReakce a A + b B c C + d D
∆G = ∆G0 + RT ln[C]c[D]d
[A]a[B]b
(∆G0 = standardní změna G dané reakce)
konstantní člen – závisí jen na konkrétní reakciproměnný člen – závisí na teplotě a koncentracíchreaktantů a produktů
Rovnováha
∆G = 0⇓
∆G0 = −RT ln Keq
Keq =[C]c[D]d
[A]a[B]b= e
−∆G0RT
∆G0 a Keq v přímém vztahu
10násobná změna Keq změní ∆G0 o 5,7 kJ mol−1
Změna Gibbsovy energie
∆G0 =∑
∆G0f (produkty)−∑
∆G0f (reaktanty)
∆G0f = ∆G0 syntézy z prvků
Sloučenina ∆G0f (kJ mol−1)
acetaldehyd 139,7acetát 369,2acetyl-CoA 374,1a
cis-akonitát3– 920,9CO2 (g) 394,4CO2 (aq) 386,2HCO–3 587,1citrát3– 1166,6dihydroxyaceton2– 1293,2ethanol 181,5fruktosa 915,4fruktosa-6-fosfát2– 1758,3fruktosa-1,6-bisfosfát4– 2600,8fumarát2– 604,2α-d-glukosa 917,2glukosa-6-fosfát2– 1760,3
Sloučenina ∆G0f (kJ mol−1)
glyceraldehyd-3-fosfát2– 1285,6H+ 0,0H2 (g) 0,0H2O (l) 237,2isocitrát3– 1160,0α-ketoglutarát2– 798,0laktát– 516,6l-malát2– 845,1OH– 157,3oxalacetát2– 797,2fosfoenolpyruvát3– 1269,52-fosfoglycerát3– 1285,63-fosfoglycerát3– 1515,7pyruvát– 474,5sukcinát2– 690,2sukcinyl-CoA 686,7a
apro vznik z volných prvků + volného CoA
Přep
sáno
dle
Voet
,D.,
Voet
,J.G
.:B
ioch
emis
try,
John
Wile
y&
Sons
,Inc
.,20
11(4
.vyd
ání)
Změna Gibbsovy energie
standardní stavaktivita 1 mol l−125 ◦C1 bar
biochemický standardní stavaktivita vody = 1pH = 7látky podléhající acidobazické disociaci:c = celková c všech forem při pH = 7
Spřažené reakce
A + B C + D ∆G1D + E F + G ∆G2
A + B + E C + F + G ∆G3 = ∆G1 + ∆G2 < 0
Fosforylace glukosy: Glc + ATP Glc-6- P + ADPendergonická reakce:
glukosa + P glukosa-6- P ∆G0′ = 13,8 kJ mol−1
exergonická reakce:
ATP + H2O ADP + P ∆G0′ = −30,5 kJ mol−1
celková (spřažená) reakce:
Glc + ATP Glc-6- P + ADP ∆G0′ = −16,7 kJ mol−1
Redoxní potenciáltaké oxidačně redukční (oxidoredukční, redukční)vyjadřuje schopnost látky přijímat elektronyox + n e– red (poločlánek)Aox + Bred
n e– Ared + Box
Nernstova rovnice
∆G = ∆G0 + RT ln[Ared][Box][Aox][Bred]
∆G = −nF ∆E
E = E0−RTnF· ln
[red][ox]
⇒ ∆E = ∆E0−RTnF· ln
[Ared][Box][Aox][Bred]
Voet
,D.,
Voet
,J.G
.:B
ioch
emis
try,
John
Wile
y&
Sons
,Inc
.,20
11(4
.vyd
ání)
Redoxní potenciálE jako energetická škála
Redukovaná forma Oxidovaná forma E0´(V) ΔG0´acetaldehyd acetát -0,60 – hodnoty
(reduktans)vyšší
H2 2H+ -0,42
exer
goni
cký
děj
ende
rgon
ický
děj
isocitrát 2-oxoglutarát + CO2 -0,38
+ne– –ne–
glutathion-SH glutathion-SS -0,34NADH + H+ NAD+ -0,32glyceraldehyd-3-fosfát + H3P04 1,3-bisfosfoglycerát -0,28FADH2 FAD -0,20laktát pyruvát -0,19malát oxalacetát -0,17cytochrom b (Fe2+) cytochrom b (Fe3+) 0,00sukcinát fumarát +0,03dihydroubichinon ubichinon +0,10cytochrom c (Fe2+) cytochrom c (Fe3+) +0,26H2O2 O2 +0,29 + hodnoty
(oxidans)H2O ½ O2 +0,82 nižší
Voet
,D.,
Voet
,J.G
.:B
ioch
emis
try,
John
Wile
y&
Sons
,Inc
.,20
11(4
.vyd
ání)
Skutečný směr reakce ale závisí také na poměrukoncentrací [red]/[ox] (případně na dalších faktorech)
Redoxní potenciál
E0 = 0 V pro standardní vodíkový poločlánek(elektrodu)
H+ při pH0, 25 ◦C, 1 bar v rovnováze s elektrodouz Pt černi sycenou H2pH = 7⇒ E0′ = −0,421 V
Makroergické sloučeninyobsahují „makroergickou vazbu“jejich hydrolýza pohání endergonické reakce
ATPcentrální role (univerzální „energetická měna“ buňky)3 fosfátové skupiny vázané 1 fosfoesterovou a2 fosfoanhydridovými vazbami
OP
O
O–OP
O
O–OP
O
O–O–
HOH
H
OH
H
N N
N
NH2
N
H
Oαβγ
fosfoesterovávazba
fosfoandydridovévazby
adenosinAMP
ADPATP Přek
resl
eno
dle
Voet
,D.,
Voet
,J.G
.:B
ioch
emis
try,
John
Wile
y&
Sons
,Inc
.,20
11(4
.vyd
ání)
ATPR1 O P + R2 OH R1 OH + R2 O P
reakce přenosu fosforylu – obrovský metabolickývýznam
ATP + H2O ADP + P ∆G0 = −30,5 kJ mol−1ATP + H2O AMP + P P ∆G0 = −45,6 kJ mol−1P P + H2O 2 P ∆G0 = −19,2 kJ mol−1
kinetická stabilita, termodynamická nestabilita(vysoké |−∆G0|)energetický náboj buňky (obvykle 0,8–0,95)
[ATP] + 12 [ADP][ATP] + [ADP] + [AMP]
adenylátkinasa: ATP + AMP 2 ADPATP se obnovuje za pomoci ještě exergoničtějšíchreakcí
Spřažené reakce
A B ∆G0′ = 16,7 kJ mol−1
[B][A]
= Keq = e−∆G0
RT = 1,15 · 10−3
A + ATP + H2O B + ADP + P + H+∆G0′ = −13,8 kJ mol−1
Keq =[B][A]·
[ADP][ P ][ATP]
= 2,67 · 102
v rovnováze:[B][A]
= Keq[ATP]
[ADP][ P ]= 2,67 · 102 · 500 = 1,34 · 105
rovnovážný poměr B/A je 108krát vyšší!hydrolýza n molekul ATP⇒ poměr 108nkrát vyšší!
Spotřeba ATP
„nízkoenergetické“ fosforylované sloučeniny
vzájemné přeměny NTPtvorba CTP, GTP, UTP, dATP, dCTP, dGTP, dTTPnukleosiddifosfátkinasa ATP + NDP ADP + NTP
děje založené na konformačních změnách proteinůskládání (folding) proteinůaktivní transportpohyby
ATP
Vznik ATPsubstrátová fosforylaceoxidační fosforylace (fotofosforylace)adenylátkinasová reakcefosfageny
Metabolický obrat ATPprůměrný dospělý jedinec v klidukolem 3 mol h−1 (1,5 kg h−1), tj. kolem 40 kg d−1
intenzívní námaha – až 0,5 kg min−1
„Makroergická vazba“
fosfoanhydridyrezonanční stabilizacevyšší solvatační energie produktů hydrolýzyelektrostatická repulze
P
O
OHO–
O–P
OOH
O–
O–P OOH
O–
O–
P
O–
H+O
O–O– P
+
O–
ORO–
+O
P
O–
O–O–
Přek
resl
eno
dle
Ber
g,J.
M.,
Tym
oczk
o,G
a�o,
G.J
.Jr.,
J.L.
,Str
yer,
L.:
Bio
chem
istr
y,W
.H.F
reem
anan
dC
ompa
ny,2
012
(8.v
ydán
í)
ostatní anhydridyfosfosulfáty, acylfosfátykarbamoylfosfát
fosfoguanidiny (fosfageny) – fosfokreatin,fosfoargininenolfosfátythioestery
Makroergické sloučeniny
makroergické sloučeniny také neexistují!
OP
O
O–OP
O
O–OP
O
O–O–
HOH
H
OH
H
N N
N
NH2
N
H
O
adenosintrifosfát (ATP)
OP
O
O–OP
O
O–O–
HOH
H
OH
H
N N
N
NH2
N
H
O
adenosindifosfát (ADP)
H2C C
O
O P
O
O–O–
acetylfosfát (acylfosfáty)
H2C C
O
P O−O−O
CO
O–
fosfoenolpyruvát (enolfosfáty)
–O P
O
O–
HN C
NH+2
N
CH3
CH2 CO
O–
fosfokreatin (fosfamidy)
CoA S COCH3
acetylkoenzym A (thioestery)
Schéma energetického metabolismu
Ac~S–CoA
CO2
O2
H2O
NADH NAD+
ATP
ADP
NADPH NADP+
hν
NADHNAD+
NADH NAD+
ATP
ADP
pyruvát
cukry
glykolýza
mastné kyseliny
β-oxidace
aminokyseliny
citrátový cyklus
respiračnířetězec
oxidačnífosforylace
laktátethanolpropionátbutyrátbutanolformiátH2CO2acetát2,3-butandiolsukcinát
Calvinův cyklus
fotosyntetickýelektrontransportnířetězec
alternativnídráhy
fermentačníregeneraceNAD+
oxidačnídekarboxylace
fotofosforylace
Konec
konec
Děkuji za pozornost!
Gibbsova energie
jeden z tzv. termodynamických potenciálůžádná informace o rychlosti – ta dána mechanismem(ne)možnost děje dána jen počátečním a konečnýmstavem
katalyzátor (enzym) může urychlit dosažení rovnováhy, alene změnit její stav⇒možnost spřažení
závisí na teplotě: rovnováha: T = ∆H∆S
∆H ∆S ∆G = ∆H− T∆S− + Reakce je výhodná enthalpicky (exotermní) i entropicky.
Bude spontánní (exergonická) při jakékoli teplotě.− − Reakce je enthalpicky výhodná, ale entropicky nevý-
hodná. Bude spontánní jen při teplotách pod T = ∆H∆S .
+ + Reakce je enthalpicky nevýhodná, ale entropicky vý-hodná. Bude spontánní jen při teplotách nad T = ∆H
∆S .+ − Reakce je nevýhodná enthalpicky (endotermní) i entro-
picky. Bude nespontánní (endergonická) při jakékoli tep-lotě.
Přep
sáno
zVo
et,D
.,Vo
et,J
.G.:
Bio
chem
istr
y,Jo
hnW
iley
&So
ns,I
nc.,
2011
(4.v
ydán
í)
Změna Gibbsovy energie
∆G0 =∑
∆G0f (produkty)−∑
∆G0f (reaktanty)
∆G0f = ∆G0 syntézy z prvků
Sloučenina ∆G0f (kJ mol−1)
acetaldehyd 139,7acetát 369,2acetyl-CoA 374,1a
cis-akonitát3– 920,9CO2 (g) 394,4CO2 (aq) 386,2HCO–3 587,1citrát3– 1166,6dihydroxyaceton2– 1293,2ethanol 181,5fruktosa 915,4fruktosa-6-fosfát2– 1758,3fruktosa-1,6-bisfosfát4– 2600,8fumarát2– 604,2α-d-glukosa 917,2glukosa-6-fosfát2– 1760,3
Sloučenina ∆G0f (kJ mol−1)
glyceraldehyd-3-fosfát2– 1285,6H+ 0,0H2 (g) 0,0H2O (l) 237,2isocitrát3– 1160,0α-ketoglutarát2– 798,0laktát– 516,6l-malát2– 845,1OH– 157,3oxalacetát2– 797,2fosfoenolpyruvát3– 1269,52-fosfoglycerát3– 1285,63-fosfoglycerát3– 1515,7pyruvát– 474,5sukcinát2– 690,2sukcinyl-CoA 686,7a
apro vznik z volných prvků + volného CoA
Přep
sáno
dle
Voet
,D.,
Voet
,J.G
.:B
ioch
emis
try,
John
Wile
y&
Sons
,Inc
.,20
11(4
.vyd
ání)
Změna Gibbsovy energie
∆G0 =∑
∆G0f (produkty)−∑
∆G0f (reaktanty)
∆G0f = ∆G0 syntézy z prvků
Sloučenina ∆G0f (kJ mol−1)
acetaldehyd 139,7acetát 369,2acetyl-CoA 374,1a
cis-akonitát3– 920,9CO2 (g) 394,4CO2 (aq) 386,2HCO–3 587,1citrát3– 1166,6dihydroxyaceton2– 1293,2ethanol 181,5fruktosa 915,4fruktosa-6-fosfát2– 1758,3fruktosa-1,6-bisfosfát4– 2600,8fumarát2– 604,2α-d-glukosa 917,2glukosa-6-fosfát2– 1760,3
Sloučenina ∆G0f (kJ mol−1)
glyceraldehyd-3-fosfát2– 1285,6H+ 0,0H2 (g) 0,0H2O (l) 237,2isocitrát3– 1160,0α-ketoglutarát2– 798,0laktát– 516,6l-malát2– 845,1OH– 157,3oxalacetát2– 797,2fosfoenolpyruvát3– 1269,52-fosfoglycerát3– 1285,63-fosfoglycerát3– 1515,7pyruvát– 474,5sukcinát2– 690,2sukcinyl-CoA 686,7a
apro vznik z volných prvků + volného CoAPř
epsá
nodl
eVo
et,D
.,Vo
et,J
.G.:
Bio
chem
istr
y,Jo
hnW
iley
&So
ns,I
nc.,
2011
(4.v
ydán
í)
Makroergické sloučeniny
obsahují „makroergickou vazbu“jejich hydrolýza pohání endergonické reakce
ATPcentrální role (univerzální „energetická měna“ buňky)3 fosfátové skupiny vázané 1 fosfoesterovou a2 fosfoanhydridovými vazbami
OP
O
O–OP
O
O–OP
O
O–O–
HOH
H
OH
H
N N
N
NH2
N
H
Oαβγ
fosfoesterovávazba
fosfoandydridovévazby
adenosinAMP
ADPATP Přek
resl
eno
dle
Voet
,D.,
Voet
,J.G
.:B
ioch
emis
try,
John
Wile
y&
Sons
,Inc
.,20
11(4
.vyd
ání)
„Makroergická vazba“
fosfoanhydridyrezonanční stabilizacevyšší solvatační energie produktů hydrolýzyelektrostatická repulze
P
O
OHO–
O–P
OOH
O–
O–P OOH
O–
O–
P
O–
H+O
O–O– P
+
O–
ORO–
+O
P
O–
O–O–
Přek
resl
eno
dle
Ber
g,J.
M.,
Tym
oczk
o,G
a�o,
G.J
.Jr.,
J.L.
,Str
yer,
L.:
Bio
chem
istr
y,W
.H.F
reem
anan
dC
ompa
ny,2
012
(8.v
ydán
í)
ostatní anhydridyfosfosulfáty, acylfosfátykarbamoylfosfát
fosfoguanidiny (fosfageny) – fosfokreatin,fosfoargininenolfosfátythioestery
fosfoanhydridyrezonanční stabilizacevyšší solvatační energie produktů hydrolýzyelektrostatická repulze
P
O
OHO–
O–P
OOH
O–
O–P OOH
O–
O–
P
O–
H+O
O–O– P
+
O–
ORO–
+O
P
O–
O–O–
Přek
resl
eno
dle
Ber
g,J.
M.,
Tym
oczk
o,G
a�o,
G.J
.Jr.,
J.L.
,Str
yer,
L.:
Bio
chem
istr
y,W
.H.F
reem
anan
dC
ompa
ny,2
012
(8.v
ydán
í)
ostatní anhydridyfosfosulfáty, acylfosfátykarbamoylfosfát
fosfoguanidiny (fosfageny) – fosfokreatin,fosfoargininenolfosfátythioestery
Redukovaná forma Oxidovaná forma E0´(V) ΔG0´acetaldehyd acetát -0,60 – hodnoty
(reduktans)vyšší
H2 2H+ -0,42
exer
goni
cký
děj
ende
rgon
ický
děj
isocitrát 2-oxoglutarát + CO2 -0,38
+ne– –ne–
glutathion-SH glutathion-SS -0,34NADH + H+ NAD+ -0,32glyceraldehyd-3-fosfát + H3P04 1,3-bisfosfoglycerát -0,28FADH2 FAD -0,20laktát pyruvát -0,19malát oxalacetát -0,17cytochrom b (Fe2+) cytochrom b (Fe3+) 0,00sukcinát fumarát +0,03dihydroubichinon ubichinon +0,10cytochrom c (Fe2+) cytochrom c (Fe3+) +0,26H2O2 O2 +0,29 + hodnoty
(oxidans)H2O ½ O2 +0,82 nižší
Ac~S–CoA
CO2
O2
H2O
NADH NAD+
ATP
ADP
NADPH NADP+
hν
NADHNAD+
NADH NAD+
ATP
ADP
pyruvát
cukry
glykolýza
mastné kyseliny
β-oxidace
aminokyseliny
citrátový cyklus
respiračnířetězec
oxidačnífosforylace
laktátethanolpropionátbutyrátbutanolformiátH2CO2acetát2,3-butandiolsukcinát
Calvinův cyklus
fotosyntetickýelektrontransportnířetězec
alternativnídráhy
fermentačníregeneraceNAD+
oxidačnídekarboxylace
fotofosforylace
Príloha