BIOENERGETIKA Iveta Třísková Základní pojmy • Termodynamika – věda studující přeměny energie doprovázející přírodní děje • Termodynamický systém (soustava) – část světa, kterou se zabýváme Otevřený systém – vyměňuje s okolím hmotu i energii Uzavřený systém- vyměňuje s okolím energii, ale ne hmotu Izolovaný systém – nevyměňuje s okolím hmotu ani energii 2 Vnitřní energie • Celková energie systému • Stavová veličina Vnitřní energie izolovaného systému je konstantní (q = 0; w = 0) 3 První termodynamický zákon ΔU = q + w Co je to enthalpie? • Stavová veličina 4 H = U + pV Definice enthalpie ΔH = qp Teplo přenesené za konstantního tlaku Odvození Za běžných biochemických podmínek je změna enthalpie skutečně rovna teplu přijatému systémem v průběhu studovaného děje 5 ΔH = qp Když U = U+dU; p = p+dp; V = V+dV (infinitesimální změna vztahu systému) H+dH = (U+dU)+(p+dp)·(V+dV) = U+dU+pV+dVp+dpV+dpdV H = U+pV U+pV = H H+dH = H+dU+pdV+Vdp dH = dU+pdV+Vdp dU = dq+dw dH = dq+dw+pdV+Vdp dw = -pdV dH = dq+Vdp p = konst.→ dp =0 dH = dq Systém koná pouze objemovou práci Entropie a pravděpodobnost 6 S = k lnW Boltzmannův vzorec pro entropii k = 1.38·10-23 J·K-1 W = počet mikrostavů, tj. počet způsobů, kterými mohou být molekuly systému uspořádány tak, aby byla celková energie systému zachována Statistická entropie W = 1 (pouze jediný mikrostav, tedy jeden možný způsob k dosažený dané energie) → S = 0 W > 1 (více mikrostavů) → S > 0 Entropie je měřítkem pravděpodobnosti stavu systému 123 123 11 A KJ1038.1 mol10022.6 molKJ314.8 N R k Entropie • Míra neuspořádanosti systému • Ukazatel směru samovolné změny 7 Entropie izolovaného systému během spontánní změny roste, ΔStot > 0 Druhý termodynamický zákon Termodynamická definice entropie 8 T dq dS rev Definice změny entropie T dq dS Clausiova nerovnost Pro izolovaný systém 0dS Entropie izolovaného systému roste nebo zůstává konstantní, nemůže však klesat PŘEMĚNY ENERGIE V ORGANISMECH Živé organismy • Otevřené systémy • Fototrofní organismy – absorbují světelnou energii a ve světelné fázi fotosyntézy ji ukládají do ATP (fotofosforylace) • Chemotrofní organismy – získávají potřebnou energii chemickými transformacemi látek z vnějšího prostředí (oxidace živin) • a) chemolithotrofní organismy – zdrojem energie a živin jsou jednoduché anorganické sloučeniny (H2O, H2S, NH3, CO2) • b) chemoorganotrofní organismy – zdrojem energie jsou organické látky (dehydrogenace)  Aerobní organismy – oxidují organické látky kyslíkem  Anaerobní organismy – jiné oxidační činidlo 10 Člověk - chemoorganotrofní (=chemoheterotrofní) aerobní organismus. Rozkladem neboli oxidací organických látek (tuky, sacharidy, bílkoviny), získává lidský organismus energii nezbytnou pro život. Enzymové systémy fermentujících buněk – rozkládají organické látky sekvencí exergonických dějů; sumární rovnice tohoto procesu nemá charakter redoxní reakce → buňky nepotřebují přijímat oxidační činidla z vnějšího prostředí a konečným akceptorem vodíku jsou u nich meziprodukty metabolických cest Mléčná fermentace C6H12O6 → 2CH3-CHOH-COOH Alkoholové kvašení C6H12O6 → 2CH3-CH2-OH + 2CO2 Živé organismy 11 •NADP+ (nikotinamidadenindinukleotidfosfát) - fosforylovaná forma NAD+ (nikotinamidadenindinukleotid) •Kofaktor oxidoreduktáz (enzymů katalyzujících oxidoredukční děje). •NAD+/NADH dodává protony (H+) a elektrony (e-) do dýchacího řetězce v mitochondrii (syntéza ATP) •NADP+/NADPH je využíván v cytoplazmě k syntetickým procesům (např. syntéza mastných kyselin, syntéza steroidních látek, syntéza oxidu dusnatého) NADP+/NADPH NADPH 12 NADP+ Syntéza NADPH •Redukce oxidované formy NADP+ •Pentózový cyklus (houby, živočišné buňky) •Světelná část fotosyntézy (rostlinné buňky) 13 Osud ATP v organismu •ATP –adenosintrifosfát •Dominantní sloučenina bioenergetiky (nejběžnější energetické oběživo živých systémů) •Makroergická sloučenina 14 •Vysoká vnitřní energie Osud ATP v organismu Důvody: 1. Trifosfátový řetězec je při neutrálním pH téměř plně disociován; čtyři záporné náboje na sebe působí značnou elektrostatickou odpudivou silou (oddálení nabitých fosfátových skupin → snížení elektrostatické energie systému) 2. S rostoucím počtem možných resonančních stavů klesá energie systému; trifosfátový řetězec může existovat v několika resonančních stavech (některé atomy kyslíku oscilují mezi nenabitým a anionickým stavem). Rozštěpením molekuly ATP roste počet resonančních stavů a energie systému je nižší 15 O - O - O - O P Osud ATP v organismu Resonanční struktury 16 O - O - O - O P •Čtveřice rezonančních hybridů vznikne otáčením této formy vždy o 90 ° • S každým odštěpeným fosfátem roste počet resonančních struktur a energie systému poklesne Tvorba ATP v organismu 1. Substrátová fosforylace a) Citrátový cyklus Sukcinyl-CoA + GDP + Pi → sukcinát + GTP + CoA Acetyl-CoA + ADP + Pi → acetát + ATP + CoA MATRIX MITOCHONDRIÍ Energetický výtěžek 1 ATP 17 Tvorba ATP v organismu 1. Substrátová fosforylace b) Glykolýza MATRIX MITOCHONDRIÍ 1,3-bisfosfoglycerát + ADP→ 3-fosfoglycerát + ATP fosfoenolpyruvát + ADP → pyruvát + ATP Substrátová fosforylace je jediný mechanismus výroby ATP v buňkách s fermentačním typem metabolismu Energetický výtěžek 2 ATP a 2 NADH 18 Tvorba ATP v organismu 2. Membránová fosforylace • Mitochondrie, tylakoidy, buněčné membrány nefermentujících mikroorganismů • Membránové ATPasy jsou využívány k endergonické syntéze ATP • Oxidační fosforylace (dýchací řetězec), fotofosforylace (fotosyntéza) BIOMEMBRÁNY 2a. Dýchací řetězec 19 Tvorba ATP v organismu 2b. Fotofosforylace - fotosyntéza BIOMEMBRÁNY 1. Světelná fáze fotosyntézy fotolýza vody a elektrotransportní reakce primární pochody fotosyntézy (fotochemická část) tvorba ATP a NADPH 20 Tvorba ATP v organismu Fotofosforylace - fotosyntéza BIOMEMBRÁNY 2. Temnostní fáze fotosyntézy (Calvinův cyklus) fixace CO2 a tvorby sacharidů sekundární pochody fotosyntézy (syntetická část) spotřebují se produkty primární fáze (ATP, NADPH) 21 Přeměny chemické energie ATP 1. Na chemickou práci – ATP se zúčastňuje chemické reakce, jež dává vzniknout energeticky bohaté sloučenině Reakce ATP se substrátem: A i) ATP + S → ADP + SP (např. glukosa → glukosa 6-fosfát) ii) ATP + S → AMP + S-PPi (např. thiamin → thiamindifosfát) iii) ATP + S → AMP-S + PPi (např. připojení AMP k rostoucí RNA) iv) ATP + S → adenosyl-S + PPi + Pi (např. vznik S-adenosyl-methioninu) B Nebo je energeticky bohatý produkt přeměňován reakcí s dalším substrátem na konečný produkt a ATP z reakce vystupuje rozštěpen na ADP a Pi nebo AMP a PPi L-Ala + ATP → L-Ala-AMP + PPi, L-Ala-AMP + tRNAAla → L-Ala-tRNAAla + AMP transferasy ligasy 22 Přeměny chemické energie ATP 2. Na mechanickou práci – pohyb a) Buněčný pohyb b) Specializované systémy pohybových (svalových) tkání c) Pohyb makromolekul nebo celých organel po vláknech mikrotubulů za účasti dyneinu a kinesinu d) Pohyb buněk pomocí bičíků Enzymové štěpení ATP zde katalysují většinou hydrolasy (aktomyosin, cytoskeletární ATPasové systémy) nebo isomerasy (gyrasy, katalyzují komplexní konformační změny DNA při replikaci za současné spotřeby ATP) 23 Přeměny chemické energie ATP 3. Na elektroosmotickou práci– nerovnovážné rozdělení látek a iontů mezi intracelulárním a extracelulárním prostorem, ale i mezi cytosolem a organelami • Aktivní transport • Hnací silou těchto aktivních procesů je exergonická hydrolýza ATP Koncentrace iontů [mmol·dm-3] Na+ K+ Cl- Ca2+ Mg2+ HCO3 V buňce 12 139 4 <10-6 0,8 12 V krvi 145 4 116 1,8 1,5 29 Typické koncentrace iontů v savčích buňkách a v krvi 24 Přeměny chemické energie ATP 4. Na informační a regulační práci • Proteosyntéza (pro připojení 1 AMK je třeba 4 ATP) • Syntéza regulačních molekul (cAMP, hormony, neurotransmitery) 5. Na energii světelnou • Bioluminiscence (světlušky, světélkující medúzy, ryby, bakterie) A → B* → B + hν hPPAMP2COLoxy luciferasa ATP2OL Mg2+ nebo Ca2+ Luciferin Luciferasa 25 Přeměny chemické energie ATP 6. Na tepelnou energii a) U některých rostlin nejsou exergonické děje dýchacího řetězce mitochondrií (oxidace NADH) spřaženy s aktivním transportem protonů a všechna energie se tak přímo přeměňuje na teplo b) U některých teplokrevných organismů (savci spící zimním spánkem, neosrstění novorozenci a člověk) je proton-motivní síla přeměňována na teplo tak, že protony jsou přes membránu mitochondrií propouštěny pasivním transportem (po směru koncentračního spádu), a energie tohoto procesu není spjata se syntézou ATP – hnědá tuková tkáň c) Cyklické děje, kdy jsou ve stejném buněčném kompartmentu přítomny dva protisměrně působící enzymy. Když jsou oba enzymy aktivní, hydrolyzuje cyklus ATP bez produkce užitečné práce a výsledkem je pouze vznik tepla → „zbytečný“ (futile) cyklus (prohřívání létacích svalů hmyzu; u savců „nefunkční „ svalový třes) 26 „Zbytečný“ (futile) cyklus 27 Přeměny chemické energie ATP 6. Na tepelnou energii d) Obranný mechanismus některých brouků • „Jednotka ATP“ – takové množství energie, které se za daných (obvykle intracelulárních) podmínek uvolní reakcí: ATP + H2O → ADP + Pi ATPasy, ligasy, kinasy – energetická investice jedné jednotky ATP ATP + H2O → AMP + PPi (získá se podstatně více energie) Energetická investice dvou jednotek ATP 28 Reakce Vložená energie [ATP] glukosa+ATP→glukosa-6-fosfát+ADP 1 glukosa-6-fosfát→glukosa-1-fosfát 0 glukosa-1-fosfát+UTP→UDP-glukosa+PPi 1 UDP-glukosa+(glukan)n→(glukan)n+1+UDP 0 PPi+H2O→2Pi 0 Endergonické připojování glukosových jednotek k rostoucímu glukanovému řetězci 29 Užití rovnovážné termodynamiky při studiu biologických systémů • Otevřené systémy vs. rovnovážná termodynamika • Termodynamické věty • Platnost základních termodynamických vět v biologii:  Zákon zachování energie  I. věta termodynamická ? II. věta termodynamická – 2 omyly 1. Pokud nejde o isolovaný systém, kritériem realizovatelnosti chemického procesu není vzrůst entropie, ale pokles Gibbsovy energie (ΔG < 0 => ΔH < T ΔS) 2. U složitých biologických systémů dochází v dlouhodobém časovém horizontu k poklesu entropie 30 Příspěvek nerovnovážné termodynamiky k poznání živých soustav 1. Buňky jsou otevřené systémy 2. Mnohé koncentrace reaktantů v buňkách jsou takové, že mnohé reakce jsou velmi vzdálené od rovnováhy (ΔG << 0); ireversibilní reakce, které za fyziologických podmínek probíhají pouze jedním směrem 3. Ustálený stav a) Stacionární koncentrace látek; hodnoty fyzikálních parametrů v čase jsou konstantní, v systému probíhají intensivní chemické a fyzikální děje a rychlosti přísunu substrátů a odstraňování produktů jsou konstantní b) Systém může konat práci c) Chemické reakce uvnitř systému d) Pouze v ustáleném stavu probíhají samovolné děje (σ = diS/Vdt) 31 Příspěvek nerovnovážné termodynamiky k poznání živých soustav • Lineární nerovnovážná termodynamika – za podmínek ne příliš vzdálených od rovnováhy vzniká ustálený stav (systém lze popisovat termodynamickými potenciály) Fenomenologické zákony: Onsagerův princip reciprocity (1931) Lij = Lji Prigoginův teorém – v lineární oblasti, kde platí fenomenologické zákony se mohou ovlivňovat pouze vratné procesy stejného tenzorového charakteru • Nelineární nerovnovážná termodynamika – daleko od rovnováhy; nevzniká ustálený stav (srdce – živný roztok) Děj Vztah Zobecněný tok Zobecněná síla Vlastní fenomenologický koeficient Poznámka Vedení proudu elektrický proud elektrické napětí elektrická vodivost Ohmův zákon Difuse tok hmoty gradient koncentrace difusní koeficient Fickův zákon Tok tepla tok tepla gradient teploty koef.tepelné vodivosti Fourierův zákon U R 1 I dx dc DJ dx dT lq 32 kiki YLJ Fenomenologický koeficient