A metabolizmus energetikája

Átírás

1 A metabolizmus energetikája Dr. Bódis Emőke október 7. JJ9

2 Miért tanulunk bonyolult termodinamikát?

3 Miért tanulunk bonyolult termodinamikát? Mert a biokémiai rendszerek anyag- és energiaáramlásának jellemzőit a termodinamika főtételei és törvényei írják le. - Ezekből pl meghatározható, hogy egy folyamat spontán lejátszódik-e vagy sem. A termodinamika 0. főtétele (Egyensúly és stabilitás) A magára hagyott (minden kölcsönhatással szemben tökéletesen szigetelt) termodinamikai rendszer akkor van egyensúlyban, ha benne semmilyen makroszkopikus változás nem észlelhető, ebben az esetben az intenzív állapotjelzők a rendszeren belül homogén eloszlásúak.

4 A termodinamika I. főtétele (Energiamegmaradás) ΔE = E 2 -E 1 = Q + W Egy rendszer belső energiája kétféle módon változtatható meg: hőt közlünk vele (vonunk el), munkát végzünk rajta (végez a rendszer). DE! Biológiai rendszerekben a belső energia helyett hasznosabb az Entalpia. H = E + pv ΔH = ΔE + pδv = Q + W + pδv = Q - pδv + pδv = Q ΔH: a hőmennyiség változása állandó nyomás esetén. (ΔE: a hőmennyiség változása állandó térfogat esetén.) E H pv

5 A termodinamika II. főtétele (A folyamatok iránya) Minden termodinamikai rendszernek van két olyan állapotfüggvénye: S és T, amelyek segítségével a rendszer bármely kicsiny kvázistatikus és reverzibilis állapotváltozása esetében a felvett hőmennyiség: ΔQ = T ΔS Megfogalmazások: 1. Magárahagyott rendszerek rendezett (alacsony entrópiájú, alacsony valószínűségű) állapotból a rendezetlenebb (magasabb entrópiájú, nagyobb valószínűségű) állapotok felé törekszenek. 2. Spontán folyamatok egyensúlyra törekszenek (minimális potenciális energiájó állapot). Az ezzel járó energia csökkenés az entrópia növekedésével jár. Statisztikus értelmezés S = k ln W = k ln (W 2 -W 1 ) Az entrópia reprezentálja az energia eloszlását a kvantált energiaállapotok (mikroállapotok) között.

6 A termodinamika III. főtétele Tö kéletes kristályos, tiszta anyagok entrópiája (vegyületeke is!) T = 0 K-en nulla. Következménye: T= 0 K-en ismerjük az entrópia abszolút értékét DE! Biológiai folyamatokban az entrópia változás hasznosabb, mint az abszolút entrópia. Pl: ΔG = ΔH TΔS A III. főtétel statisztikus magyarázata: S = k ln W egyenletből T = 0 K hőmérsékleten a tökéletesen kristályos anyagok részecskéi mind a leheto legalacsonyabb energiáju állapotban vannak W = 1 és S = 0 A legalacsonyabb mért hőmérséklet a természetben 1 K (Boomerang csillagködben, 5000 fényévnyire tőlünk, a Kentaur csillagképben)

7 Kérdés: Végbe fog-e menni önként egy reakció egy adott irányban? 1. A reakció termodinamikai feltétele a szabadentalpia-csökkenés. G = H TS G = E + pv -TS Entalpia Hőként a környezetből a rendszerbe áramló energia. (A rendszer tárolja, nem felhasználható.) Szabadentalpia (G, Gibbs-féle szabadenergia): Egy rendszer entalpiájának azon része, amely munkavégzésre szabadon felhasználható. Belső energia Állandó nyomáson végzett munka a rendszer V térfogatának eléréséig. (A rendszer tárolja, nem felhasználható.) Ha a szabadentalpia-változás: - pozitív: endoterm folyamat - negatív: exoterm folyamat Állandó nyomáson és térfogaton igaz. Biológiai rendszerekre jól alkalmazható.

8 Szabadentalpia-változás

9 2. A reakció kinetikai feltétele: a reaktánsoknak le kell küzdeniük az aktiválási energiát

10

11

12

13 A biológiai oxidáció első szakasza: Glikolízis 1 db glükóz molekulából 2 db piruvát (piroszőlősav) keletkezik.

14 Piruvát, egy sokoldalú molekula A glikolízis végterméke, különböző metabolikus utakon indulhat tovább Oxigén jelenléte: aerob lebontási út Oxigén nélkül: - tejsavas erjedés - alkoholos erjedés

15 Glikolízis, tejsavas fermentáció C 6 H 12 O 6 2 H 3 C - CHOH COO - +2 H + ΔG = - 183,6 kj/mol Emellett netto 2 ATP is keletkezik 2 ADP + 2 P i 2 ATP + 2 H 2 O ΔG = 61 kj/mol ΔG = - 183, = - 122,6 kj/mol A szabad energia változás bőven fedezi a 2 ATP szintézisét: (61 / 183,6) * 100% = 33,2 % (A felszabaduló energia 33,2 %-a fordítódik a 2 ATP szintézisére.)

16 Miért megy végbe a glikolízis? Teljesülnek-e a reakciók lejátszódásának termodinamikai és kinetikai feltételei? A glikolízis első lépése

17 A glikolízis első lépése: az első energiatelítési fázis Kináz: foszforilálást végző enzim Hexokináz: 6 C-os cukormolekulákat (hexóz) foszforilál A glikolízis folyamata az első és harmadik lépésnél energiával töltődik fel (2 ATP hidrolízise), hogy a folyamat végére 4 ATP szintetizálódjon (nyereség: 2 ATP). ATP bontás: ΔG = -30,5 kj/mol Foszforilálás: ΔG = 13,8 kj/mol Első lépés: ΔG = -30,5 + 13,8 = - 16,7 kj/mol A vízpumpát vízzel telítjük (energiabefektetéssel), hogy további vizet nyerjünk.

18 Glükóz foszforilálása Glükóz-6-foszfáttá

19 Hexokinase (enzim) Mg 2+ - ATP Glükóz - foszforilálás: glükóz glükóz-6-foszfát - Konformációváltozás Mg 2+ - ATP és glükóz bekötés hatására (open-closed) - Reguláció: Az enzimfunkció alloszterikusan gátolt, ha magas a glükóz-6-foszfát koncentráció A glükóz-6-foszfát olyan metabolikus elágazási pont, ahonnak számos metabolikus útvonal indul. Glükokináz: májban és pankreászban funkcionáló hexokináz.

20 A glikolízis első lépése: glükóz átalakulálása glükóz-6-foszfáttá A reakció végbemeneteléhez 1. a termodinamikai feltétel teljesül, mert ΔG = - 16,7 kj/mol 2. a kinetikai feltétel teljesül, mert a hexokináz jelenléte csökkenti az aktivációs energiát.

21 Szabad energia változás a glikolízis lépései során

22 A glikolízis harmadik lépése

23 A glikolízis harmadik lépése: a második energiatelítési fázis Katalizátor: Foszfofruktokináz ATP bontás: ΔG = -30,5 kj/mol 2. Foszforilálás: ΔG = 11,7 kj/mol A harmadik lépés: ΔG = -30,5 + 13,8 = - 18,8 kj/mol Reguláció: - 2 ATP-kötőhely - Alacsony ATP koncentráció esetén az ATP a magas affinitású helyre kötődik (ATP at active site) - Magas ATP koncentráció esetén az ATP az alacsony affinitású helyre is kötődik (ATP at regulatory site) a glikolízis folymata lekapcsol

24 A glikolízis negyedik lépése

25 A glikolízis negyedik lépése: koncentáció-függő reakció Fruktóz-Bisfoszfát aldoláz: C3-C4 között hasít két 3C-atomos metabolit keletkezik Koncentrációfüggő reakció: in vitro (azonos koncentráció esetén) nem hatékony balról jobbra (ΔG pozitív: 23,97 kj/mol) in vivo (jelentős koncentráció különbség), hatékony (ΔG negatív: -0,23 kj/mol

26 A glikolízis hetedik lépése

27 A glikolízis hetedik lépése: Az első (2 db) ATP szintézise - Foszfoglycerát kináz: ADP foszforilációja (szubsztrát-szintű foszforiláció) - A kezdeti 1 glükóz molekulából 2 ATP keletkezik, visszafizetődik a korábban befektetett 2 ATP bontás - Élő sejtben: ΔG : -0,1 kj/mol ADP Mg 2+ foszfát

28 A glikolízis tizedik (utolsó) lépése

29 A glikolízis tizedik (utolsó) lépése: A második (2 db) ATP szintézise Katalizátor: Piruvát kináz Mg 2+ és K + jelenléte szükséges 1. lépés: ADP foszforilációja 2. lépés: enol-keton konverzió A foszfát csoport enol formában csapdázta a molekulát. A foszfáttól való megválás (ATP hidrolízis) utáni magas potenciál az enolt egy stabilabb keton formába alakítja. ΔG = -31,7 kj/mol A szabadentalpia rovására ATP keletkezik. ΔG = 30,5 kj/mol

30 Piruvát kináz tetramer

31

32

33

34

35 Köszönöm a figyelmet!

36