TERMODINAMIKA 1
HŐ (q) és MUNKA (w): energia átmenet közben a rendszer és környezete között. A különböző energiafajták átalakulásukkor végső soron termikus energiává degradálódnak (disszipáció). BELSŐ ENERGIA (E): Molekulák transzlációs, vibrációs és rotációs energiája + kémiai kötések energiája (E = E kin + E köt + E 0 ) 2
A TERMODINAMIKA ELSŐ TÖRVÉNYE: (az energia-megmaradás törvénye) E = E vég E kezd E = Q + W tf + W egyéb ENTALPIA (H): Hőtartalom = belső energia + térfogati munka (P = konst.) H = E + p V Biológiai rendszerekben történő változások közel állandó nyomáson játszódnak le, és a térfogati munka általában kicsi érték, így jó közelítéssel E = Q, H = Q H E 3
A TERMODINAMIKA MÁSODIK TÖRVÉNYE: (a folyamatok iránya: spontán lejátszódó, rev, irrev) Az önként végbemenő folyamatok egyirányúsága Izolált rendszer entrópiája maximum érték felé tart (egyensúly). Spontán lejátszódó folyamatban a rendszer és a környezet entrópiája növekszik. 4
ENTRÓPIA (S) Rendezetlenség (véletlenszerűség) mértéke A folyamatok irányát megszabja a kevésbé valószínű valószínűbb állapot irány. Önként végbemenő folyamatban rendezetlenné válás következik be (energia, hely szerint is). Hely szerint maximális kitöltés Energia szerint Boltzmann-eloszlás S = k B lnw (L. Boltzmann, 1877) S q/t (R. Clausius, 1864) 5
6
Spontán lejátszódó (irreverzibilis) folyamatban: S rendsz. + S körny. > 0 (Entrópiaváltozással járó spontán folyamat pl. a diffúzió.) SZABADENERGIA (G) (Gibbs szabadenergia!) A két főtétel egyesítése; (P és T konst.) Változása az a maximális energia, ami hasznos munkára fordítható. G = H T S (J.W. Gibbs, 1878) (csak a rendszerre vonatkozik!) 7
Önként lejátszódó folyamat: Szabadenergia befektetés: Termodinamikai egyensúly: G < 0 G > 0 G G = 0 exergonikus endergonikus Mivel a szabadenergia állapotfüggvény, a változását csak a végállapot (a termékek szabadenergiájának összege) és a kezdeti állapot (a kiindulási anyagok szabadenergiájának összege) szabja meg, azaz független az átalakulás tényleges molekuláris mechanizmusától. A G nem ad információt a reakciók sebességéről, amit a tőle teljesen független aktivációs szabadenergia szab meg ( G ). 8
H + + S + + G = H T S Exoterm reakció,, spontán n lejátsz tszódik minden hőmérsékleten Exoterm reakció,, spontán n lejátsz tszódik, ha T < H/ H/ S Endoterm reakció,, spontán n lejátsz tszódik, ha T > H/ H/ S Endoterm reakció,, spontán n nem megy végbe v (endergonikus) 9
10
NAGYENERGIÁJÚ FOSZFÁT VEGYÜLETEK Szabadenergia befektetést igénylő folyamatok fizetőeszköze : ATP (F. Lipmann és H. Kalckar, 1941) Nagy foszfát-transzfer potenciál Hidrolíziskor nagy szabadenergia csökkenés. 11
Az ATP és hidrolízise 12
Nagyenergiájú kötés, ha G o < 25 kj/mol Vegyület Foszfoenol-piruvát 1,3-foszfoglicerát Kreatin-foszfát Pirofoszfát (PP i ) foszfoanhidrid 33,5 ATP AMP + PP i foszfoanhidrid 32,2 ATP ADP + P i foszfoanhidrid 30,5 AMP ade + P i foszfát-észter 14,0 Glükóz-6-foszfát Glicerin-3-foszfát Kötéstípus enol-foszfát acil-foszfát foszfoguanidin foszfát-észter foszfát-észter G o (kj/mol) 61,9 49,4 43,1 13,8 9,2 13
Az ATP kötés szerkezeti magyarázat: Ortofoszfát (HPO 4 2-, P i ) rezonancia stabilizációja (tetraéderes foszfát) ATP negatív töltések taszítása destabilizál Hidrolízis termékek nagyobb szolvatációs energiája Entrópia hatás (ATP 4- + H 2 O ADP 3- + HPO 4 2- + H + ) G-t befolyásolja: [ATP] = 8 mm, [ADP] = 1 mm, [P i ] = 8 mm, ph, Mg 2+ konc., ionerősség G cell 50 kj/mol Az ATP metastabil vegyület : enzimek nélkül nagyon lassan hidrolizál Aktivációs szabadenergia ( G ): 200-400 kj/mol 14
Ortofoszfát (HPO 4 2-, P i ) rezonancia 15
Az élő sejtet felépítő fontosabb molekulák Szénhidrátok - monoszacharidok (egyszerű cukrok) - oligoszacharidok - poliszacharidok Lipidek (membránokban: zsírsavak glicerinészterei) Aminosavak, peptidek, fehérjék Nukleozidok, nukleotidok, nukleinsavak 16
AMINOSAVAK, PEPTIDEK, FEHÉRJÉK AMINOSAVAK α-l-aminosavak (20 + Sec) pk amino =8,0 pk karboxil =3,1 (függ: T, ionerősség, mikrokörnyezet) homokiralitás enantiomerek R NH + 3 C α COO H 17
apoláros oldallánc: Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Met, Phe, Trp, Pro (iminosav) poláros oldallánc: Ser, Thr, Asn, Gln, Cys (pk R =8,4), Tyr (10,5) bázikus oldallánc: Lys (10,5), Arg (12,5), His (6,0) savas oldallánc: Asp (3,9), Glu (4,1) 18
19
20
Módosított aminosavak 5-hidroxi-Lys, 4- hidroxi-pro (pl. kollagén) 3-met-His, ε-n,n,ntrimet-lys (pl. miozin) N-formil-Met (prokarióta N- terminus) γ-karboxil-glu (Gla, pl. protrombin) tiroxin (tiroglobulin) 21
Módosított aminosavak fehérjékben 22
diszulfid-híd Cys Cys oxidáci ció redukció cisztin SS-híd 23
A PEPTIDKÖTÉS hidrolízis kondenzáció szubsztituált amid 24
FEHÉRJE SZERKEZETI SZINTEK Elsődleges: aminosav szekvencia N-terminus C-terminus 25
Másodlagos: lokálisan ismétlődő feltekeredés szuperszekunder elemek (motívumok) domén (kvázi-független térszerkezeti egység) Harmadlagos: globális térszerkezet Negyedleges: alegység szerkezet (több polipeptid) mioglobin hemoglobin 26
Immunoglobulin-G 27
A FEHÉRJEMŰKÖDÉS LÉNYEGE Specifikus kötődés indukálta konformáció változások laktoferrin 28
Katalitikus hatékonyság (enzimek) Szabályozás: allosztérikus effektorok irreverzibilis kovalens módosítás (proteolitikus hasítás) reverzibilis kovalens módosítás (foszforiláció/defoszforiláció, acetiláció/dezacetiláció) Molekuláris motorok (energia transzdukció) és molekuláris kapcsolók (információ transzdukció) kalmodulin Ca 2+ -kapcsoló 29
FEHÉRJÉK CSOPORTOSÍTÁSA Funkció szerint enzimek regulációs fehérjék (pl. hormonok, transzkripciós faktorok) transzport fehérjék (pl. hemoglobin, transzferrin, szérum albumin) tároló fehérjék (pl. ovalbumin, kazein, zein, ferritin) motorfehérjék (pl. aktin, miozin, kinezin, dinein) szerkezeti fehérjék (pl. kollagén, keratin, elasztin) adapter ( scaffold ) fehérjék (pl. Grb 2, stat, crk, shc) immunfehérjék, toxin-fehérjék (pl. IgG, antifreeze fehérje, ricin) exotikus fehérjék (pl. monellin, rezilin, glue fehérjék) 30
Konjugált (összetett) fehérjék glikoprotein (pl. IgG, fibronektin, proteoglikán) lipoprotein (pl. LDL, HDL) foszfoprotein (pl. kazein, glikogén foszforiláz-a) metalloproteinek (pl. ferritin, alkohol-dehidrogenáz, nitrogenáz) hemoprotein (pl. hemoglobin, citokróm-c, kataláz, nitrát-reduktáz) flavoprotein (pl. szukcinát-dehidrogenáz, NADH-dehidrogenáz) 31