A metabolizmus energetikája

Hasonló dokumentumok
Spontaneitás, entrópia

A METABOLIZMUS ENERGETIKÁJA

A METABOLIZMUS ENERGETIKÁJA

Spontaneitás, entrópia

Termodinamikai bevezető

Glikolízis. Csala Miklós

Energia. Energia: munkavégző, vagy hőközlő képesség. Kinetikus energia: a mozgási energia

Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly

Glikolízis. emberi szervezet napi glukózigénye: kb. 160 g

Az energia. Energia : munkavégző képesség (vagy hőközlő képesség)

Energia. Energiamegmaradás törvénye: Energia: munkavégző, vagy hőközlő képesség. Az energia nem keletkezik, nem is szűnik meg, csak átalakul.

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

10/21/11. Miért potenciálfüggvények? (Honnan kapta a nevét?) Termodinamikai potenciálfüggvények. Belső energia. Entalpia

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

Termokémia, termodinamika

A bioenergetika a biokémiai folyamatok során lezajló energiaváltozásokkal foglalkozik.

A BIOLÓGIAI JELENSÉGEK FIZIKAI HÁTTERE Zimányi László

1. Mi a termodinamikai rendszer? Miben különbözik egymástól a nyitott és a zárt termodinamikai

2. Energodinamika értelmezése, főtételei, leírási módok

Orvosi Fizika 11. Transzportfolyamatok termodinamikai vonatkozásai. Dr. Nagy László

1 Műszaki hőtan Termodinamika. Ellenőrző kérdések-02 1

Makroszkópos tulajdonságok, jelenségek, közvetlenül mérhető mennyiségek leírásával foglalkozik (például: P, V, T, összetétel).

Termokémia. Hess, Germain Henri ( ) A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Bio-termodinamika, entrópia, egyensúly és változás.

Termodinamika. Tóth Mónika

Termokémia. Termokémia Dia 1 /55

A piruvát-dehidrogenáz komplex. Csala Miklós

A termodinamika törvényei

Termodinamika. Belső energia

Környezeti kémia: A termodinamika főtételei, a kémiai egyensúly

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. (Bio)termodinamika, entrópia, egyensúly és változás.

Szénhidrátok monoszacharidok formájában szívódnak fel a vékonybélből.

MEDICINÁLIS ALAPISMERETEK BIOKÉMIA A SZÉNHIDRÁTOK ANYAGCSERÉJE 1. kulcsszó cím: A szénhidrátok anyagcseréje

Termodinamikai rendszerek. Kalorimetria. Extenzív és Intenzív mennyiségek. Hőkapacitás, fajhő Mennyi a felvett hő?

Műszaki hőtan I. ellenőrző kérdések

Termodinamika (Hőtan)

Katalízis. Tungler Antal Emeritus professzor 2017

Megjegyzések (észrevételek) a szabad energia és a szabad entalpia fogalmához

A glükóz reszintézise.

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

A felépítő és lebontó folyamatok. Biológiai alapismeretek

Termodinamika. Gázok hőtágulása, gáztörvények. Az anyag gázállapota. Avogadro törvény Hőmérséklet. Tóth Mónika.

A szénhidrátok anyagcseréje. SZTE AOK Biokémiai Intézet Gyógyszerész hallgatók számára 2014.

Termodinamika. Tóth Mónika

Kémiai reakciók sebessége

A termodinamikai rendszer energiája. E = E pot + E kin + U E pot =m g h E kin =½m v². U = U 0 + U trans + U rot + U vibr + U khat + U gerj

Belső energia, hőmennyiség, munka Hőtan főtételei

Egy részecske mozgási energiája: v 2 3 = k T, ahol T a gáz hőmérséklete Kelvinben 2 2 (k = 1, J/K Boltzmann-állandó) Tehát a gáz hőmérséklete

Az enzimműködés termodinamikai és szerkezeti alapjai

A munkavégzés a rendszer és a környezete közötti energiacserének a D hőátadástól eltérő valamennyi más formája.

09. A citromsav ciklus

Légköri termodinamika

Hőtan I. főtétele tesztek

5. előadás

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

Bevezetés a biokémiába fogorvostan hallgatóknak

Kémiai reakciók mechanizmusa számítógépes szimulációval

Általános kémia képletgyűjtemény. Atomszerkezet Tömegszám (A) A = Z + N Rendszám (Z) Neutronok száma (N) Mólok száma (n)

III. Termodinamikai alapok: a változások energetikája; a folyamatok iránya, egyensúlyok.

Glikolízis. Nagy Veronika. Bevezetés a biokémiába 2018/19

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

Műszaki termodinamika I. 2. előadás 0. főtétel, 1. főtétel, termodinamikai potenciálok, folyamatok

A TERMODINAMIKA I. AXIÓMÁJA. Egyszerű rendszerek egyensúlya. Első észrevétel: egyszerű rendszerekről beszélünk.

Glikolízis. Nagy Veronika. Bevezetés a biokémiába 2018/19

Minek kell a matematika? (bevezetés)

Az edzés és energiaforgalom. Rácz Katalin

Anyagtudomány. Ötvözetek egyensúlyi diagramjai (állapotábrák)

Transzportfolyamatok

Általános Kémia, 2008 tavasz

KVANTITATÍV BIOENERGETIKA A BIOENERGETIKA TÁRGYKÖRE

Mire költi a szervezet energiáját?

Azonos és egymással nem kölcsönható részecskékből álló kvantumos rendszer makrókanónikus sokaságban.

Reakciókinetika. aktiválási energia. felszabaduló energia. kiindulási állapot. energia nyereség. végállapot

Mivel foglalkozik a hőtan?

Fermi Dirac statisztika elemei

ALLOSZTÉRIKUSAN SZABÁLYOZÓ METABOLITOK HATÁSA A PIRUVÁT-KINÁZ L és M IZOENZIMRE

A légzési lánc és az oxidatív foszforiláció

Követelmények: f - részvétel az előadások 67 %-án - 3 db érvényes ZH (min. 50%) - 4 elfogadott laborjegyzőkönyv

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

Fizika feladatok. 1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből november 28. Hővezetés, hőterjedés sugárzással. Ideális gázok állapotegyenlete

Citrátkör, terminális oxidáció, oxidatív foszforiláció

Fizikai kémia 2 Reakciókinetika házi feladatok 2016 ősz

Reakciókinetika. Általános Kémia, kinetika Dia: 1 /53

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. Általános és szervetlen kémia 9. hét. Elızı héten elsajátítottuk, hogy

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

összetevője változatlan marad, a falra merőleges összetevő iránya ellenkezőjére változik, miközben nagysága ugyanakkora marad.

Fizika. Fizika. Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK március 27.

Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny 2010/2011. tanév Kémia I. kategória 2. forduló Megoldások

A Fenntartható fejlődés fizikai korlátai. Késíztette: Rosta Zoltán Témavezető: Dr. Martinás Katalin Egyetemi Docens

Hőtan 2. feladatok és megoldások

Égés és oltáselmélet I. (zárójelben a helyes válaszra adott pont)

6. Termodinamikai egyensúlyok és a folyamatok iránya

Szabadentalpia nyomásfüggése

Energiaforrásaink Szénvegyületek forrása

A cukrok szerkezetkémiája

Laboratóriumi technikus laboratóriumi technikus Drog és toxikológiai

ELTE II. Fizikus, 2005/2006 I. félév KISÉRLETI FIZIKA Hıtan 9. (XI. 23)

folsav, (a pteroil-glutaminsav vagy B 10 vitamin) dihidrofolsav tetrahidrofolsav N CH 2 N H H 2 N COOH

A nukleinsavak polimer vegyületek. Mint polimerek, monomerekből épülnek fel, melyeket nukleotidoknak nevezünk.

Átírás:

A metabolizmus energetikája Dr. Bódis Emőke 2015. október 7. JJ9

Miért tanulunk bonyolult termodinamikát?

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.

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

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.

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)

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.

Szabadentalpia-változás

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

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

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

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 = - 183,6 + 61 = - 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.)

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

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.

Glükóz foszforilálása Glükóz-6-foszfáttá

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.

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.

Szabad energia változás a glikolízis lépései során

A glikolízis harmadik lépése

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

A glikolízis negyedik lépése

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

A glikolízis hetedik lépése

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

A glikolízis tizedik (utolsó) lépése

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

Piruvát kináz tetramer

Köszönöm a figyelmet!