BIOENERĢĒTIKA: ievads

Bioenerģētika ir bioķīmijas nozare, kas pēta kā šūnas pārveido, uzkrāj un izmanto enerģiju

Centrālais bioenerģētikas pētījumu objekts – ATP veidošanās oksidatīvajā fosforilēšanā un fotofosforilēšanā: procesi, kas notiek mitohondrijos un hloroplastos

Lai dzīvie organismi spētu pastāvēt, tiem nepieciešama enerģija

ATP – šūnas centrālais “enerģētiskais starpprodukts”

Ar “~” apzīmētās t.s. “makroerģiskās” saites hidrolizējot izdalās daudz enerģijas

• ATP ūdens vidē ir kinētiski stabils (stabilitāte zūd, fosfātgrupu aizvietojot ar arsenātu)

• ATP ir svarīgs fosfātgrupu donors

• ATP un ADP molekulu negatīvo lādiņu daļēji ekranē saistīšanās ar magnija joniem

Lai ATP šūnā funkcionētu kā enerģijas donors, svarīgs ir fosforilēšanas potenciāla lielums, nevis vienkārši ATP koncentrācija

Fosforilēšanas potenciāls ir ATP hidrolīzes

brīvā enerģija

Kas ir brīvā enerģija?

Jebkura reakcija noris līdz brīdim, kad tiek sasniegts līdzsvars:

A B ,

ko raksturo līdzsvara konstante: Keq = [B] / [A]Pie pastāvīgas temperatūras un spiediena termodinamiskā

funkcija, kas kvantitatīvi raksturo reakcijas attālinātību no līdzsvara stāvokļa ir reakcijas brīvā enerģija,

jeb Gibsa enerģija, ko apzīmē ar G

Jo tālāk no līdzsvara stāvokļa, jo reakcijā izdalās (vai tās norisei jāpievada) vairāk brīvās enerģijas

Gibsa enerģijas izmaiņas norāda, kāds daudzums enerģijas izdalās (ja G<0) vai jāpievada (ja G>0), vienu molu substrāta pārvēršot produktā pie nemainīgām produkta un substrāta koncentrācijām (t. i., reakcijas laikā pastāvīgi pievadot substrātu un aizvadot produktu)

• ja G<0, reakcija var noritēt spotāni ar enerģijas izdalīšanos

• ja G>0, tad, lai notiktu reakcija, jāpievada enerģija

• ja G=0, iestājies reakcijas līdzsvars

Brīvās enerģijas izmaiņas atkarīgas gan no tā, kādas saites tiek sarautas un kādas veidojas, gan arī no reaģentu un produktu koncentrācijām:

G = G0 + RT . ln([B]/[A])

G0 ir standarta brīvā enerģija, kas raksturo reakciju standartapstākļos, par kādiem fizikālajā ķīmijā pieņem 1M koncentrācijas visiem reakcijā iesaistītajiem komponentiem

Bioķīmijā lieto G0’, kas atbilst pH 7 (nevis pH 0) un 55 M ūdens koncentrācijai

Standarta brīvo enerģiju var atrast pēc reakcijas līdzsvara konstantes (jo līdzsvara apstākļos G = 0):

G0 = - RT . ln Keq

G = G0 + RT . ln([B]/[A])

[B]/[A] = Keq G = 0

[B]/[A] = 10Keq G = 5,7 kJ/mol

[B]/[A] = 100Keq G = 11,4 kJ/mol

Ja [B]/[A] pieaug/samazinās par kārtu, G (pie 25 0C) pieaug/samazinās par 5,7 kJ/mol

ATP hidrolīzes reakciju apraksta šķietamā līdzsvara konstante

K’eq = [ADP].[Pi]/[ATP] ,

kas atkarīga no pH un Mg2+ koncentrācijas

Pie pH 7 un [Mg2+] = 10 mM K’eq = 105

Metaboliski aktīvu šūnu mitohondrijos attiecība

[ADP].[Pi]/[ATP] ir par ~10 kārtām zemāka: 10-5

(~10 mM ATP, ~10 mM Pi, 10-5 M ADP)

Mitohondrijos fosforilēšanas potenciāls (Gp) ir:

-57 kJ/mol

ATP var veidoties:

• substrāta līmeņa fosforilēšanas reakcijās, kurās ATP veidojas kādā vienā atsevišķā enzimātiskā reakcijā

piemēram: PEP + ADP = piruvāts + ATP

• oksidatīvajā fosforilēšanā un fotofosforilēšanā:

energosajūdzošajās membrānās ar elektronu transporta ķēžu starpniecību pārveidojot substrāta ķīmisko enerģiju vai gaismas kvantu enerģiju

transmembrānas jonu gradienta enerģijā, kuru ATP sintāze apgriezeniski pārvērš ATP fosfoanhidrīdsaites enerģijā

Enerģijas pārvērtības oksidatīvajā fosforilēšanā

jeb Bioenerģētikas “centrālā dogma”:

Enerģijas atbrīvošana Red-oks reakcijas elpošanas ķēdē

Enerģijas pārveidošana Transmembrānas jonu gradients

Enerģijas akumulēšana ATP sintēze

Peter Mitchell 1920-1992

H+ versus ~

Hemiosmotiskā hipotēze -protondzinējspēks kā enerģijas starpforma

“Ķīmiskās sajūgšanas hipotēze” – elektronu transporta rezultātā

elpošanas ķēdē veidojas

starpsavienojumi ar makroerģisko saiti

“The oxphos wars”

Energosajūdzošās membrānas ir:

• mitohondriju iekšējā membrāna (oksidatīvā fosforilēšana)

• baktēriju citoplazmatiskā membrāna (sastopami abi fosforilēšanas veidi)

• hloroplastu tilakoīdu membrāna (fotofosforilēšana)

Evolucionāri elektronu transporta ķēdes radušās prokariotos

Mitohondriji un hloroplasti cēlušies no brīvi dzīvojošiem prokariotiem, tiem stājoties simbiotiskās attiecībās ar primitīvajām eikariotu šūnām

Bez bioenerģētiskās simbiozes pastāv arī bioenerģētiskais parazītisms - riketsijas

Riketsijas – iekššūnas parazīti ar vienkāršotu metabolismu, kas ATP importē no saimniekšūnas

Mitochondrial tomograms

Piruvātdehidrogenāzes komplekss

Trikarbonskābju jeb Krebsa cikls

Taukskābju beta-oksidācija

Elektronu transports, protondzinējspēka veidošanās un ATP sintēze notiek uz iekšējās membrānas

Hloroplastu tilakoīdi - “noraisījušās mitohondriju kristas”

Transmembrānas jonu gradients – līdzās ATP otra “konvertējamā” enerģijas forma

Mitohondrijos, hloroplastos un vairumā baktēriju

energosajūdzošais jons ir H+

Daļā baktēriju energosajūdzošais jons ir Na+

• Mitohondrijos un baktērijās gradients veidojas, no iekšējās telpas transportējot protonus ārā

• Hloroplastos protoni tiek transportēti no stromas tilakoīdu iekšienē (lūmenā)

Protondzinējspēks – transmembrānas protonu

elektroķīmisko potenciālu starpība; raksturo brīvās enerģijas daudzumu, kas iegūstams, pārvietojot 1 molu protonus pāri membrānai pa pH un elektriskā potenciāla gradientu (vienlaikus uzturot nemainīgu šo gradientu lielumu)

µH+ = + RT/F . ln(Hout/Hin)

µH+ = + 2,3 . RT/F . lg(Hout/Hin)

µH+ = + 2,3 . RT/F . [lg(Hout) – lg(Hin)]

µH+ = - 2,3 . RT/F . (pHout – pHin )

µH+ = - 2,3 . RT/F . pH

60 mV pie 30 0C

Protondzinējspēka lielumu mēra milivoltos

Uz energosajūdzošās membrānas tiek uzturēts ap 150 – 200 mV liels protondzinējspēks

100 mV liels protondzinējspēks atbilst 9,6 kJ lielai enerģijai

uz vienu molu pāri membrānai transportēto protonu

Atkarībā no energosajūdzošās membrānas paveida var dominēt viens vai otrs protondzinējspēka komponents:

• uz mitohondriju iekšējās membrānas - ,

• uz hloroplastu tilakoīdu membrānas - pH,

• uz baktēriju citoplazmatiskās membrānas - pH pie

zema vides pH un pie neitrāla un bāziska pH

Kādi eksperimenti liecina, ka protondzinējspēks ir enerģijas starpforma starp elektronu transportu un ATP?

• skābekļa pulss anaerobā mitohondriju suspensijā izraisa vides paskābināšanos

• uz membrānas inducēts pH gradients (mitohondriju un baktēriju suspensijās – vidi paskābinot, submitohondriālajām daļiņām un hloroplastiem – pasārminot) izraisa ATP sintēzi

• ATP pievienošana submitohondriālajām daļiņām izraisa vides pasārmināšanos

• hloroplastu suspensijas apgaismošana izraisa vides pasārmināšanos

Kas vēl liecina, ka protondzinējspēks ir enerģijas starpforma starp elektronu transportu un ATP?• starp protondzinējspēka ģenerēšanas sistēmām un ATP sintāzi nepastāv specifiska mijiedarbība – ATP sintēze var notikt dažādās himērās sistēmās un nav atkarīga no komponentu stehiometriskajām attiecībām

• protondzinējspēka ģenerēšana un ATP sintēze var nesakrist laikā (piem. apgaismo hloroplastus un tad tumsā pievieno ADP un fosfātu)

• elektronu transporta sajūgšanai ar ATP sintēzi nepieciešama intakta membrāna ar zemu H+ caurlaidību

• atjūdzēji ir lipofīlas vājas skābes

Ja bioenerģētikas “centrālā dogma” ir pareiza, tad jāatbild uz jautājumiem:

• kādi mehanismi elektronu transportu saista ar protondzinējspēka veidošanu?

• kā protondzinējspēka enerģija tiek izmantota ATP sintēzei?