KVANTITATIVN TERMODYNAMIKA

  • View
    45

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

KVANTITATIVNÍ TERMODYNAMIKA. 4.ročník biochemie. BENG-qTD. Bioenergetika v kostce. BENG-qTD. Něco na úvod. Učebnice biochemie jsou plné omylů, chyb a nesprávných vysvětlení, vyplývajících z „ termodynamické ignorance “ Báje a mýty: * „ATP jako vysokoenergetická sloučenina“ - PowerPoint PPT Presentation

Text of KVANTITATIVN TERMODYNAMIKA

  • KVANTITATIVNTERMODYNAMIKA 4.ronk biochemie

  • Bioenergetika v kostce ... BENG-qTD

  • Nco na vod... Uebnice biochemie jsou pln omyl, chyb a nesprvnch vysvtlen, vyplvajcch z termodynamick ignorance

    Bje a mty:* ATP jako vysokoenergetick slouenina* pojem makroergn sloueniny* innost pemny energie 40%

    BENG-qTD

  • Trochu opakovn Systmy: Izolovan (adiabatick)UzavenOteven vyaduj popis pomoc nerovnovn TD

    Pspvek rovnovn TD v biochemii:Studium jednotlivch reakc jako uzaven systmyOtzka rovnovnho stavu reakceOdchylka aktulnho stavu z rovnovhy

    Hlavn nstroj pro:Vpoet rovnovnch podmnek pi penosu energie a uren odchylky od rovnovnho stavu (= schopnost vykonvat prci)Eliminace termodynamicky nemonch reakc

    BENG-qTD

  • Entropie a Gibbsova energieNkdo na entropii nev

    BENG-qTD

  • Entropie a Gibbsova energie 2Entropie hnac slaEnthalpie (teplo)Gibssova energie = zahrnuje vmnu tepla a tok entropie

    G = H - TS Gibbs-Helmholtzova rovnice

    Pokud G < 0 systm je schopen vykonvat prci (pokud je k dispozici pslun mechanismus, kterm ji me vykonvat)

    Gibbsova energie v biochemii:1) Reakce substrt zsobujcch respiran etzec a syntzu ATP2) Redoxn potencily pi penosu elektron (dchn, fotosyntza)3) Elektrochemick gradienty pi penosu iont na membrnch4) Energie pi absorbci kvant svtla pi fotosyntzeBENG-qTD

  • G jako funkce odchylky z rovnovhy Gibbsova energie = funkce pomru mezi pozorovanm a rovnovnm stavem reaktant a produkt BENG-qTD G odpovd Gibbsov energii/mol uvolnn pi prbhu reakce beze zmny koncentrace substrtu a produktu (in vivo)

  • G a rovnovn konstanta reakce VCHODISKO:- uvaovn reakc ve smyslu vychlen z rovnovnho stavuBENG-qTDLze odvodit:

    G = -2.3 RT log K/

    R plynov konstantaT absolutn teplota pomr nerovnovnch konc.

    Z toho vyplv: G je funkc vychlen z rovnovhy G je negativn pro < K G je pozitivn pro > K

    Cc obsDd obs = Aa obsBb obsZVR:- G nedv odpov na otzku: Kolik energie se uvoln pi prbhu reakce z aktulnho stavu do rovnovhy ?

  • Hodnoty G pro hydrolzu ATP Za fyziologickho stavu (pH= 7, 10-2 Mg2+ ) lze urit: K = 105 M ( ignorujeme vliv vody, pH, ionizanho stavu,)

    a) Pro rovnovn stav plat plat: = K = 105 M pro cytoplazmu (10-2 Pi, 10-3 ADP) odhad rovnovn koncentrace ATP 10-10

    b) MTCH udruj odchylku od rovnovnho stavu na = 10-5 Mpro MTCH (10-2 Pi, 10-5 ADP)- odhad koncentrace ATP 10-2

    Fosforylan potencilG (pro syntzu) = - G (pro hydrolzu) BENG-qTDK = [ADP] [Pi] [ATP]zdnliv reakn konstanta pro hydrolzu ATP na ADP a Pi

  • Hodnoty G pro hydrolzu ATP BENG-qTD

  • Zdnliv TD konstanty K zdnliv rovnovn konstanta

    Vztah k relnm podmnkm v buce:aktivita vs. koncentraceH2O jako reaktant nebo produktIonizan stavy a chelatace

    Ad 1)* v biochemickch systmech nelze urit aktivity vech reaktant = pouvan koncentrac

    Ad 2)* v ednch roztocch = voda jakoby ve standardnm stavu (tj. jako ist kapalina pi tlaku 1 atm)tj. neobjevuje se v rovnicch (pokud jsou K a definovny za stejnch podmnek)BENG-qTD

  • K a ionizan stav

    Ad 3)* jeden nebo vce reaktant nebo produkt ionizovateln* nebo je schopen chelatovat kation

    Rovnovn konstanta suma ionizovanch a chelatovanch forem nebo specifick formy vystupujc v reakci ?

    [ ATP] = [ATP4-] + [ATP3-] + [ATP.Mg2-] + [ATP.Mg- ]

    Pedpokld se prbh reakce: ATP.Mg2- + H20 = ADP.Mg- + HPO42- + H+

    Problmy:a) prbh reakce nen zcela jasn znmb) experimentln obtn urit koncentrace foremBENG-qTDprav konstanta K = [ADP.Mg-] [HPO42-] [H+] [ATP.Mg2-]

  • Omezen platnost K Zvr:Knen univerzln konstantouKje zvisl na pH, koncentraci kationtu,

    G je odvozena z K , proto:1) G je podobn jako Kplatn pouze pro pslun podmnky2) G mus bt vypoteno za stejnch podmnek jako K

    Obecn plat:G = -2.3 RT log10 K/

    Pro hypotetick standardn podmnky (1M koncentrace, ist kapalina nebo ist plyn pi tlaku 1 atm):

    G0 = -2.3 RT log10 K

    BENG-qTD

  • Co vlastn znamen G0 ?

    G0 nevypovd nic o:a) o hodnot G0 pro reakci v buceb) o smru spontnnho prbhu reakce v buce nebo o hodnot G uvolnn (spotebovan) pi reakci

    Lze odvodit:

    G = -2.3 RT log10 K/ G = -2.3 RT log10 K + 2.3 RT log10 G = G0 + 2.3 RT log10

    Pro rovnovn podmnky:G = 0 a tedy = K

    BENG-qTD

  • Vysokoenergetick vazby v ATP - mtus nebo realita ?Schopnost reaktant vykonvat uitenou prci je dna vychlenm aktulnho pomru koncentrac z rovnovnho stavunikoliv vlastnost jednotlivch sloek reakce

    Pklad 1: moe naplnn rovnovnou sms ATP, ADP a Pi. nic se nedje!Pklad 2: glukosa-6-P v koncentraci 1010 vt ne rovnovn schopen konat prci v buce jako ATPBENG-qTD

  • REDOXn potencily Dchn a fotosyntza penos elektron v transportnch etzcchBENG-qTD

  • Redox potencily: trocha pojm Oxidan-redukn reakce:Redoxn pry Pklad:Fe 3+.cyt c + 1 e- Fe2+.cyt c

    Poloreakce Pklad:Pyruvt + NADH + H+ Laktt + NAD+

    OxidaceNADH NAD+ + H+ + 2e-RedukcePyruvt + 2 H+ + 2e- Laktt

    Redoxn reakce je mono popsat pomoc TD pojm a veliin Pouvaj se elektrochemick veliiny x nkdy zamluje TD podstatu jev BENG-qTD

  • Stanoven redox potencil Redoxn poloreakce jsou vratn a lze je popsat rovnovnou konstantou !

    PROBLM: * elektrony neexistuj voln v roztoku* analogie v elektrochemii rovnovha kov/roztok soli

    EEN:- popis soustavy 2 pololnk spojench mstkem (kovov elektroda v rovnovze s 1M roztokem soli)Standardn vodkov elektroda = nulov potencil- H2 pi 1 atm na platinov elektrod- v roztoku o 1M koncentraci H+ pi 250C 2H+ + 2 e- H2

    Potencily kovovch elektrod se odvozuj ve vztahu k elektrod vodkovBENG-qTD

  • Redoxn potencily v biochemii Standardn redoxn potencil:- definovn vi vodkov elektrod- Ox/Red komponent v jednotkov aktivit (nebo 1M)- pH=0

    BENG-qTD

  • Standardn redox potencilStandardn redoxn potencil Eo je uren za definovanch standardnch podmnek vi vodkov elektrod

    Obdobn jako pro Gibbsovu energii lze pro redoxn pr Ox + ne Red odvodit vztah:

    E = E0 + 2,3 RT/nF log10 ([Ox] /[Red])

    R . plynov konstantaF Faradayova konstantaBENG-qTD

  • Redox potencil a pHV redoxnch reakcch asto vystupuj protony: Ox + ne + mH + Red

    E0 se stv negativnjm se zvyujcm se pH:zmna 2,3 RT/F(m /n) mV na jednotku pH tj. pi m = n je zmna - 60mV/pH

    V biochemii se definuje standardn redox potencil pi pH 7E0 ( oznaovn tak Em,7 = mid-point potencil)E0 pro redox pr H +/ 1/2 H2 je 7 x (-60)mV= - 420 mV

    Pro hodnotu aktulnho potencilu:Eh,pH=x = Em,pH=x + 2,3 RT/nF log10 ([Ox] /[Red])BENG-qTD

  • Tabulka redox potencil BENG-qTD

  • Pklad: glutathionRedoxn pr oxidovan/ redukovan glutathione: GSSG + 2e + 2H + 2 GSH

    - Jeden z nejdleitjch faktor pro udren redoxn rovnovhy v cytoplazm a matrix MTCH Nestejn mnostv reaktant a produkt = zvislost redox potencilu na absolutn koncentraci

    Pro n=2 Eh,pH 7 = E0 + 30 log10 ([GSSG] /[GSH]2) E0 = -240 mV (pH 7, 25oC, 1M GSSG a 1M GSH)

    Pro udren redoxnho potencilu na 200mV je poteba:a) pi celkov konc. glutathionu 10mM: 1.2mM GSSGb) pi celkov konc. glutathionu 1mM: 20M GSSGBENG-qTD

  • Vznam celkov koncentrace glutathionu BENG-qTD~ kinetick limit enzymu glutathion-reduktasy ?

  • Vztah G a rozdlu redox potencilPro redoxn pry A a B:Eh = Eh(A) Eh(B)- Lze odvodit G = - nF Eh Z podmnky pro rovnovhu G = 0 . Eh = 0

    Pklad: mitochondrieNADH/NAD+ Eh,7 = - 280mVO2/H2OEh,7 = + 780mV Eh = 1,16 V mtko TD nerovnovhy mezi pry

    - pi penosu 2 mol elektron v dchacm etzci: G = -2 x 96,5 x 1,16 = - 224 kJ mol-1BENG-qTD

  • Redoxn potencily na membrnNa membrn s existujcm membrnovm potencilem plat :

    G = - nF (Eh + )- Pohyb e- vi napt na membrn z kopce/do kopce

    BENG-qTD

  • Elektrochemick potencil iontuPlat obecn pro pohyb iont pes membrny ~ 2 hnac sly:1) koncentran gradient2) membrnov potencil

    Koncentran gradient (penos z koncentrace [X]A do [X]B) G (kJmol-1) = 2,3 RT log [X]B /[X]A Membrnov potencil (penos kationtu Xm+ po potencilu ): G (kJmol-1) = - mF

    Celkov elektrochemick potencil: Xm + = G = - mF + 2,3 RT log [X]B /[X]A speciln ppad: protonyBENG-qTD

  • Elektrochemick potencil protonPro penos proton lze odvodit vztah: H + = - F + 2,3 RT pH kde pH je definovno jako pH v P-fzi minus pH v N-fzi

    Historick poznmka:Mitchellova definice protonmotivn sly p (mV) = - (H + / F) H + 1kJmol -1 odpovd p 10,4 mV p 200 mV odpovd H + 19 kJ mol -1Pro 25oC a dosazen konstant:p (mV) = - 59 pH BENG-qTD

  • Fotony- primrn zdroj G pi fotosyntze * energie fotonu E = hh Planckova konst. 6,62 x 10-34 frekvence zen (s-1)

    S 1 molem ltky interaguje N foton: G = N h = N hc / = 120 000 / (kJ mol-1)

    Absorbce 1 molu ervenho svtla (600 nm) pi fotosyntze:cca G = 200 kJ mol-1BENG-qTD

  • Bioenergetick pemny a jejich stechiometriePpad mitochondri: protonmotivn sla p je pevodnkem mezi Eh a GATP in vivo nerovnovn podmnky (oteven systm) in vitro lze doshnout rovnovhy

    nap. isolovan MTCH rovnovha mezi protonmotivn silou a syntzou ATP pokud neprobh hydrolza ATP- lze testovat lehkm vychlenm z rovnovhy reakce mus bet opanm smrem

    Prsak proton MTCH membrnou ustlen hodnota p pod rovnovnou hodnotou odpovdajc Eh (tj. vdy teou njak elektrony z NADH na kyslk)

  • erpn proton dchacm etzcemPklad: pechod 2 e- v dchacm etzci v redox rozmez Eh peerp n H+ Rovnovhy bude dosaeno pro: n p = 2 Eh

    Zvr: - m vy stechiometrie H+/ O, tm niho rovnovnho p me bt dosaeno (analogie pevod na kole do kopce)

    Plat pouze pro vstup a vstup e-