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 termodinamikafőtételei 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) termodinamikairendszer akkor van egyensúlyban, ha benne semmilyen makroszkopikus változás nemészlelhető, ebben az esetben az intenzív állapotjelzők a rendszeren belül homogéneloszlásúak.

A termodinamika I. főtétele (Energiamegmaradás)

ΔE = E2-E1 = Q + W

Egy rendszer belső energiája kétféle módon változtatható meg: hőt közlünk vele (vonunkel), munkát végzünk rajta (végez a rendszer).

DE! Biológiai rendszerekben a belső energia helyett hasznosabb az Entalpia.

H = E + pVΔH = ΔE + pΔV = Q + W + pΔV = Q - pΔV + pΔV = Q

ΔH: a hőmennyiség változása állandó nyomás esetén.(ΔE: a hőmennyiség változása állandó térfogat esetén.)

HpVE

A termodinamika II. főtétele (A folyamatok iránya)

Minden termodinamikai rendszernek van két olyan állapotfüggvénye: S és T, amelyeksegítségével a rendszer bármely kicsiny kvázistatikus és reverzibilis állapotváltozásaesetében a felvett hőmennyiség:

ΔQ = T ΔSMegfogalmazások: 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 (W2-W1)

Az entrópia reprezentálja az energia eloszlását a kvantáltenergiaállapotok (mikroállapotok) között.

A termodinamika III. főtétele

Tökéletes kristályos, tiszta anyagok entrópiája (vegyületeke is!) T = 0 K-en nulla.

Következménye: T= 0 K-en ismerjük az entrópia abszolút értékétDE! 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 részecskéimind 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)

Állandó nyomáson végzett munka a rendszer V térfogatának eléréséig.

(A rendszer tárolja, nemfelhasználható.)

G = H – TS G = E + pV -TS

Hőként a környezetből a rendszerbe áramló energia.

(A rendszer tárolja, nem felhasználható.)

EntalpiaBelső energia

Állandó nyomáson és térfogaton igaz. Biológiai rendszerekre jól alkalmazható.

Kérdés: Végbe fog-e menni önként egy reakció egy adott irányban?

1. A reakció termodinamikai feltétele a szabadentalpia-csökkenés.

Szabadentalpia (G, Gibbs-féleszabadenergia): Egy rendszer entalpiájánakazon része, amely munkavégzésre szabadonfelhasználható.

Ha a szabadentalpia-változás:- pozitív: endoterm folyamat- negatív: exoterm folyamat

Szabadentalpia-változás

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

A biológiai oxidáció első szakasza: Glikolízis

2 db piruvát (piroszőlősav) keletkezik.

1 db glükóz molekulából

Piruvát, egy sokoldalú molekula

A glikolízis végterméke, különböző metabolikusutakon indulhat tovább

Oxigén jelenléte: aerob lebontási út

Oxigén nélkül: - tejsavas erjedés- alkoholos erjedés

Glikolízis, tejsavas fermentáció

C6H12O6 2 H3C - CHOH – COO- +2 H+ ΔG = - 183,6 kJ/mol

Emellett netto 2 ATP is keletkezik

2 ADP + 2 Pi 2 ATP + 2 H2O 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 lejátszódásánaktermodinamikai és kinetikai feltételei?

A glikolízis első lépése

A glikolízis első lépése: az első energiatelítési fázis

Kináz: foszforilálást végző enzimHexokináz: 6 C-os cukormolekulákat (hexóz) foszforilál

A glikolízis folyamata az első és harmadik lépésnél energiával töltődikfel (2 ATP hidrolízise), hogy a folyamat végére 4 ATP szintetizálódjon(nyereség: 2 ATP).

ATP bontás: ΔG = -30,5 kJ/molFoszforilálás: ΔG = 13,8 kJ/molElső 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)

GlükózMg2+ - ATP

- foszforilálás: glükóz glükóz-6-foszfát- Konformációváltozás Mg2+ - ATP és glükóz bekötés

hatására (open-closed)- Reguláció: Az enzimfunkció alloszterikusan gátolt, ha

magas a glükóz-6-foszfát koncentráció

A glükóz-6-foszfát olyan metabolikuselágazási pont, ahonnak számosmetabolikus útvonal indul.

Glükokináz: májban és pankreászbanfunkcionáló 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 aktivációsenergiát.

Szabad energia változás a glikolízis lépései során

A glikolízis harmadik lépése

A glikolízis harmadik lépése: a második energiatelítési fázis

Katalizátor: FoszfofruktokinázATP bontás: ΔG = -30,5 kJ/mol2. Foszforilálás: ΔG = 11,7 kJ/molA 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

ADPMg2+

foszfát

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

A glikolízis tizedik (utolsó) lépése

A glikolízis tizedik (utolsó) lépése: A második (2 db) ATP szintézise

Katalizátor: Piruvát kinázMg2+ és K+ jelenléte szükséges1. lépés: ADP foszforilációja2. 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!