Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

4.ročník biochemie KVANTITATIVNÍ TERMODYNAMIKA. BENG-qTD Bioenergetika v kostce...

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "4.ročník biochemie KVANTITATIVNÍ TERMODYNAMIKA. BENG-qTD Bioenergetika v kostce..."— Transkript prezentace:

1 4.ročník biochemie KVANTITATIVNÍ TERMODYNAMIKA

2 BENG-qTD Bioenergetika v kostce...

3 Něco na úvod... Učebnice biochemie jsou plné omylů, chyb a nesprávných vysvětlení, vyplývajících z „termodynamické ignorance“ - Báje a mýty: * „ATP jako vysokoenergetická sloučenina“ * pojem „makroergní sloučeniny“ * „účinnost přeměny energie 40%“ BENG-qTD

4 Trochu opakování … Systémy: a)Izolované (adiabatické) b)Uzavřené c)Otevřené – vyžadují popis pomocí nerovnovážné TD Příspěvek rovnovážné TD v biochemii: -Studium jednotlivých reakcí jako uzavřené systémy -Otázka rovnovážného stavu reakce -Odchylka aktuálního stavu z rovnováhy Hlavní nástroj pro: a)Výpočet rovnovážných podmínek při přenosu energie a určení odchylky od rovnovážného stavu (= schopnost vykonávat práci) b)Eliminace „termodynamicky nemožných“ reakcí BENG-qTD

5 Entropie a Gibbsova energie Někdo na entropii nevěří … BENG-qTD

6 Entropie a Gibbsova energie 2 Entropie – hnací síla Enthalpie (teplo) Gibssova energie = zahrnuje výměnu tepla a tok entropie  G =  H - T  S Gibbs-Helmholtzova rovnice Pokud  G < 0 systém je schopen vykonávat práci (pokud je k dispozici příslušný mechanismus, kterým ji může vykonávat) Gibbsova energie v biochemii: 1) Reakce substrátů „zásobujících“ respirační řetězec a syntézu ATP 2) Redoxní potenciály při přenosu elektronů (dýchání, fotosyntéza) 3) Elektrochemické gradienty při přenosu iontů na membránách 4) Energie při absorbci kvant světla při fotosyntéze BENG-qTD

7  G jako funkce odchylky z rovnováhy Gibbsova energie = funkce poměru mezi pozorovaným a rovnovážným stavem reaktantů a produktů BENG-qTD   G odpovídá Gibbsově energii/mol uvolněné při průběhu reakce beze změny koncentrace substrátu a produktu (in vivo)

8  G a rovnovážná konstanta reakce VÝCHODISKO: - uvažování reakcí ve smyslu vychýlení z rovnovážného stavu BENG-qTD Lze odvodit:  G = -2.3 RT log K/  R … plynová konstanta T … absolutní teplota  … poměr nerovnovážných konc. Z toho vyplývá:  G je funkcí vychýlení z rovnováhy  G je negativní pro  < K  G je pozitivní pro  > K  C  c obs  D  d obs  =  A  a obs  B  b obs ZÁVĚR: -  G nedává odpověď na otázku: „Kolik energie se uvolní při průběhu reakce z aktuálního stavu do rovnováhy ?“

9 Hodnoty  G pro hydrolýzu ATP Za „fyziologického“ stavu (pH= 7, Mg 2+ ) lze určit: K ´= 10 5 M ( ignorujeme vliv vody, pH, ionizačního stavu,…) a) Pro rovnovážný stav platí platí:  ´= K ´= 10 5 M pro cytoplazmu (10 -2 Pi, ADP) – odhad rovnovážné koncentrace ATP b) MTCH udržují odchylku od rovnovážného stavu na  ´= M pro MTCH (10 -2 Pi, ADP) - odhad koncentrace ATP „Fosforylační potenciál“  G (pro syntézu) = -  G (pro hydrolýzu) BENG-qTD K ´= [  ADP] [  Pi] [  ATP] zdánlivá reakční konstanta pro hydrolýzu ATP na ADP a Pi

10 Hodnoty  G pro hydrolýzu ATP BENG-qTD

11 Zdánlivé TD konstanty K´ … zdánlivá rovnovážná konstanta Vztah k reálným podmínkám v buňce: 1)aktivita vs. koncentrace 2)H 2 O jako reaktant nebo produkt 3)Ionizační stavy a chelatace Ad 1) * v biochemických systémech nelze určit aktivity všech reaktantů = používaní koncentrací Ad 2) * v ředěných roztocích = voda jakoby ve standardním stavu (tj. jako čistá kapalina při tlaku 1 atm) tj. neobjevuje se v rovnicích ( pokud jsou K a  definovány za stejných podmínek ) BENG-qTD

12 K´ a ionizační stav Ad 3) * jeden nebo více reaktantů nebo produktů ionizovatelný * nebo je schopen chelatovat kation Rovnovážná konstanta – suma ionizovaných a chelatovaných forem nebo specifické formy vystupující v reakci ? [  ATP] = [ATP 4- ] + [ATP 3- ] + [ATP.Mg 2- ] + [ATP.Mg - ] Předpokládá se průběh reakce: ATP.Mg 2- + H 2 0 = ADP.Mg - + HPO H + Problémy: a) průběh reakce není zcela jasně znám b) experimentálně obtížné určit koncentrace forem BENG-qTD „pravá konstanta“ K = [ADP.Mg - ] [HPO 4 2- ] [H+] [ATP.Mg 2- ]

13 Omezená platnost K´ Závěr: K´není univerzální konstantou K´je závislá na pH, koncentraci kationtu, …  G je odvozena z K´, proto: 1)  G je podobně jako K´platná pouze pro příslušné podmínky 2)  G musí být vypočteno za stejných podmínek jako K´ Obecně platí:  G = -2.3 RT log 10 K/  Pro hypotetické standardní podmínky (1M koncentrace, čistá kapalina nebo čistý plyn při tlaku 1 atm):  G 0 = -2.3 RT log 10 K BENG-qTD

14 Co vlastně znamená  G 0 ?  G 0 nevypovídá nic o: a) o hodnotě  G 0 pro reakci v buňce b) o směru spontánního průběhu reakce v buňce nebo o hodnotě  G uvolněné (spotřebované) při reakci Lze odvodit:  G = -2.3 RT log 10 K/   G = -2.3 RT log 10 K RT log 10   G =  G RT log 10  Pro rovnovážné podmínky:  G = 0 a tedy  = K BENG-qTD

15 „ Vysokoenergetické“ vazby v ATP - mýtus nebo realita ? Schopnost reaktantů „vykonávat užitečnou práci“ je dána vychýlením aktuálního poměru koncentrací z rovnovážného stavu -nikoliv vlastností jednotlivých složek reakce Příklad 1: moře naplněné rovnovážnou směsí ATP, ADP a Pi …. nic se neděje! Příklad 2: glukosa-6-P v koncentraci větší než rovnovážné … schopen konat práci v buňce jako ATP BENG-qTD

16 REDOXní potenciály Dýchání a fotosyntéza  přenos elektronů v transportních řetězcích BENG-qTD

17 Redox potenciály: trocha pojmů Oxidačně-redukční reakce: Redoxní páry Příklad:Fe 3+.cyt c + 1 e -  Fe 2+.cyt c Poloreakce Příklad: Pyruvát + NADH + H +  Laktát + NAD + OxidaceNADH  NAD + + H + + 2e - RedukcePyruvát + 2 H + + 2e -  Laktát Redoxní reakce je možno popsat pomocí TD pojmů a veličin - Používají se elektrochemické veličiny x někdy zamlžuje TD podstatu jevů BENG-qTD

18 Stanovení redox potenciálů Redoxní poloreakce jsou vratné a lze je popsat rovnovážnou konstantou ! PROBLÉM: * elektrony neexistují volně v roztoku * analogie v elektrochemii – rovnováha kov/roztok soli ŘEŠENÍ: - popis soustavy 2 poločlánků spojených můstkem (kovová elektroda v rovnováze s 1M roztokem soli) „Standardní vodíková elektroda“ = nulový potenciál - H 2 při 1 atm na platinové elektrodě - v roztoku o 1M koncentraci H + při 25 0 C 2 H e -  H 2 - Potenciály kovových elektrod se odvozují ve vztahu k elektrodě vodíkové BENG-qTD

19 Redoxní potenciály v biochemii Standardní redoxní potenciál: - definován vůči vodíkové elektrodě - Ox/Red komponent v jednotkové aktivitě (nebo 1M) - pH=0 BENG-qTD

20 Standardní redox potenciál Standardní redoxní potenciál E o je určen za definovaných standardních podmínek vůči vodíkové elektrodě Obdobně jako pro Gibbsovu energii lze pro redoxní pár Ox + ne   Red odvodit vztah: E = E 0 + 2,3 RT/nF log 10 ([Ox] /[Red]) R …. plynová konstanta F … Faradayova konstanta BENG-qTD

21 Redox potenciál a pH V redoxních reakcích často vystupují protony: Ox + ne  + mH +  Red E 0 se stává negativnějším se zvyšujícím se pH: změna 2,3 RT/F(m /n) mV na jednotku pH tj. při m = n je změna - 60mV/pH V biochemii se definuje standardní redox potenciál při pH 7 E 0 ´ ( označován také E m,7 = „mid-point potenciál“) E 0 ´ pro redox pár H + / 1/2 H 2 je 7 x (-60)mV= mV Pro hodnotu aktuálního potenciálu: E h,pH=x = E m,pH=x + 2,3 RT/nF log 10 ([Ox] /[Red]) BENG-qTD

22 Tabulka redox potenciálů BENG-qTD

23 Příklad: glutathion Redoxní pár oxidovaný/ redukovaný glutathione: GSSG + 2e  + 2H +  2 GSH - Jeden z nejdůležitějších faktorů pro udržení redoxní rovnováhy v cytoplazmě a matrix MTCH - Nestejné množství reaktantů a produktů = závislost redox potenciálu na absolutní koncentraci Pro n=2 E h,pH 7 = E 0 ´ + 30 log 10 ([GSSG] /[GSH] 2 ) E 0 ´ = -240 mV (pH 7, 25 o C, 1M GSSG a 1M GSH) Pro udržení redoxního potenciálu na – 200mV je potřeba: a) při celkové konc. glutathionu 10mM: 1.2mM GSSG b) při celkové konc. glutathionu 1mM: 20  M GSSG BENG-qTD

24 Význam celkové koncentrace glutathionu BENG-qTD ~ kinetický limit enzymu glutathion- reduktasy ?

25 Vztah  G a rozdílu redox potenciálů Pro redoxní páry A a B:  E h = E h(A) – E h(B) - Lze odvodit  G = - nF  E h Z podmínky pro rovnováhu  G = 0 ….  E h = 0 Příklad: mitochondrie NADH/NAD + E h,7 = - 280mV O 2 /H 2 OE h,7 = + 780mV  E h = 1,16 V … měřítko TD nerovnováhy mezi páry - při přenosu 2 molů elektronů v dýchacím řetězci:  G = -2 x 96,5 x 1,16 = kJ mol -1 BENG-qTD

26 Redoxní potenciály na membráně Na membráně s existujícím membránovým potenciálem  platí :  G = - nF (  E h +  ) - Pohyb e - vůči napětí na membráně – „z kopce/do kopce“ BENG-qTD

27 Elektrochemický potenciál iontu Platí obecně pro pohyb iontů přes membrány ~ 2 hnací síly: 1) koncentrační gradient 2) membránový potenciál  Koncentrační gradient (přenos z koncentrace [X] A do [X] B )  G (kJmol -1 ) = 2,3 RT log [X] B /[X] A Membránový potenciál (přenos kationtu X m + po potenciálu  ):  G (kJmol -1 ) = - mF  Celkový elektrochemický potenciál:  Xm + =  G = - mF  + 2,3 RT log [X] B /[X] A speciální případ: protony BENG-qTD

28 Elektrochemický potenciál protonů Pro přenos protonů lze odvodit vztah:  H + = - F  + 2,3 RT  pH kde  pH je definováno jako pH v P-fázi minus pH v N-fázi Historická poznámka: Mitchellova definice protonmotivní síly  p (mV) = - (  H + / F)  H + 1kJmol -1 odpovídá  p 10,4 mV  p 200 mV odpovídá  H + 19 kJ mol -1 Pro 25 o C a dosazení konstant:  p (mV) =  - 59  pH BENG-qTD

29 Fotony - primární zdroj  G při fotosyntéze * energie fotonu E = h h … Planckova konst. 6,62 x … frekvence záření (s -1 ) S 1 molem látky interaguje N fotonů:  G = N h = N hc / = / (kJ mol -1 ) Absorbce 1 molu červeného světla (600 nm) při fotosyntéze: cca  G = 200 kJ mol-1 BENG-qTD

30 Bioenergetické přeměny a jejich stechiometrie Případ mitochondrií: - protonmotivní síla  p je „převodníkem“ mezi  E h a  G ATP - in vivo nerovnovážné podmínky (otevřený systém) - in vitro lze dosáhnout „rovnováhy“ např. isolované MTCH – rovnováha mezi protonmotivní silou a syntézou ATP – pokud neprobíhá hydrolýza ATP - lze testovat lehkým vychýlením z rovnováhy – reakce musí běžet opačným směrem „ Průsak protonů“ MTCH membránou – ustálená hodnota  p pod rovnovážnou hodnotou odpovídající  E h (tj. „vždy tečou nějaké elektrony“ z NADH na kyslík)

31 Čerpání protonů dýchacím řetězcem Příklad: přechod 2 e - v dýchacím řetězci v redox rozmezí  E h přečerpá n H + Rovnováhy bude dosaženo pro: n  p = 2  E h Závěr: - čím vyšší stechiometrie H + / O, tím nižšího rovnovážného  p může být dosaženo (analogie převodů na kole do kopce) Platí pouze pro vstup a výstup e- na stejné straně membrány !!! x přenos succinátdehydrogenasa (matrix) – cyt c (cyt) n  p = 2 (  E h +  ) BENG-qTD

32 Čerpání protonů při syntéze ATP Rovnovážný vztah pro syntézu ATP v mtch matrix:  G p, matrix = n´ F  p kde n´… stechiometrie H + /ATP Závěr: - čím vyšší stechiometrie H + /ATP, tím vyšší  G lze dosáhnout při daném  p (platí i pro bakteriální membrány a stroma chloroplastů) Transport ADP/P i do a ATP ven z mitochondrií = příspěvek transportní energie pro celkovou energii (n´ je zpravidla mezi 3 a 4)  G p, cyt = (n´ + 1) F  p BENG-qTD

33 Účinnost syntézy ATP „ Oxidace NADH kyslíkem má  G o = 220kJmol -1, syntéza ATP má  G o =+31kJmol -1 takže pokud na každý NADH jsou syntetizovány 3 molekuly ATP, oxidativní fosforylace zachycuje asi 93 kJmol -1, což je účinnost 42%…“ (nejmenovaná učebnice biochemie) Nelze pominout: a)v buňce nejsou standardní podmínky b)ve fyzikální chemii nelze jednoduše spočítat účinnost podílem zdánlivého „výstupu“ a „vstupu“ Realita: Přenos 2 molů e- při oxidaci NADH   p= 200mV a přenos 10mol H + * energie konzervovaná v protonovém gradientu 10 x 200 x F = 200kJ * při syntéze ATP a přenosu do Cyt   p = 3 x 60 kJ = 180kJ BENG-qTD

34 Nabité molekuly a  BENG-qTD Rovnovážná distribuce nabitých iontů mezi kompartmenty A a B oddělených membránou (pro  G = 0) Z rovnice pro elektrochemický potenciál platí za rovnováhy:  Xm+ = 0 = - mF  + 2,3 RT log [X M+ ] B [X M+ ] A  = 2,3 RT/mF. log [X M+ ] B [X M+ ] A - vztah mezi rovnovážnými koncentracemi iontu za daného membránového potenciálu - elektrochemická rovnováha nastává při rozdílných koncentrací !!!

35 Rovnovážná distribuce kyselin a zásad BENG-qTD A) Membránový gradient a pH gradient na membránách: - vliv na rovnovážnou distribuci permeabilních iontů s disociabilními protony - použití syntetických kationtů pro měření  a  pH B) Membránový potenciál generovaný přenosem jednoho iontu ovlivňuje distribuci všech ostatních iontů - např. transport H +  přesun iontů elektrickým uniportem Specifika: * Anionty jsou vypuzovány z negativně nabité matrix * Kationty se akumulují v exponenciální závislosti na  * Dvojmocné kationty akumulují daleko více než jednomocné

36 Nabité molekuly a  BENG-qTD Rovnovážná distribuce nabitých iontů mezi kompartmenty A a B

37 Slabé kyseliny/báze a  pH BENG-qTD -Distribuce neutrální molekuly není ovlivněna  - rovnováha nastane při vyrovnání koncentračního gradientu -Slabé kyseliny a zásady (pK a 3-11) * obvykle prochází jako nenabité molekuly x v ionizované formě nepropustné i při vysokém koncentračním gradientu * protonované kys. a deprotonované báze – nezávislost na  * při existenci  pH - dochází k rozdělení ionizovaných částic - slabé kyseliny akumulace v alkalickém zóně (matrix) - slabé zásady akumulace v kyselé zóně (mezimembránový)

38 Další typy membránových potenciálů BENG-qTD Difúzní potenciál - vznik membránového potenciálu přidáním soli, jejíž kation a anion mají rozdílnou permeabilitu membránou (rozdíl od potenciálu tvořeného prací iontové pumpy) např. KCl + valinomycin – vyšší propustnost pro K + vede ke vzniku  uvnitř částice (lze popsat Nerstovou rovnicí) * na plasmatické embráně eukaryot trvalé difúzní potenciály Povrchový potenciál – konc. H + v bezprostřední blízkosti membrány je vyšší než v roztoku * neovlivňuje  p x může ovlivnit membránově vázané indikátory

39 Další oblíbená kapitola: Nerovnovážná TD BENG-qTD

40 Pokračování příště BENG-qTD


Stáhnout ppt "4.ročník biochemie KVANTITATIVNÍ TERMODYNAMIKA. BENG-qTD Bioenergetika v kostce..."

Podobné prezentace


Reklamy Google