C3181
Biochemie I
03a-Chemické reakce v živých organizmech
FRVŠ 1647/2012
10/9/2013
1
Petr Zbořil

Obsah
•Obecné rysy metabolismu
•Chemické reakce a jejich energetika
•Makroergické sloučeniny
•
10/9/2013
Petr Zbořil
2

Metabolismus a jeho obecné rysy
•Soubor pochodů přeměny látek v živých organismech
oChemické reakce
oJiné pochody– např. transport
•Mají stránku materiálovou a energetickou
•Anabolizmus a katabolizmus
oSoučasné
oPřevládající
oBilance
o
•
•
•
10/9/2013
Petr Zbořil
3

Chemické reakce
•Stručné termodynamické principy – uzavřený systém
•
• k1
• A + B                  C + D + ΔG
•  k2
•
• v1 = k1 . [A] . [B]   v2 = k2 . [C] . [D]
•
• v1 = v2         k1/k2 = K = [C] . [D] / [A] . [B]
•
•ΔG0  = - RT . ln K K = e-( ΔG0/RT)
•ΔG    =  ΔG0 + RT . ln ([C] . [D] / [A] . [B])v
•
•([C] . [D] / [A] . [B])v     < K ΔG < 0 – spontánní směr
•                                     > ΔG > 0                          = ΔG = 0 – rovnováha
•
•
10/9/2013
Petr Zbořil
4

Chemické reakce
•Vztah mezi
•rovnovážnou konstantou
•a ΔG
•
10/9/2013
Petr Zbořil
5

Chemické reakce v metabolizmu
•Otevřený systém
oSled navazujících chemických reakcí
oHledisko dílčí a celkové
oPorušování a obnovování  rovnováh
•Energetika reakce
oSpontánní pochody exergonické (katabolické)
•Někdy jsou stimulovány aktivací metabolitů
oEndergonické pochody (povšechně anabolické, někdy i dílčí katabolické) – problém rovnováhy
•Vliv předchozí a následující reakce – materiálová stránka
•Dodání energie – vhodný způsob – spřažené reakce
10/9/2013
Petr Zbořil
6

Problém rovnováh
•    E                                       E
o
•A
X

o                        C N
o
o   B
o
•                                             M
•
o                                    D                  Y
10/9/2013
Petr Zbořil
7

Spřažené reakce
•Probíhají společně
oAni spontánní exergonická neprobíhá
•Energii pro endergonickou reakci dodává exergonická
•Spřažení formou
oKonformačních změn
oTvorby meziproduktů
oGradientů
•Syntéza a využití energetických metabolitů
oMakroergické sloučeniny
•
•
•
•
10/9/2013
Petr Zbořil
8

Makroergické sloučeniny
•Uvolňují značné množství energie v rychlém a jednoduchém pochodu (reakci)
oNelze charakterizovat jako látky s vysokým obsahem energie
•Znázorňují se pomocí symbolu ~ pro tzv. makroergickou vazbu
oVazba ~ není sama zdrojem energie, ta je záležitostí přeměny celé molekuly. Tato vazba ovšem při
reakci zaniká
•Srovnání množství uvolněné energie
oStandartní reakcí pro srovnání je hydrolýza a její ΔG0‘
oUvádí se hranice 25 kJ/mol
•
10/9/2013
Petr Zbořil
9

Makroergické sloučeniny
•
•
•
•
•
•
•
•
•Srovnání vydatnosti
10/9/2013
Petr Zbořil
10

Makroergické sloučeniny
•Typy makroergických sloučenin
oFosforylované sloučeniny
oThioestery
•Zdrojem energie je přeměna (hydrolýza) celé molekuly, tj. ΔG0‘ reakce resp. K
•Uplatní se zde i následné pochody
oTautomerizace produktu a resonanční stavy
oHydratace
•
•
•
10/9/2013
Petr Zbořil
11

Typy makroergických sloučenin
•
•
•Polyfosfáty (anhydridy)
•Směsné anhydridy –COOH a Pi
•Enolfosfáty
•Fosfoamidy (guanidinfosfáty)
•Thioestery
•
•
•
10/9/2013
Footer Text
12

Polyfosfáty (anhydridy)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•ATP, základní energetický metabolit
o2 ~, hydrolýza γ fosfátu má ΔG0‘ = 30,5 kJ/mol
oZpětná reakce formální, fakticky velmi složitý endergonický pochod
•Posun reakce doprava
oJe výsledkem
•Snížení repulsních sil – nábojů, menší pnutí molekuly
•Lepší solvatace produktů, více resonančních stavů – snížení energie
•
•
10/9/2013
Footer Text
13
H2O
H2O
Pi
Pi

Polyfosfáty (anhydridy)
•ATP – AMP a difosfát
•
•
•
•
•
•
•Uvolní se více energie
oΔG0‘ = 45,6 kJ/mol
oDalší se uvolní hydrolýzou difosfátu
•PPi + H2O = 2 Pi   (chemicky P2O74− + H2O → 2 HPO42−)
•ΔG0‘ = 19,3 kJ/mol (přesto se řadí k makroergickým sloučeninám)
o
•
•
10/9/2013
Footer Text
14
H2O
PPi

Polyfosfáty (anhydridy)
10/9/2013
Footer Text
15
•Difosfát (pyrofosfát – PP)
•
•
•
•
•PPi + H2O = 2 Pi   (chemicky P2O74− + H2O → 2 HPO42−)
oΔG0‘ = 19,3 kJ/mol (přesto se řadí k makroergickým sloučeninám)
oZdroj energie pro některé bakteriální transporty
•Polyfosfáty
oanorganické adsorbenty a energetické zdroje
ohypotetická účast v chemickém vývoji
•

ATP
•Schéma cyklu ATP
10/9/2013
Footer Text
16

ATP
•Centrální úloha ATP v energetickém metabolizmu
10/9/2013
Footer Text
17

Trvalá dostupnost ATP
•Způsoby resyntézy
oObrácení hydrolýzy – složité, ale trvalejší
•Denní obrat ca tělesná váha
oJednodušší syntéza adenylátkinasou – rychlé, ale omezené možnosti
•      2 ADP = ATP + AMP
•
•Efektivita ATP jako energetického zdroje
oATP + H2O = ADP + Pi       ΔG = ΔG0 + RT ln ([P]/[R])
oKdyž  [ATP]/[ADP][Pi] = 500 (tzv. fosforylační potenciál buňky), pak hodnota ΔG dosahuje až 50
kJ/mol
oVýznam udržování vysoké [ATP]
10/9/2013
Footer Text
18

Fosfoamidy (guanidinfosfáty)
•
•Kreatinfosfát
•Produkt hydrolýzy je lépe rezonančně stabilizován
•
•
•
10/9/2013
Footer Text
19

Kooperace s ATP
•Kreatinkinasa, svaly
•
•ATP + H2O = ADP + Pi
•ΔG0’ = - 30,5 kJ.mol-1
•
•Kr-P + H2O = Kr + Pi
•ΔG0’ = - 43,1 kJ.mol-1
•
•ATP + Kr  = ADP + Kr-P
•ΔG0’ = ?    K = ?
•
•
•
•
•Udržování vysoké [ATP]
•
10/9/2013
Footer Text
20

Směsné anhydridy
•Příkladem 1,3-bisfosfoglycerát
•3-fosfát – typ acylfosfátu
•Produkty hydrolýzy (-COOH) lépe rezonančně stabilizovány
•Esterová vazba není makroergická
10/9/2013
Footer Text
21

Enolfosfáty
•Fosfo-enol-pyruvát
•
oVysoce záporná hodnota
•ΔG0 hydrolýzy je způsobena
•následným přesmykem na
•stabilní keto-formu (množství
•rezonančních stavů – analogie
•s přesmykem vinylalkoholu
•na acetaldehyd)
•
10/9/2013
Footer Text
22
~

Thioestery
•R-CO~SX + H2O = R-COO- + H+ + HSX
oO-estery makroergické nejsou, jsou resonančně lépe stabilizovány a ΔG0 hydrolýzy je menší)
•
•
•
•
•
•
•CoA-SH
oFosfopantethein, -SH enzymů
•
•
•
10/9/2013
Footer Text
23