C5720 Biochemie 10-Chemické reakce v živých organizmech 14-Energetika biochemických reakcí 9/16/2019 1 Petr Zbořil Obsah •Obecné rysy metabolismu •Chemické reakce a jejich energetika •Makroergické sloučeniny • 9/16/2019 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 • • • 9/16/2019 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 •ΔG = RT . (ln ([C] . [D] / [A] . [B])v – ln K) • •([C] . [D] / [A] . [B])v < K ΔG < 0 – spontánní směr •([C] . [D]/ [A] . [B])v > K ΔG > 0 •([C] . [D]/ [A] . [B])v = K ΔG = 0 – rovnováha • • 9/16/2019 Petr Zbořil 4 Chemické reakce •Vztah mezi •rovnovážnou konstantou •a ΔG • 9/16/2019 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 9/16/2019 Petr Zbořil 6 Problém rovnováh • E E o •A X o C N o o B o • M • o D Y 9/16/2019 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 • • • • 9/16/2019 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 • 9/16/2019 Petr Zbořil 9 Makroergické sloučeniny • • • • • • • • •Srovnání vydatnosti 9/16/2019 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 • • • 9/16/2019 Petr Zbořil 11 Typy makroergických sloučenin • • •Polyfosfáty (anhydridy) •Směsné anhydridy –COOH a Pi •Enolfosfáty •Fosfoamidy (guanidinfosfáty) •Thioestery • • • 9/16/2019 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 • • 9/16/2019 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 • • 9/16/2019 Footer Text 14 H2O PPi Polyfosfáty (anhydridy) 9/16/2019 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 9/16/2019 Footer Text 16 ATP •Centrální úloha ATP v energetickém metabolizmu 9/16/2019 Footer Text 17 Trvalá dostupnost ATP •Způsoby resyntézy oObrácení hydrolýzy – složité, ale trvalejší – efektivní dlouhodobě •Denní obrat ca tělesná váha oJednodušší syntéza adenylátkinasou – rychlé, ale krátkodobé • 2 ADP = ATP + AMP • •Efektivita ATP jako energetického zdroje oATP + H2O = ADP + Pi ΔG = ΔG0 + RT ln ([ADP].[Pi]/[ATP].[H2O]) oKdyž [ATP]/[ADP][Pi] = 500 (tzv. fosforylační potenciál buňky), pak hodnota ΔG dosahuje až -50 kJ/mol oVýznam udržování vysoké [ATP] 9/16/2019 Footer Text 18 Fosfoamidy (guanidinfosfáty) • •Kreatinfosfát •Produkt hydrolýzy je lépe rezonančně stabilizován • • • 9/16/2019 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] • 9/16/2019 Footer Text 20 Směsné anhydridy •Příkladem acetylfosfát a 1,3-bisfosfoglycerát o1-fosfát – typ acylfosfátu o3-fosfát – esterová vazba není makroergická •Produkty hydrolýzy (-COOH) lépe rezonančně stabilizovány 9/16/2019 Footer Text 21 unnumbered figure pg 411a Směsné anhydridy •Příkladem 1,3-bisfosfoglycerát •3-fosfát – typ acylfosfátu •Produkty hydrolýzy (-COOH) lépe rezonančně stabilizovány •Esterová vazba není makroergická 9/16/2019 Footer Text 22 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) • 9/16/2019 Footer Text 23 ~ 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 skupiny enzymů – zbytky Cys • • • 9/16/2019 Footer Text 24 • •Děkuji za pozornost 9/16/2019 Footer Text 25