METABOLISMUS SLOUČENINY S MAKROERGNÍMI VAZBAMI
Obsah • Formy organismů • Energetika reakcí
• Metabolické reakce • Makroergické sloučeniny
Formy organismů
Autotrofní x heterotrofní organismy
Práce a energie Energie se definuje jako schopnost soustavy konat práci
Faktor intenzity potenciálových energií
měřítkem
rozdílu
Faktor kapacity - měřítkem množství přenášené substance
1. Rozdíl výšek
1. Hmotnost vody
2. Rozdíl elektrických potenciálů
2. Velikost náboje
3. Rozdíl chemických potenciálů - změna Gibbsovy energie
3. Množství reagující látky
Přeměna a uchování energie
Energetika a průběh dějů
exergonické
rovnováha
endergonické
energetické spřažení
Chemické reakce Stručné termodynamické principy – uzavřený systém
Vztah mezi rovnovážnou konstantou a ΔG
Aktivační energie
Metabolismus a jeho obecné rysy = soubor pochodů přeměny látek v živých organismech
• Metabolická dráha – řada následných reakcí vedoucí k tvorbě určitého produktu
• Katabolismus – degradační dráhy rozklad složitých metabolitů na jednodušší produkty (často společné meziprodukty – dále metabolizované hlavní oxidační drahou
• Anabolismus – biosyntéza, výchozí látky (např. pyruvát, acetyl-CoA meziprodukty citrátového cyklu
Metabolické dráhy •
Jsou nevratné - dráha vedoucí od prvního produktu ke druhému (1) se musí lišit od dráhy vedoucí od druhého produktu k prvnímu (2) nezávislá kontrola rychlostí obou drah
(1) → A → (2) Y←X
•
Dráhy obsahují obecně jednu nevratnou exergonickou reakci, většina dílčích reakci probíhá v blízkosti rovnovážného stavu
•
Jsou regulovatelné. Regulace enzymu, katalyzující určující reakci
•
Probíhají na specifických místech - lokalizace
Metabolické dráhy
Makroergické sloučeniny Uvolňují značné množství energie v rychlém a jednoduchém pochodu (reakci)
• Nelze charakterizovat jako látky s vysokým obsahem energie Znázorňují se pomocí symbolu ~ pro tzv. makroergickou vazbu
• Vazba ~ není sama zdrojem energie, ta je záležitostí přeměny celé molekuly. Tato vazba ovšem při reakci zaniká Srovnání množství uvolněné energie
• Standartní reakcí pro srovnání je hydrolýza a její ΔG0‘ • Uvádí se hranice 25 kJ/mol
Makroergické sloučeniny Typy makroergických sloučenin
• Fosforylované sloučeniny ‐ polyfosfáty (anhydridy) ‐ směsné anhydridy –COOH a Pi ‐ enolfosfáty ‐ fosfoamidy (guanidinfosfáty) • Thioestery Zdrojem energie je přeměna (hydrolýza) celé molekuly,
•
tj. ΔG0‘ reakce resp. K
Uplatní se zde i následné pochody
• •
Tautomerizace produktu a resonanční stavy
Hydratace
Tabulka změny standardní Gibbsovy energie hydrolýzy fosfátů některých biologicky významných sloučenin Sloučenina
•ΔG0‘(kJmol-1)
Fosfoenolpyruvát
- 61,9
1,3-bisfosfoglycerát
- 49,4
ATP (→ AMP + PPi→ 2Pi)
-45,6
Acetylfosfát
-43,1
Fosfokreatin
-43,1
ATP (→ ADP + Pi)
-30,5
Glukosa-1-fosfát
-20,9
PPi
-19,2
Fruktosa-6-fosfát
-13,8
Glukosa-6-fosfát
-13,8
Glycerol-3-fosfát
-9,2
Změna Gibbsovy volné energie - závisí na pH, iontové síle, koncentraci dvojmocných iontů. Koncentrace látek se mění na obou stranách membránového obalu organely v rozmezí několika řádů
ATP (Polyfosfáty - anhydridy)
Proč je ATP tak energeticky bohatá molekula? • Aktivní forma ATP je obvykle komplex ATP s Mg2+ nebo Mn2+. • ATP je energeticky bohatá molekula, protože její trifosfátová část obsahuje dvě fosfoanhydridové vazby. • Důvodem je resonanční stabilizace, elektrostatické odpuzování a stabilita produktů. • Produkty hydrolýzy, jako je fosfát:AMP (adenosinmonofosfát) nebo ADP (adenosindifosfát), vykazují větší stabilitu a menší elektrostatickou repulzi než ATP. H2O
Posun reakce doprava je výsledkem
PPi
• Snížení repulsních sil – nábojů, menší pnutí molekuly • Lepší solvatace produktů, více resonančních stavů – snížení energie
Výpočet změny volné energie hydrolýzy ATP na ADP a Pi v buňce • Vnitrobuněčná koncentrace ATP se udržuje v rozmezí: 2 – 10 mM. • Koncentrace ADP a Pi jsou variabilní. • Při typické buněčné koncentraci [ATP] = 3, 0 mM, konc. [ADP] = 0, 8 mM konc.[ Pi] = 4, 0 mM je volná energie hydrolýzy ATP na ADP a Pi při 37oC: - 48, 1 kJ.mol-1
• Podle vzorce: DG = D G o´ + RT. ln [ADP].[ Pi ]/ [ATP]. D G o´ = - 35, 6 kJ.mol-1
ATP →ADP a fosfát, základní energetický metabolit
• 2 ~, hydrolýza γ fosfátu má ΔG0‘ = 30,5 kJ/mol • Zpětná reakce - velmi složitý endergonický pochod ATP → AMP a difosfát
• Uvolní se více energie ΔG0‘ = 45,6 kJ/mol
• Další se uvolní hydrolýzou difosfátu • PPi + H2O = 2 Pi (chemicky P2O74− + H2O → 2 HPO42−) • ΔG0‘ = 19,3 kJ/mol (přesto se řadí k makroergickým sloučeninám) • Zdroj energie pro některé bakteriální transporty
Tvorba ATP
Fosforylace na substrátové úrovni v počátečních fázích metabolismu sacharidů
Fotofosforylace (první fáze fotosyntézy)
Tvorba ATP 3. Adenylátkinasová reakce – rychlé, ale omezené možnosti 2 ADP = ATP + AMP Efektivita ATP jako energetického zdroje
• ATP + H2O = ADP + Pi ΔG = ΔG0 + RT ln ([P]/[R]) • Když [ATP]/[ADP][Pi] = 500 (tzv. fosforylační potenciál buňky), pak hodnota ΔG dosahuje až 50 kJ/mol
• Význam udržování vysoké [ATP]
Kreatinfosfát, fosfoarginin
(fosfoamidy - guanidinfosfáty) • Produkt hydrolýzy je lépe rezonančně stabilizován +
H2N
nebo nebo
O
N H X
P
C N
O
O
-
-
R R = CH2
CO 2
X = CH3
Fosfokreatin
X = H
Fosfoarginin
+
NH3 R = CH2
CH2
CH2
CH
CO 2
Kooperace s ATP Rychlá regenerace ATP Kreatinkinasa, svaly ATP + H2O = ADP + Pi ΔG0’ = - 30,5 kJ.mol-1 Kr-P + H2O = Kr + Pi ΔG0’ = - 43,1 kJ.mol-1 Kreatinfosfátu buněk s kreatinkinasou jako pufr ATP
• Buňka v klidovém stavu - Reakce směrem k syntéze kreatinfosfátu • Zvýšená metabolická aktivita – posun k syntéze ATP
1,3-bisfosfoglycerát, acetylfosfát
směsné anhydridy • 3-fosfát – typ acylfosfátu • Produkty hydrolýzy (-COOH) lépe rezonančně stabilizovány
O H3C
C
OH O
~
OPO32-
Acetylfosfát
2-
O3POCH2
C
C
~
OPO32-
1,3-Bisfosfoglycerát
Enolfosfáty Fosfo-enol-pyruvát
• Vysoce
záporná hodnota ΔG0 hydrolýzy je způsobena následným přesmykem na stabilní keto-formu (množství rezonančních stavů – analogie s přesmykem vinylalkoholu na acetaldehyd)
CoA-SH thioestery
R-CO~SX + H2O = R-COO- + H+ + HSX
O-estery makroergické nejsou, jsou resonančně lépe stabilizovány a ΔG0 hydrolýzy je menší)
Fosfoenolpyruvát
-60
DGO´ hydrolýzy (kJ.mol-1)
-50
1,3-Bisfosfoglycerát
~P ~P
Fosfokreatin
~P -40
-30
Vysokoenergetické sloučeniny ATP
-20
P P
-10
Nízkoenergetické sloučeniny
Glukosa-6-fosfát Glycerol-3-fosfát
0
Fosforylace na substrátové úrovni
Spřažené reakce Probíhají společně
• Ani spontánní exergonická neprobíhá • Energii pro endergonickou reakci dodává exergonická Spřažení formou
• Konformačních změn • Tvorby meziproduktů • Gradientů Syntéza a využití energetických metabolitů
• Makroergické sloučeniny
G´ (kJ.mol-1) Endergonní poloreakce 1
Pi + glukosa
glukosa-6-P
+ 13.8
Exergonní poloreakce 2
ATP + H2O
ADP + Pi
- 30.5
Celková spojená reakce
ATP + glukosa
ADP + glukosa-6-P
- 16.7
