Bioenerge(kk. Bioenerge(kk, IA 2014

Transkript

1 1, IA 2014

2 2 Store Norske Leksikon: Bioenergetikk, den gren av biokjemien som beskjeftiger seg med de mekanismene som organismene bruker for å skaffe den energien de trenger for å holde livsprosessene i gang. Wikipedia: Bioenergetikk er en alternativ behandlingsmetode som ble utviklet i USA på 1960-tallet. Metoden bygger på en teori om at psykiske problemer, stress, sinne og frykt innvirker på både bevegelser, pust, kroppsholdning og sittemåte. Bioenergetikk blir også kalt «en kroppsorientert form for psykoterapi». Bioenergetikk er sammensatt av de greske ordene bio som betyr liv, og energetikk som betyr læren om energien og omdanningen av den. Energistrøm gjennom levende systemer

3 3 Relevante læringsmål, Biokjemi: beskrive nedbry(ngen av glykogen, disakkarider, monosakkarider og fecsyrer, og forklare hvordan slik nedbry(ng er koplet (l dannelse av ATP Relevant studiemateriell: Lehninger; Principles of biochemistry, 6 th Ed., KapiCel 13 LippincoC s; Biochemistry, 5 th Ed., KapiCel 6 (Baynes; Medical biochemistry, 3 rd Ed., KapiCel 9)

4 4 Det store bildet

5 5 og termodynamikk Bioenerge)kk er applikasjon av termodynamiske lover )l biokjemiske systemer. Beskriver energioverføringer i celler og hvordan de kjemiske prosessene kan kvan)fiseres. Dagens tema: 1. Termodynamikk 2. Fosforylgruppeoverføringer og energioverføringer 3. Oksidasjon og reduksjonsreaksjoner i celler

6 6 Energioverføringene i biokjemiske reaksjoner følger de samme termodynamiske lover som ellers i naturen 1. Lov: I enhver fysisk og kjemisk forandring vil den totale energimengden i universet forbli konstant, selv om energiens form kan forandres. 2. Lov: I alle naturlige prosesser vil universets entropi (grad av uorden) øke.

7 7 Energi kan anta ulike former Potensiell energi kan omformes )l bevegelsesenergi, som igjen kan omformes )l varmeenergi Noe av bevegelses- energien kan benynes )l å løpe en bøne vann, som derved får økt potensiell energi. Tilsvarende mindre energi avgis som varme Potensiell bevegelsesenergi lagret i vannbøna kan benynes )l å drive ulike hydrauliske maskiner, og f. eks. omformes )l elektrisk energi, som igjen kan omformes )l kjemisk energi (eks. kunstgjødsel- produksjon)

8 8 Vik(ge termodynamiske definisjoner H ΔH S G Entalpi: Varmeenergien, eller den samlede energien i et system (feks i en bestemt mengde av en kjemisk forbindelse) Forandring i entalpi i løpet av en reaksjon. Bestemmes av antallet og typen av kjemiske bindinger i reaktanter og produkt. Er ΔH posi)v, sier vi at reaksjonen er endoterm (varme tas opp). Er ΔH nega)v, sier vi den er eksoterm (varme avgis) Entropi: Grad av uorden i et system. Den delen av energien som ikke kan uuøre arbeid Gibbs fri energi: Den delen av energien i et system som kan uuøre arbeid. Er ΔG posi)v, sier vi at reaksjonen er endergon. Er ΔG nega)v, sier vi den er eksergon. Disse verdiene vil være relatert )l hverandre som følger: ΔG = ΔH - T ΔS

9 9 Termodynamikk 1. Termodynamikkens første lov (Konservering av E): Energi kan ikke oppstå eller forsvinne, men den kan forandre form (kjemisk, ) )l (fysikalsk, termisk, ). ΔE = q + w 2. Termodynamikkens andre lov (Entropi, S): Entropien i alle naturlige prosesser i universet (men ikke nødvendigvis systemet) vil all)d øke. Total S i universet øker kon)nuerlig. ΔS universe = ΔS system + ΔS omg > 0

10 10 Energioverføringer i levende organismer Levende organismer opprenholder intern orden ved å ta opp fri energi (ΔG, sollys og næringsstoffer) fra omgivelsene og gir )lbake )lsvarende mengde energi i form av varme (ΔH) og entropi (ΔS). Energiekstraksjon fra omgivelsene E omdannes til arbeid Frigi E som varme Frigi mindre organiserte sluttprodukt S omg ΔS universe = ΔS system + ΔS omg > 0 Produksjon av mer organiserte polymerer S system

11 11 Eks.:Termodynamikkens andre lov (Entropi, S): Oksidasjon av glukose C 6 H 12 O O 2 6CO H 2 O + energi I denne prosessen blir 7 molekyler konvertert til (og tilfeldig delt inn i) 12 nye molekyler. økning i entropi (molekylær uorden).

12 12 Termodynamikkens andre lov (Entropi, S):

13 13 Massevirkningsloven I en kjemisk reaksjon: aa + bb cc + dd vil reaksjonen forløpe inn)l en likevekt er inns)lt seg mellom produktene og reaktantene. Denne likevekten er unrykt som følger: K eq = [C] c [D] d [A] a [B] b Cato M Guldberg og Peter Waage Has)gheten av de to reaksjonene er proposjonal med konsentrasjonen av reaktantene som inngår. Hvis mengden av en av reaktantene eller produktene endres, vil konsentrasjonene av de andre komponentene også endres for å opprenholde likevekten. DeNe har stor betydning for biologiske reaksjoner.

14 14 Massevirkningsloven / likevekt I en kjemisk reaksjon A B vil all)d likevekten være forskjøvet mot den siden som har lavest innhold av fri energi, G. Hvis ΔG for reaksjonen er nega)v, vil altså likevekten være forskjøvet mot høyre. ΔG vil ikke bare være bestemt av egenskapene )l A og B, men også av konsentrasjonen av reaktantene, og temperaturen. Kjemikere og fysikere har all)d målt endringer i fri energi ved 25 o C (=298 K) og 1 M utgangskonsentrasjon av alle reaktanter (ΔG o ). DeNe har vært lite hensiktsmessig for biokjemikere, da 1 M H + )lsvarer ph=0. En har i stedet benynet ph=7. En har da gin energien symbolet ΔG o. SeNer en opp reaksjonen under disse be)ngelsene, og måler konsentrasjonen av A og B når likevekt er inntrådt, får en et mål for ΔG o. ΔG o = - RT ln [B]/[A] = - RT ln K eq R = gasskonstanten = J/mol x K Merk at en kan uuøre arbeid fra Gibbs fri energi bare når en kjemisk reaksjon går mot likevekt. Når likevekten først er nådd, kan ikke reaksjonen lenger produsere energi )l arbeid.

15 15 Endringer i fri energi I en levende celle vil de lokale konsentrasjoner av reaktanter og produkt så godt som aldri være 1M. Så den virkelige ΔG vil ikke være lik ΔG o. Forholdet mellom de to verdiene er ΔG= ΔG o +RT ln [B]/[A] Reaksjon: A B I biokjemiske spor i cellen vil sjelden et produkt (B) bli liggende ubrukt, men vil omsenes videre. Hvis den videre omsetningen er effek)v, kan den cellulære konsentrasjonen av B bli svært lav. Det betyr at ln [B]/[A] kan få en høy nega)v verdi, og at ΔG kan bli nega)v selv om ΔG o er posi)v. Reaksjonen vil derfor kunne gå mot høyre.

16 16 ENersom ΔG o måles under gine be)ngelser, vil enhver biokjemisk reaksjon ha en konstant ΔG o. Likevektskonstanten og ΔG 0 I en kjemisk reaksjon: aa bb K eq = [B] b [A] a Ved likevekt er reaksjonens totale endring i fri energi ΔG=0. Likningen blir da slik: ΔG o = - RT ln [B]/[A] = - RT ln K eq R = gasskonstanten = J/mol x K

17 17 Endringer i ΔG o er addi(ve For å få energimessig uguns)ge (høy posi)v ΔG o ) reaksjoner )l å foregå i cellene, kan reaksjonen kobles sammen med en energimessig guns)g reaksjon (høy nega)v ΔG o ). Den totale ΔG o for reaksjonen vil da bli summen av ΔG o for de to reaksjonene, og den totale reaksjonen kan derved bli eksergon. En svært vanlig metode er å koble hydrolyse av ATP )l energimessig uguns)ge reaksjoner.

18 18 Endringer i ΔG o er addi(ve Glukose + P i glukose 6- fosfat + H 2 0 ΔGʹ 0 = 13.8 kj/mol (1) (Den omvendte reaksjonen, hydrolyse av G- 6- P er spontan.) ATP + H 2 0 ADP + P i ΔGʹ 0 = 30.5 kj/mol (2) (ΔGʹ 0 verdiene av sekvensielle reaksjoner er addiave.) Glukose + ATP glukose 6- fosfat + ADP ΔGʹ 0 = 16.7 kj/mol (3)

19 19 Transport av elektroner kan ubøre arbeid Når vi kobler et baneri )l en motor, vil strømmen av elektroner fra den ene polen )l den andre polen kunne få motoren )l å uuøre arbeid. Tilsvarende vil elektroner som doneres fra en molekyl )l et molekyl med høyere elektronaffinitet (mer stabilt), avgi energi. Denne energien kan benynes av cellene )l å uuøre arbeid. Det er dene prinsippet som benynes for å synte)sere ATP fra de reduserte elektronbærerne NADH og FADH 2.

20 20 Energien i næringsmolekyl trekkes ut (l energibærere som ATP, NADH, NADPH og FADH 2 Exergon / katabolsk reaksjon: systemet frigir fri energi ΔG < 0 Endergon / anabolsk reaksjon: systemet bli (lført fri energi ΔG > 0

21 21 Bindingene mellom fosfatgruppene i adenosin trifosfat (ATP) er meget energirike. ATP er derfor den vik)gste bæreren av raskt )lgjengelig energi i cellene. ATP Adenin Energirik binding ATP forbrukes nesten straks det er dannet, slik at det kon)nuerlig må erstanes i cellene. Hydrolyse av den terminale fosfatbindingen frigjør 30.5 kj/mol. O C Ribose- sukker N P H Fosfat- grupper

22 22 ATP Den mengden ATP som brytes ned og dannes pr dag hos mennesket, )lsvarer omtrent kroppsvekten Pris på ATP fra Sigma Chemicals: 5g = $296 Det vil si at en ak)v person på 100 kg produserer ATP for ~6 mill $/dag

23 23 Energien som frigjøres ved hydrolyse av ATP skyldes: Fosfat: - OPO Redusert ladningsrepulsjon mellom de nega)ve ladningene på ATP. 2. Resonansstabilisering av avspaltet fosfat (P i ) 3. Ionisering av produktet ADP 2- )l ADP 3- frigjør H + i miljø med veldig lav [H + ] (~10-7 M / ph~7) 4. Bedre solva)sering av ADP og P i rela)vt )l ATP Fosforyl: - PO 3 2- Det er fosforyl som vernes fra ATP. Det dannes fosfat ener at O fra H 2 O hektes på.

24 24 Oksidasjon Oksidasjon innebærer verning av elektroner - enten alene eller i form av hydrogenatomer. Oksidasjoner er nedbrytningseaksjoner (katabolske) som frigjør energi. H H Redusert molekyl FrigiN energi Oksydert molekyl + H H Hydrogen- atomer For karbon i karbonforbindelser, vil økt grad av oksidasjon i praksis )lsvare en økning i antall C- O- bindinger

25 25 Reduksjon I syntesereaksjoner (anabolske) skjer det motsane. Forbindelser reduseres ved at elektroner eller hydrogenatomer tas opp. Energi + H H H H Oksydert molekyl Hydrogen- atomer Redusert molekyl I cellene skjer oksidasjons- og reduksjonsprosesser sam)dig. Når næringsmolekyler oksideres, tas ope elektronene opp av bestemte elektronbærere, som blir redusert. Disse elektronbærerne kan derener avgi elektronene )l syntesereaksjoner i cellene, blant annet )l dannelse av ATP.

26 26 De vik(gste elektronbærerne er NADH, NADPH og FADH 2 Koenzymer: Niko)namid adenin dinukleo)d (NAD/NAD + ) Niko)namid adenin dinukleo)d fosfat (NADP/NADP + ) Fra vitaminet Niacin (NikoAnsyre / Vitamin B 3 ) Proste)sk gruppe: Flavin adenin dinukleo)d (FAD/FAD + ) Fra vitamin riboflavin (Vitamin B 2 ) NAD + + 2e - + 2H + à NADH + H + NADP + + 2e - + 2H + à NADPH + H + (NAD + reduseres )l NADH) (NADP + reduseres )l NADPH) FAD + + 2e - + 2H + à FADH 2 (FAD + reduseres )l FADH 2 )

27 27 De vik(gste elektronbærerne er NADH, NADPH og FADH 2 (Framside) (Bakside) 1. Substratet donerer 2 H atomer 2. Hvert oksiderte nukleo)d aksepterer et hydrid ion (proton + 2 e- ) 3. H + frigis )l medium FADH 2 er mer allsidig enn NAD(P)H: 1. Aksepterer 1 eller 2 e- med 1 eller 2 H+ (begge medfører hydrogen overføring) 2. Reduksjonspotensial (- 0.4 V )l V) avhengig av bindingsstyrke

28 28 Sammendrag Termodynamikkens lover kan anvendes på systemer av levende organismer. Kjemiske reaksjoner er guns)ge når den frie energien )l produktene er lavere enn den frie energien )l reaktantene. I biokjemiske fosforylgruppereaksjoner er gode fosfatdonorer destabilisert av elektrosta)sk repulsjon og reaksjonsproduktene er stabilisert av resonans. Energimessig uguns)ge reaksjoner kan gjøres mulig ved å sammenkoble en uguns)g reaksjon med svært guns)ge reaksjoner. Oksidasjon/reduksjonsreaksjoner involverer overføring av elektroner fra reduserte organiske molekyler )l spesialiserte red/oks kofaktorer. De reduserte kofaktorene kan brukes i biosynte)ske spor eller brukes som energi )l ATP syntese.

29 29 Relevante læringsmål, Biokjemi: beskrive nedbry(ngen av glykogen, disakkarider, monosakkarider og fecsyrer, og forklare hvordan slik nedbry(ng er koplet (l dannelse av ATP