1 J = cal = energi som trengs for å løfte 1 kg 1m mot en 1N kraft, eller 100 g 1meter mot tyngdekraften (10N) (ett eple en meter)

Transkript

1 1 1 J = cal = energi som trengs for å løfte 1 kg 1m mot en 1N kraft, eller 100 g 1meter mot tyngdekraften (10N) (ett eple en meter)

2 2 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

3 3 Energi kan anta ulike former Potensiell energi kan omformes til bevegelsesenergi, som igjen kan omformes til varmeenergi Noe av bevegelsesenergien kan benyttes til å løfte en bøtte vann, som derved får økt potensiell energi. Tilsvarende mindre energi avgis som varme Potensiell bevegelsesenergi lagret i vannbøtta kan benyttes til å drive ulike hydrauliske maskiner, og f. eks. omformes til elektrisk energi, som igjen kan omformes til kjemisk energi (eks. kunstgjødselproduksjon)

4 4 Viktige termodynamiske definisjoner Δ S G Entalpi: Varmeenergien, eller en samlede energien i et system (f eks 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 Δ positiv, sier vi at reaksjonen er endoterm (varme tas opp). Er Δ negativ, sier vi den er eksoterm (varme avgis) Entropi: Grad av uorden i et system. Den delen av energien som ikke kan utføre arbeid Gibbs fri energi: Den delen av energien i et system som kan utføre arbeid. Er ΔG positiv, sier vi at reaksjonen er endergon. Er ΔG negativ, sier vi den er eksergon. Disse verdiene vil være relatert til hverandre som følger: ΔG = Δ - T ΔS

5 5 Massevirkningsloven I en kjemisk reaksjon: aa + bb cc + dd vil reaksjonen forløpe inntil en likevekt er innstilt seg mellom produktene og reaktantene. Denne likevekten er uttrykt som følger: K = [C] c [D] d [A] a [B] b Cato M Guldberg og Peter Waage astigheten av de to reaksjonene er proposjonal med konsentrasjonen av reaktantene som inngår. vis mengden av en av reaktantene eller produktene endres, vil konsentrasjonene av de andre komponentne også endres for å opprettholde likevekten. Dette har stor betydning for biologiske reaksjoner

6 6 I en kjemisk reaksjon A B vil alltid likevekten være forskjøvet mot den siden som har lavest innhold av fri energi, G. vis ΔG for reaksjonen er negativ, vil altså likevekten være forskjøvet mot høyre. ΔG vil ikke bare være bestemt av egenskapene til A og B, men også av konsentrasjonen av reaktantene, og temperaturen. Kjemikere og fysikere har alltid målt endringer i fri energi ved 25 o C (=298 K) og 1 M utgangskonsentrasjon av alle reaktanter (ΔG o ). Dette har vært lite hensiktsmessig for biokjemikere, da f 1 M + tilsvarer p=0. En har i stedet benyttet p=7. En har da gitt energien symbolet ΔG o. Setter en opp reaksjonen under disse betingelsene, 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 utføre arbeid fra Gibbs fri energi bare når en kjemisk reaksjon går mot likevekt. Når likevekten først er nådd, kan ikke reaksjonen lenger produsere energi til arbeid

7 7 Siden ΔG o måles under gitte betingelser, vil enhver biokjemisk reaksjon han en konstant ΔG o.

8 8

9 9 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] I biokjemiske spor i cellen vil sjelden et produkt (B) bli liggende ubrukt, men vil omsettes videre. vis den videre omsetningen er effektiv, kan den cellulære konsentrasjonen av B bli svært lav. Det betyr at ln [B]/[A] kan få en høy negativ verdi, og at ΔG kan bli negativ selv om ΔG o er positiv. Reaksjonen vil derfor kunne gå mot høyre

10 10 Betydningen av enzymer Mange kjemiske reaksjoner har en høy, negativ ΔG. Likevel behøver de ikke skje spontant. Dette kommer av at mange reaksjoner krever en viss aktiveringsenergi, som normalt ikke overstiges ved kroppstemperatur. er spiller enzymene en avgjørende rolle ved å senke aktiveringsenergien. Enzymene påvirker imidlertid ikke likevektskonstanten. a b Substrat (metallstav) Overgangstilstand Magneter Produkt a b Fri energi, G S DG* P Enzym komplementært til substrat c c Fri energi, G S ES DG* P Enzym komplementært til overgangstilstand Fri energi, G S ES DG* P

11 11 Endringer i ΔG o er additive For å få energimessig ugunstige (høy positiv ΔG o ) reaksjoner til å foregå i cellene, kan reaksjonen kobles sammen med en energimessig gunstig reaksjon (høy negativ 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 til energimessig ugunstige reaksjoner.

12 12 Transport av elektroner kan utføre arbeid Når vi kobler et batteri til en motor, vil strømmen av elektroner fra den ene polen til den andre polen kunne få motoren til å utføre arbeid Tilsvarende vil elektroner som doneres fra ett molekyl til et molekyl med høyere elektronaffinitet (mer stabilt), avgi energi. Denne energien kan benyttes av cellene til å utføre arbeid. Det er dette prinsippet som benyttes for å syntetisere ATP fra de reduserte elektronbærerne NAD og FAD 2.

13 13 Energien i næringsmolekyl n trekkes ut til energibærere rere som ATP og NAD

14 14 ATP Bindingene mellom fosfatgruppene i adenosin trifosfat (ATP) er meget energirike. ATP er derfor den viktigste bæreren av raskt tilgjengelig energi i cellene ATP forbrukes nesten straks det er dannet, slik at det må kontinuerlig erstattes i cellene ydrolyse av den terminale fosfatbindingen frigjør 30.5 kj/mol Adenin Energirik binding Ribose-sukker Fosfat-grupper O C N P

15 15 Den mengden ATP som brytes ned og dannes pr dag hos mennesket, tilsvarer omtrent kroppsvekten Pris på ATP fra Sigma Chemicals: 5g = $296 Det vil si at en aktiv person på 100 kg produserer ATP for ~6 mill $/dag

16 16 Energien som frigjøres ved hydrolyse av ATP skyldes Ladningsrepulsjon mellom negative ladninger Resonansstabilisering av avspaltet fosfat ADP og fosfat solvatiseres bedre enn ATP CO O Adenin Energi fra nedbrytning av næringsstoffer O 2 Adenin Ribose Ribose C 2 ATP C 2 O O- P O ADP+Pi O O- P O O O- P O- O O- O- O P O P O + O O 2 O Energi til biosyntese og arbeid O O- P O O

17 17 Oksydasjon/reduksjon Oksydasjon innebærer fjerning av et elektron - enten alene eller i form av et hydrogenatom. Oksydasjoner er nedbrytningseaksjoner (katabolske) som frigjør energi Redusert molekyl Frigitt energi Oksydert molekyl + ydrogenatomer For karbon i karbonforbindelser, vil økt grad av oksydasjon i praksis tilsvare en økning i antall C- O-bindinger

18 18 I syntesereaksjoner (anabolske) skjer det motsatte. Forbindelser reduseres ved at elektroner eller hydrogenatomer tas opp. + Energi Oksydert molekyl ydrogenatomer Redusert molekyl I cellene skjer oksydasjons- og reduksjonsprosesser samtidig. Når næringsmolekyler oksyderes, tas ofte elektronene opp av bestemte elektronbærere, som så reduseres. Disse elektronbærerne kan så avgi elektronene til syntesereaksjoner i cellene, blant annet til dannelse av ATP

19 19 De viktigste elektronbærerne er NAD, NADP og FAD2