Bioenergetika

BIOHEMIJA II

□ Bioenergetika i metabolizam

□ Metabolizam karbohidrata - sa kliničkim korelacijama

□ Metabolizam lipida - sa kliničkim korelacijama

□ Metabolizam aminokiselina i porfirina - sa kliničkim korelacijama

□ Metabolizam nukleotida - sa kliničkim korelacijama

□ Biohemija hormona; integracija i hormonska regulacija metabolizma

□ Regulacija pH

Preoblikovanje i skladištenje energije

Bioenergetika

Kako ćemo razumjeti stvaranje reda u haosu?

Zakoni termodinamike razlikuju sistem i njegovu okolinu.

Sistem se definira kao materija u definiranom području prostora.

Materija u ostaku svemira naziva se okolinom.

Prvi zakon termodinamike tvrdi da je ukupna energija sistema i njegove okoline konstantna. Sadržaj energije u univerzumu je konstantan; energija se ne može niti svoriti niti uništiti.

Drugi zakon termodinamike tvrdi da se proces može odvijati spontano samo ako zbir entropija sistema i njegove okoline poraste.

(ΔSsistem + ΔSokolina) > 0 za spontani proces

■ Biohemijski važan termodinamički parametar koji govori o spontanosti odvijanja hemijske reakcije je promjena slobodne energije (ΔG).

■ ΔG reakcije je razlika u slobodnim energijama produkata i reaktanata.

► ΔG zavisi samo od slobodne energije produkata (konačno stanje) i slobodne energije reaktanata (početno stanje).

► ΔG reakcije neovisna je od puta (ili molekulskog mehanizma) kojim se odvija transformacija.

● Mehanizam reakcije ne utiče na ΔG. ΔG za oksidaciju glukoze u CO2 i H2O je ista bilo da se oksidacije odvija in vitro sagorijevanjem ili serijom enzimski kataliziranih reakcija.

1. Reakcija će se odvijati spontano samo ako je ΔG negativna (egzergone reakcije).

2. Ako je ΔG pozitivna reakcija se ne odvija spontano (endergone reakcije).3. Ukoliko je ΔG=0, sistem je u ravnoteži i ne dolazi do neto promjena.

ΔG govori da li će se reakcija odvijati spontano ili zahtijeva dotok energije.ΔG zavisi od prirode reaktanata i produkata i od njihovih koncentracija.

A + B ↔ C + D

ΔG za ovu reakciju je: BADC

RTGG ln0

Gdje su:

ΔG0 promjena standardne slobodne energije

R gasna konstanta

T apsolutne temperatura (0K)

[A], [B], [C] i [D] molarne koncentracije (aktiviteti) reaktanata i produkata

ΔG0 – promjena standardne slobodne energije

Promjena slobodne energije reakcije pod standardnim uslovima:

na 250C (2980K), pri 1,0 M početnim koncentracijama reaktanata i produkata, za gas parcijalnom pritisku od 101,3 kPa (1 atm). Standardno stanje za reakcije u kojima sudjeluje H+ ion je [H+] = 1,0 M (pH 0). pH i koncentracija H2O (55,5 M) u suštini su konstantne.

Za biohemijske reakcije definirano je standardno stanje u kome je [H+]=10-7M (pH 7,0)

ΔG0’ – promjena standardne slobodne energije kod pH 7

na 250C (2980K), pri 1,0 M početnim koncentracijama reaktanata i produkata, za gas parcijalnom pritisku od 101,3 kPa (1 atm), [H+] = 10-7M (pH 7), koncentracija H2O 55,5 M, za reakcije koje uključuju Mg2+ ion (uključujuči večinu reakcija u kojima sudjeluje ATP kao supstrat) 1 mM koncentracija Mg2+.

ΔG0’ - promjena standardne slobodne energije je konstanta i ima karakterističnu vrijednost za datu reakciju, koja se ne mijenja.

ΔG0’ je razlika između sadržaja slobodne energije produkata i slobodne energije reaktanata pod standardnim uslovima. Kada je ΔG0’ negativna, produkti sadrže manje energije od reaktanata i reakcija će se odvijati spontano, pod standardnim uslovima. Sve hemijske reakcije imaju tendenciju da se odvijaju u smjeru koji vodi sniženju slobodne energije. Pozitivna vrijednost ΔG0’ znači da produkti reakcije sadrže više slobodne energije od reaktanata. Ako otpočne sa 1,0 M koncentracijama svih komponenata u reakcionoj smjesi (standardni uslovi) ova reakcija će imati tendenciju odvijanja u suprotnom smjeru.

Kriterijum spontanosti odvijanja biohemijske reakcije je ΔG, a ne ΔG0’.

Da li će ΔG neke reakcije biti veća, manja ili jednaka ΔG0’ zavisi od koncentracije produkata i reaktanata.

● Reakcija koja na osnovu ΔG0’ nije spontana, može se podešavanjem koncentracija reaktanata i produkata odvijati spontano. Ovaj princip osnova je kuplovanja reakcija u metaboličkim putovima.

Aktuelna promjena slobodne energije, ΔG, funkcija je koncentracija reaktanata i produkata i temperature koja vlada tokom reakcije, a koja ne mora obavezno biti jednaka definiranim standardnim uslovima. ΔG mnogih reakcija koje se odvijaju spontano, sa odvijanjem reakcije postaje manje negativna, a u stanju ravnoteže jednaka je nuli, što indicira da reakcija više ne može vršiti rad.

A + B ↔ C + D

BADC

RTGG ln'0

Kada je reakcija u ravnoteži, kada nema pokretačke sile reakcije u bilo kome smjeru,ΔG=0, a izraz se reducira na:

)303,2/(

10'0

'0

'0

'0

'0

10'

'log303,2

'ln

'

ln

ln0

RTGeq

eq

eq

eq

K

KRTG

KRTG

KBA

DC

BA

DCRTG

BA

DCRTG

■ Termodinamički nefavorizovane (endergone) reakcije pokreću one reakcije koje su temodinamički favorizovane (egzergone)

Ukupna promjena slobodne energije (ΔG0) za hemijski kuplovanu seriju reakcija

jednaka je zbiru promjena slobodnih energija pojedinačnih stupnjeva.

(1) A ↔ B + C ΔG0’1 = + 21 kJ mol-1

(2) B ↔ D ΔG0’2 = - 34 kJ mol-1

_________________________________________________________________________

Zbir A ↔ D + C ΔG0’ukupno = Δ G0’

1 + ΔG0’2 = - 13 kJ mol-1

(1) glukoza + Pi ↔ glukoza 6-fosfat + H2O ΔG0’= + 13,8 kJ mol-1

(2) ATP + H2O ↔ ADP + Pi ΔG0’= - 30,5 kJ mol-1

____________________________________________________________________________________________

Zbir: ATP + glukoza → ADP + glukoza 6-fosfat

ΔG0’= 13,8 kJ mol-1 + (- 30,5 kJ mol-1 ) = - 16,7 kJ mol-1

Ukupna reakcija je egzergona.

□ ATP je univerzalni tok energije u biološkim sistemima.

ATP je nukleotid koji se sastoji od adenina, riboze i trifosfatne jedinice.Aktivni oblik ATP obično je kompleks ATP sa Mg2+ili Mn2+.ATP je energijom bogata molekula jer njegova trifosfatna jedinica sadrži dvije fosfoanhidridne veze.

Velika količina energije oslobađa se pri hidrolizi ATP na:

ATP + H2O ↔ ADP + Pi ΔG0’= - 30,5 kJ mol-1

ATP + H2O ↔ AMP + PPi ΔG0’ = - 45,6 kJ mol-1

Promjena slobodne energije (ΔG) za hidrolizu ATP u živim ćelijama, u kojima su koncentracije ATP, ADP i Pi mnogo niže od standardnih (1 M) koncentracija, značajno se razlikuje od ΔG0’ ove reakcije (- 30,5 kJ mol-1).U intaktnim ćelijama, ΔG za hidrolizu ATP mnogo je negativnija od ΔG0’ikreće se u rasponu – 50 do – 65 kJ mol-1.

ATP

PADPRTGG iln'0

molkJ

molJ

molJmolJ

xmolJmolJ

x

xxxKKmolJJmolG

/51

/51800

/21300/30500

)1083,1ln()/2480(/30500

1025,2

)1065,11050,2ln)298)(/8315(30500

4

3

341

U čovječijim eritrocitima koncentracije [ATP] = 2,25 mM

[ADP] = 0,25 mM

[Pi] = 1,65 mM

Strukturna osnova visokog potencijala za prenos fosfatne grupe ATP

1. Elektrostatske repulzije (odbijanja) Kod pH 7,0 trifosfatna jedinica ATP ima četiri negativna naboja. Pošto se

nalaze veoma blizu, ovi naboji se međusobno odbijaju. Repulzije se smanjuju kada ATP hidrolizira na ADP (ADP2-) i Pi (HPO4

2-).

2. Rezonancijska stabilizacija Anorganski fosfat (Pi) otpušten hidrolizom ATP stabilizira se stvaranjem više

rezonantnih oblika, koju su energetski slični, a u kojima svaka P - O veza ima u istom stupnju izražen karakter dvostruke veze. Neki od tih rezonantnih oblika u ATP nisu mogući. Hidrogen nije permanantno vezan na bilo koji od atoma oksigena.

3. ADP nastao hidrolizom odmah ionizira, otpuštajući proton [H+] u medijum veoma niske [H+]~10-7 M (pH 7,0).

4. Stupanj solvatacije Voda se mnogo lakše vezuje na ADP i Pi nego na ATP. Produkti hidrolize ATP,

ADP i Pi, hidratacijom se dodatno stabiliziraju u odnosu na ATP.

Potencijal prenosa fosfatnih grupa važan je oblik transformacije ćelijske energije.

● ATP obezbjeđuje energiju prenosom grupe, a ne jednostavnom hidrolizom.

Hemijska svojstva ATP ključna su za njegovu ulogu u metabolizmu; mada je u vodenoj sredini ATP termodinamički nestabilan i stoga dobar donor fosfatne grupe, kinetički je stabilan. Zbog ogromne energije aktivacije (200 do 400 kJ/mol) za nekatalizirano cijepanje fosfoanhidridne veze, ATP neće spontano donirati fosfatnu grupu na vodu ili stotine drugih potencijalnih akceptora unutar ćelije. Do prenosa fosfatne grupe doći će samo u prisustvu specifičnih enzima, koji će sniziti energiju aktivacije. ● Stoga ćelije, regulacijom enzima koji djeluju na ATP, mogu da reguliraju raspoloživu energiju koju nosi ATP.

ATP nije jedini spoj sa visokim potencijalom prenosa fosfatne grupe. Neki spojevi prisutni u biološkim sistemima imaju viši potencijal prenosa fosfatne grupe od ATP. Standardne slobodne energije (ΔG0’) hidrolize uobičajen su način poređenja potencijala za prenos fosfatnih grupa fosforiliranih spojeva.

■ ATP nije jedini spoj sa visokim potencijalom prenosa fosfatne grupe. Neki spojevi prisutni u biološkim sistemima imaju viši potencijal prenosa fosfatne grupe od ATP.

● Standardne slobodne energije (ΔG0’) hidrolize uobičajen su način poređenja potencijala za prenos fosfatnih grupa fosforiliranih spojeva.

Standardne slobodne energije hidrolize nekih fosforiliranih spojeva (ΔG0')

Spoj kJ mol-1

Fosfoenolpiruvat - 61,91,3-Bisfosfoglicerat - 49,4Kreatin fosfat - 43,1ATP (u ADP) - 30,5Glukoza 1- fosfat - 20,9Pirofosfat (difosfat) - 19,3Glukoza 6- fosfat - 13,8Glicerol 3- fosfat - 9,2

■ Zbog intermedijarnog položaja na skali spojeva sa potencijalom za prenos fosfatnih grupa, ATP nosi energiju sa spojeva sa visokim potencijalom za prenos fosfatnih grupa kao donora, nastalih u katabolizmu, na akceptorske spojeve kao što je glukoza, koji prelaze u reaktivniji oblik.

Ovaj tok fosfatnih grupa kataliziraju enzimi kinaze.

Metabolizam i biološke oksido - redukcije

Dva osnovna pitanja biohemije su:

1. Kako ćelije ekstrahuju energiju i reducirajuću snagu iz okoline?

2. Kako ćelije sintetiziraju gradivne blokove za svoje makromolekule?

■ Ovi procesi izvode se visoko integriranom mrežom hemijskih reakcija, koje se nazivaju metabolizmom.

Metabolizam

– sveukupnost hemijskih transformacija u ćeliji ili organizmu – odvija se putem serija enzimski kataliziranih reakcija koje čine metaboličke puteve.

U svakom uzastopnom stupnju metaboličkog puta izvode se male, specifične hemijske promjene, obično uklanjanje grupe, prenos ili dodavanje specifičnog atoma ili grupe. Prekursor se prevodi u produkt preko serije metaboličkih intermedijata koji se nazivaju metabolitima.

Intermedijarni metabolizam - povezane aktivnosti svih metaboličkih puteva koji interkonvertiraju prekursore, metabolite i produkte male molekuske mase (generalno Mr<1000).

Katabolizam –

degradativna faza metabolizma u kojoj se organski nutrienti ( karbohidrati,masti i proteini) prevode u manje i jednostavnije spojeve (npr. mliječnu kiselinu, CO2, NH3). Katabolički putevi oslobađaju energiju, od koje se nešto pohranjuje stvaranjem ATP i reduciranih nosača elektrona (NADH, NADPH i FADH2).

Anabolizam –

naziva se i biosintezama. Iz malih prekursora izgrađuju se veće i složenije molekule, uključujući lipide, polisaharide, proteine i nukleinske kiseline. Anaboličke reakcije zahtijevaju dotok energije, generalno u obliku potencijala za prenos fosfatne grupe ATP i reducirajuću snagu NADH, NADPH i FADH2.

Biološke oksidacije i redukcije

● Prenos fosfatnih grupa je centralno obilježje metabolizma.

■ Podjednako je važna i druga vrsta transfera – transfer elektrona u oksido - redukcijskim reakcijama.

Ove reakcije uključuju gubitak elektrona sa jedne hemijske vrste, koja se pri tome oksidira i prihvatanje elektrona od strane druge, koja se reducira. Tok elektrona u oksido-redukcijskim reakcijama je, direktno ili indirektno, odgovoran za cjelokupni rad koji vrše živi organizmi.

■ Elektroni se sa jedne molekule (donor elektrona) na drugu (akceptor elektrona) prenose na jedan od četiri različita načina:

1. Direktno kao elektroni. Na primjer, Fe2+/Fe3+ redoks par prenosi elektron na Cu+/Cu2+ redoks par:

Fe2+ + Cu2+ ↔ Fe3+ + Cu+

2. Kao atomi hidrogena. Atomi hidrogena sastoje se iz protona (H+) i jednog elektrona (e-). U ovom slučaju opšta reakcije je

AH2 ↔ A + 2e- + 2H+

gdje je AH2 hidrogen/elektron donor. AH2 i A čine konjugirani redoks par (A/AH2) koji reducira drugu komponentu B (ili redoks par, B/BH2), prenosom atoma hidrogena.

AH2 + B ↔ A + BH2

3. Kao hidridni ion (:H -), koji ima dva elektrona. Ovo se dešava pri djelovanju dehirogenaza u čijim reakcijama sudjeluje NAD.

4. Direktnim vezivanjem sa oksigenom. U ovom slučaju oksigen se vezuje sa organskim reduktantom

R - CH3 + ½ O2 → R - CH2 – OH

Sva četiri tipa transfera elektrona odvijaju se u ćeliji.

■ Termin reducirajući ekvivalent koristi se da bi se označio ekvivalent od jednog elektrona koji sudjeluje u reakciji oksido-redukcije, bez obzira da li je ovaj ekvivalent sam elektron, atom hidrogena, hidridni ion ili se transfer elektrona odvija u reakciji sa oksigenom, uz nastajanje oksigeniranog produkta rakcije.

● Pošto se biološke gorivne molekule obično dehidrogeniraju enzimski uz istovremeni gubitak dva reducirajuća ekvivalenta, biohemičari dogovorno kao jedinicu bioloških oksidacija smatraju dva reducirajuća ekvivalenta koji sa supstrata prelaze na oksigen.

Regulacija metaboličkih procesa

Složena mreža reakcija koje čine intermedijarni metabolizam mora bitistrogo kontrolirana. U isto vrijeme metabolička kontrola mora bitifleksibilna, jer vanjski uslovi u kojima se nalazi ćelija nisu konstantni.

Metabolizam se regulira:

(1) količinom enzima

(2) njihovim katalitičkim aktivnostima

(3) dostupnošću supstrata

(1) Količina enzima Količina svakog enzima zavisi od brzine njegove njegove sinteze i razgradnje. - nivo većine enzima primarno se kontrolira promjenom stupnja transkripcije gena koji ih kodiraju.

(2) Katalitička aktivnost enzima regulira se:

(a) reverzibilnom alosteričkom kontrolom - prva reakcija velikog broja biosintetskih puteva inhibira se krajnjim proizvodom tog puta (feedback inhibicija).

(b) reverzibilnom kovalentnom modifikacijom enzima - hormoni koordiniraju metaboličke relacije između različitih tkiva tako što reguliraju reverzibilnu modifikaciju ključnih enzima

(3) Kontrola dotoka supstrata

- prenos supstrata iz jednog ćelijskog kompartmenta (odjeljka) u drugi (npr. iz citosola u mitohondrije) također može služiti kao tačka kontrole.

● Važan generalni princip metabolizma je da su putevi biosinteze i razgradnje gotovo uvijek različiti. Ovo razdvajanje neophodno je iz energetskih razloga. To olakšava kontrolu metabolizma.

● Kod eukariota, metabolička kontrola i fleksibilnost su pojačane kompartmenizacijom (npr. oksidacija masnih kiselina odvija se u mitohordijama, a sinteza manih kiselina u citosolu).

■ Mnoge reakcije u metabolizmu kontrolira energetski status ćelije.

Jedan od pokazatelja energetskog statusa (stanja) je energetski naboj koji se definira kao

■ Energetski naboj većine ćelija kreće se u rasponu 0 ,80 do 0,95.Putevi u kojima se stvara ATP (katabolički) inhibirani su energetskim nabojem, dok su putevi u kojima se ATP iskorištava (anabolički) stimulirani visokim energetskim nabojem. Kontrola ovih puteva izvodi se da bi se energetski naboj održao u ovim uskim granicama.