Āris Kaksis 2019. Rīga universitāte http://aris.gusc.lv/BioThermodynamics/BioThermodynamicAttractor7-36L.pdf 1 Atraktori bioķīmijas termodinamika Ilja Prigožins 1977. gada Nobeļa prēmija Termodinamisko Atraktoru deklarācija Iļjas Prigožina 1977. gada Nobeļa prēmijas lekcijā raksturo kvantitatīvās studijas par brīvās enerģijas G pārnesi dzīvajos organismos, par to ķīmisko procesu funkcijām dabā, uzstādot atraktorus par šo pārvērtību virzītājiem un mērķiem. Dzīvie organismi ir organiski regulētas kompleksas sistēmas, disipatīvas struktūras saturoši, neatgriezenisko procesu darbināti, ar noteiktiem atraktoriem virzīti organismu molekulāro mašīnu dzinēji, evolūcijas un izdzīvošanas homeostāzes instrumenti. http://aris.gusc.lv/ChemFiles/Attractor/1977NobelPrize.pdf Fotosintēzes Skābekļa O 2 atraktors atmosfērā 20,95 % Zaļo augu CO 2 asimilācija un O 2 OSMOZE gaisā 20,95% fotosintēzes produkcijas atraktors. Eksperimentāli izpētīta fotosintēzes spēja sasniegt skābekļa koncentrāciju gaisā 20,95 %. Pagatavojot gaisa sastāvu ar 2% skābekļa zaļie augi ātri 24 stundu laikā atjauno, apstājoties fotosintēzes ātrumam homeostāzes koncentrācijā 20,95% tilpuma procenti. Atraktors 20,95 % skābekļa atmosfērā darbojas lokāli foto sintezējošiem organismiem un mērījumi pierāda šī atraktora globālo dzīvības ietekmi. Nernsta potenciāla O 2aqua /H 2 O red-oks sistēmas acidozes oksidatīvā stresa fizioloģiskais mehānisms iznīcinoši bīstami dzīvībai! Oksidatīvā stresā norisinās haotiskas, piesārņojošas, ne enzimātiskas oksidēšanās reakcijas daudzveidīgos ķēdes reakciju un paralēlos produktos, sagraujot organismu! Ūdens vidē (asins plazmā) skābeklis ir stiprs oksidētājs 1,229 V atbilstoši pus reakcijai: O 2aqua +4H 3 O + + 4e - 6H 2 O oksidētā forma brīvie elektroni reducētā forma Arteriālo asiņu koncentrācija [O 2aqua ] =6*10 -5 M un pH=7,36 koncentrācija [H 3 O + ]=10 -7,36 M. . E= 1,229 V+0,01478•lg([O 2aqua ]•[H + ] 4 )= 1,229 +0,01478*log(6*10 -5 *10 -7,36•4 )= 0.70076 V Ūdens koncentrācija 55,3 M samazina potenciālu no 1,383 V uz standarta 1,229 V: E o = E ̊ + 4 0591 . 0 •lg( 1 H O 2 [ ] 6 ) ; [H 2 O]=55,3 M = mol / g _ 18 L / g _ 996 . E o = E ̊ + 4 0591 . 0 •lg( 1 H O 2 [ ] 6 )=1,383+0,01478•lg 6 ] 3 . 55 [ 1 =1,383-0,01478•10,456=1,229 V 1) Ūdens koncentrācija samazina oksidatīvā stresa risku par 1,383-1,229 =0.15449 V. Ja skābes koncentrāciju palielina 10 reizes tad potenciāls palielinās par + 0.2364 V : ΔE pieaug kā oksidatīvs stress: 2) paskābinot vidi ar ΔpH=1 acidozē ΔE ir +0,236 V Gaisu 20.95% nomainot ar 100% skābekli [O 2aqua ] koncentrācija palielinās 5 reizes un potenciāls 3) par ΔE= +0,01 V tad oksidatīvā stresa risks palielinās 5 reizes. Lielā oksidatīvā stresa un tehnoloģisko briesmu dēļ 1972. gadā slēdza NASA Apollo projektu. Divi skatu punkti uz līdzsvara atraktoriem Tūkstošiem bioķīmisko reakciju ir studētas kā līdzsvaru procesi dzīvajos organismos.
13
Embed
Āris Kaksis 2019. Rīga universitāte Atraktori …aris.gusc.lv › BioThermodynamics › BioThermodynamicAttractor...disociācijas process, elektrolītaūdens šķīdums ΔGdisociācija
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Āris Kaksis 2019. Rīga universitāte http://aris.gusc.lv/BioThermodynamics/BioThermodynamicAttractor7-36L.pdf
1
Atraktori bioķīmijas termodinamika Ilja Prigožins 1977. gada Nobeļa prēmija
Termodinamisko Atraktoru deklarācija Iļjas Prigožina 1977. gada Nobeļa prēmijas lekcijā raksturo kvantitatīvās studijas par brīvās enerģijas G pārnesi dzīvajos organismos, par to ķīmiskoprocesu funkcijām dabā, uzstādot atraktorus par šo pārvērtību virzītājiem un mērķiem.
Dzīvie organismi ir organiski regulētas kompleksas sistēmas, disipatīvas struktūras saturoši, neatgriezenisko procesu darbināti, ar noteiktiem atraktoriem virzīti
organismu molekulāro mašīnu dzinēji, evolūcijas un izdzīvošanas homeostāzes instrumenti. http://aris.gusc.lv/ChemFiles/Attractor/1977NobelPrize.pdf
Fotosintēzes Skābekļa O2 atraktors atmosfērā 20,95 %Zaļo augu CO2 asimilācija un O2 OSMOZE gaisā 20,95% fotosintēzes produkcijas atraktors.
Eksperimentāli izpētīta fotosintēzes spēja sasniegt skābekļa koncentrāciju gaisā 20,95 %.
Pagatavojot gaisa sastāvu ar 2% skābekļa zaļie augi ātri 24 stundu laikā atjauno, apstājoties
Atraktors 20,95 % skābekļa atmosfērā darbojas lokāli foto sintezējošiem organismiem un
mērījumi pierāda šī atraktora globālo dzīvības ietekmi.
Nernsta potenciāla O2aqua/ H2O red-oks sistēmas acidozes oksidatīvā stresa fizioloģiskais mehānisms iznīcinoši bīstami dzīvībai! Oksidatīvā stresā norisinās haotiskas, piesārņojošas, ne enzimātiskasoksidēšanās reakcijas daudzveidīgos ķēdes reakciju un paralēlos produktos, sagraujot organismu!
Ūdens vidē (asins plazmā) skābeklis ir stiprs oksidētājs 1,229 V atbilstoši pus reakcijai:O2aqua +4H3O
+ + 4e- 6 H2O
oksidētā forma brīvie elektroni reducētā forma
Arteriālo asiņu koncentrācija [O2aqua] =6*10-5 M un pH=7,36 koncentrācija [H3O+]=10-7,36 M.
.
E = 1,229 V+0,01478•lg([O2aqua
]•[H+]4)= 1,229 +0,01478*log(6*10-5*10-7,36•4)= 0.70076 V
Ūdens koncentrācija 55,3 M samazina potenciālu no 1,383 V uz standarta 1,229 V:
Eo = E ̊ +4
0591.0 •lg( 1H O2[ ]
6 ) ; [H2O]=55,3 M =mol/g_18
L/g_996.
Eo = E ̊ +4
0591.0 •lg(1
H O2[ ]6 )=1,383+0,01478•lg
6]3.55[
1=1,383-0,01478•10,456=1,229 V
1) Ūdens koncentrācija samazina oksidatīvā stresa risku par 1,383-1,229 =0.15449 V.
Ja skābes koncentrāciju palielina 10 reizes tad potenciāls palielinās par + 0.2364 V :
ΔE pieaug kā oksidatīvs stress: 2) paskābinot vidi ar ΔpH=1 acidozē ΔE ir +0,236 V
Gaisu 20.95% nomainot ar 100% skābekli [O2aqua] koncentrācija palielinās 5 reizes un potenciāls
3) par ΔE= +0,01 V tad oksidatīvā stresa risks palielinās 5 reizes.
Lielā oksidatīvā stresa un tehnoloģisko briesmu dēļ 1972. gadā slēdza NASA Apollo projektu.
Divi skatu punkti uz līdzsvara atraktoriemTūkstošiem bioķīmisko reakciju ir studētas kā līdzsvaru procesi dzīvajos organismos.
2
Viens atraktors līdzsvarā ir brīvās enerģijas minimums vielu maisījumā.
Līdzsvara maisījums satur produktu un izejvielu attiecību konstantes izteiksmē:
aA + bB <=> cC + dD ; Klīdzsvars=
k
k=
ba
dc
BA
DC
][][
][][
= Keq
Prigožina termodinamika attiecas uz ne līdzsvara komplekso reakciju bioķīmiju, bet līdzsvara stāvokļa atraktors ir Prigožina dissipatīvas struktūras saturošo komplekso reakciju
neatgriezenisko procesu mērķis uz ko tiekties , kas darbojas kā organismu Brauna molekulāro mašīnu dzinēji, evolūcijas un izdzīvošanas homeostāzes instruments.
Ne līdzsvara bioķīmisko procesu brīvās enerģijas izmaiņa ΔGne_līdzsvara ir tieši atkarīga no homeostāzes produktu un izejvielu koncentrāciju reizinājumiem [A]a, [B]b, [C]c, [D]d, kuras dodatšķirīgu no nulles ΔGne_līdzsvara vērtību izteiksmē:
ΔGne_līdzsvara =ΔGeq + R•T•ln
ba
dc
BA
DC
][][
][][≠ 0 .
Iestājoties līdzsvaram brīvās enerģijas izmaiņa ne līdzsvaram ΔGne_līdzsvara ir nulle
ΔGne_līdzsvara =ΔGeq + R•T•ln
ba
dc
BA
DC
][][
][][= 0 un var
aprēķināt standarta brīvās enerģijas izmaiņu līdzsvara stāvoklī no konstantes Keq vērtības:
ΔGeq = -R•T•ln
ba
dc
BA
DC
][][
][][= -R•T•ln(Keq) .
Pretstatā Hesa likums piecu komplekso reakciju aprēķinu kartība no produktiem mīnus izejvielas: Entalpijas standarta izmaiņa reakcijā ir: ΔHHess = ΣΔH˚produkti – ΣΔH˚izejvielas ;Entropijas standarta izmaiņa reakcijā ir ΔSHess = ΣΔS˚produkti – ΣΔS˚izejvielas ;Brīvās enerģijas standarta izmaiņa reakcijā ir ΔGHess = ΣΔG˚produkti – ΣΔG˚izejvielas
vai ΔGHess = ΔHHess – T · ΔSHess .Labvēlīgas un nelabvēlīgas Hesa (r) konstanti aprēķina ar eksponenti Kr= exp(-ΔGr/R/T)= e-ΔGr/RT
Labvēlīgu reakcijas konstanti lielāku par vienu Kr>1 veido negatīva brīvās enerģijas izmaiņa ΔGr<0,
Nelabvēlīgu reakcijas konstanti mazāku par vienu 0<Kr<1 veido pozitīva brīvās enerģijas izmaiņa ΔGr>0,
Līdzsvarā esošo vielu koncentrāciju konstante Keq nav atkarīga no koncentrācijām. Līdzsvara vielu maisījumam brīvās enerģijas ΔGeq= -R•T•ln(Keq) = ΔGmin izmaiņa ir minimizēta
Līdzsvarā tiek sasniegts brīvās enerģijas starpības minimums atbilstoši vielas sastāvam CCH3COONa= 5,39215966 mol/L šķīdības konstantes komponentu reizinājuma izteiksmē:
PARALĒLU reakciju daudz skaitlīgu produktu haoss un piesārņojums, 3. Saistītas-tandēmas reakcijas, pretstatā: Neaktīvu, nereaģējošu, klusējošu vielu sastingumam.
4. Konkurējošo-regulējošo metabolītu kompleksi, pretstatā haosam un piesārņojumam;5.Enzīma virzīta radikālu reaktivitāte. 5. Vides piesārņojuma radikālu ķēdes reakciju haoss.
6. lapas puse http://aris.gusc.lv/BioThermodynamics/74LidzsvarsDaba.pdf
Prigožina atraktori: enzīmu reaktivitāte līdzsvara sasniegšanai no haosa rada organiski
regulētu kārtību dzīvības homeostāzes uzturēšanai. Ar enzīmu specifiskumu kā selektivitāti
(alostērijas un inhibēšanas), enzīma virzīta radikālu reakcija.
Dzīvie organismi ir organiski regulētas kompleksas sistēmas, dissipatīvas struktūras saturoši, neatgriezenisko procesu darbināti, ar noteiktiem atraktoriem virzīti
organismu molekulāro mašīnu dzinēji, evolūcijas un izdzīvošanas homeostāzes instrumenti.
8
Atraktora pH=7,36 aspekti ūdeņraža jonu koncentrācija [H3O+]=10-7,36 M
Brensteda CA CO2aqua + H2O, hemoglobīna O2 un HCO3- + H+ atspoles enzīmu kompleksi
Plaušās venozo asiņu hemoglobīna piesātināšana ar skābekli turpmāk 459 reizes atjauno
cirkulācijā esošo arteriālo asiņu [O2aqua]=6·10-5 M daudzumu vienā litrā O2SolutionsL.doc.
Adsorbējot četrus 4O2aqua , produktos atbrīvojas (O2His63,58)4HbR+4H++4HCO3- četri protoni
4H+ un bikarbonāta joni 4 HCO3– , lai iztvaikotu CO2↑gas+H2O↑gas uz plaušu epitēlija virsmas, un
izvadās no organisma [H+]=459*6*10-5 =0,0275 M daudzums H++H2O=>H3O+ , kurš ir vienāds
ar kopējo izelpā iztvaikotā [CO2↑gas] =0,0275 M daudzumu aprēķinot uz vienu litru asins tilpuma.
Ar skābekļa atkarīgās koncentrācijas [O2aqua]=6·10-5 M adsorbcijas-desorbcijas līdzsvara novirzi pa kreisi uz oksi (O2His63,58)4HbR +4H+ no satvērēja atspoles deoksi (H+His63,58)4HbT
izskaidrojama pH stabilizācija 7,36. Tas izskaidrot, kā pēc pH nemainās par spīti Krebsa cikla skābes CO2 aqua produktam, jo
katrs desorbētais skābeklis O2aqua-asins veido Krebsa ciklā oglekļa dioksīda produktu, kurš iesaistīts
CA līdzsvarā Hendersona-Haselbalha homeostāzes pH vērtība izteiksmē ir praktiski nemainīga ar
[HCO3-]/[CO2aqua]=2,0263 attiecību. Neizmainās abi bikarbonāts [HCO3
asiņu eritrocītos deoksi (H+His63,58)4HbT (Tense) atspoles enzīms ar skābekļa O2aqua-asins
adsorbciju atbrīvo protonus H+ un HCO3- iztvaikojot, izelpojot oglekļa dioksīdu CO2↑gas GAISĀ.
Tādā veidā divos līdzsvaros ar stabilizētu arteriālo skābekļa koncentrāciju [O2aqua]=6·10-5 Mun ar atspoles hemoglobīna skābekļa adsorbciju-desorbciju un CA bufera sistēmas veidoto vērtību pH=7,36 Krebsa cikls virza O2 un CO2 vielmaiņu cilvēka ķermenī saskarē ar apkārtējo vidi ieelpojot O2 un izelpojot CO2.
10
2) Otrā bufera sistēma ir olbaltumvielu bufera sistēma., kura atbalsta pH=7,36 organismos. 47 paralēli aminoskābju protolītiskie līdzsvari (Tabula dotas pKa konstantes 47 līdzsvariem) , kuri darbojas identiskās kombinācijās atkārtojoties katrā olbaltumvielā un aminoskābes molekulā.
Fizioloģiskā pH=7, 36 ±0.01 karboksila grupas R-COO– ir negatīvi lādētas un amino grupas R-NH3
+ pozitīvi lādētas. piemēram, glutamīnskābes pKa vērtība 4,26 ir mazāka par fizioloģisko pH kā pKaR-COO
-=4,25<7,36. Visās R-COO– grupās ir negatīvs lādiņš pie pH=7.36. Protonētiem amīniem pKa konstante ir lielāka par pH 7,36. Piemēram glutamātā protonētam amīnam ir lielāks pKa-NH3+= 8.8 > 7.36 . Visām R-NH3
+ grupām pozitīvs lādiņš pie pH=7.36.
Tabulā dotas 47 konstantes pKa 20 aminoskābēm četru veidu protolītiskiem līdzsvariem: skābe = bāze +H+;1. R-COOH =R-COO– +H+;2. R-NH3
pH koncentrācija ir robežās no 10-6,2 M līdz 10-7,4002 M un vidēji 10-7 M. Uz 20000 olbaltumvielām summārā
koncentrācija ir 2*10-3 = 0,002 M. Summāri =[CO2aqua]+[HCO3-]=0,023 M nosaka fizioloģisko pH=7,36. 20 alfa
L-aminoskābes nodrošina Atraktora pH=7,36 koncentrāciju visām olbaltumvielām organismos. Piemēram 18:
11
pH=2
ClogpKa =2
10log3198,7 4002,7=14,720/2=7,36 albumīna Atraktora koncentrācija ir C=10-7,4002 M .
pH=2
ClogpKa =2
10log3641,7 3559,7=14,720/2=7,36 mioglobīna Atraktora koncentrācija ir C=10-7,3559 M
pH=2
ClogpKa =2
10log91162,7 80838,6=14,720/2=7,36 γ-globulīna Atraktora koncentrācija C=10-6,80838 M
pH=2
ClogpKa =2
10log5228261,8 2,6=14,720/2=7,36 AQPna-0 Atraktora koncentrācija C=10-6,2 M
pH=2
ClogpKa =2
10log637963,7 082,7=14,720/2=7,36 AQPna-1 Atraktora koncentrācija C=10-7,082 M
pH=2
ClogpKa =2
10log36988,7 3502,7=14,720/2=7,36 CA-2 Atraktora koncentrācija C=10-7,3502 M
pH=2
ClogpKa =2
10log48983,7 23017,7=14,720/2=7,36 KATALĀZES Atraktora konc. C=10-7,23017 M
pH=2
ClogpKa =2
10log9782,7 7418,6=14,720/2=7,36 PCTP Atraktora konc. C=10-6,7418 M
pH=2
ClogpKa =2
10log3515556,7 3684444,7=14,720/2=7,36 CERT Atraktora konc. C=10-7,3684 M
pH=2
ClogpKa =2
10log8124638,7 9075362,6=14,720/2=7,36 CPTP Atraktora konc. C=10-6,9075 M
pH=2
ClogpKa =2
10log6758065,7 0441935,7=14,720/2=7,36 ACD11 Atraktora konc. C=10-7,04419 M
pH=2
ClogpKa =2
10log5906111,7 1293889,7=14,720/2=7,36 GAP ASAP1 Atraktora konc. C=10-7,12939 M
pH=2
ClogpKa =2
10log6496,7 0704,7=14,720/2=7,36 STARD4 Atraktora konc. C=10-7,0704 M
pH=2
ClogpKa =2
10log0456818,8 6743182,6=14,720/2=7,36 human STARD1 Atraktora konc. C=10-6,6743 M
pH=2
ClogpKa =2
10log4338926,7 2861074,7=14,720/2=7,36 KES1_YEAST Atraktora konc. C=10-7,286 M
pH=2
ClogpKa =2
10log1354167,8 5845833,6=14,720/2=7,36 NLTP1_WHEAT Atraktora konc. C=10-6,5845833 M
pH=2
ClogpKa =2
10log7.8727 8473,6=14,720/2=7,36 COX-2 cilvēka 1DIY.pdb Atraktora konc. C=10-6,8473 M
pH=2
ClogpKa =2
10log7.6666087 0533913,7=14,720/2=7,36 ADH IV cilvēka Atraktora konc. C=10-7,0534 M
pH=2
ClogpKa =2
10log7505286,7 96947,6=14,720/2=7,36 AR TES cilvēka Atraktora konc. C=10-6,96947 M
12
3) ) Bioķīmiski nozīmīgās fosfāta bufera sistēma Hendersona Haselbalha studijas sistēmas viduspunktā [Na2HPO4]=[NaH2PO4] pH ir vienāds ar konstantes vērtību pH=pKa=7,199 .
7.199 = pKa+logOH P
OH P2
42-[ ]
4-[ ]
; jo logOH P
OH P2
42-[ ]
4-[ ]
=log 1=0
Aprēķinot attiecību [HPO42-] / [H2PO4
-] šķīdumam ar atraktora pH =7,36 vērtību!
Atraktors 7.36 = pKa+logOH P
OH P2
42-[ ]
4-[ ]
; ratioOH P
OH P2
42-[ ]
4-[ ]
=107.36-7.199 = 100.161= 1.45 attiecība 3/1.
Sāls [HPO42-] pārākums virs vājās skābes formas [H2PO4
-] ir reizes 1.45 kā attiecība 3/1.
Bufera kapacitāte β buferšķīduma vidus punkta ir draudzīga atraktoram 7.36.
1 Bufera šķīduma atšķaidīšana neizmaina pH vērtību, jo nsāls/nskāb attiecība ir konstanta. Tāda pati desmit reizes atšķaidītā buferī un attiecības logaritms ir nulle log(1)=0!1.a Ūdens dzeršana cilvēka organisma fizioloģisko pH=7,36 lielumu neizmaina!................. 2. Bufera kapacitāte ir proporcionāla koncentrācijai β~C !3. Bufera šķīduma vidus punktā pH=pKa . bufera kapacitātei ir maksimala vērtība βmax!
Atzīmēt grafikā !
β , eq.mol/L H3PO4/H2PO4- pKa=7.199, H2PO4
-/ HPO42- HPO4
2-/PO43-
Bufera šķīduma koncentrācija Cbuffer=0,2 M sarkans pHBufera šķīduma koncentrācija Cbuffer=0,1 M zilsBufera šķīduma koncentrācija Cbuffer=0,02 M zaļš
4. Bufera kapacitāte viduspunktā ir βmax = 0,55•C jo β=0,55•0,2 = 0.11........ekv.mol/L unβ'=0,55•0,02=0.011...........ekv.mol/L !
5. Bufer šķīdumam viduspunktā kapacitāte pret skābi un bāzi ir simetriski vienādas βac=0,11............ekv.mol/L =βb, ; β’ac=0,011...........ekv.mol/L = β’b!
13
4) Bioloģiski universāla bez neorganiskās fosfātu bufera sistēmas ir arī organisko fosforskābes esteru kā ATF (adenozīna tri fosfāts), ADF (adenozīna di fosfāts), CTF, CDF, GTF, GDF, TTF, TDF, UTF,UDF, NADH B3 vitamīns, FADH2 B2 vitamīns, fosfo proteīni, glikozes fosfāti, fruktozes fosfāti, utt.:
O
O
O
P OR
H
O
O
O
P OR
NaNa
Na
Ja ir grūtības saprast struktūru pēdējām divām savienojumu grupām , atcerēsimies,ka fosforskābes struktūrā var parādīt kā esterī fosforskābes viens ūdeņraža
atoms ir aizvietots ar organiskā spirta radikāla esterificēšanās produktu. Praktiski estera bufera sistēma sastāv no mono aizvietotas un di
aizvietotas sāls. Līdzīgi kā fosfātiem NaH2PO4/Na2HPO4.
O
O
O
P O
H
H O
O
O
P OH
Na Na
Na
Piezīme: visas 4 bufera sistēmas darbojas tā paša organisma ķermeņa ūdens šķīdumos. Eritrocītos galvenais ir bikarbonāta buferis ar uz atspoli hemoglobīnu bāzēto protona, bikarbonāta un skābekļa O2aqua-asinis jūtīgo apmaiņu:
Asins plazmā enzīma CA bikarbonāta pH=7.36±0,01, olbaltumvielu un fosfāta bufera šķīdumi. Dzīvajos organismos dominē bikarbonāta 0,023 M citosolā fosfāta bufera sistēmas 0,155 M. Blakus normālam bufera darbības mehānismam uzturot konstantu pH=7.36±0,01, ar deoksi
(Relaksēts stāvoklis) un CA karbo anhidrāzi. virza bikarbonāta bufera sistēmu saistītā fizioloģiskā mehānisma darbībā. Atraktori kā neatgriezeniski dzinēji virza vielmaiņu ieelpot O2 un izelpot CO2 no plaušām GAISĀ cilvēka ķermeņa saskarē ar apkārtējo vidi.