ΔG o ' = πρότυπη μεταβολή ελέυθερης ενέργειας (ph 7, 1M αντιδρ.& προιόντων ); R = στ. αερίων; T = θερμοκρ. 2 ΔG o ' >0, ΔG<0

Transcript

1 Στοιχεία Βιοενεργητικής 1

2 Ελεύθερη ενέργεια αντίδρασης Μια αντίδραση είναι αυθόρμητη εάν η μεταβολή ελεύθερης ενέργειας [free energy change (ΔG)] είναι αρνητική, δηλ. εάν η ελεύθερη ενέργεια των προϊόντων είναι μικρότερη αυτής των αντιδρώντων. Έστω A+ B C + D o ΔG = ΔG o ' + RT ln [C] [D] [A] [B] ΔG o ' = πρότυπη μεταβολή ελέυθερης ενέργειας (p 7, 1M αντιδρ.& προιόντων ); R = στ. αερίων; T = θερμοκρ. 2 ΔG o ' >0, ΔG<0

3 A + B C + D [C] [D] ΔG = ΔGº' + RT ln [A] [B] Η ΔG o ' μιας αντίδρασης μπορεί να είναι θετική, ενώ η πραγματική ΔG να είναι τελικά αρνητική, ανάλογα με τις ενδοκυττάριες συγκεντρώσεις αντιδρώντων και προϊόντων. Πολλές αντιδράσεις με θετική ΔG o ' γίνονται αυθόρμητα ΕΑΝ άλλες αντιδράσεις είτε καταναλώνουν τα προϊόντα τους, είτε διατηρούν σε υψηλές συγκεντρώσεις τα αντιδρώντα. 3 ΔG o ' Κeq

4 Σχέση πρότυπης Ελεύθερη ενέργειας και σταθεράς ισορροπίας Σε κατάσταση ισορροπίας, είναι DG = 0. [C] [D] ΔG = ΔGº' + RT ln [A] [B] Ο λόγος [C][D]/[A][B] σε κατάσταση ισορροπίας είναι η [C] [D] 0 = ΔGº' + RT ln σταθερά ισορροπίας της [A] [B] αντίδρασης K' eq. [C] [D] Εάν η σταθερά ισορροπίας ΔGº' = - RTln K' eq >1 τότε η αντίδραση είναι [A] [B] αυθόρμητη (DG <0). [C] [D] K' eq = [A] [B] Παραδειγμα ΔG o ' >0, ΔG<0 ΔGº' = - RT ln K' eq 4

5 DG o '= -RT ln K' eq Μεταβολές της σταθεράς ισορροπίας K' eq σε σχέση με DG o (25 o C) K' eq ΔG º' kj/mol Θέτοντας 1 M αντιδρώντα & προϊόντα, η αντίδραση κινείται: αυθόρμητα προς ρςπροϊόντα αυθόρμητα προς προϊόντα 10 0 = 1 0 Ισορροπεί αντίστροφα προς τα αντιδρώντα δώ αντίστροφα προς τα αντιδρώντα 5 Συζευξη

6 Eνεργειακή σύζευξη Μια αυθόρμητη αντίδραση μπορεί να ωθεί μια μη αυθόρμητη αντίδραση. Πολλές αντιδράσεις μπορούν να περιγραφούν μόνον σαν άθροισμα δυο επι μέρους αντιδράσεων, μιας αυθόρμητης και μιας μη αυθόρμητης. Οι μεταβολές ελεύθ. ενέργειας συζευγμένων επιμέρους μρ αντιδράσεων προστίθενται με άθροισμα την συνολική μεταβολή ελεύθ. ενέργειας 6 1 παραδειγμα

7 Α. Για παράδειγμα,, για την αντίδραση εξοκινάσης, οι δύο επί μέρους αντιδράσεις είναι : ATP + 2 ADP + P i P i + glucose glucose-6-p + 2 ΔG o ' = 31 kj/mol ΔG o ' = +14 kj/mol Συζευγμένη αντίδραση: ATP + glucose ADP + glucose-6-p ΔG o ' = 17 kj/mol * Στην πραγματικότητα, το ένζυμο δεν καταλύει τις πιο πάνω επιμέρους μρ υδρολύσεις, δεν επιτρέπει καν την ύπαρξη 2 στο ενεργό κέντρο του. Το ένζυμο καταλύει την τελική συζευγμένη αντίδραση. *Αθροισμα ΔG o ', αλλά γινόμενο K' eq 7 2 παραδ. ΡΡ

8 B. Δύο διαδοχικές αντιδράσεις, μια αυθόρμητη και μια μη αυθόρμητη, η, συζευγνύονται από το κοινό τους ενδιάμεσο μόριο. Ένα υποθετικό, αλλά τυπικό παράδειγμα είναι το PP i : Enzyme 1: A + ATP B + AMP + PP i Enzyme 2: PP i P i DG o ' = + 15 kj/mol DG o ' = 33 kj/mol Συνολική αυθόρμητη αντίδραση: A+ATP+ ATP + B+AMP+2P 2 + P i DG o ' = 18 kj/mol Η αυθόρμητη υδρόλυση πυροφωσφωρικού (PP i ) από την πυροφωσφατάση ωθεί προς τα δεξιά την αντίδραση που παράγει PP i 8

9 Δεσμοί υψηλής ενέργειας ATP adenosine triphosphate h t 2 - P P P ester linkage C 2 adenine phosphoanhydride bonds (~) ribose Οι Φωσφο-ανυδριτικοί δεσμοί (προιόντα α συμπήκνωσης, δηλ. αφαίρεσης 2 ) μεταξύ φωσφορικών οξέων έχουν μεγάλη αρνητική ΔG υδρόλυσης. 9

10 ATP adenosine triphosphate h t 2 - P P P C phosphoanhydride bonds (~) ribose adenine Οι Φωσφο-ανυδριτικοί δεσμοί ονομάζονται δεσμοί «υψηλής ενέργειας» και συμβολίζονται με "~". Στην πραγματικότητα, η ενέργεια των δεσμών δεν είναι υψηλή. Μεγάλη (και αρνητική) ΕΙΝΑΙ η ΔG υδρόλυσής τους. «~P» P συμβολίζει μια φωσφορική ομάδα με μεγάλη αρνητική ΔG υδρόλυσης. 10 Γιατι μεγαλη ΔG

11 Γιατί η υδρόλυση φωσφο-ανυδριτικών δεσμών έχει μεγάλη αρνητική ΔG?? Οι δυνατές δομές συντονισμού (Resonance stabilization) εξασφαλίζουν σταθερότερα προϊόντα υδρόλυσης. Η ηλεκτροστατική άπωση μεταξύ αρνητικών φωσφορικών ομάδων ευνοεί τον αποχωρισμό τους. 11 group transfer potential AMP

12 Μόρια με δεσμούς «υψηλής ενέργειας» τείνουν να μεταφέρουν χημικές ομάδες σε άλλα μόρια (high h group transfer potential). ti Π.χ. Κατά την αντίδραση εξοκινάσης, το P i υδρολύεται από το ATP και μεταφέρεται στην 6 ΟΗ ομάδα της γλυκόζης (βλ. πιο πριν). Έτσι η αυθόρμητη υδρόλυση ATP συζεύγνυεται και ωθεί μια μη αυθόρμητη αντίδραση. Γενικά,, 2 ~P δεσμοί μπορούν να υδρολυθούν απελευθερώνοντας 2 P i από κάθε μόριο ATP. ATP ADP + P i και ADP AMP + P i ή εναλλακτικά : ATP AMP + PP i και PP i 2P i Το AMP λειτουργεί ώς αισθητήρας ενέργειας και ρυθμίζει τον μεταβολισμό. Π.χ. ενεργοποιώντας την ΑΜΡ-εξαρτώμενη πρωτεινική κινάση. 12 phosphocreatine

13 Επιπλέον μόρια με δεσμούς «υψηλής ενέργειας» C 3 P C C 2 C + 2 phosphocreatine Phosphocreatine + ADP ATP + creatine Η Φωσφοκρεατίνη συντίθεται οταν το ATP βρίσκεται σε περίσσεια. Όταν το ATP εξαντλείται (πχ σε μυική άσκηση) ) η Ρ μεταφέρεται από τη φωσφοκρεατίνη σε ADP αναπληρώνοντας το ATP. PEP 13

14 C C C ADP ATP C P 3 2 C C 2 + C 2 C 3 PEP enolpyruvate pyruvate C Το φωσφοενολοπυροσταφυλικό (PEP), έχει πολύ μεγάλη αρνητική ΔG για υδρόλυση P i και αξιοποιείται στη σύνθεση ATP κατά τη γλυκόλυση. 6P glu, 3P glycerole 14

15 4 6 C 2 P glucose-6-phosphate 1 C 2 C C 2 P glycerol-3-phosphate l h Φωσφορικοί εστέρες μεταξύ φωσφορικού και υδρόξυλ-ομάδων: 6-Ρ γλυκόζη και 3-Ρ γλυκερόλη Χαμηλή, αλλά αρνητική ΔG υδρόλυσης. Intermediate Delta G for ATP 15

16 Η ενδιάμεση τιμή ΔG υδρόλυσης του ATP επιτρέπει να λειτουργεί ως δότης P i αλλά και να συντίθεται από ADP με μεταφορά P i απο μόρια με υψηλότερο ΔG υδρόλυσης (πχ ΡΕΡ) Compound ΔG o ' of phosphate hydrolysis, kj/mol Phosphoenolpyruvate (PEP) 61.9 Phosphocreatine 43.1 Pyrophosphate p 33.5 ATP (to ADP) 30.5 Glucose-6-phosphate p 13.8 Glycerol-3-phosphate 9.2 CoA 16

17 Coenzyme A-S + C R S C 2 C 2 β-mercaptoethylamine C Coenzyme A-S C R + 2 C 2 C 2 pantothenate th t Οι Θειοεστέρες (προιόντα καρβοξυλικών οξέων και θειόλης, πχ CoA-S) έχουν πολύ μεγαλύτερη ΔG υδρόλυσης σε σχέση ημε με φωσφοεστέρες. C C 3C C C 3 2 C Coenzyme A P P ADP-3'-phosphate camp 2 C 2 P 17

18 3',5'-Cyclic AMP (camp) camp 2 Η αδενυλική κυκλάση καταλύει τη σύνθεση camp: ATP camp + PP i. Η αντίδραση ευνοείται λόγω και της αυθόρμητης υδόλυσης του PΡ i. Η φωσφοδιεστεράση υδρολύει τον ένα εσωτερικό εστερικό δεσμό: camp 5'-AMP. Αυτή η αντίδραση είναι απόλυτα αυθόρμητη λόγω της στερεοχημικής δομής και της αστάθειας του camp, γεγονός που το καθιστά κατάλληλο βραχύβιο σηματοδοτικό μόριο. 2 5' C 4' P - 3' 2' 1' Energy barrier 18

19 Ταχύτητα αυθόρμητης αντίδρασης Το υψηλό ενεργειακό φράγμα (απαιτούμενη ενέργεια ενεργοποίησης) μιας αντίδρασης συνήθως καθιστά την υδρόλυση ενός «δεσμού υψηλής ενέργειας» ιδιαίτερα αργή διεργασία. Ειναι η ενζυμική κατάλυση που επιταγχύνει την υδρόλυση. Αυτή η σταθερότητα απουσία κατάλυσης είναι κρίσημη για το βιολογικό ρόλο του ΑΤΡ, αλλά και των υπολοίπων μορίων που περιέχουν δεσμούς ~. Εαν το ΑΤΡ υδρολύετο ακαριαία χωρίς κατάλυση δεν θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως ενεργειακό απόθεμα. Η υδρόλυση είναι συζευγμένη μέσω ενός ενζύμου με μια δεύτερη αντίδραση, χρήσιμη για το κύτταρο, πχ φωσφορυλίωση μεταβολιτών, πρωτεινών κλπ. 19

20 Ασκήσεις Lehninger Kεφ. 13 2, 3, 6, 7, 10, 11, 16.