Συνδυάζοντας το πρώτο και το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα προκύπτει ότι: Για να είναι μια αντίδραση αυθόρμητη, πρέπει η μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας της αντίδρασης να είναι αρνητική.
Η μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας (ΔG) της αντίδρασης: Α + Β Γ + Δ ΔG = ΔGο + RTln [Γ][Δ] [Α][Β] Όπου η ΔGο είναι η μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας μιας βιοχημικής αντίδρασης κάτω από πρότυπες συνθήκες. Επομένως, η ΔG μιας αντίδρασης εξαρτάται από: A. Τη φύση των αντιδρώντων που εκφράζεται από το ΔGο B. Τις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων που εκφράζεται με τον λογαριθμικό όρο της εξίσωσης. To κριτήριο του αυθόρμητου μιας αντίδρασης είναι το ΔG και όχι το ΔG ο
Η ολική μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας για μια σειρά συζευγμένων αντιδράσεων ισούται με το άθροισμα των επιμέρους μεταβολών ελεύθερης ενέργειας. Α Β + Γ B Δ ΔG o = +5 kcal/mol ΔG o = -8 kcal/mol Α Γ + Δ ΔG o = -3 kcal/mol Κάτω από πρότυπες συνθήκες, η ένωση Α δεν μπορεί να μετατραπεί αυθόρμητα στις Β και Γ, ενώ η μετατροπή Β δε Δ είναι θερμοδυναμικά εφικτή. Επειδή οι μεταβολές της ελεύθερης ενέργειας είναι προσθετικές, η μετατροπή της Α σε Γ και Δ είναι δυνατόν να λάβει χώρα αυθόρμητα κάτω από πρότυπες συνθήκες αφού έχει ΔG o αρνητικό (-3 kcal/mol). Επομένως, μια αντίδραση θερμοδυναμικά ευνοούμενη είναι δυνατόν να ωθήσει μια αντίδραση θερμοδυναμικά με ευνοούμενη, με την οποία είναι συζευγμένη.
Στα ζωντανά κύτταρα η ουσία η οποία λειτουργεί ως διασυνδετήρια ουσία μεταξύ εξώθερμων και ενδόθερμων αντιδράσεων στις περισσότερες περιπτώσεις είναι το ΑΤΡ. Χαρακτηρίζεται ως ένωση υψηλής ενεργείας διότι παρουσιάζει μια μεγάλη ελάττωση στην ελεύθερη ενέργεια όταν υφίσταται υδρολυτικές αντιδράσεις.
Χαρακτηριστικά του ΑΤΡ Είναι συνήθως ένωση ασταθής στο άλκαλι και στην θερμότητα. Φέρει ένα καθαρά αρνητικό φορτίο -4 ως συνέπεια του γεγονότος ότι τα δυο διϊστάμενα πρωτόνια στους εσωτερικούς φωσφόρους του ΑΤΡ έχουν pka στην περιοχή 2-3, ενώ η τελική ομάδα έχει ένα πρωτόνιο με pka 2-3 και ένα δεύτερο με pka 6,5. Η υδρόλυση του ΑΤΡ απελευθερώνει μια μεγάλη ποσότητα ελεύθερης ενέργειας. γ β α
Υδρόλυση του ATP Τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP) Ανόργανο φωσφορικό Διφωσφορική αδενοσίνη (ADP) Ενέργεια Η ενέργεια αυτή χρησιμοποιείται για να ωθήσει τις αντιδράσεις που χρειάζονται ελεύθερη ενέργεια.
To ATP μπορεί να υδρολυθεί με διάφορους τρόπους. ΑΤΡ + Η 2 Ο ΑDP + Pi ΑΤΡ + Η 2 Ο ΑΜP + PPi ΔG o = - 7,3 kcal/mol ΔG o = - 10,9 kcal/mol H ακριβής τιμή της ΔG των αντιδράσεων αυτών εξαρτάται από την ιονική ισχύ του μέσου και από τις συγκεντρώσεις των ιόντων Mg 2+. Κάτω από τυπικές κυτταρικές συνθήκες, η πραγματική τιμή των αντιδράσεων αυτών είναι περίπου - 12 kcal/mol.
Πώς η υδρόλυση του ΑΤΡ μετασχηματίζεται σε έργο Οι τρεις τύποι κυτταρικού έργου (μηχανικό, μεταφοράς, και χημικό) τροφοδοτούνται από την ενέργεια υδρόλυσης του ATP. Στο κύτταρο, η μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας από την υδρόλυση του ATP μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μετατρέψει ενδόθερμες αντιδράσεις σε εξώθερμες. Γενικά, οι συζευγμένες αντιδράσεις είναι εξώθερμες.
Το ΑΤΡ κατευθύνει ενδόθερμες αντιδράσεις μέσω φωσφορυλίωσης, μεταφέροντας δηλαδή μία φωσφορική ομάδα σε κάποιο άλλο μόριο, όπως ένα αντιδραστήριο. Tο μόριο αποδέκτης της φωσφορικής ομάδας ονομάζεται φωσφορυλιωμένο ενδιάμεσο.
Μηχανισμός με τον οποίο ερμηνεύεται η σημαντική αρνητική μεταβολή στην ελεύθερη ενέργεια κατά την υδρόλυση του ΑΤΡ Στον δεσμό Ρ=Ο υπάρχει τάση των ηλεκτρονίων του φωσφόρου να σύρονται προς το άτομο του ηλεκτραρνητικού οξυγόνου με συνέπεια να δημιουργείται μερικά αρνητικό φορτίο (δ-). Το αρνητικό φορτίο αντιρροπείται από ένα θετικό πού διαμορφώνεται στο άτομο του Ρ που τελικά οδηγεί σε μια πόλωση του δεσμού φωσφόρου οξυγόνου. Η διατήρηση των θετικά φορτισμένων φωσφόρων ο ένας δίπλα στον άλλο, παρά τις απωστικές δυνάμεις, υποδηλώνει ότι τα μόρια αυτά περιέχουν αρκετή εσωτερική ενέργεια. Όταν η δομή του πυροφωσφόρου διασπαστεί, όπως π.χ κατά την υδρόλυση, αυτή η ενέργεια απελευθερώνεται.
Ενώ, στην περίπτωση της 6- φωσφορικής γλυκόζης συμβαίνουν τα παρακάτω: Ο P=O δεσμός έχει τον ίδιο πολικό χαρακτήρα, δεν υπάρχουν όμως τα παρακείμενα άτομα φωσφόρου και κατά συνέπεια δεν υπάρχει η αστάθεια λόγω απώσεως των θετικών φορτίων. ΔG o = - 3,3 kcal/mol Κατά συνέπεια η μεταβολή στην ΔG κατά την υδρόλυση της γλυκόζης είναι κατά πολύ μικρότερη σε σύγκριση με αυτή της υδρόλυσης του ΑΤΡ.
Το δυναμικό μεταφοράς της φωσφορικής ομάδας φωσφορυλιωμένων ενώσεων προκύπτει από τη σύγκριση του ΔG ο των αντίστοιχων αντιδράσεων υδρόλυσής τους. Το ΑΤΡ δεν είναι η μοναδική ένωση με υψηλό δυναμικό μεταφοράς φωσφορικής ομάδας.
Ενώσεις όπως το φωσφοενολοπυροσταφυλικό, το 1,3- διφωσφογλεκερινικό, και η φωσφορική κρεατίνη έχουν υψηλό δυναμικό μεταφοράς φωσφορικής ομάδας και μπορούν να μεταφέρουν τη φωσφορική τους ομάδα στο ΑDΡ και να σχηματίσουν ΑΤΡ.
Φωσφορική κρεατίνη + ADP ATP + κρεατίνη Η αφθονία της φωσφορικής κρεατίνης στους μυς των σπονδυλωτών σε συνδυασμό με το υψηλό δυναμικό μεταφοράς φωσφορικής ομάδας που διαθέτει, την καθιστούν κύρια πηγή αναπαραγωγής του ΑΤΡ κατά τα πρώτα δευτερόλεπτα της άσκησης (μπορεί να καλύψει τις ενεργειακές ανάγκες ενός δρομέα για τα πρώτα 100 μέτρα της άσκησης).
Πηγές ΑΤΡ κατά τη διάρκεια της άσκησης
Το ΑΤΡ χρησιμεύει ως ο κύριος άμεσος δότης ελεύθερης ενέργειας σε βιολογικά συστήματα και όχι ως μορφή μακρόχρονης εναποθήκευσης. Σ ένα τυπικό κύτταρο, ένα μόριο ΑΤΡ καταναλώνεται σ ένα λεπτό από το σχηματισμό του. Ένας άνθρωπος σε ανάπαυση καταναλώνει περίπου 40 kg ATP σε 24 ώρες. Σε καταστάσεις καταπόνησης, ο ρυθμός κατανάλωσης ΑΤΡ φθάνει ακόμα και το 0,5 kg / λεπτό. Δεδομένου ότι η συνολική ποσότητα του ΑΤΡ στο σώμα μας είναι περίπου 100 g, ο ρυθμός μετατροπής αυτής της μικρής ποσότητας ΑΤΡ είναι πολύ υψηλός.
O κύκλος ATP - ADP ATP H 2 O Οξείδωση καύσιμων μορίων ή φωτοσύνθεση ADP P i Ενέργεια για μηχανικό έργο ενεργό μεταφορά βιοσύνθεση κ.λ.π.
Οι οργανισμοί ανάλογα με το είδος της πηγής ενέργειας την οποία χρησιμοποιούν κατατάσσονται σε: Φωτότροφους, ή αυτότροφους οι οποίοι μετατρέπουν την ενέργεια του ηλιακού φωτός σε χημικά χρήσιμη μορφή. Χημειότροφους ή ετερότροφους οι οποίοι προσλαμβάνουν τα θρεπτικά μόρια από το περιβάλλον, τα οποία στη συνέχεια οξειδώνουν παράγοντας χρήσιμη ενέργεια.
Η οξείδωση των καυσίμων οργανικών μορίων είναι μια σπουδαία πηγή κυτταρικής ενέργειας. Ο άνθρακας στα καύσιμα μόρια, π.χ. γλυκόζη, λίπη, οξειδώνεται και η ενέργεια που απελευθερώνεται χρησιμοποιείται για την αναπαραγωγή του ΑΤΡ. Στους αερόβιους οργανισμούς, ο βασικός αποδέκτης των ηλεκτρονίων κατά την οξείδωση του άνθρακα είναι το Ο 2, και το προϊόν της οξείδωσης είναι το CO 2. Όσο πιο ανηγμένος είναι άνθρακας τόσο πιο εξώθερμη είναι η οξείδωσή του.
Κατά την οξείδωση των καύσιμων οργανικών μορίων ή από την φωτοσύνθεση παράγονται βαθμιδιώσεις συγκέντρωσης πρωτονίων στις δύο πλευρές των μεμβρανών, οι οποίες παρέχουν την ενέργεια που απαιτείται για τη σύνθεση της μεγαλύτερης ποσότητας του ΑΤΡ του κυττάρου. Οξειδωτική φωσφορυλίωση Φωτοσύνθεση
Η οξείδωση των καύσιμων μορίων π.χ. σάκχαρα, λίπη, πρωτεΐνες, στους αερόβιους οργανισμούς δεν γίνεται σε μια απευθείας αντίδραση με το Ο 2, αλλά σε τρία κύρια στάδια.
Τα μεγάλα μακρομόρια διασπώνται σε μικρότερες μονάδες. Τα πολυάριθμα μικρά μόρια αποικοδομούνται σε μικρές απλές μονάδες, κυριότερη των οποίων είναι το ακέτυλοcoa. H ακετυλομάδα οξειδώνεται σε CO 2 και τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται στον τελικό αποδέκτη (Ο 2 ) παράγοντας μια βαθμίδωση συγκέντρωσης πρωτονίων η οποία χρησιμοποιείται για τη σύνθεση του ΑΤΡ.
Για τη μεταφορά διαφόρων ομάδων ή και ηλεκτρονίων κατά τις αντιδράσεις του μεταβολισμού χρησιμοποιούνται ενεργοποιημένοι φορείς. Για παράδειγμα, είδαμε ότι ως ενεργοποιημένος φορέας για τη μεταφορά φωσφορικών ομάδων λειτουργεί το ΑΤΡ.
Ενεργοποιημένοι φορείς ηλεκτρονίων A. Για την οξείδωση των καύσιμων μορίων Κατά την οξείδωση των καύσιμων μορίων τα ηλεκτρόνια δεν μεταφέρονται απευθείας στο O 2, αλλά φτάνουν σταδιακά σε αυτό μέσω ειδικών μεταφορέων ηλεκτρονίων, στους οποίους περιλαμβάνονται νουκλεοτίδια πυριδίνης, είτε φλαβίνες. Ο κυριότερος φορέας ηλεκτρονίων κατά την οξείδωση ενός υποστρώματος είναι το νικοτιναμίδο-αδενίνοδινουκλεοτίδιο (NAD + ).
Το δραστικό μέρος είναι ο δακτύλιος του νικοτιναμιδίου, που συντίθεται από τη βιταμίνη νιασίνη. Nικοτιναμιδοαδενινοδινουκλεοτίδιο
340 nm
Στις αντιδράσεις αφυδρογόνωσης κύρια μορφή οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων του μεταβολισμού ένα άτομο υδρογόνου του υποστρώματος μεταφέρεται απευθείας στο NAD + και το άλλο εμφανίζεται ως πρωτόνιο στο διάλυμα.
Ο άλλος κύριος φορέας ηλεκτρονίων κατά την οξείδωση των καύσιμων μορίων είναι το συνένζυμο φλαβίνο-αδενίνοδινουκλεοτίδιο (FAD). παράγωγο της βιταμίνης ριβοφλαβίνη.
Το FAD δέχεται δύο ηλεκτρόνια και δύο πρωτόνια. Το FAD είναι δέκτης ηλεκτρονίων σε αντιδράσεις του τύπου:
Ενεργοποιημένοι φορείς ηλεκτρονίων Β. Για την αναγωγική βιοσύνθεση Στις περισσότερες βιοσυνθετικές αντιδράσεις χρειάζονται ηλεκτρόνια υψηλού δυναμικού δεδομένου ότι οι πρόδρομες ενώσεις είναι περισσότερο οξειδωμένες από ότι τα προϊόντα. Ως δότης ηλεκτρονίων στις αντιδράσεις αυτές χρησιμοποιείται η ανηγμένη μορφή του φωσφορικού νικοτιναμίδο-αδενίνοδινουκλεοτίδιο (NADΡ + ).
NADH - NADPH
Παρά τη μεγάλη δομική ομοιότητα το NADH και το NADPH έχουν διαφορετικές μεταβολικές λειτουργίες. Το NADH γενικά μεταφέρει Η + και 2e - στο οξυγόνο με ταυτόχρονη παραγωγή ATP. Το NADPH μεταφέρει Η + και 2e - σε οξειδωμένους προδρόμους στις αναγωγικές αντιδράσεις της βιοσύνθεσης. Η επιπλέον φωσφορική ομάδα του NADPH λειτουργεί ως μια ετικέτα που δίνει τη δυνατότητα στα ένζυμα του μεταβολισμού να διακρίνουν τα ηλεκτρόνια υψηλού δυναμικού που θα χρησιμοποιηθούν στον αναβολισμό από αυτά που θα χρησιμοποιηθούν στον καταβολισμό.