Az intermedier anyagcsere – bioenergetika

• 2012. szeptember 11-12.
• Előadó: Bánhegyi Gábor
• előadásábra (pdf)

1. az energiafajták egymásba átalakíthatóak, összegük a világegyetemben állandó
2. a világegyetem rendezetlensége (entrópia) fokozódik
3. az élőlények nyílt, izobár-izoterm rendszert alkotnak, rendezettségüknek fenn kell maradni, ehhez környezetükből vesznek fel energiát.

• primer – Nap energiája – autotróf élőlények hasznosítják kb 0,02%-át fotoszintézis segítségével
• kémiai energia – heterotróf élőlények hasznosítják

A felvett energia átalakítandó, raktározandó.

A táplálék makromolekuláinak (glikogén, lipidek, GAG, fehérjék, stb.) lebontása építőkövekre (monoszacharidok, zsírsavak, aminosavak, koleszterol stb.) = EMÉSZTÉS majd további lebontás: KATABOLIZMUS (főként szervetlen anyagok keletkeznek CO₂, H₂O, urea, urát, NH₃ stb.)

Bioszintézis: ANABOLIZMUS = saját makromolekulák felépítése a táplálékból keletkezett építőkövekből.

katabolizmus + anabolizmus = METABOLIZMUS.

A katabolizmus során energia szabadul fel, ebből a felszabadult energiából fedezi a szervezet az anabolizmus, a mozgás, membrántranszport, jelátvitel energiaigényét és felhasználódik a testhőmérséklet fenntartására is.

• ∆G – szabadenergiaváltozás (rendszer munkavégző képessége állandó hőmérsékleten és nyomáson)
• ∆G° - szabadenergiaváltozás meghatározott körülmények között (standard körülmények)
• ∆G’° - standard szabadenergia-változás – meghatározott állapot + meghatározott pH (0,1 MPa, légköri nyomás, 25 C° , pH=7, 1 M)

ha ∆G’° (−) → exergonikus reakció

ha ∆G’° (+) → endergonikus reakció

No1: A + B → C + D ( ΔG < 0 → exergonikus )

Ha a reakció aktiválási energiája alacsony, előre halad.

Ha a reakció aktiválási energiája magas, katalízis szükségeltetik.

No2: E + F → G + H ( ΔG > 0 → endergonikus )

Ha a reakció aktiválási energiája alacsony, hátrafelé halad.

Ha a reakció aktiválási energiája magas, katalizátor jelenlétében hátrafelé halad.

A katalizátor nem változtatja meg az adott reakció irányát!

1. csökkentik az aktiválási energiát
2. irányítják a reakciót
3. fokozzák a reakció sebességét ( karboanhidráz: 10⁷ )

A spontán reakciók szabadenergiaváltozása részben felhasználható és/vagy más energiává alakítható. Az enzim, ami egy spontán reakciót kapcsolni tud egy nem-spontánnal, vagy mindkét reakciót katalizálja egyidejűleg, vagy egyiket sem.

• közös intermedier az aktív centrumban
• konformációváltozás az enzimfehérjében a spontán reakció után (pl foszforiláció: P csoport → (-) töltés )

1. A + B → C + D (ΔG = -50 kJ/mol)
2. E + F → G + H (ΔG = +30 kJ/mol)

Ha a reakciók aktiválási energiája alacsony, előre (1) illetve hátrafelé (2) haladnak, nincs lehetőség az összekapcsolásukra. Ha a reakciók aktiválási energiája magas (=katalízis szükséges) a két reakciót egy közös enzim katalizálhatja, és mindkettő előrefelé halad.

Ebben az esetben a kapcsolt reakció: A + B + E + F → C + D + G + H (ΔG = -20 kJ/mol)

pl.: szukcinil-KoA szintetáz (citrátkör)

1. R-KoA + H₂O → szukcinát + KoA - spontán
2. GDP + P_i → GTP + H₂O - nem spontán

kapcsolt reakció: R-KoA + GDP + P_i → szukcinát + KoA + GTP (∆G’° = -2,9 kJ/mol) (reverzibilis reakció, de mivel a szukcinát rögtön továbbalakul, egyirányú.)

pl.: piruvát-kináz (glikolízis)

1. foszfoenol-piruvát + H₂O → piruvát + P_i spontán
2. ADP + P_i → ATP + H₂O nem spontán

kapcsolt reakció: foszfoenolpiruvát + ADP –> piruvát + ATP (∆G’°=-31,4kJ/mol) (spontán, irreverzibilis reakció)

Ugyanaz a csoport különböző eredetű lehet és sokféle szubsztrátra vihető át. A csoportátvivők csökkentik a szükséges enzimek számát. A csoportátvivők általában koenzimek.

Definíció: A hidrolízis negatív szabadenergia változása. (A csoport eltávolításakor felszabaduló szabadenergia.)

-ΔG_hidrolízis (kJ/mol)

Jelentése: A csoportátadás tendenciáját mutatja. A magasabb csoportátviteli potenciállal rendelkező molekula a donor, az alacsonyabbal az akceptor. → A csoportátvitel iránya előre jelezhető.

Használata: A csoportátviteli reakció szabadenergia változása kiszámítható a csoportátviteli potenciálok különbségéből.

Az átvivőknek általában magas (de nem a legmagasabb csáp-ja van.)

• központi szerepet játszik a kapcsolásban
• az ATP a sejt anyagcseréjének „szabadenergia eurója”

Miért jó átvivő az ATP?

miért jó átvivő az ATP:

• a poláros P = O kettős kötés a foszfátokat érzékennyé teszi a nukleofil támadás, így a hidrolízis iránt
• a negatívan töltött (fiziológiás pH-n) foszforil csoportok taszítják egymást
• az eltávolított foszfátot a rezonancia (delokalizáció) stabilizálja
• a hidrolízist savi disszociáció követi fiziológiás pH-n

• a leggyakoribb foszforilcsoport átvivő a sejtben.
• két magas csáp-ú savanhidrid kötésének bontása 30,5 kJ/mol (ATP → ADP) vagy 64,6 kJ/mol (ATP → AMP) szabadenergiát szolgáltathat.

Intracelluláris koncentráció: 2-10 mM Teljes mennyiség emberben: ≈ 50 g. Felhasználás: ≈ 50 kg/nap (nyugalomban) ≈ 0.5 kg/min (sport)

energiatöltés: azt jellemzi, hogy a sejt energetikailag milyen állapotban van. 0 és 1 között változhat. 0, ha minden adenin nukleotid AMP a sejtben. 1, ha csak ATP van a sejtben.

a katabolizmus szabadenergia terhére

• oxidatív foszforiláció
  • az ATP termelését a légzési lánc biztosítja (mitok.)
  • ATP szintézis spontán iontranszporthoz kapcsolt
  • a fő ATP forrás aerob körülmények között
• szubsztrátszintű foszforiláció
  • minden más ATP termelő reakció a sejtben
  • az ATP szintézis spontán biokémiai reakcióhoz kapcsolt
  • az egyedüli ATP forrás anaerob körülmének között (1+2)
    1. foszfoglicerát kináz (glikolízis)
    2. piruvát kináz (glikolízis)
    3. szukcinil-KoA szintetáz (citrát ciklus)
    4. (kreatin kináz)

1. bioszintézis (nem spontán anabolikus reakciók)
2. mozgás (izomösszehúzódás + intracell. mozgások)
3. transzport
   • primer aktív transzport: pumpák (ATP-ázok) - grádiens létrehozása
   • másodlagosan aktív transzport: primer pumpa által létrehozott grádiens terhére
4. jelátvitel és szabályozás (receptorok, regulátor fehérjék, transzkripciós faktorok és effektor enzimek foszforilációja. cAMP szintézis ATP-ből (adenilát-cikláz)
5. egyéb - speciális ATP felhasználó folyamatok

ATP → ADP + P_i (30kJ/mol) ATP → AMP + P_i + P_i (a pirofoszfát is hidrolizál) (68kJ/mol) ATP → AMP + PP_i (30kJ/mol)