Bioenergetyka
Bioenergetyka
Bioenergetyka
– badania przemian energii
zachodzących w żywych organizmach.
Żywy organizm -
otwarty układ
termodynamiczny,
- może wymieniać z otoczeniem materię i energię.
Energia swobodna reakcji
Zmiana energii swobodnej (ΔG) w reakcji
decyduje o jej spontaniczności.
reakcja samorzutna - ΔG<0
reakcja wymuszona - ΔG>0
Dwa główne pytania w biochemii to:
1.W jaki sposób komórki uzyskują energię z otoczenia?
2.Jak komórki syntetyzują cegiełki potrzebne do budowy
makrocząsteczek, z których składa się nasz organizm?
Ze wzgledu na sposób odżywiania organizmy można
podzielić na:
•autotrofy (samożywne)
pobieraja ze srodowiska związki nieorganiczne
(H
2
O, CO
2
, sole mineralne)
przeksztalceją je w wysokoenergetyczne związki
organiczne
•heterotrofy
(cudzożywne)
pobieraja ze środowiska bogate w energie związki
organiczne
przetwarzają je na własne związki organiczne
Organizmy auto- i heterotroficzne
Heterotrofom potrzebny jest pokarm, który służy:
1.jako paliwo, aby podtrzymywać procesy
metaboliczne
2.jako żródło surowców do budowy własnych związków
a także do wzrostu i rozmnażania się.
Szlaki metaboliczne w komórkach
1. Kataboliczne
– dostarczające energii (przekształcanie
związków złożonych na prostsze)
2. Anaboliczne
– wymagające energii (prowadzące do
wytworzenia bardziej złożonych związków)
Katabolizm i anabolizm
u roślin
METABOLIZ
M
ANABOLIZM
KATABOLIZM
Reakcja
Reakcja syntezy
A + B = C
Reakcja rozpadu
C = A + B
Energia
Pobieranie energii
Uwalnianie energii
Poziom
energetyczny
komórki
Podwyższenie
Obniżenie
Funkcja
Powstawanie
związków
budulcowych,
energetycznych i
zapasowych
Powstawanie
energii do syntez
zw. chemicznych
oraz energii
umożliwiającej
pracę
Porównanie katabolizmu i
anabolizmu
Związki organiczne w pokarmach są utleniane zgodnie
z równaniem sumarycznym:
subst. pokarmowe + O
2
H
2
O + CO
2
+ energia
Mechanizm utleniania – odrywanie atomów H od
substratu i przenoszenie ich na O
2
.
Wodór - główny „materiał palny” organizmu.
Im wiecej wodoru w cząsteczce tym większa jej
kaloryczność.
Nagromadzenie się atomów H w substancjach
pokarmowych odbywa się w procesie fotosyntezy.
Energia słoneczna –
siła napędowa wszystkich
procesów życiowych.
Schemat przemian energetycznych w organizmie
wydaliny
Procesy anaboliczne
Związki wysokoenergetyczne
Związki wysokoenergetyczne - w komórkach służą jako
przenośniki energii chemicznej.
Zawierają łatwo ulegające rozerwaniu wiązanie.
W wyniku jego rozerwania wydziela się dużo energii
(-ΔG).
Wiązania wysokoenergetyczne:
• bezwodnikowe (ATP)
• tioestrowe (acetylo-CoA)
• estrowe (fosfoenolopirogronian)
Najważniejszym związkiem dostarczającym energii w
wyniku hydrolizy jest
Inne nośniki zawierające wiązania wysokoenergetyczne
to np:
- Fosfokreatyna
- Acetylo-CoA
- Fosfoenolopirogronian (PEP)
-1,3-bifosfoglicerynian
Najważniejszym związkiem wysokoenergetycznym jest
ATP.
ATP - adenozynotrifosforan
adenina
ryboza
trifosforan
N
N
N
N
NH
2
O
OH
OH
H
H
H
CH
2
H
O
P
O
OH
O
P
OH
O
O
P
O
OH
HO
ATP
~
~
A-P
~
P
~
P
A-P
~
P + Pi +
E
wiązania bezwodnikowe
Fosfokreatyna
Odnawianie zapasu
energii w mięśniach.
kreatyna
P~kreatyna
Fosfokreatyna
Kreatyna
~
Acetylo-CoA (wiązanie tioestrowe)
acety
l
merkapto
etyloamin
a
kwas
pantotenowy
~
Fosfoenolopirogronian (PEP)
enolopirogronian pirogronian
wiązanie estrowe
~
1,3-bisfosfoglicerynian
wiązanie bezwodnikowe
~
wiązanie estrowe
glukozo-6-fosforan 3-
fosfoglicerynian
ΔG hydrolizy <0 , ale wiązania nie
są
wysokoenergetyczne
Niektóre estry fosforanowe charakteryzują się
niską wartością -ΔG reakcji hydrolizy.
ATP
Fosfokreatyna
Fosfoenolopirogronian
Acetylo-CoA
duża wartość
-ΔG
reakcji hydrolizy
zw. wysokoenergetycze
Glukozo-6-fosforan
3-fosfoglicerynian
mała wartość
-ΔG
reakcji hydrolizy
ATP odgrywa szczególną role w magazynowaniu
energii i przenoszeniu grup fosforanowych.
G hydrolizy grupy fosforanowej z ATP ma
wartość
pośrednią.
Układ ATP/ADP może więc być donorem i akceptorem
grupy fosforanowej.
związek
ΔG
hydrolizy
fosforanu
kJ/mol
fosfoenolopirogronian
-61,9
fosfokreatyna
-43,1
ATP
-30,5
glukozo-6-fosforan
-13,8
3-fosfoglicerynian
-9,2
donor
akceptor
Rola wiązań wysokoenergetycznych:
• magazynowanie energii: np. ATP,
fosfokreatyna
• przenoszenie grup: np. ATP, acetylo-CoA
Najważniejszym dla ludzkiego organizmu źródłem
ATP jest oddychanie komórkowe
.
Skąd się bierze ATP?
Fosforylacja oksydacyjna i substratowa
Dwa sposoby syntezy ATP:
Fosforylacja substratowa
– przeniesienie reszty
fosforanowej ze związku ufosforylowanego – substratu –
bezpośrednio na ADP przez kinazy.
Bez udziału tlenu (np. w glikolizie i cyklu Krebsa).
Fosforylacja ta pozwala, np. mięśniom szkieletowym
funkcjonować sprawnie podczas dużego wysiłku
fizycznego przy niedostatecznym dopływie tlenu.
np
. GTP
+ ADP GDP +
ATP
G-P~P~P + A-P~P G-P~P + A-P~P~P
Fosforylacja oksydacyjna
– wytwarzanie ATP przy
użyciu energii uwalnianej podczas utleniania
zredukowanych nukleotydów (NADH+H
+
i FADH
2
)
w łańcuchu oddechowym.
ADP + P
i
ATP
syntaza ATP
Energia zamknięta w ATP używana jest do:
1.Skurczu i ruchu mięśni
2.Aktywnego transportu cząsteczek i jonów
3.Syntezy biologicznie ważnych związków
energia ze
słońca lub
z pokarmu
energia
dostępna
dla komórek i do
syntezy
związków
wiązania bezwodnikowe
fosforan
nieorganiczny
Jak odtwarza się ATP?
Mitochondria
- "siłownie" komórki będące głównym
miejscem produkcji energii w formie ATP.
Gdzie odtwarza się ATP?
gładka,łatwo
przepuszczalna
trudno
przepuszczalna,
tworzy do
wnetrza
grzebienie
Mitochondria
są organellami półautonomicznymi:
• zawierają własny, mitochondrialny DNA w formie
podwójnej helisy nie związanej z białkami
• rybosomy
• enzymy syntezy DNA, RNA i białka
Macierz mitochondrialna:
• enzymy cyklu Krebsa.
Wewnętrzna błona mitochondrialna:
• enzymy łańcucha oddechowego
Hans Krebs opisał 3 etapy produkcji energii przez
utlenianie pożywienia:
1.Rozbicie dużych związków na podstawowe składniki
2.Przekształcenie ich w acetylo-CoA
3.Końcowe utlenianie - cykl Krebsa i fosforylacja
oksydacyjna – wspólne dla przemian białek, cukrów
i tłuszczów.
Trzy etapy utleniania pożywienia
cykl
Krebsa
fosforylacja
oksydacyjna
Trzy etapy przemian białek, cukrów i tłuszczów
I etap
II etap
III etap
+glicerol
Acetylo-CoA
białka
aminokwasy
cukry
pirogronian
beta-oksydacja
kw. tłuszczowych
synteza kw.
tłuszczowych
aceton
cholesterol
sterydy
cykl Krebsa
katabolizm
anabolizm
Cykl Krebsa
Lokalizacja cyklu Krebsa
W macierzy
mitochondrium
Funkcje cyklu Krebsa
związek 4-węglowy + 2-węglowy
szczawiooctan
acetylo-CoA
związek 6-węglowy
cytrynian
szczawiooctan
+
2CO
2
w
mitochondriach
Cykl Krebsa
Szczawiooctan odbudowuje się w każdym cyklu.
acetylo-CoA
Cykl Krebsa
CoA
bursztynylo
~CoA
acetylo
~CoA
szczawiooctan
cytrynian
izocytrynian
α-ketoglutaran
bursztynylo-CoA
bursztynian
fumaran
jabłczan
Reakcje cyklu Krebsa
1. Kondensacja szczawiooctanu z acetylo-CoA
szczawiooctan + acetylo
~
CoA + H
2
O
cytrynian + HS-CoA
syntaza
cytryniano
wa
2. Izomeryzacja cytrynianu do izocytrynianu
cytrynian izocytrynian
akonitaza
3. Utlenienie i dekarboksylacja izocytrynianu
izocytrynian + NAD
+
α-ketoglutaran + CO
2
+ NADH+H
+
dehydrogenaza izocytrynianowa
Szybkość tej reakcji warunkuje szybkość działania cyklu Krebsa.
4. Oksydacyjna dekarboksylacja α-ketoglutaranu
α-ketoglutaran + CoA + NAD
+
bursztynylo
~
CoA + CO
2
+ NADH+H
+
dehydrogenaza α-
ketoglutaranu
5. Fosforylacja substratowa
bursztynylo
~
CoA + GDP + Pi
bursztynian + GTP + HS-CoA
GTP + ADP GDP + ATP
tiokinaza bursztynianowa
Dehydrogenaza α-ketoglutaranu –kompleks 3 enzymów i
5 koenzymów.
kinaza difosfonukleozydowa
6. Regeneracja szczawiooctanu (3 etapy)
bursztynian + FAD
fumaran
+ FADH
2
fumaran
+ H
2
O jabłczan
jabłczan + NAD
+
szczawiooctan + NADH+H
+
dehydrogenaza bursztynianowa
dehydrogenaza bursztynianowa
hydrataza fumaranowa
dehydrogenaza jabłczanowa
Sumaryczny zapis cyklu Krebsa to:
acetylo-CoA + GDP + P
i
+ 3NAD
+
+ FAD +
2H
2
0
→ CoA + GTP + 3NADH+3H
+
+ FADH
2
+ 2CO
2
Bilans energetyczny cyklu Krebsa
syntaza cytrynianowa
Hans Krebs otrzymał Nagrodę Nobla w 1953 za
odkrycie cyklu kwasu cytrynowego (cyklu
Krebsa).
NAD
+
i FAD
Dwa bardzo ważne przenośniki elektronów w
procesach metabolicznych to
NAD
+
i
FAD
.
NAD
+
+ 2 e
-
+ 2H
+
� NADH + H
+
FAD + 2 e
-
+ 2 H
+
� FADH
2
NAD
+
jest koenzymem, wiąże się odwracalnie z
enzymami.
FAD jest grupą prostetyczną, związaną silnie z
centrum aktywnym enzymu.
Dinukleotyd nikotynoamido-adeninowy (NAD
+
)
+2H
+
+ 2e
-
NADH+H
+
Dinukleotyd flawino-adeninowy FAD
FAD
Regulacja cyklu Krebsa
1. Cykl Krebsa działa wyłącznie w warunkach tlenowych.
2. Muszą być stale dostarczane przenośniki elektronów
NADH+H
+
i FADH
2
.
3. Przenośniki te są regenerowane w łańcuchu
oddechowym poprzez przekazanie elektronów na O
2
.
Regulacja cyklu Krebsa następuje przez:
1.Dostępność substratów
2.Stosunek ADP/ATP
3.Stan redoks nukleotydów NAD
+
/NADH i FAD/FADH
2
.
syntaza
cytrynianowa
Enzymy regulacyjne:
dehydrogenaza
izocytrynianowa
dehydrogenaza
α-ketoglutaranowa
-
ATP i
NADH
+ ADP
-
NADH,
bursztynylo-
CoA
- cytrynian
ATP
Łańcuch oddechowy
Łańcuch oddechowy
- ostatni etap utleniania
biologicznego w oddychaniu tlenowym.
Zachodzi w wewnętrznej błonie mitochondrialnej.
Łańcuch oddechowy
(łańcuch transportu elektronów)
- zespół związków chemicznych uszeregowanych według
wzrastających potencjałów oksydoredukcyjnych, co
oznacza, że każdy następny pobiera elektrony od swego
poprzednika w łańcuchu.
Potencjał redox substancji (E)– miara powinowactwa
do elektronów.
Kolejne człony łańcucha odbierają elektrony od
zredukowanych dinukleotydów (NADH, FADH
2
).
Powoduje to ich utlenienie.
E NADH+H
+
/NAD
+
= -0.32V Ta różnica potencjałów
jest siłą napędową
E O
-
/O
2
= +0.82V przenoszącą
elektrony na tlen.
Łańcuch oddechowy
zbudowany jest z 4 kompleksów
enzymatycznych i 2 przenośników elektronów:
I.Reduktaza NADH
CoQ- przenośnik elektronów
II. Reduktaza bursztynianowa
III.Reduktaza cytochromu c
Cytochrom c
IV. Oksydaza cytochromu c
Ostatni kompleks (IV) –
oksydaza cytochromu c
–
przenosi elektrony na tlen, gdzie razem z jonami H
+
tworzą wodę i wydziela się ciepło.
Przepływ elektronów:
NADH+H
+
kompleks I CoQ
kompleks III
cytochrom c kompleks IV O
2
FADH
2
/
kompleks II CoQ kompleks III
cytochrom c kompleks IV O
2
Elektrony z FADH
2
Elektrony z
NADH+H
+
O
2
Przestrzeń międzybłonowa
Motorem syntezy ATP jest różnica potencjałów po obu stronach
błony.
NADH+H
+
NAD
+
Protony są pompowane do przestrzeni międzybłonowej
dzięki energii uwolnionej przez przenoszone wzdłuż
łańcucha elektrony.
Protony wracają do matrix przez kanał zwany
syntazą ATP
. Energia pochodząca z ruchu tych protonów
jest wykorzystywana do syntezy ATP.
Proces ten nosi nazwę
fosforylacji oksydacyjnej
.
Podczas wędrówki protonów i elektronów z:
1 cząsteczki NADH+H
+
– 3 ATP
1 cząsteczki FADH
2
– 2 ATP
Fosforylacja
Bilans obrotu cyklu Krebsa
w połączeniu z łańcuchem
oddechowym
W wyniku całkowitego utleniania 1 cząsteczki
acetylo-CoA:
w cyklu Krebsa - 1 ATP
w łańcuchu oddechowym
3NADH + H
+
x 3 ATP = 9 ATP
FADH
2
x 2 ATP = 2 ATP
12 ATP
Utlenianie grup acetylowych w cyklu Krebsa zużywa
2/3 całkowitej ilości tlenu pobieranego przez człowieka
i dostarcza 2/3 ATP powstającego w organizmie.
Oddychanie komórkowe
– jest wielostopniowym
biochemicznym procesem utleniania związków
organicznych związanym z wytwarzaniem energii
użytecznej metabolicznie w postaci ATP.
Oddychanie komórkowe
Oddychanie komórkowe
1.AH
2
+ 1/2 O
2
→ A + H
2
O + ciepło
utlenianie
2. ADP + P
i
+ energia → ATP + H
2
O
fosforylacja oksydacyjna
Utlenianie pozamitochondrialnego NADH+H
+
NADH+H
+
NAD
+
glicerolo-
3-P
dihydroksy-
aceton-P
dihydroksy-
aceton-P
FAD
błona mitochondrialna
cytoplazma
mitochondrium
dehydrogenaza
glicero-3-fosforanowa
dehydrogenaza
glicero-3-fosforanowa
FADH
2
glicerolo-
3-P
