bioenerĢĒtika: ievads
DESCRIPTION
BIOENERĢĒTIKA: ievads. Lai dzīvie organismi spētu pastāvēt, tiem nepieciešama enerģija. Bioenerģētika ir bioķīmijas nozare, kas pēta kā šūnas pārveido, uzkrāj un izmanto enerģiju. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/1.jpg)
BIOENERĢĒTIKA: ievads
Bioenerģētika ir bioķīmijas nozare, kas pēta kā šūnas pārveido, uzkrāj un izmanto enerģiju
Centrālais bioenerģētikas pētījumu objekts – ATP veidošanās oksidatīvajā fosforilēšanā un fotofosforilēšanā: procesi, kas notiek mitohondrijos un hloroplastos
Lai dzīvie organismi spētu pastāvēt, tiem nepieciešama enerģija
![Page 2: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/2.jpg)
ATP – šūnas centrālais “enerģētiskais starpprodukts”
Ar “~” apzīmētās t.s. “makroerģiskās” saites hidrolizējot izdalās daudz enerģijas
![Page 3: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/3.jpg)
![Page 4: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/4.jpg)
• ATP ūdens vidē ir kinētiski stabils (stabilitāte zūd, fosfātgrupu aizvietojot ar arsenātu)
• ATP ir svarīgs fosfātgrupu donors
• ATP un ADP molekulu negatīvo lādiņu daļēji ekranē saistīšanās ar magnija joniem
![Page 5: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/5.jpg)
Lai ATP šūnā funkcionētu kā enerģijas donors, svarīgs ir fosforilēšanas potenciāla lielums, nevis vienkārši ATP koncentrācija
Fosforilēšanas potenciāls ir ATP hidrolīzes
brīvā enerģija
Kas ir brīvā enerģija?
![Page 6: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/6.jpg)
Jebkura reakcija noris līdz brīdim, kad tiek sasniegts līdzsvars:
A B ,
ko raksturo līdzsvara konstante: Keq = [B] / [A]Pie pastāvīgas temperatūras un spiediena termodinamiskā
funkcija, kas kvantitatīvi raksturo reakcijas attālinātību no līdzsvara stāvokļa ir reakcijas brīvā enerģija,
jeb Gibsa enerģija, ko apzīmē ar G
Jo tālāk no līdzsvara stāvokļa, jo reakcijā izdalās (vai tās norisei jāpievada) vairāk brīvās enerģijas
![Page 7: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/7.jpg)
Gibsa enerģijas izmaiņas norāda, kāds daudzums enerģijas izdalās (ja G<0) vai jāpievada (ja G>0), vienu molu substrāta pārvēršot produktā pie nemainīgām produkta un substrāta koncentrācijām (t. i., reakcijas laikā pastāvīgi pievadot substrātu un aizvadot produktu)
• ja G<0, reakcija var noritēt spotāni ar enerģijas izdalīšanos
• ja G>0, tad, lai notiktu reakcija, jāpievada enerģija
• ja G=0, iestājies reakcijas līdzsvars
Brīvās enerģijas izmaiņas atkarīgas gan no tā, kādas saites tiek sarautas un kādas veidojas, gan arī no reaģentu un produktu koncentrācijām:
G = G0 + RT . ln([B]/[A])
![Page 8: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/8.jpg)
G0 ir standarta brīvā enerģija, kas raksturo reakciju standartapstākļos, par kādiem fizikālajā ķīmijā pieņem 1M koncentrācijas visiem reakcijā iesaistītajiem komponentiem
Bioķīmijā lieto G0’, kas atbilst pH 7 (nevis pH 0) un 55 M ūdens koncentrācijai
Standarta brīvo enerģiju var atrast pēc reakcijas līdzsvara konstantes (jo līdzsvara apstākļos G = 0):
G0 = - RT . ln Keq
![Page 9: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/9.jpg)
G = G0 + RT . ln([B]/[A])
[B]/[A] = Keq G = 0
[B]/[A] = 10Keq G = 5,7 kJ/mol
[B]/[A] = 100Keq G = 11,4 kJ/mol
Ja [B]/[A] pieaug/samazinās par kārtu, G (pie 25 0C) pieaug/samazinās par 5,7 kJ/mol
![Page 10: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/10.jpg)
ATP hidrolīzes reakciju apraksta šķietamā līdzsvara konstante
K’eq = [ADP].[Pi]/[ATP] ,
kas atkarīga no pH un Mg2+ koncentrācijas
Pie pH 7 un [Mg2+] = 10 mM K’eq = 105
Metaboliski aktīvu šūnu mitohondrijos attiecība
[ADP].[Pi]/[ATP] ir par ~10 kārtām zemāka: 10-5
(~10 mM ATP, ~10 mM Pi, 10-5 M ADP)
Mitohondrijos fosforilēšanas potenciāls (Gp) ir:
-57 kJ/mol
![Page 11: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/11.jpg)
![Page 12: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/12.jpg)
ATP var veidoties:
• substrāta līmeņa fosforilēšanas reakcijās, kurās ATP veidojas kādā vienā atsevišķā enzimātiskā reakcijā
piemēram: PEP + ADP = piruvāts + ATP
• oksidatīvajā fosforilēšanā un fotofosforilēšanā:
energosajūdzošajās membrānās ar elektronu transporta ķēžu starpniecību pārveidojot substrāta ķīmisko enerģiju vai gaismas kvantu enerģiju
transmembrānas jonu gradienta enerģijā, kuru ATP sintāze apgriezeniski pārvērš ATP fosfoanhidrīdsaites enerģijā
![Page 13: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/13.jpg)
Enerģijas pārvērtības oksidatīvajā fosforilēšanā
jeb Bioenerģētikas “centrālā dogma”:
Enerģijas atbrīvošana Red-oks reakcijas elpošanas ķēdē
Enerģijas pārveidošana Transmembrānas jonu gradients
Enerģijas akumulēšana ATP sintēze
![Page 14: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/14.jpg)
Peter Mitchell 1920-1992
H+ versus ~
Hemiosmotiskā hipotēze -protondzinējspēks kā enerģijas starpforma
“Ķīmiskās sajūgšanas hipotēze” – elektronu transporta rezultātā
elpošanas ķēdē veidojas
starpsavienojumi ar makroerģisko saiti
“The oxphos wars”
![Page 15: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/15.jpg)
Energosajūdzošās membrānas ir:
• mitohondriju iekšējā membrāna (oksidatīvā fosforilēšana)
• baktēriju citoplazmatiskā membrāna (sastopami abi fosforilēšanas veidi)
• hloroplastu tilakoīdu membrāna (fotofosforilēšana)
![Page 16: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/16.jpg)
Evolucionāri elektronu transporta ķēdes radušās prokariotos
Mitohondriji un hloroplasti cēlušies no brīvi dzīvojošiem prokariotiem, tiem stājoties simbiotiskās attiecībās ar primitīvajām eikariotu šūnām
Bez bioenerģētiskās simbiozes pastāv arī bioenerģētiskais parazītisms - riketsijas
![Page 17: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/17.jpg)
Riketsijas – iekššūnas parazīti ar vienkāršotu metabolismu, kas ATP importē no saimniekšūnas
![Page 18: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/18.jpg)
![Page 19: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/19.jpg)
Mitochondrial tomograms
![Page 20: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/20.jpg)
Piruvātdehidrogenāzes komplekss
![Page 21: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/21.jpg)
Trikarbonskābju jeb Krebsa cikls
![Page 22: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/22.jpg)
Taukskābju beta-oksidācija
![Page 23: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/23.jpg)
Elektronu transports, protondzinējspēka veidošanās un ATP sintēze notiek uz iekšējās membrānas
![Page 24: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/24.jpg)
Hloroplastu tilakoīdi - “noraisījušās mitohondriju kristas”
![Page 25: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/25.jpg)
Transmembrānas jonu gradients – līdzās ATP otra “konvertējamā” enerģijas forma
Mitohondrijos, hloroplastos un vairumā baktēriju
energosajūdzošais jons ir H+
Daļā baktēriju energosajūdzošais jons ir Na+
• Mitohondrijos un baktērijās gradients veidojas, no iekšējās telpas transportējot protonus ārā
• Hloroplastos protoni tiek transportēti no stromas tilakoīdu iekšienē (lūmenā)
![Page 26: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/26.jpg)
![Page 27: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/27.jpg)
Protondzinējspēks – transmembrānas protonu
elektroķīmisko potenciālu starpība; raksturo brīvās enerģijas daudzumu, kas iegūstams, pārvietojot 1 molu protonus pāri membrānai pa pH un elektriskā potenciāla gradientu (vienlaikus uzturot nemainīgu šo gradientu lielumu)
µH+ = + RT/F . ln(Hout/Hin)
µH+ = + 2,3 . RT/F . lg(Hout/Hin)
µH+ = + 2,3 . RT/F . [lg(Hout) – lg(Hin)]
µH+ = - 2,3 . RT/F . (pHout – pHin )
µH+ = - 2,3 . RT/F . pH
60 mV pie 30 0C
![Page 28: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/28.jpg)
Protondzinējspēka lielumu mēra milivoltos
Uz energosajūdzošās membrānas tiek uzturēts ap 150 – 200 mV liels protondzinējspēks
100 mV liels protondzinējspēks atbilst 9,6 kJ lielai enerģijai
uz vienu molu pāri membrānai transportēto protonu
Atkarībā no energosajūdzošās membrānas paveida var dominēt viens vai otrs protondzinējspēka komponents:
• uz mitohondriju iekšējās membrānas - ,
• uz hloroplastu tilakoīdu membrānas - pH,
• uz baktēriju citoplazmatiskās membrānas - pH pie
zema vides pH un pie neitrāla un bāziska pH
![Page 29: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/29.jpg)
Kādi eksperimenti liecina, ka protondzinējspēks ir enerģijas starpforma starp elektronu transportu un ATP?
• skābekļa pulss anaerobā mitohondriju suspensijā izraisa vides paskābināšanos
• uz membrānas inducēts pH gradients (mitohondriju un baktēriju suspensijās – vidi paskābinot, submitohondriālajām daļiņām un hloroplastiem – pasārminot) izraisa ATP sintēzi
• ATP pievienošana submitohondriālajām daļiņām izraisa vides pasārmināšanos
• hloroplastu suspensijas apgaismošana izraisa vides pasārmināšanos
![Page 30: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/30.jpg)
![Page 31: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/31.jpg)
Kas vēl liecina, ka protondzinējspēks ir enerģijas starpforma starp elektronu transportu un ATP?• starp protondzinējspēka ģenerēšanas sistēmām un ATP sintāzi nepastāv specifiska mijiedarbība – ATP sintēze var notikt dažādās himērās sistēmās un nav atkarīga no komponentu stehiometriskajām attiecībām
• protondzinējspēka ģenerēšana un ATP sintēze var nesakrist laikā (piem. apgaismo hloroplastus un tad tumsā pievieno ADP un fosfātu)
• elektronu transporta sajūgšanai ar ATP sintēzi nepieciešama intakta membrāna ar zemu H+ caurlaidību
• atjūdzēji ir lipofīlas vājas skābes
![Page 32: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/32.jpg)
![Page 33: BIOENERĢĒTIKA: ievads](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061420/5681599f550346895dc6edc4/html5/thumbnails/33.jpg)
Ja bioenerģētikas “centrālā dogma” ir pareiza, tad jāatbild uz jautājumiem:
• kādi mehanismi elektronu transportu saista ar protondzinējspēka veidošanu?
• kā protondzinējspēka enerģija tiek izmantota ATP sintēzei?