Biochimie 2 - Termodinamica Biochimica CATB (an III)

BIOCHIMIE II

BIOCHIMIA METABOLISMULUI

TERMODINAMICA BIOCHIMICĂ ȘI COMPUȘII MACROERGICI

Conf. Dr. Biochim. Bogdan Nicolae Manolescu

Facultatea de Chimie Aplicată și Știința Materialelor

Departamentul de Chimie Organică ”C. Nenițescu”

Laborator 013, Corp F, Campus Polizu

Termodinamica biochimică:

• studiază reacțiile și procesele biochimice și biologice din punct de vedere termodinamic

• principiile termodinamicii:• principiul I – energia nu poate fi creată și nici distrusă (se transformă dintr-o

formă în alta)• principiul II – orice sistem termodinamic tinde către un grad maxim de dezordine

(către echilibru)

• conceptele termodinamicii:• sistem termodinamic – regiune din spațiu delimitată real sau imaginar de restul

universului (mediul extern)• funcții de stare – parametri care depind doar de ”starea” sistemului:

• entropia (S)• Entalpia (H)• energia liberă (G)

Termodinamica biochimicăTermodinamica biochimică

Clasificarea sistemelor termodinamice:

• sisteme izolate• sisteme închise• sisteme deschise


Energia liberă Gibbs:

• concept introdus de J. Willard Gibbs (1878)

• reprezintă acea parte a energiei unui sistem ce poate fi utilizată pentru a face lucru mecanic

• criteriu de spontaneitate pentru reacțiile ce decurg la temperatură și presiune constante:• ΔG = 0 reacție la echilibru• ΔG < 0 proces exergonic (reacția decurge spontan)• ΔG > 0 proces endergonic (reacția nu decurge spontan)

• este o mărime aditivă:• permite cuplarea unei reacții endergonice cu una exergonică


Energia liberă Gibbs:

• cuplarea a două reacții:

• situații posibile:• ΔG1 < 0 și ΔG2 > 0 ΔG = ΔG1 + ΔG2 < 0• ΔG1 < 0 și ΔG2 > 0 ΔG = ΔG1 + ΔG2 > 0

• căile metabolice sunt formate din numeroase reacții cuplate, astfel încât pentru întreaga cale metabolică ΔG < 0




• se consideră o reacție de forma:

• se aplică legea acțiunii maselor și se obține constanta de echilibru:

• variația energiei libere (ΔG) este legată de Kech prin relația:

A + B C + D


termen constanttermen constant

termen variabiltermen variabil


• la echilibru nu există transformare netă (ΔG = 0):

• înlocuind relația (3) în relația (2) se obține:

• din relația (5) se poate scoate K’ech:


ΔG°’ și K’ech sunt legate între ele prin relația (6)

Compușii macroergici:

• compuși pentru care ΔG°’hidroliză are o valoare < - 30,5 kJ/mol

• catabolizarea nutrienților:• eliberează energie:

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O (ΔG°’ = - 2850 kJ/mol)C16H32O2 + 23 O2 16 CO2 + 16 H2O (ΔG°’ = - 9781 kJ/mol)

• energia este stocată sub formă de:• nucleozid trifosfați (ATP, GTP)• tioesteri (acetil~CoA)• coenzime reduse (NADH/H+, FADH2)

• compușii macroergici:• se acumulează în cantitate limitată în celule• permit desfășurarea proceselor endergonice

Compușii macroergiciCompușii macroergici

Compușii fosforilați:

• clasificare în funcție de valoarea ΔG°’hidroliză:• compuși cu caracter macroergic:

• ΔG°’hidroliză < - 30,5 kJ/mol• au capacitatea de a transfera gruparea o-fosfat pe molecula de ADP cu formarea ATP

• compuși fără caracter macroergic:• ΔG°’hidroliză > - 30,5 kJ/mol• nu au capacitatea de a transfera gruparea o-fosfat pe molecula de ADP

• valoarea ΔG°’hidroliză:• este considerată un indicator al tendinței de transfer a grupării o-fosfat• mai este denumită POTENȚIAL DE TRANSFER AL GRUPĂRII o-FOSFAT• permite organizarea compușilor fosforilați într-o scală



Compușii macroergici fosforilați:

• reacțiile de transfer a grupării o-fosfat:

• sunt implicate în:• consumarea ATP• sinteza ATP

• factori care conferă caracter macroergic ATP:• repulsiile electrostatice• efectele de solvatare• stabilizarea prin rezonanță a produșilor


Conceptul de legătură macroergică:

• structura ATP

• numărul de legături macroergice:• ATP – 2 legături• ADP – 1 legătură

• legăturile ”macroergice” nu au nimic special din punct de vedere structural

• hidroliza moleculei de ATP este:• favorabilă termodinamic (proces exergonic, ΔG < 0)• defavorabilă cinetic (este necesară prezența unor enzime speciale)



Utilizarea ATP:

• activarea unor metaboliți

• necesită scindarea:• 1 legătură macroergică• 2 legături macroergice

• exemple:• fosforilarea diferitelor substrate (KINAZE)


Utilizarea ATP:

• exemple:• activarea aminoacizilor la aminoacil~RNAt (sinteza proteică)• aminoacil~RNAt sintetaze


Utilizarea ATP:

• exemple:• activarea acizilor grași la acil~CoA• acil~CoA sintetaze


Utilizarea ATP:

• interconversia nucleozid fosfaților:• sinteza NDP din NMP (nucleozid monofosfat kinaze)

• sinteza NTP din NDP (nucleozid difosfat kinaze)

• reacțiile sunt reversibile datorită similitudinilor structurale ale compușilor

• desfășurarea unor procese biologice:• contracția musculară• transportul activ prin membrane• secreția unor substanțe (neurotransmițători, hormoni)


Utilizarea ATP:

• cuplarea cu reacții endergonice:• energia este furnizată de către ATP• aparent este vorba de ”hidroliza” ATP, în realitate se formează un inermediar

comun


Producerea ATP:

• sinteza din ADP și Pa:

ADP + Pa ATP + H2O (ΔG°’ ≈ + 30,5 kJ/mol)

• observații generale:• ATP nu poate fi stocat în celule• există un echilibru permanent între procesele consumatoare de ATP și cele prin

care se sintetizează ATP

• procese prin care se sintetizează ATP:• fosforilarea la nivel de substrat• fosforilarea oxidativă• reacția cataliată de adenilat kinază


IMPOSIBILTERMODINAMIC

Fosforilarea la nivel de substrat:

• caracteristici generale:• modalitate de sinteză a ATP folosind compuși fosforilați macroergici cu potențial

de transfer al grupării o-fosfat mai mare decât ATP• necesită sinteza unor compuși fosforilați macroergici• poate avea loc în aerobioză și anaerobioză• produce o cantitate mică de ATP

• exemple:• glicoliză:

• gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenază și 3-fosfoglicerat kinază• enolază și piruvat kinază

• ciclul Krebs:• succinil~CoA sintetază



Fosforilarea oxidativă:

• proces ce se desfășoară doar în aerobioză• are loc în mitocondrii• cea mai importantă sursă de ATP

Reacția catalizată de adenilat kinază:

• enzimă prezentă în mușchi în cantitate mare

• ADP rezultat este transformat în ATP prin:• fosforilare la nivel de substrat• fosforilare oxidativă


Acilfosfații:

• caracteristicile acilfosfaților:• sunt anhidride mixte (acid fosforic – acid carboxilic)• factori ce conferă caracter macroergic acilfosfaților:

• produșii reacției de hidroliză sunt stabilizați prin rezonanță• diminuarea repulsiilor electrostatice în moleculele produșilor de reacție• solvatarea produșilor de reacție contribuie la stabilizarea lor

• exemple de acilfosfați:• acetilfosfat (ΔG°’ = - 43,1 kJ/mol)• 1,3-bisfosfoglicerat (ΔG°’ = - 49,4 kJ/mol)


3-fosfoglicerat kinază3-fosfoglicerat kinază

Enolfosfații:

• caracteristicile enolfosfaților:• conțin o legătură esterică enol – acid fosforic• factori ce conferă caracter macroergic enolfosfaților:

• esterificarea menține blocată o grupă hidroxil de tip enolic• hidroliza eliberează enolul care tautomerizează spontan la forma cetonică (proces

puternic exergonic)

• exemple de enolfosfați:• fosfoenolpiruvatul (ΔG°’ = - 61,9 kJ/mol)


Compuși macroergiciCompuși macroergici

Fosfoguanidine (fosfageni):

• caracteristicile fosfoguanidinelor:• din punct de vedere chimic sunt fosfoamide (amide ale acidului fosforic)• factori ce conferă caracter macroergic fosfoguanidinelor:

• stabilizarea prin rezonanță a grupării guanidino

• exemple de fosfoguanidine:• fosfocreatina:

• abundentă la vertebrate• ΔG°’ = - 43,1 kJ/mol

• fosfoarginina:• abundentă la nevertebrate• ΔG°’ = - 32 kJ/mol


Fosfocreatina funcționează ca un ”tampon” de ATP:

• în condiții standard ΔG°’= + 12,6 kJ/mol pentru reacția:

• in vivo, în mușchi, concentrațiile sunt:• [ATP] = 4 mM• [ADP] = 0,013 mM• [fosfocreatină] = 25 mM• [creatină] = 13 mM

• in vivo, creatin kinaza funcționează la echilibru

H2N N COO-

NH

CH3

-2O3PNH N COO-

NH

CH3ATPADP

creatinã fosfocreatinã

creatin kinazã


ΔG = - 0,49 kJ/mol

Fosfocreatina:

• în mușchiul scheletic are o concentrație de 15-40 mM• permite regenerarea ATP în primele 5-10 secunde ale unui sprint de 100 m• sportivii de performanță consumă suplimente pe bază de creatină


Tioesteri:

• factori ce conferă caracter macroergic tioesterilor:• datorită volumului mai mare al atomului de S este împiedicată conjugarea p-π• legătura C-S nu are caracter parțial de legătură dublă ca în cazul legăturii C-O din

esteri

• exemple de tioesteri:• acetil~CoA (ΔG°’ = - 31,5 kJ/mol)



Date post:	27-Jan-2016
Category:	Documents
Upload:	alex-andru
View:	245 times
Download:	1 times

Biochimie 2 - Termodinamica Biochimica CATB (an III)

Documents