BIOKÉMIAI ALAPOK

ALAPVETŐ FOLYAMATOK: A kémiai energia felszabadítása a tápanyag molekulák oxidációjával. A kémiai energia felhasználása

A kémiai energia felhasználása A környezetből felvett anyagok átalakítása egyszerű építőelemekké. (pl.: glicerin, glükóz, egyes aminosavak) Az építőelemekből makromolekulák felépítése. ( poliszacharidok, fehérjék, zsírok,) A szervezet működéséhez szükséges egyéb speciális molekulák szintézise és lebontása. (enzimek, hormonok) A végtermékek átalakulása ürítésre alkalmas vegyületekké. ( pl.:karbamid)

Transzportfolyamatok a sejten belül, illetve a sejtmembránon át a sejt és a környezete között Mechanikai munkavégzés: sejtmozgás, izommunka

Anyagcsere: Mindazon folyamatok összessége, mely során az élő szervezet kémiai energiát termel, tárol és fogyaszt. szintézis = anabolizmus Anyagcsere lebontás = katabolizmus Metabolizmus = anabolizmus + katabolizmus

I. szakasz NH3 FEHÉRJÉK POLISZACHARIDOK LIPIDEK GLICERIN+ZSÍRSAVAK AMINOSAVAK MONOSZACHARIDOK II. szakasz PIROSZŐLŐSAV ACETIL-CoA III. szakasz Citrát kör NH3 H2O CO2

fény CO2 + H2O AUTOTRÓF HETEROTRÓF glükóz + oxigén

BIOLÓGIAI FOLYAMATOK TERMODINAMIKAI ALAPJAI

A folyamatok irányát a termodinamika II. főtétele határozza meg. Azok a folyamatok mennek önként végbe, melyek során az entrópia nő. U =  Q +  W U = Q +Wh – p  V mivel a rendszer végzi, állandó légköri nyomáson pV + U = Q + Wh  H =  Q + Wh  Q  S = entrópia T

F =  W  H = S T + Wh  H - T S = Wh  U = T S +  W  G = Wh  S * T = Q  H = S T + Wh  H - T S = Wh Szabadentalpia-változás  U =  Q +  W  U = T S +  W  U – T S = W szabadenergia  G = Wh F =  W

Valamely rendszer belső-energiája változásának (U) munkavégzésre alkalmas része a szabadenergia-változás(F) . F = U – T S S-entrópia változás T – abszolút hőmérséklet biológiai rendszereknél V= p=0 (állandó) H= U G= H-T S ill.  G=  U -T  S ezért: G = F A szabadentalpia-változással (G) jellemezzük valamely egyensúly felé irányuló rendszer összes energiájának (U) munkavégzésre alkalmas részét.

Egyensúlyra vezető reverzibilis reakció esetén: aA + bB  cC + dD G = G° + RT ln [A]a [B]b G° - standard szabadentalpia változás R- egyetemes gázállandó (8,314 J/K mol) A [ ] – megfelelő anyag koncentrációja, mol/ dm3 [C]c [D]d Kegy = G = G° + RT ln Kegy [A]a [B]b Egyensúlyban: G = 0 G° = - RT ln Kegy

A biokémiai reakciók jelentős részeredoxi- reakció, melyre felírható: (elektronszám változással járó folyamat) Go = - n F Eo n – elektronszám F- Faraday szám (96500 C) Eo – redoxpotenciál változás redoxirendszer: piroszőlősav  tejsav COOH COOH C O H C OH CH3 CH3 ( ox.alak; keton) ( red.alak; szekunder alkohol )

Összefüggés az egyensúlyi állandó és a standard szabadentalpia változás között Kegy < 1  DG° > 0 Kegy = 1  DG° = 0 Kegy > 1  DG° < 0

DG < 0 EXERGONIKUS folyamat DG = 0 EGYENSÚLYI folyamat DG° előjele nem határozza meg a reakció végbemenetelét, arra a DG előjeléből lehet következtetni. Ha DG < 0 EXERGONIKUS folyamat (önként végbemenő) DG = 0 EGYENSÚLYI folyamat (nincs változás) DG > 0 ENDERGONIKUS folyamat (csak energiafelvétellel megy végbe)

Biokémiai reakciók végbemenetelének lehetőségei Az élő rendszer folyamatos munkát végez  egyensúlyt akar létrehozni a biológiai rendszerek nyílt rendszerek folyamatos anyag- és energia cserét folytatnak környezetükkel, miközben fenntartják az egyensúlyi állapotot STACIONER ÁLLAPOT („steady state”)

Folyamatos kémiai reakciók ugyanannyi A típusú molekula keletkezik, mint amennyi elreagált st. körülmény, megfelelő enzim és katalizátor jelenlétében, híg vizes oldatban Gl-1-P : Gl-6-P koncentrácóaránya : 1:19 ha Gl-6-P –ból Fr-6-P keletkezik, az arány marad, mert az elreagált helyett új képződik glikogénből O-P Glükóz-6-P Fruktóz-6-foszfát Glükóz-1-foszfát

glicerinaldehid-3-foszfát 2) Koncentráció általi szabályozás Kezdet: [DHAP]0 = 10 -1 mol/dm3 Egyensúlyban : [DHAP] egy= 4,5 · 10 -3 mol/dm3 [G-3-P]egy = 9,5 · 10 -2 mol/dm3 4,5 · 10 -3 K= = 4,7 · 10 -2 9,5 · 10 -2 25 C°-on  G ° = +7,58 kJ/mol (endergonikus) izomeráz dihidroxi-aceton- foszfát glicerinaldehid-3-foszfát

De: [DHAP]0= 6 · 10 -5 mol/dm3 [G-3-P]0 = 5 · 10 -2 mol/dm3 6 · 10 -5 G = 7,58 kJ/mol + 8,314 kJ/mol · 298 K · ln 5 · 10 -2 G = - 9,08 kJ/mol

3) Kapcsolt reakciók A) egyik reakció pozitív G ° értékét egy vele összefüggő reakció nagyobb negatív G ° értéke fedezi ΔG°’ = + 3,75 kJ/mol ΔG°’ = - 15,4 kJ/mol ΔG°’ = - 11,65 kJ/mol almasav  fumársav átalakulás kedvezőtlen, de ammóniumion jelenlétében aszparaginsav jön létre és a felszabaduló energia elegendő az előbbi folyamathoz NH4+ COOH CH2 HO C H HOOC CH COOH COOH CH2 H2N C H fumaráz aszpartáz almasav fumársav aszparaginsav

B) fruktóz-6-P  fruktóz-1,6-diP átalakulás ΔG°’ = + 16,2 kJ/mol ATP + H2O  ADP + HPO42- ΔG°’ = - 30,5 kJ/mol a két reakció időben és térben elkülöníthető fruktóz-6-P + ATP  fruktóz-1,6-diP + ADP ΔG°’ = - 14,3 kJ/mol H2O + HPO42- fruktóz-6-P fruktóz-1,6-difoszfát