Pytania 21-23

Strona 1 z 4

21. Związki wysoko i niskoenergetyczne.

Związki wysokoenergetyczne (makroergiczne) mają wiązania bogate w energię, które przy hydrolizie wyzwalają

więcej niż 25 kJ/mol (1 kcal = 4,19 kJ). Wiązania wysokoenergetyczne decydują o dużej aktywności związku. Związki tego
rodzaju uczestniczą w różnych reakcjach, często jako pośredniki w reakcjach endoergicznych, wyzwalając zawartą w
wiązaniu energię swobodną.
A niskoenergetyczne na odwrót.

Za miarę ilości energii w przemianach biochemicznych uważa się liczbę powstających lub zużywanych cząsteczek

ATP. Aby móc z sobą porównywać energię zawartą w różnego rodzaju fosforanach wysokoenergetycznych, przyjęto
rozpatrywać zawsze reakcję hydrolizy fosforanów adenozyny. Hydroliza wiązania fosforanowego ATP, w wyniku której
powstaje ADP i P, wyzwala około 29 kJ/mol energii swobodnej, natomiast hydroliza następnego wiązania, czyli rozpad
ATP do AMP i pirofosforanu PP, uwalnia około 36 kJ/mol energii. Rozpad AMP z uwolnieniem adenozyny i fosforanu
dostarcza 12 kJ/mol energii

22. Zbilansowanie bioenergetyki

bioenergetyka, termodynamika biochemiczna, dziedzina ekologii zajmująca się przekształcaniem energii w

komórkach, organizmach, populacjach i ekosystemach; wszystkie układy żywe stanowią termodynamiczne układy otwarte,
przez które stale przepływa strumień materii, energii i informacji; mogą one funkcjonować i reprodukować się tylko dzięki
pobieranej ze środowiska energii, której źródłem jest energia promienista Słońca

Jak już powiedziano, reakcje oksydoredukcyjne odgrywają ważną rolę w energetyce żywego organizmu w tzw.
bioenergetyce. Utlenianie produktów pokarmowych jest źródłem energii potrzebnej do wykonania wielorakich prac w żywym
organizmie (prace chemiczne, osmotyczne, transportu, mechaniczne, elektryczne itd.). Produktami utleniania są ostatecznie
CO

2

i H

2

O. Utlenienie np. 1 mola wodoru zachodzi z ubytkiem entalpii swobodnej w ilości

∆

G= -237 kJ/mol. Na spalanie

wodoru składają się procesy:

utlenienia wodoru

H

2

→ 2H

+

+2e

-

ε°
-0,42 V

redukcji tlenu





O

2

+2e

-

→O

2-

ε

°'
+0,81 V

zachodzi więc proces oksydoredukcji

H

2

+





O

2

↔ 2H

+

+O

2-

lub

2H

+

+O

2-

↔ H

2

O

Procesowi temu towarzyszy przeniesienie dwóch elektronów z wodoru na tlen, towarzyszy mu zmiana potencjału
oksydoredukcyjnego ∆  1,23 . Procesowi temu towarzyszy zmiana entalpii swobodnej

∆

G

m

= 2·96500 C/mol· 1,23 V =

-237 kJ/mol. Przeniesieniu elektronów z układu o mniejszym do układu o większym potencjale oksydoredukcyjnym (∆ > O)
towarzyszy ubytek entalpii swobodnej (

∆

G < O), a więc proces taki może zachodzić samorzutnie. W ten sposób znajomość

potencjałów oksydoredukcyjnych daje ważne informacje określające kierunek procesu, jak i pośrednio, jego efekt
energetyczny.
Należy jeszcze omówić sposób, w jaki żywe organizmy wykorzystują energię pochodząca z reakcji oksydoredukcyjnych.
Utlenianie 1 mola wodoru daje wprawdzie 287 kJ energii, jednak spalanie jest procesem nieodwracalnym, cała wyzwolona
energia zostaje rozproszona w postaci ciepła. Gdyby chcieć tę energię wykorzystać do wykonania pracy proces powinien
zachodzić odwracalnie. Jednak odwracalnie znaczy nieskończenie wolno, a więc bez praktycznego znaczenia. Organizmy
ż

ywe wypracowały kompromisowo procesy zachodzące w przybliżeniu odwracalnie, za to wystarczająco szybko. Proces

oksydoredukcyjny, przenoszący elektrony od reagentów wyjściowych na tlen, odbywa się nie bezpośrednio a etapami,
poprzez reagenty pośrednie. W tzw. łańcuchu oddechowym, gdzie reagentem, wyjściowym jest dinukleotyd

Pytania 21-23

Strona 2 z 4

nikotynoamidoadeninowy- NAD o potencjale redoks 





= 0,32 V elektrony są przenoszone kolejno na różne reagenty

pośrednie o coraz wyższym potencjale oksydoredukcyjnym, aż do tlenu o 







= 0,81 V. Na każdym etapie, w pobliżu stanu

równowagi, prooes, zachodzi w przybliżeniu odwracalnie, a jego szybkość jest sterowana za pomocą katalizatorów -
enzymów.
Energia uwolniona w tego rodzaju łańcuchu redoksowym nie jest wykorzystywana bezpośrednio. Jej kosztem odbywa się
proces fosforylacji adenozynodifosforanu AD P do adenozynotrifosforanu - ATP, można go sumarycznie przedstawić
zapisem (z pominięciem ogniw pośrednich)

NADH + H

+

+ 3ADP + 3P +





O

2

→ NAD

+

+ 3ATP + H

2

O

Przemieszczenie dwóch elektronów z NAD na tlen dostarcza zgodnie -energię

∆

G

m

= -2·96500 C/mol·1,13 V = -218 kJ/mol.

Natomiast otrzymane 3 mole ATP nagromadziły energię w ilości 88 kJ (

∆

G

m

= -29,3 kJ/mol). Energia ta jest

wykorzystywana w wielu czynnościach żywego organizmu, jak synteza białek, transport. czynny, skurcz mięśni i wiele
innych. Wykorzystanie energii uzyskanej w procesach oksydoredukcyjnych łańcucha oddechowego, w celu resyntezy ADP
do ATP, odbywa się z wydajnością około 4°% (88/218=0,4). Jest to wydajność duża w porównaniu np. z silnikami
technicznymi. A i co zadziwiające, "silnik biologiczny" pracuje niemal bez różnicy temperatur. Nawet pozostała energia w
ilości 60%, rozpraszana w postaci ciepła oddawanego do otoczenia, jest tylko pozornie stracona; dzięki niej organizmy
stałocieplne utrzymują stałą temperaturę, wyższą od otoczenia .

23. Teoria chemiosmotyczna

teoria chemiosmotyczna, podstawowa teoria → bioenergetyki, sformułowana w 1961 przez P. Mitchella, głosząca,

ż

e jedynym pośrednikiem w procesie przekształcania energii w komórkach organizmów jest siła protonomotoryczna będąca

sumą gradientu pH, czyli różnicy stężenia jonów H

+

i potencjału błonowego, tzn. potencjału ładunków elektrycznych

utworzonego w poprzek błony

Chemiosmotyczna teoria sprzężeń energetycznych. Jak wspomniano tworzenie ATP w żywej komórce jest

sprzężone z procesami oksydoredukcji zachodzącymi w błonie mitochondrialnej. Sprzężenie to wyobrażano sobie jako
istnienie wspónego związku pośredniego na drodze tych dwóch procesów. Związku tego nie udało się dotychczas
zidentyfikować. W ostatnich latach zyskuje coraz większe uznanie teoria opracowana przez Mitchella, która zakłada, że
czynnikiem sprzęgającym te dwa procesy jest transport jonów wodorowych (protonów) przez błonę mitochondrialną lub
komórkową. Procesy oksydoredukcyjne prowadzone przez układy odpowiednio usytuowane w błonie prowadzą do
przepływu jonów wodorowych na zewnątrz błony. Ich ponowny transport do wnętrza poprzez inne odpowiednie obszary
błony byłby czynnikiem stymulującym proces fosforylacji ADP do ATP. Warunkiem niezbędnym dla zaistnienia takich
procesów są odpowiednie właściwości izolacyjne oraz selektywna przepuszczalność dla protonów, który - jak się wydaje -
jest spełniony przez błony biologiczne.
Teoria ta, zwana teorią chemiosmotyczną, może tłumaczyć w ten sposób także tworzenie ATP pod wpływem światła w
chloroplastach roślinnych, a także pojawienie się innych form energii w komórce, np. ruchu wici komórek bakteryjnych.

Pytania 21-23

Strona 3 z 4

Pytania 21-23

Strona 4 z 4