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

Katabolizm i
anabolizm
u
ludzi

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

ATP

.

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