Pytania 21-23
21. ZwiÄ…zki wysoko i niskoenergetyczne.
Związki wysokoenergetyczne (makroergiczne) mają wiązania bogate w energię, które przy hydrolizie wyzwalają
więcej ni\
25 kJ/mol (1 kcal = 4,19 kJ). WiÄ…zania wysokoenergetyczne decydujÄ… o du\
ej aktywności związku. Związki tego
rodzaju uczestniczą w ró\
nych reakcjach, często jako pośredniki w reakcjach endoergicznych, wyzwalając zawartą w
wiÄ…zaniu energiÄ™ swobodnÄ….
A niskoenergetyczne na odwrót.
Za miarę ilości energii w przemianach biochemicznych uwa\
a siÄ™ liczbÄ™ powstajÄ…cych lub zu\
ywanych czÄ…steczek
ATP. Aby móc z sobą porównywać energię zawartą w ró\
nego 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 \
ywe 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 z
ródłem jest energia promienista Słońca
Jak ju\
powiedziano, reakcje oksydoredukcyjne odgrywajÄ… wa\
nÄ… rolÄ™ w energetyce \
ywego organizmu w tzw.
bioenergetyce. Utlenianie produktów pokarmowych jest z
ródłem energii potrzebnej do wykonania wielorakich prac w \
ywym
organizmie (prace chemiczne, osmotyczne, transportu, mechaniczne, elektryczne itd.). Produktami utleniania sÄ… ostatecznie
CO2 i H2O. Utlenienie np. 1 mola wodoru zachodzi z ubytkiem entalpii swobodnej w ilości "G= -237 kJ/mol. Na spalanie
wodoru składają się procesy:
utlenienia wodoru H2 2H++2e- µ° -0,42 V
redukcji tlenu O2 +2e- O2- µ°' +0,81 V
zachodzi więc proces oksydoredukcji
H2 + O2 "! 2H++O2-
lub
2H++O2- "! H2O
Procesowi temu towarzyszy przeniesienie dwóch elektronów z wodoru na tlen, towarzyszy mu zmiana potencjału
oksydoredukcyjnego " 1,23 . Procesowi temu towarzyszy zmiana entalpii swobodnej "Gm = 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 mo\
e zachodzić samorzutnie. W ten sposób znajomość
potencjałów oksydoredukcyjnych daje wa\
ne informacje określające kierunek procesu, jak i pośrednio, jego efekt
energetyczny.
Nale\
y jeszcze omówić sposób, w jaki \
ywe organizmy wykorzystujÄ… energiÄ™ pochodzÄ…ca 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
\
ywe wypracowały kompromisowo procesy zachodzące w przybli\
eniu odwracalnie, za to wystarczajÄ…co 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
Strona 1 z 4
Pytania 21-23
nikotynoamidoadeninowy- NAD o potencjale redoks = 0,32 V elektrony są przenoszone kolejno na ró\
ne reagenty
pośrednie o coraz wy\
szym potencjale oksydoredukcyjnym, a\
do tlenu o = 0,81 V. Na ka\
dym etapie, w pobli\
u stanu
równowagi, prooes, zachodzi w przybli\
eniu 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, mo\
na go sumarycznie przedstawić
zapisem (z pominięciem ogniw pośrednich)
NADH + H+ + 3ADP + 3P + O2 NAD+ + 3ATP + H2O
Przemieszczenie dwóch elektronów z NAD na tlen dostarcza zgodnie -energiÄ™ "Gm = -2·96500 C/mol·1,13 V = -218 kJ/mol.
Natomiast otrzymane 3 mole ATP nagromadziły energię w ilości 88 kJ ("Gm = -29,3 kJ/mol). Energia ta jest
wykorzystywana w wielu czynnościach \
ywego 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 siÄ™ z wydajnoÅ›ciÄ… okoÅ‚o 4°% (88/218=0,4). Jest to wydajność du\
a w porównaniu np. z silnikami
technicznymi. A i co zadziwiające, "silnik biologiczny" pracuje niemal bez ró\
nicy 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, wy\
szÄ… od otoczenia .
23. Teoria chemiosmotyczna
teoria chemiosmotyczna, podstawowa teoria bioenergetyki, sformułowana w 1961 przez P. Mitchella, głosząca,
\
e jedynym pośrednikiem w procesie przekształcania energii w komórkach organizmów jest siła protonomotoryczna będąca
sumą gradientu pH, czyli ró\
nicy stÄ™\
enia jonów H+ i potencjału błonowego, tzn. potencjału ładunków elektrycznych
utworzonego w poprzek błony
Chemiosmotyczna teoria sprzÄ™\
eń energetycznych. Jak wspomniano tworzenie ATP w \
ywej komórce jest
sprzÄ™\
one z procesami oksydoredukcji zachodzącymi w błonie mitochondrialnej. Sprzę\
enie to wyobra\
ano 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, \
e
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 teoriÄ… chemiosmotycznÄ…, mo\
e tłumaczyć w ten sposób tak\
e tworzenie ATP pod wpływem światła w
chloroplastach roślinnych, a tak\
e pojawienie się innych form energii w komórce, np. ruchu wici komórek bakteryjnych.
Strona 2 z 4
Pytania 21-23
Strona 3 z 4
Pytania 21-23
Strona 4 z 4