REAKCJE ENERGETYCZNE W MITOCHONDRIACH I PLASTYDACH

Pytania testowe:

1. Dlaczego mitochondria wymagają dużego elektrycznego potencjału błonowego do wytworzenia odpowiedniej protonowej siły napędowej?

a) z powodu dużego stężenia ADP

b) z powodu nieprzepuszczalności wewnętrznej membrany dla jonów H⁺

c) z powodu niemożności utworzenia wysokiego gradientu pH

d) z powodu niewystarczającego stężenia NADH₂

2. W chloroplastach protonowa siła napędowa wytworzona jest w całości z różnicy pH.

Wynika to głównie z:

1. niemożności utworzenia potencjału membranowego,

2. dużego stężenia NADPH⁺

3. wystarczającej siły fotosystemów I i II do intensywnego transportu jonów H⁺,

4. zbyt małej powierzchni membrany wewnętrznej chloroplastów dla rozlokowania tam syntazy ATP.

3. Ile jonów H⁺ znajduje się w matriks jednego mitochondrium

o średnicy 1,5 m, gdy pH = 8?

a) 10 b) 1000 c) 10⁵ d) 10¹⁰

4. W mitochondriach utrzymywanych w środowisku o pH 7,4 zachodzi fosforylacja oksydatywna. W matriks mitochondrium pH wynosi 7,7. Jaka jest różnica w koncentracji jonów H⁺ między matriks a środowiskiem zewnętrznym?

1. tysiąc razy mniejsza, b) sto razy mniejsza, c) dziesięć razy mniejsza, d) dwa razy mniejsza

Zadanie 1:

a) W jednym mitochondrium znajduje się około 10⁴ - 10⁵ cząsteczek syntazy ATP. Syntaza ATP jest zdolna do syntezy ponad 100 cząsteczek ATP w ciągu 1 sek., natomiast wytworzenie 1 cząsteczki ATP wymaga przepompowania do macierzy (matriks) 3 protonów. Za transport pirogronianu i fosforanu odpowiedzialny jest również gradient pH. Oblicz ile przeciętnie protonów przepompowywane jest do matriks jednego mitochondrium w ciągu jednej sekundy?

b) Oblicz ile jest jonów H⁺ w matriks mitochondrium o pH 8, gdy średnica mitochondrium wynosi 1.5 m.

Pomoc: Liczba Avogadro: N_A = 6,022137 x 10²³, objętość kuli: 4/3 r³, pH = -log [H⁺]

c) Obniżone pH do 5 wewnątrz endosomu daje okazję do oddysocjowania liganda od receptora. Oblicz ile protonów powinno zostać wpompowane przez ATP-azę do pęcherzyka endosomu o średnicy 0,2 m aby wystarczyło do obniżenia pH od wartości 7,0 do 5,0.

Oblicz ile zostanie zużytych w tym celu cząsteczek ATP?

Pomoc jak wyżej.

Zadanie 2: Stosunek entalpii swobodnej do koncentracji substratów i produktów jest ważny, ponieważ określa kierunek spontanicznych reakcji chemicznych. Znajomość tej zależności jest istotna dla zrozumienia przemian energetycznych w komórkach.

Rozważmy dla przykładu hydrolizę ATP do ADP i P_i :

ATP +H₂O → ADP +P_i.

Wzór przedstawia stałą równowagi reakcji hydrolizy ATP:

K = [ADP][P_i]/[ATP] = 10⁵ mol/l^-1 (wg Rosing i Slater, 1972).

Równanie wiążące zmianę energii Gibbsa (entalpii swobodnej), G, dla uogólnionej reakcji z jej stałą równowagi i obserwowanym stosunkiem działania mas:

G = -2,3RT log₁₀K/

gdzie: współczynnik 2,3 - przekształcenie logarytmu naturalnego na dziesiętny, R - stała gazowa (J ^. mol^{-1 .} K^-1), a T - temperatura w skali bezwzględnej (K), mówi, że równowaga zostaje osiągnięta, gdy  (gamma) wynosi 10⁵ mol/l, tzn., gdy G = 0

Pomoc:

Stała gazowa R = 8,31 J^.mol^-1.K^-1

Temperatura skali bezwzględnej: 273,15K (przy 0°C)

Znając powyższe zależności i wiedząc, że stężenie całkowitej puli nukleotydów adeninowych w cytoplazmie wynosi około 10^-3 mol/l, oblicz:

1. G dla warunków standardowych, gdy  wynosi 1 mol/l (zmiana swobodnej entalpii standardowej dla reakcji hydrolizy ATP w warunkach pH = 7,0 i w temperaturze 25^oC przy stężeniach reaktantów 1 mol)

2. G gdy mitochondria umieszczone w płynie inkubacyjnym wykazują zdolność do utrzymania  tak niskiego jak 10^-5 mol/l

3. Jakie jest w tych warunkach (patrz pkt.2) stężenie ADP, gdy stężenia ATP oraz P_i wynoszą 10^-2 mol/l ?

4. Gdy uwzględnimy stężenia zbliżone do istniejących w cytoplazmie dla P_i = 10^-2 mol/l i 10^-3 mol/l ADP, to ile wynosiłoby stężenie równowagowe ATP w warunkach standardowych? Jaka to jest część całkowitej puli nukleotydów adeninowych w komórce?

Zadanie 3

Istnieje prosty i bezpośredni związek pomiędzy różnicą potencjału oksydoredukcyjnego między dwiema parami, E_h, a zmiana energii Gibbsa, G, która ujawnia się podczas transportu elektronów między parami:

G = -nF^.E_h

gdzie: n - liczba transportowanych elektronow, F stała Faradaya (F = 9,65 C mol^-1), ^.E_h jest wyrażona w woltach.

Różnica potencjału oksydoredukcyjnego łańcucha oddechowego ^.E_h jest miara termodynamicznej nierównowagi pomiędzy parami. W ogólnym ujęciu dla par redoks A i B

^.E_h = ^.E_h(A) - E_h(B)

A) 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e^-  H₂O E_h(A) = +0,82V

B) NAD⁺ + H⁺ + 2e^- NADH E_h(B) = -0,32V

Pomoc: Synteza 1 mola ATP zużywa ok. 30,6 kJ energii.

Oblicz:

1. Ile wynosi różnica potencjału oksydoredukcyjnego łańcucha oddechowego?

2. Ile wynosi zmiana standardowej energii swobodnej G dla tej reakcji?

3. Ile teoretycznie cząsteczek ATP może być syntetyzowane na poczet tej reakcji?

4. Ile cząsteczek ATP jest syntetyzowane praktycznie i jakie są tego przyczyny? Jaka jest tak obliczona wydajność energetyczna łańcucha oddechowego?

1

---