Bioenergetik Flashcards
Vilka är termodynamikens två viktigaste lagar i korthet?
- Energi kan inte produceras eller skapas, bara transformeras/byta form.
- I alla naturliga processer går universum mot kaos/mer oordning.
Vad använder våra celler energi till och vad får de energi från?
Energi går åt för att bygga komplexa molekyler, organisera sig (mer ordning = lägre entropi), utföra biologiskt arbete som transport av produkter osv.
Energin kommer från exergona reaktioner och när större molekyler bryts ner i mindre beståndsdelar.
Vad innebär en exergon och endergon reaktion?
En endergon reaktion är en reaktion som kräver energi. ΔG>0 och icke spontan.
En exergon reaktion är en reaktion som frigör energi. ΔG<0 och spontan.
Under de förhållanden som finns i biologiska system (t.ex. konstant temperatur och tryck): ΔG = ΔH – TΔS
Förklara formeln.
ΔG (Gibbs fria energi)=ΔH (entalpiförändrningen) minus Temperaturen (i K) gånger ΔS (entropiförädningen).
Där ΔH: värmeinnehåll i systemet (ΔH>0=endoterm) och ΔS kvantifierar graden av oordning i systemet (ΔS>0 oordning ökar)
Reaktioner i biologiska system pågår tills jämvikt uppnås, och tendensen att gå mot jämvikt är drivkraften i reaktionerna. Formeln ΔG’° = - RT ln K’eq anger ΔG i standardtillstånd (298K, P=1atm, 1 M konc) men hur skiljer sig standardtillståndet i biologiska system?
I biologiska system så är allt likadant men PH-värdet oftast 7, vilket innebär att [H+] = 10^-7 M (pH 7.0) istället för 1 M (pH 0). Även [Mg2+] = 1 mM istället för 1 M för att det stämmer bättre överens.
ΔG’° anger bara hur mycket energi som finns tillgänglig från en reaktion under standardbetingelser, vilket det oftast inte är i biologiska processer. Vi behöver därför räkna ut något annat, vad?
Vi räknar ut ΔG! G talar om hur mycket energi som frigörs under de faktiska förhållandena i cellen. Det är en funktion av reaktant- och produktkoncentrationer och reaktionstemperaturen: Formeln ΔG = ΔG’° = - RT ln K’eq.
Observera att K’eq innebär att systemet är i jämvikt, så är det inte vid jämvikt använder vi Q.
Vad säger det oss om värdet på ΔG är negativt vs positivt?
Om ΔG<0 (negativ) är processen termodynamiskt gynnsam –> alltså spontan.
Om ΔG>0 (negativ) är processen inte spontan.
Även om reaktoner är spontana behöver de någonting som sätter igång dem, vad kallas denna energi och hur ser symbolen ut?
Aktiveringsenergin ΔG‡ (activation energy) bestämmer hastigheten på reaktionen.
Tänk att du har en stor sten som ska ner för ett berg. När den ligger på toppen kommer den inte bara börja rulla nedför, utan den behöver att arbete utförs genom en knuff (aktiveringsenergi) för att börja rulla. När den väl har börjat rulla nedför fortsätter den rulla spontant utan att arbete behöver utföras.
Det är denna roll enzymer har inom biokemin! Alltså att sänka aktiveringsenergin och på så sätt katalysera reaktioner.
Syntes av komplexa molekyler kräver energi, och många andra metabola reaktioner gör det också. De kan vara termodynamiskt ogynnsamma eller kinetiskt ogynnsamma, vad innebär detta?
Termodynamiskt ogynnsamma reaktioner (ΔG° ́> 0) är inte spontana.
Reaktioner kan ha en mycket hög energibarriär (aktiveringsenergi) även om ΔG° ́< 0: spontan men mycket långsam = kinetiskt ogynnsam.
Inom vanlig kemi snabbar vi på en reaktion genom att öka temperaturen eller öka koncentrationen av reaktanter. Detta är inte hållbara sätt att snabba på reaktioner i biologiska system, så hur snabbas reaktioner på inuti celler?
- Genom användning av enzymer som sänker aktiveringsenergin och därigenom höjer hastigheten eller:
- Genom att para ihop en endergon reaktion med en exergon reaktion, med en gemensam intermediär, kan man göra om reaktionen till en energimässigt gynnsam reaktion (netto negativt ΔG). “Common-intermediate strategy”
Vad är ATP?
ATP: Adenosine TriPhosphate är cellens energivaluta. Molekylen består av en ribos med en adenosin-kvävebas på ena sidan och tre fosfatgrupper på andra. ATP molekylen är termodynamiskt ogynnsam men kinetiskt gynnsam. ATP är en väldigt mångsidig molekyl.
Hur används ATP i cellen?
När ATP hydrolyseras (klyvs mha vatten) så bryts bindningar mellan fosfatgrupperna så att ADP + Pi eller AMP och 2Pi skapas. Detta kallas också fosfatgruppsöverföring, och man säger då att ATP deltar kovalent i processen och ökar den fria energin i mottagarmolekylen. Fosfatgrupperna är negativt laddade så att när en eller två av dem klyvs bort utjämnas laddningen i den kvarvarande molekylen och antalet potentiella resonanstrukturer för de fria fosfatgrupperna ökar, vilket frigör energi - exergon reaktion.
Utöver att utjämna laddningen och bild fler potentiella resonansstrukturer, på vilka andra sätt är hydrolys av ATP ett bra sätt att utvinna energi?
ADP som frigörs får fler resonansstrukturer (blir stabilare) vid jonisering –> energi frigörs.
Alla produkter som frigörs vid ATP hydrolys är mer lösliga än ATP molekylen –> högre entropi –> energi frigörs.
Hydrolys av ATP är beroende av Mg2+ i cytosolen, på vilket sätt?
- Mg2+ bildar komplex med ATP och ADP och utjämnar på så sätt den negativa laddningen från fosfatgrupperna –> energi frigörs.
- Mg2+ påverkar också konformationen av ATP/ADP vilket är viktigt för passformen i enzymer som driver elektrontransport.
Varför är koncentrationen av ATP, ADP, AMP och Pi olika i celler?
Eftersom jämviktkonstanten är en del i formeln för ΔGp och den beräknas [produkter]/[reaktanter] så gör en hög koncentration av ATP (reaktant) samt en låg konc av tex ADP och Pi (produkter) att ΔGp blir negativ –> spontan reaktion och mer energi frigörs. Cellen strävar därför efter att ha en hög konc ATP hela tiden.
