Биоенергетика

Общи закони на термодинамиката
I. Първи общ закон за запазване на енергията:
При всяка физична или химична промяна общата енергия на системата и обкръжаващата я среда остава постоянна.
II. Втори общ закон за запазване на енергията:
Вселената се стреми към безпорядък.
Следствия:
Химичните процеси се провеждат в посока към равновесието и се преустановяват, когато то е достигнато.
2) Всички реални процеси протичат с увеличение на ентропията.

За затворени системи:
ΔG = ΔH - T ΔS
или в условията на биохимичните реакции:
ΔG = ΔЕ - T ΔS
ΔG - промяна в свободната енергия, т.е тази част от общата енергетична промяна в системата, която се използва за полезна работа;
ΔH - промяна в енталпията (топлинното съдържание);
ΔЕ - тотална промяна във вътрешната енергия на реакцията;
ΔS - промяна в ентропията;
T – абсолютна температура
Общи закони на термодинамиката

Изчисляване на ΔG
промяна в свободната енергия на Гибс, т.е тази част от общата енергетична промяна в системата, която се използва за полезна работа
1) За общата реакция
аА + bB → cC + dD
В равновесието ∆G = 0 и
2) За окислително-редукционни реакции

Изчисляване на ΔG
ΔG < 0, реакцията е екзергонична – протича спонтанно с отделяне на енергия. При високи отрицателни стойности на ΔG - реакцията отива докрай и е необратима
ΔG > 0, реакцията е ендергонична – протича само, ако в системата се внесе енергия
ΔG = 0, системата е в равновесие и не се извършва никаква работа

ИЗПОЛЗВАЕМА ЕНЕРГИЯ
Източник на енергия за човека и животните - само химическата енергия, отделяна при разграждане на химични връзки на различни вещества (горива) в окислителни процеси в хода на катаболизма
Фотосинтезиращите организми - директно слънчева енергия
Топлинната енергия НЕ може да се използва от живите организми за полезна работа

Стационарно състояние и термодинамично равновесие
Химичните реакции в отворените системи:
рядко до равновесно състояние
еднопосочно
продуктите се извличат непрекъснато
Ако скоростите на реакциите в една метаболитна верига са еднакви, концентрациите на междинните метаболити остават постоянни за даден период от време -> състояние на привидно равновесие, различно от термодинамичното: стационарно състояние
=> системата може постоянно да отделя свободна енергия, т.е. да извършва работа

Спрягане на екзергонични и ендергонични реакции
Доставящи енергия - окислителни, катаболитни и екзергонични пр. гликолиза, β-окисление на мастни киселини, окислението в дихателната верига
↑при гладуване и стрес
Нуждаещи се от енергия - редукционни, анаболитни и ендергонични
пр. биосинтеза, мускулно съкращение, нервно възбуждение, осмотична работа, клетъчно деление
↑ при акумулирана енергия, излишъци от субстрати и в периоди на растеж и регенерация на тъкани
Обединяване (спрягане): чрез макроергични вещества

Спрягане на процесите, доставящи и консумиращи енергия чрез макроергични съединения

Едновременно или последователно протичане с общ метаболит – енергия за протичането на ендергоничната реакция:
Ендергонична реакция
глюкоза + Ф ↔ глюкозо-6-фосфат + H2O
ΔG1o' = + 13.8 kJ/mol
2. Екзергонична реакция
АТФ + H2O ↔ АДФ + Ф
ΔG2o' = - 30.5 kJ/mol
=> цялостната спрегната реакция - екзергонична:
глюкоза + АТФ ↔ глюкозо-6-фосфат + АДФ
ΔGo' = + 13.8 - 30.5 = - 16.7 kJ/mol
В отворени системи една ендергонична реакция може да протече,
и ако продуктът се изтегля в следваща силно екзергонична реакция.
Спрягане на екзергонични и ендергонични реакции

Макроергични съединения
Макроергични връзки: при хидролитно разграждане
ΔG°' ≥ 30 кJ/mol (до 70 кJ/mol)
обикновени ковалентни (нормоергични) връзки (естерни, гликозидни, пептидни): ΔG°' = 8 ÷ 21 кJ/mol
Аденилова система АДФ/АТФ
Допълнителна гъвкавост: в някои случаи АТФ се разгражда до АМФ и пирофосфат (ФФ)
Обикновено пренос не само на енергия, но и на фосфат
Енергетично спрягане

Пирофосфатни макроергични връзки:
Нуклеозидтрифосфати - три фосфатни връзки: α, β и γ
- α - обикновена естерна
- β и γ - макроергични (пирофосфатни). Най-често за работа - енергията на γ-връзката, и по-рядко на β-връзката
Нуклеозиддифосфати - една макроергична пирофосфатна и една естерна връзкa.
Аденилова система АДФ/АТФ

Примери за други макроергични съединения:

Различни енергетични нива на фосфорната киселина в организма
нулево енергетично ниво - свободната фосфорна киселина
нормално енергетично равнище (норморавнище) - естерно-свързаната
високо енергетично равнище - изграждащата макроергични
При окислителното фосфорилиране: фосфат от нулево до високо равнище
При хидролиза на АТФ до АДФ и Ф: обратно от високо на нулево ниво
При активиране на субстрати, напр.
АТФ + глюкоза ? АДФ + глюкозо-6-Ф
фосфатната група се пренася от високо ниво на нормоергично ниво.

ЦЕНТРАЛНА РОЛЯ НА АДЕНИЛОВАТА СИСТЕМА
АТФ не е най-богатото на енергия съединение
междинна стойност за ΔG°' спрямо другите макроергични съединения и нормоергичните съединения

Биологично окисление
Термини:
Окисление – процес, при който от веществата се отделят електрони
Редукция – процес, при който веществата приемат електрони
Окислител – вещество, което приема електрони и се редуцира
Редуктор – вещество, което отделя електрони и се окислява
Редокспотенциал – количествен израз на афинитета на веществата към електроните (зависи от концентрацията на веществата и температурата)
Редокссистема – състои се от окислената и редуцираната форма на едно вещество
Посока на придвижване на електроните – при редокс-процеси електроните се
придвижват от вещество с по-нисък към вещество с по-висок редокспотенциал

СТАДИИ В КАТАБОЛИЗМА
аеробен метаболизъм - кислород като електронен акцептор за генериране на енергия
анаеробен метаболизъм - не се използва кислород
Стадии на аеробния метаболизъм
Подготвителна фаза
Субстратно окисление
(25% от АТФ)
Окислително фосфорилиране
(75% от АТФ)

ОСОБЕНОСТИ НА БИОЛОГИЧНОТО ОКИСЛЕНИЕ
1. Ензими - от група I (оксидоредуктази)
Отделените от субстрата водород или електрони - върху краен акцептор:
- При аеробни условия - кислород, който се редуцира до вода
- При анаеробни условия - друго вещество, напр. пируват, който се редуцира до лактат

2. Директно взаимодействие с кислород vs. многостъпално в поредица от реакции, катализирани от ензими
Нежива природа: директно и съпроводено с отделяне на огромно количество топлина.
Напр. свързване на водород и кислород - до 3000°С
биологично окисление: водородът или електроните, отделени от субстратите – през поредица от реакции, катализирани от ензими с техните редокссистеми с последователно нарастващи редокспотенциали
ОСОБЕНОСТИ НА БИОЛОГИЧНОТО ОКИСЛЕНИЕ

3. Всеки пренос на водород (електрони) от редокссистема с по-нисък към редокссистема с по-висок редокспотенциал е екзергоничен процес, т.е. съпроводен е с отделяне на свободна енергия.
ОСОБЕНОСТИ НА БИОЛОГИЧНОТО ОКИСЛЕНИЕ
Енергията не се отделя наведнъж, а на порции в отделните стъпала на дихателните вериги:
Само първата порция остава пряко свързана с окислението на субстрата - т.е. в субстратната верига
максимална част от енергията - макроергични съединения

ОКСИДОРЕДУКТАЗИ (ЕНЗИМИ, ОСЪЩЕСТВЯВАЩИ БИОЛОГИЧНО ОКИСЛЕНИЕ)
Дехидрогенази
анаеробни, т. е. не могат да използват кислород като акцептор на водорода
участват в субстратното окисление и в дихателната верига
В зависимост от редокссистемата, с която действат:
С никотинамидни редокссистеми - пренос на 1 Н и 1 е- (хидриден йон)
Пр. малат дехидрогеназа:
малат + НАД+ ------> оксалацетат + НАДН + Н+
2) С флавинови редокссистеми
пр. сукцинат дехидрогеназа:
Сукцинат + Е-ФАД --------> фумарат + Е-ФАД.Н2
Обикновено обратими - малка разлика в редокспотенциала между субстрата и редокссистемата
Никотинамидните редокссистеми са слабо свързани с апоензима, флавиновите редокссистеми - много по-здраво, дори ковалентно в някои случаи

3) Анаеробни транселектронази - пренос на един електрон
цитохромите от дихателната верига
напр. цитохром с редуктаза:
цит. bс1 (Fe2+) + цит. c (Fe3+) ----> цит. bс1 (Fe3+) + цит. с (Fe2+)
- цитохромите в електрон-пренасящите вериги в ендоплазмения ретикулум
ЕНЗИМИ, ОСЪЩЕСТВЯВАЩИ БИОЛОГИЧНОТО ОКИСЛЕНИЕ

II. Оксидази
аеробни - кислород за акцептор на водород,
образува се вода или водороден пероксид
Цитохром С оксидаза
съдържа хем като простетична група и
медни йони
крайният ензим в дихателната верига:
4 цит.с (Fe2+) + 4Н+ + О2 -----> 2 H2O + 4 цит.с (Fe3+)
ЕНЗИМИ, ОСЪЩЕСТВЯВАЩИ БИОЛОГИЧНОТО ОКИСЛЕНИЕ
2) Останалите оксидази (аеробни дехидрогенази) НЕ са свързани с дихателните вериги
най-често ФМН или ФАД като простетични групи => флавопротеини
пренос на два водородни атомa от субстрата директно към кислород => водороден пероксид
Отделената енергия -> топлина; АТФ не се получава
Към оксидазите-флавопротеини спадат D-и L- аминоацидо оксидази, ксантин оксидаза, алдехид дехидрогеназа, глюкозо оксидаза

III. Оксигенази
Монооксигенази (хидроксилази):
катализират вмъкването на един атом кислород в субстрата, при което се получава алкохолна или фенолна група. Другият О-атом се редуцира до вода от друг донор на водород:
ЕНЗИМИ, ОСЪЩЕСТВЯВАЩИ БИОЛОГИЧНОТО ОКИСЛЕНИЕ
В електрон-пренасящите вериги в ендоплазмения ретикулум в черния дроб - неспецифично хидроксилират попадналите в клетките лекарствени и други чужди вещества с цел обезвреждане
Митохондрийните хидроксилазни системи в стероидогенни тъкани катализират стереоспецифични хидроксилирания в биосинтезите на стероидни хормони, витамин D, жлъчни киселини и др.
R-H + O2 + R1-H2 ------> R-OH + Н2О + R1

2) Диоксигенази
вмъкват два атома кислород в ароматни пръстени, последвано от окислително разтваряне на пръстена.
Участват при разграждане на аминокисeлини
напр. хомогентизинат оксидаза от обмяната на фенилаланин и тирозин
ЕНЗИМИ, ОСЪЩЕСТВЯВАЩИ БИОЛОГИЧНОТО ОКИСЛЕНИЕ

IV. Хидроксипероксидази
разграждане на вредните за организма пероксиди и получаващите се от тях свободни радикали
1) Пероксидази - катализират обезвреждане на Н2О2:
Н2О2 + АН2 -----> 2 Н2О + A
2) Каталаза - катализира следната реакция:
Н2О2 + Н2О2 -----> 2 Н2О + О2
ЕНЗИМИ, ОСЪЩЕСТВЯВАЩИ БИОЛОГИЧНОТО ОКИСЛЕНИЕ

РЕДОКС-СИСТЕМИ С БИОЛОГИЧНО ЗНАЧЕНИЕ
Никотинамидни редокссистеми
никотинамидаденин динуклеотид (НАД+/НАДН + Н+)
никотинамидаденин динуклеотидфосфат (НАДФ+/НАДФН + Н+)
витамин РР (никотинамид)
НАДФ -допълнителна фосфатна група на 2' позиция в рибозата на адениловия нуклеотид
Функционално активна - никотинамидната база (витамин РР)

Тези редокссистеми пренасят един Н атом и един електрон, т. е. хидриден йон Н-
Окислени форми: положително зареден пиридинов пръстен с ароматен характер (пиридиниев йон)
Редуцирани форми: незаредени и пръстен с хиноноподобен характер
Оксидоредукция между никотинамидна редокссистема и субстрат под действие на дехидрогеназа
Редукция на НАД+ и едновременното окисление на субстрат АH2 (аналогично за НАДФ+)

Никотинамидните редокссистеми: близка структура, много близък, при това нисък нормален редокспотенциал (по-нисък от на флавиновите) => еднаква функция: коензими на много анаеробни дехидрогенази в началото на субстратното окисление
Общ резервоар, но различна биологична функция:
- Съотношението НАД+/НАДН в клетките ~1000
Биологичната функция на НАДН е да доставя Н за дихателната верига (катаболизъм)
- Съотношението НАДФ+/НАДФН ~ 0.01
НАДФН доставя водород за редукционни биосинтези (анаболизъм)
трансхидрогеназа - пренасочва големи потоци водород от катаболитно в анаболитно направление и обратно; катализира обратимата оксидо-редукция между двете никотинамидни редокс-системи:
НАДФН + НАД+ <=========> НАДФ+ + НАДН

2.Флавинови редокссистеми:
флавинмононуклеотид (ФМН)
флавинадениндинуклеотид (ФАД)
производни на витамин В2 (рибофлавин)
пренасят два Н атома (електрони), но последователно през междинна семихинонова форма - стабилен свободен радикал
семихинонова форма - преход между дву- и едноелектронен пренос
Редокспотенциалът: по-висок от този на никотинамидните редокссистеми, но по-нисък от този на цитохромите
РЕДОКС-СИСТЕМИ С БИОЛОГИЧНО ЗНАЧЕНИЕ

3. Редокс-системи с хинонова структура
КоQ – убихинон
РЕДОКС-СИСТЕМИ С БИОЛОГИЧНО ЗНАЧЕНИЕ
KоQ.H2 и KoQ - подвижни, несвързани с белтък компоненти на дихателната верига
семихиноновата форма - прикрепена към Q-белтък, намиращ се от двете страни на вътрешната митохондрийна мембрана
Бензохиноновото ядро и полиизопреновата странична верига - хидрофобни свойства -> придвижване му във вътрешната митохондрийна мембрана
в преноса на електрони между неподвижно вградени компоненти на дихателната верига (между флавопротеините и цитохромите)
в изпомпването на протони от матрикса към междумембранното пространство (Q-цикъл)
n - брой на изопренови остатъци; човек n = 10

4. Метал-съдържащи редокссистеми
Железни или медни йони, обикновено здраво свързани с белтъчен компонент, могат да пренасят електрони:
Fe-S белтъци:
желязо има и сяра в еквимоларни количества
ензими в дихателната верига
Хем-съдържащи белтъци
цитохромите в дихателната верига и в
електронпренасящи вериги в
ендоплазмения ретикулум
валентността на Fe йон се мени от +2 до +3
и обратно
За разлика от непроменящата се валентност на Fe2+- йон в хема на хемоглобин и миоглобин, които пренасят кислород, а не е-!!!
хем на цитохром b (редуцирана форма)

5. Тиолови редокс-системи
1) липоева киселина
2) глутатион
Липоева киселина
Тиооктанова киселина
в редуцирано състояние - две сулфхидрилни групи - на 6 и 8 позиция
В окислено състояние - дисулфиден мост
Глутатион
трипептид: γ-глутамил-цистеил-глицин
В окислена форма - две молекули глутатион с дисулфиден мост
Като кофактор на глутатион пероксидаза - обезвреждането на водороден пероксид и свободния хидроксилен радикал

6. Аскорбинова киселина (аскорбат) - витамин С
Не се синтезира в човек; храната
добър редуктор - може да редуцира О2, нитрати и цитохроми а и с
водно-разтворим антиоксидант - инхибира образуването на нитрозамини в храносмилателния тракт
по-добро усвояване на желязо
във важни окислителни реакции в катаболитни (разграждане на тирозин) или в синтезни пътища (синтеза на норадреналин, образуване на жлъчка, стероидогенеза, зреене на колаген)
При недостиг на витамин С - скорбут
Окислена и редуцирана форма

СУБСТРАТНО ОКИСЛЕНИЕ
едностъпално анаеробно дехидрогениране на стотици различни субстрати под действие на специфични дехидрогенази, кооперирани най-често с редокссистемите НАД+ и НАДФ+
Резултат: значителни количества водород под форма на НАДН могат да постъпят в дихателната верига или под форма на НАДФН да се използват за редукционни биосинтези
Субстратното окисление - начален етап, предшестващ окислението в дихателната верига

ОКИСЛИТЕЛНО ФОСФОРИЛИРАНЕ НА СУБСТРАТНО НИВО
Синтезата на АТФ или други макроергични съединения за сметка на енергия, отделена при субстратно окисление.
Само 3 случая, когато отделената енергия не се разсейва като топлина, а се акумулира в продукта на окислението, който е макроергично съединение:
1) окисление на глицералдехид-3-Ф;
2) енолазна реакция;
3) окислително декарбоксилиране на α-кето киселини
- Пируват дехидрогеназен комплекс

Скромен количествен принос, но има значение, тъй като:
В условията на кислородна недостатъчност - единствен източник на АТФ
2) Не се повлияват от вещества, които инхибират или разпрягат окислението в дихателните вериги и спрегнатото с него фосфорилиране
3) При митохондрийни заболявания снабдяват клетката с АТФ
Доставят АТФ, когато енергията, отделена в дихателната верига, се използва не за синтеза на АТФ, а за други ендергонични процеси
Биосинтезите в цитоплазмата се осъществяват с помощта на гликолитичен АТФ
ЗНАЧЕНИЕ НА СУБСТРАТНИТЕ ФОСФОРИЛИРАНИЯ В ГЛИКОЛИТИЧНАТА ВЕРИГА