BIOCHEMIE des Stoffwechsels ( )

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1 BICEMIE des Stoffwechsels ( ) 3. Einheit Thermodynamische Konzepte für biologische Systeme (2)

2 Abhängigkeit der Spontaneität einer Reaktion von der Reaktions-Enthalpie und Reaktions-Entropie r S r G r = r - T S r - + Reaktion bei allen Temperaturen spontan (exergonisch) - - Reaktion durch Enthalpie begünstigt, aber durch die Entropie gehindert. Sie läuft nur unterhalb T = r / S r freiwillig ab. + + Reaktion von der Enthalpie her ungünstig (endotherm), aber durch die Entropie begünstigt. Sie ist spontan oberhalb T = r / S r + - Reaktion in allen Temperaturbereichen endergonisch

3 Thermodynamische Parameter einfacher Prozesse Reaktion r (kj/mol) S r (kj/mol.k) G r (kj/.mol) ydratation von Ionen (25 C) a + (g) + Cl - (g) a + (aq) + Cl - (aq) , ,0 Dissoziation von Ionen in Lösung 2 (l) + C 3 C(aq) 3 + (aq) + C 3 C - (aq) -10,3-0,126 27,26 Transfer von Toluol in Wasser + 1,72-0,071 22,7

4 Freie Reaktions-Enthalpien bei beliebigen Konzentrationen Die Freie Standard-Reaktions-Enthalpie, G r, ist mit einem sehr speziellen Reaktionstyp verknüpft, nämlich mit dem Übergang von reinen, unvermischten Reaktanten in ihren Standardzuständen zu den reinen, unvermischten Produkten in ihren Standardzuständen. In der Biochemie sind natürlich die zellulären Stoffmengen- Konzentrationen relevant. Viel interessanter als die G r -Werte ist die Frage, ob eine bestimmte Mischung von Reaktanten und Produkten die Tendenz zur Bildung weiterer Produkte hat. Die Freie Reaktionsenthalpie, G r, gibt nun die Änderung der Freien Enthalpie bei einer Reaktion an. Der Prozess tendiert in jene Richtung, die mit einer Abnahme der Freien Enthalpie einhergeht. Wenn G r für ein vorliegendes Mischungsverhältnis negativ ist, haben die Edukte (Reaktanten) die eigung zur Bildung weiterer Produkte.

5 Ist die Freie Reaktionsenthalpie, G r, bei einer bestimmten Zusammensetzung null, dann hat das System weder die Tendenz zur Bildung von Produkten noch zur Bildung von Edukten, es befindet sich im Gleichgewicht. Das Kriterium für chemisches Gleichgewicht bei konstantem Druck und konstanter Temperatur ist daher ( S ges = 0): Beispiel: G r = 0 2 (g) (g) 2 3 (g) Der Ausdruck für die Gleichgewichtskonstante K eq einer bestimmten Reaktion ergibt sich bekanntlich aus der Zusammensetzung der Reaktionsmischung im Gleichgewicht. Am Weg zum Gleichgewicht wird die Zusammensetzung der Reaktionsmischung durch den Reaktionsquotienten Q beschrieben.

6 2 (g) (g) 2 3 (g) Der Reaktionsquotient Q ist Q = (P 3 /P ) 2 / [(P 2 /P ) (P 2 /P ) 3 ] P x ist der Partialdruck der Spezies X und P ist der Standardzustand (1 bar) Wenn das System seine Gleichgewichtszusammensetzung erreicht, entspricht der Reaktionsquotient der Gleichgewichtskonstante K eq (Q = K eq ). Es hat sich ein dynamisches Gleichgewicht (Geschwindigkeit der in- und Rückreaktion ist ident!) etabliert: 2 (g) (g) 2 3 (g) K eq Der Reaktionsquotient bzw. die Gleichgewichtskonstante wird üblicherweise mit ilfe der Aktivitäten, a, ausgedrückt: Q = (a 3 ) 2 / [(a 2 ) (a 2 ) 3 ]

7 Q = (a 3 ) 2 / [(a 2 ) (a 2 ) 3 ] Die Aktivität, a, ist eine dimensionslose Größe. In der Regel ist es ausreichend, die folgenden Werte für a zu verwenden: Für ideale Gase: a x = P x /P Für reine Flüssigkeiten und Feststoffe: a x = 1 Für gelöste Stoffe bei geringer Konzentration: a x = [X]/(1 mol/l) Aktivitäten berücksichtigen die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Spezies, etwa intermolekulare Wechselwirkungen (Dipol- Wechselwirkungen, Wasserstoffbrücken usw.). Es ist immer zu beachten, dass das Gleichgewicht dynamisch ist. Beispiel: Gleichgewicht zwischen xyhämoglobin, b 2, und Desoxyhämoglobin (b): b(aq) + 2 (g) b 2 (aq) Im Gleichgewicht entspricht die Geschwindigkeit der Sauerstoffanlagerung gleich der Geschwindigkeit der Abdissoziation!

8 K eq >> 1 K eq << 1 In der Gleichgewichts-Reaktionsmischung dominieren die Produkte In der Gleichgewichts-Reaktionsmischung dominieren die Edukte Die Werte von G r und G r sind über einen einfachen Ausdruck miteinander verknüpft, den man in zwei Schritten herleiten kann: G r = G r + RTlnQ Ableitung: Für ein ideales Gas hängt die Freie Enthalpie mit seinem Partialdruck p in einer Mischung folgendermaßen zusammen: G = G + nrtln(p/p ) mit P = 1 bar G = G + nrtlna mit a = P/P

9 G = G + nrtlna mit a = P/P at das Gas einen Druck von 1 bar, dann ist a = P/P = 1 und G = G Beweis für G = G + nrtlna Es gilt für Prozeß bei konstanter Temperatur: dg = d TdS Mit = U + PV und d = du + PdV + VdP folgt d = dq + dw + PdV + VdP Mit dw = -pdv und dq = TdS (für reversible Änderungen) d = TdS PdV + PdV + VdP = TdS + VdP dg = d TdS = TdS + VdP - TdS dg = VdP

10 dg = VdP Wenn die Probe nicht kompressibel ist (also V von P unabhängig ist), liefert die Integration G = V P Bei einem Gas muss die Gesamtänderung der Freien Enthalpie beim Übergang vom Anfangsdruck P A zum Enddruck P E der Tatsache entsprechen, dass sich V mit dem Druck ändert Ideales Gasgesetz: V = nrt/p P E P E G = VdP = nrt (1/P)dP = nrtln(p E /P A ) P A P A Wenn P A = P dann G = G ; Wenn P E = P dann G = G - G ; G = G - G = nrtln(p/p ) bzw. G = G + nrtlna

11 Beispiel: Die Freie Enthalpie eines Gases (1 mol), dessen Druck infolge einer Reaktion bei 25 C von 1 bar auf 0,5 bar abnimmt, ändert sich folgendermaßen: G = G + nrtlna = G + [(1 mol)(8,314 JK -1 mol -1 )(298 K) (ln0,5)] G = G + nrtlna = G J = G - 1,7 kj Allgemeine Reaktion: A(g) + 2 B(g) 3 C(g) Die Freie Enthalpie von 3 mol C in einem Reaktionsstadium mit dem Partialdruck P C ist (mit a C = P C /P ): G C = (3 mol) {G C + RTlna C } = (3 mol) G C + (1 mol) RTlna C 3 G A = (1 mol) G A + (1 mol) RTlna A G B = (2 mol) G B + (1 mol) RTlna B 2

12 Die Freie Reaktions-Enthalpie bei der angegebenen Zusammensetzung ist die Differenz aus Produkten und Edukten: G = (3 mol) G C - {(1 mol) G A + (2 mol) G B } G = G + (1 mol).rt.{lna C3 lna A a B2 } G = G + (1 mol).rt.ln (a C3 / (a A a B2 ) Einführen der molaren Reaktions-Enthalpie G r G r = G /1 mol Reaktionsquotient Q = (a C3 / (a A a B2 ) G r = G r + RTlnQ Der Term RTlnQ zählt zum Wert von G r entweder etwas hinzu (Q > 1 und lnq > 1) oder zieht etwas ab (Q < 1 und lnq < 0). Deshalb ändert sich während der Reaktion G r!

13 Wenn Reaktion das Gleichgewicht erreicht hat, dann gilt: G r = 0 = G r + RTlnQ Im Gleichgewicht entspricht Q = K eq und es folgt: G r = -RTlnK eq Dies ist eine der wichtigsten Gleichungen der chemischen Thermodynamik, da sie die Angabe der Gleichgewichtskonstante für jede Reaktion aus Tabellenwerken mit thermodynamischen Daten erlaubt. Umgekehrt kann bei Kenntnis der Gleichgewichts- Konzentrationen die Freie Standard-Reaktions-Enthalpie errechnet werden. Reaktion: aa + bb cc + dd Gleichgewicht: G r = 0 G r = -RTlnK eq = -RTln {[C] c eq[d] d eq/[a] a eq[b] b eq}

14 Verknüpfung von K eq mit G r bei 25 C (298 K) K eq G r (kj/mol) , , , , , , , , ,3 G r = -RTlnK eq Änderung von K eq (25 C) um Faktor 10 führt zu einer Änderung von G r um 5,7 kj/mol

15 Die Gegenwart eines Katalysators hat keinen Einfluß auf die Gleichgewichtskonstante einer Reaktion. Es gilt: G r = -RTlnK eq G r entspricht der Differenz der Freien-Standard-Enthalpien von Produkten und Reaktanten und hat damit unabhängig von der Reaktionsführung immer denselben Wert! Selbst wenn ein Enzym die Reaktion beschleunigt, indem es einen anderen Weg von Edukten zu Produkten ermöglicht, hat es keinen Einfluß auf den Wert von G r und damit auch keinen auf die Gleichgewichtskonstante. Die Gleichgewichts-Zusammensetzung einer Reaktionsmischung ist unabhängig von der Gegenwart eines Katalysators!

16 Die Freie Reaktions-Enthalpie als Funktion der Entfernung der Reaktion vom Gleichgewicht. Reaktion: A B G r = G r + RTlnQ Energieinhalt des Systems K eq = [B] eq /[A] eq G r < 0 G r > 0 Reines A Q = K eq G r = 0 Reines B 0,001K 0,01K 0,1K K eq 10K 100K 1000K Reaktionsquotient Q = [B]/[A]

17 Die Änderung der Freien Enthalpie, G r, liefert eine quantitative Aussage über den Maximalwert an nützlicher (nichtexpansiver) Arbeit, die eine Reaktion leisten kann, die bei konstanter Temperatur und konstantem Druck stattfindet. Ist G r = 0, befindet sich das System im Gleichgewicht und kann keine nützliche Arbeit leisten. Wieso nichtexpansive Arbeit? dg = d TdS = du + PdV TdS = dw + dq + PdV TdS T = konstant; P = konstant Maximale Arbeit wird nur erreicht, wenn der Prozess reversibel geführt wird: dg = dw rev + dq rev + PdV TdS mit dq rev = TdS dg = dw rev + TdS + PdV TdS = dw rev + PdV

18 dg = dw rev + TdS + PdV TdS = dw rev + PdV w rev = dw rev,exp + dw rev,nonexp = -PdV + dw rev, nonexp dg = dw rev + PdV = -PdV + dw rev,nonexp + PdV dg = dw rev,nonexp ützliche Arbeit in biologischen System ist z.b. (Bio)synthetische Arbeit: z.b. Knüpfen von Bindungen Mechanische Arbeit: Änderungen des rtes und der Richtung (z.b.: Muskelkontraktion oder Wanderung der Chromosomen bei der Mitose) Konzentrations- und elektrische Arbeit: Bewegung von Molekülen und Ionen über Membranen

19 Beispiel: xidation von 1 mol Glucose C (s) (g) 6 C 2 (g) (g) G r = kj/mol Die maximale nichtexpansive Arbeit, die aus einem Mol Glucose erhalten werden kann, ist also 2, kj! Um 1 mol Peptidbindung zu knüpfen, muss z.b. 17 kj an Arbeit investiert werden. Fazit: Durch die xidation von einem Glucose-Molekül können 170 Peptidbindungen geknüpft werden.

20 Biochemische Reaktionen laufen in der Regel in wässrigen Medien und bei p 7 ab. G r symbolisiert die Standard-Reaktions-Enthalpie bei p 7. Wie ist der Zusammenhang zwischen der chemischen Standard- Reaktions-Enthalpie (p = 0), G r, und dem biologischen Standardzustand, G r (p 7.0)? Wie muss man Wasser, das explizit im Zuge einer Reaktion entsteht oder verbraucht wird, im Reaktionsquotienten bzw. in der Gleichgewichtskonstante berücksichtigen? Folgendes ist zu beachten: A) Wenn an der Reaktion weder Wasser noch Protonen beteiligt sind, stimmen G r und G r überein. B) Werden im Zuge einer biochemischen Reaktion werden Protonen freigesetzt, dann gilt: A B - + n + mit K eq =K eq [ + ] n eq G r = G r + nrtln[ + ] eq

21 (C) Werden im Zuge einer biochemischen Reaktion Protonen verbraucht, dann gilt: A - + n + B mit K eq = K eq / [ + ] n eq G r = G r + RTln(1/[ + ] n ) = G r - nrtln[ + ] eq (D) Entstehen im Verlauf einer biochemischen Reaktion 2 - Moleküle, dann gilt: A + B C + D + n 2 G r = -RTlnK eq = -RTln ([C] eq [D] eq [ 2 ] eqn /[A] eq [B] eq ) G r = -RTlnK eq = -RTln([C] eq [D] eq /[A] eq [B] eq ) und damit G r = G r + nrtln[ 2 ] mit [ 2 ] eq = 55,5 mol/l und bei T = 298 K gilt G r = G r + n.(9,96 kj/mol)

22 Beispiel: Die Freie Standard Reaktions- Enthalpie der ydrolyse-reaktion von Phosphocreatin beträgt bei 37 C 42,8 kj/mol. Phosphocreatin(aq) + 2 (l) Creatin(aq) + P i (aq) G r (37 C)= - 42,8 kj/mol Die physiologische Konzentrationen von Phosphocreatin, Creatin und anorganischem Phosphat liegen typischerweise zwischen 1 mm und 10 mm. Annahme: Sie betragen 1 mmol/l. Berechnen Sie die Reaktionsenthalpie unter diesen Bedingungen: Temperatur: 37 C = 310 K G r = G r + RTlnQ = J/mol + (8,314 J/mol.K)(310 K) ln([0,001][0,001]/[0,001]) G r = - 60,5 kj/mol P C 3

23 Beispiel: Man lasse die ydrolyse von Fructose-1-P, Fructose-1-P(aq) + 2 (l) Fructose(aq) + P i (aq) bei 25 C ins Gleichgewicht kommen. Die ursprüngliche Konzentration von Fructose-1-P war 0,2 mol/l. Wenn das System das Gleichgewicht erreicht, beträgt die Konzentration von Fructose- 1-P nur mehr 6,52 x 10-5 mol/l. Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante dieser Reaktion und die Freie Enthalpie der ydrolyse von Fructose-1-P unter Standardbedingungen. K eq = [0,2][0,2]/[6, ] = 613,5 G r = -RTlnK eq = - (8,314 JK -1 mol -1 ) (298 K) ln(613,5) = J/mol = -15,9 kj/mol

24 Beispiel: Die Freie Enthalpie für die ydrolyse von Acetylphosphat unter biologischen Standardbedingungen ist G r = - 42,3 kj/mol: Acetyl-P(aq) + 2 (l) Acetat(aq) + P i (aq) C C 2- P 3 Acetylphosphat Kalkulieren Sie die Freie Enthalpie für die ydrolyse von Acetylphosphat in einer Lösung von 2 mm Acetat, 2 mm Phosphat und 3 mm Acetylphosphat bei 25 C. G r = G r + RTlnQ = - 42,3 kj/mol + (8,314 J/mol.K)(298 K) ln([0,002][0,002]/[0,003]) G r = -42,3 kj/mol J/mol = - 58,7 kj/mol

25 Abhängigkeit der Freien Reaktions-Enthalpie von der Temperatur Die Gleichgewichtskonstante einer Reaktion ändert sich mit der Temperatur. Der einfachste Weg, Größe und Richtung dieses Effektes zu bestimmen, besteht darin, den Einfluß der Temperatur auf G r zu ermitteln. Es gilt: G r = r - T S r r und S r ändern sich nicht signifikant mit der Temperatur, da sowohl die Enthalpien als auch die Entropien der Edukte und Produkte durch die Temperaturänderung beeinflußt werden. Wegen G r = r - T S r hängt die Freie Enthalpie aber von der Temperatur ab.

26 Van t off sche Gleichung lnk x, eq = lnk eq + ( r / R) (1/T 1/T x ) und G r,x = -RTlnK x,eq Es gilt: G r = r - T S r Für eine bestimmte Temperatur T gilt: G r = -RTlnK eq lnk eq = - G r / RT = - ( r / RT) + ( S r / R) Bei einer anderen Temperatur T x ergibt sich mit G r = r - T x S r

27 G r = r - T x S r bzw. lnk x,eq = - G r / RT x = - ( r / RT x ) + ( S r / R) lnk eq = - G r / RT = - ( r / RT) + ( S r / R) Die Differenz beider Ausdrücke ist lnk eq lnk x,eq = - ( r / R) (1/T 1/T x ) Umgeformt ergibt sich lnk x,eq = lnk eq + ( r / R) (1/T 1/T x ) van t off sche Gleichung Annahme: T x > T und r positiv (endotherme Reaktion) K x,eq > K eq Die Gleichgewichtskonstante einer endothermen Reaktion nimmt mit steigender Temperatur zu!

28 lnk x,eq = lnk eq + ( r / R) (1/T 1/T x ) Annahme: van t off sche Gleichung T x > T und r negativ (exotherme Reaktion) K x,eq < K eq Die Gleichgewichtskonstante einer exothermen Reaktion nimmt mit steigender Temperatur ab! lnk x,eq lnk eq = ( r / R) (1/T 1/T x ) R(lnK x,eq lnk eq ) = ( r ) (1/T 1/T x ) R(lnK x,eq lnk eq ) /(1/T 1/T x ) = r bzw. d(lnk eq ) r = -R d(1/t) Sind bei einer Reaktion die Gleichgewichtskonstanten bei mehreren Temperaturen bekannt, so kann in diesem Temperaturbereich die Reaktions-Enthalpie ermittelt werden.

29 Beispiel: Denaturierung von Chymotrypsinogen (siehe Einheit 2) Es wurden K eq bei verschiedenen Temperaturen bestimmt. R lnk eq ,31 - (-17,63) = 14,42 54,5 C 3,04-3,067 = -0, /T (K -1 ) r wird aus der Steigung der Kurve ermittelt. Für 54,5 C gilt: r = (-14,42) / [(-0,027) 10-3 ] = 533 kj/mol d(lnk eq ) r = -R d(1/t)

30 T(K): 324,4 326,1 327, ,7 332,0 333,8 K eq : 0,041 0,12 0,27 0,68 1,9 5,0 21 G r, kj/mol Denaturierung von Chymotrypsinogen Mit ilfe der bekannten Abhängigkeit von K eq von T, kann G r bei verschiedenen T ermittelt werden. G G r -RTlnK eq r = -RTlnK eq = = -(8,314 -(8,314 J/mol.K)(327,5K) J/mol.K)(327,5K) ln(0,27) ln(0,27) = 3,56 3,56 kj/mol kj/mol Denaturierung eines Proteins: Ab einer bestimmten Temperatur wird G r negativ und die Denaturierung findet statt!

31 Denaturierung von Chymotrypsinogen G r = 3,56 kj/mol = r - T S r r = 533 kj/mol (54.5 C) S r, kj/mol S r = -( G r - r )/T = -( ) / 327,5 = 1620 J / (K. mol) Im Zuge der Temperaturerhöhung wird der entropische Beitrag immer positiver (günstiger)

32 Beispiel: Die Gleichgewichtskonstante für die Reaktion A B ist 0,5 bei 20 C und 10 bei 30 C. Kalkulieren Sie r für diese Reaktion, unter der Annahme, dass r von der Temperatur unabhängig ist. Bestimmen Sie G r und S r bei 20 C und 30 C. G r = - RTln K eq 20 C: G r = - (8,314 J/mol.K).(293 K) ln0,5 = 1,69 kj/mol 30 C: G r = - (8,314 J/mol.K).(303 K) ln10 = - 5,8 kj/mol r = -R.dln(K eq )/d(1/t) = - 8,314{ln10 - ln0,5}/{1/303-1/293} = 221,14 kj/mol S r = -{( G - )/T} = -{(1,69 kj - 221,13 kj) / (293 K)} = 0,75 kj/k.mol (20 C)

33 Abhängigkeit der Freien Reaktions-Enthalpie vom Druck Die Größe lnk eq ist proportional zu G r. G r ist definiert als die Differenz der Freien Enthalpien der Substanzen in ihren Standardzuständen, d.h. bei einem Druck von 1 bar und p 7,0! Deshalb ist G r unabhängig vom Druck während der Reaktion. Die Gleichgewichtskonstante ist unabhängig vom Druck! Das bedeutet jedoch nicht, dass die einzelnen Partialdrücke oder Konzentrationen der Reaktionspartner gleich bleiben! Generell ist es so, dass bei einer Gasphasen-Reaktion eine Druckerhöhung die Gleichgewichts-Zusammensetzung so verändert, dass die Anzahl der Moleküle in der Gasphase verringert wird (Beispiel aber- Bosch-Verfahren!).

34 Intermediate des Stoffwechsels mit hohem Gehalt an Freier Enthalpie Adenosintriphosphat Abhängigkeit der ATP-ydrolyse vom p-wert, der Konzentration an Erdalkali-Ionen und den tatsächlichen zellulären Konzentrationen von ATP, ADP und anorganischem Phosphat Gruppenübertragungspotentiale Gekoppelte Reaktionen Thermodynamische Betrachtung der energiereichen Intermediate des Stoffwechsels

35 - ATP C 2 P - P - P - 2 ATP, Adenosintriphosphat 1941: Erkennung seiner Rolle im Energiestoffwechsel der Zelle durch Fritz Lipmann und erman Kalckar

36 Adenosintriphoshat, ATP 2 Adenin Adenosin C 2 - P - P P - - Phosporylgruppen: -, -, Adenosinmonophosphat (AMP) ATP + 2 ADP + P i G r = kj/mol

37 ATP-ydrolyse Die Änderung der Freien Enthalpie im Zuge einer (bio-)chemischen Reaktion hängt von der atur der Edukte und Produkte, der Temperatur, den aktuellen zellulären Konzentrationen der Edukte und Produkte und dem p-wert ab. Das ydrolysegleichgewicht von ATP ist sehr komplex. Die Freie Enthalpie der ydrolyse von ATP hängt von folgenden Faktoren ab: a) p-wert und Ionisierungsgrad b) Konzentration von Metallionen c) Tatsächliche zelluläre Adenylat-Konzentrationen Dies gilt generell für alle Verbindungen mit hohen Phosphatgruppenübertragungspotentialen (siehe unten).

38 p-wert und Ionisierungsgrad ATP hat 5 dissoziierbare Protonen: pk a = 4,06 pk a = 6,95 3 P P P C 2 völlig deprotoniert

39 Abhängigkeit der Freien Enthalpie der ydrolyse von ATP vom p-wert: 2 G r, kj/mol pk a = 6,95 P P P C 2 ATP ADP 3- + P Alkalischer Bereich, p > 7.0: Pro p-einheit wird bei der ATP-ydrolyse um 5,7 kj/mol mehr an Energie frei. Warum: [ + ] ist im Zähler des Massenwirkungsgesetzes.

40 Abhängigkeit der Freien Enthalpie der ATP-ydrolyse von Metallionen Mg 2+, Ca 2+, a + und K + gehören zu den Mengenelementen ( bulk elements ) in biologischen Systemen. Die Freie Enthalpie der ATP-ydrolyse hängt von der Erdalkali-Konzentration der Zellen ab: Mg 2+ G r, (mm) (kj/mol) 0-35,7 G, kj/mol ,0 P P P C 2 Typische Verhältnisse: p = 7, [Mg 2+ ] = 5 mmol/l G r = -31,0 kj/mol 5 mm

41 Abhängigkeit der Freien Enthalpie der ydrolyse von ATP von den tatsächlichen zellulären Konzentrationen Die Änderung der Freien Enthalpie der ydrolyse von ATP in Abhängigkeit von der Entfernung vom thermodynamischen Gleichgewicht (ATP ADP 3- + P ): Annahme: K eq (p 7; [Mg 2+ ] = 10 mmol/l) = Q K eq /Q G r [ATP]/[ADP], wenn (kj/mol) [P i ] = 10 mmol/l , , , , , , typisch für Mitochondrien: [P i ] = 10 mm; [ATP] = 10 mm; [ADP] = 50 µm

42 Alle lebenden rganismen verwenden ATP um Freie Enthalpie zwischen energieproduzierenden und energieverbrauchenden Systemen zu übertragen. Vorgänge, die mit einer starken Abnahme der Freien Enthalpie verbunden sind (wie z.b. der oxidative Abbau von Kohlenhydraten oder Fettsäuren), werden dazu verwendet um die Bildung von ATP anzutreiben. Die ydrolyse von ATP wiederum wird dazu verwendet, biosynthetische Reaktionen und andere Prozesse, die einen Anstieg an Freier Enthalpie erfordern, zu ermöglichen. ATP kann auf mehrere Arten hydrolysiert werden: ATP + 2 ADP + P i ADP + 2 AMP + P i ATP + 2 AMP + PP i G r = -31,0 kj/mol G r = -31,0 kj/mol G r = -32,2 kj/mol P i, anorganisches Phosphat (P 4 2- ); PP i, Pyrophosphat (P ).

43 Täglicher ATP-Verbrauch eines Menschen (70 kg) Kalorienverbrauch pro Tag: z.b kcal = kj Annahme: Die thermodynamische Effizienz (Wirkungsgrad) der biochemischen Prozesse sei 50 % ydrolyse von ATP unter typischen zellulären Bedingungen liefert etwa 50 kj/mol Aufnahme von kj mit 50% Wirkungsgrad: 5860 kj werden in Form von ATP gespeichert. Das entspricht 5860 kj /(50 kj/mol) = 117 mol ATP pro Tag M (ATP, Dinatriumsalz) = 551 g/mol 117 mol (551 g/mol) = g = 64,467 kg ATP pro Tag Mensch enthält etwa 50 g ATP, d.h. 1 ATP wird pro Tag etwa 1300mal recycliert

44 Gruppenübertragungspotential Viele (bio-)chemische Reaktionen involvieren den Transfer einer funktionellen Gruppe von einem DR-Molekül auf ein AKZEPTR-Molekül (z.b. Wasser). Das Konzept der Gruppenübertragungspotentiale erklärt die Tendenz solcher Reaktionen. Bei der ydrolyse von biologischen Phosphorylverbindungen entspricht das Gruppenübertragungspotential der Änderung der Freien Enthalpie beim Transfer der Phosphatgruppe auf das Akzeptormolekül Wasser. Bindungen, deren ydrolyse mit stark negativen G r Werten einhergehen (< -25 kj mol -1 ), werden als energiereich bezeichnet und mit einer Schlangenlinie (~) symbolisiert: ATP: A-R-P ~ P ~ P A = Adenyl-, R = Ribosyl-, P = Phosphorylrest

45 2 C 2 Die Änderung der freien Enthalpie bei Übertragung der - (aus ATP) bzw. -ständigen (aus ADP) Phorphorylgruppe auf 2 ist stark negativ (< -25 kj/mol). ATP bzw. ADP sind energiereich, ihr Gruppenübertragungspotential ist groß. - P - P - P -

46 Intermediate des Stoffwechsels mit hohem Gehalt an Freier Enthalpie Adenosintriphosphat Abhängigkeit der ATP-ydrolyse vom p-wert, der Konzentration an Erdalkali-Ionen und den tatsächlichen zellulären Konzentrationen von ATP, ADP und anorganischem Phosphat Gruppenübertragungspotentiale

47 Freie Standard-Enthalpie der Phosphathydrolyse bei einigen biologisch relevanten Verbindungen Verbindung G r (kjmol -1 ) Phosphoenolpyruvat -61,9 1,3-Bisphosphoglycerat -49,4 Acetylphosphat -43,1 Phosphocreatin -43,1 PP i -33,5 ATP AMP + PP i -32,2 ATP ADP + P i -31,0 Glucose-1-phosphat -20,9 Fructose-1-phosphat -16,0 Glucose-6-phosphat -13,8 Glycerin-3-phosphat -9,2 Phosphorylierung von ADP Phosphorylierung der ydrolyseprodukte durch ATP

48 Phosphoenolpyruvat, PEP 2- P 3 - C C C 2 PEP + 2 Pyruvat + P i G r = -61,9 kj/mol - P C C C - 1,3-Bisphosphoglycerat P 3 2-1,3-Bisphosphoglycerat Phoshoglycerat + P i + + G r = -49,4 kj/mol

49 C C 2- P 3 Acetylphosphat Acetylphosphat + 2 Acetat + P i + + G r = -47,3 kj/mol P Creatinphosphat C 3 Creatinphosphat + 2 Creatin + P i G r = -43,1 kj/mol

50 - C 3 + C (C 2 ) 3 C P 3 2- Argininphosphat Argininphosphat + 2 Arginin + P i G r = -38,1 kj/mol 2 P P P C 2 Adenosintriphosphat, ATP ATP + 2 ADP + P i G r = -31 kj/mol

51 2 P P C 2 Adenosindiphosphat, ADP ADP + 2 AMP + P i G r = -31 kj/mol P P Pyrophosphat, PP i Pyrophosphat + 2 P i + P i G r = -32,2 kj/mol

52 C 2 P P C Uridindiphosphat-Glucose, UDP-Glucose UDP-Glucose + 2 Glucose + UDP G r = -31,9 kj/mol Uridindiphosphat, UDP

53 C 3 C C S C 2 C 2 C C 2 C 2 C C C C 2 ADP C 3 Acetyl-CoA Acetyl-CoA + 2 CoA + Acetat G r = -31,5 kj/mol

54 - C C C 2 C C 3 S C 2 S-Adenosylmethionin 2 S-Adenosylmethionin + 2 Methionin + Adenosin G r = -25,6 kj/mol Methionin Adenosin

55 - P - Glucose-1-Phosphat, Glucose-1-P Glucose-1-P + 2 Glucose + P i G r = -21,0 kj/mol

56 Fructose-1-P + 2 Fructose + P 3 2- G r = -16,0 kj/mol C 2 C 2 P - Glucose-6-P + 2 Glucose + P i - - Fructose-1-P G r = -13,9 kj/mol - P Glucose-6-P Veresterung Glucose

57 Glycerin-3-phosphat P Glycerin-3-P + 2 Glycerin + P 4 2- G r = -9,2 kj/mol P Adenosinmonophosphat, AMP 2 AMP + 2 Adenosin + P 4 2- G r = -9,2 kj/mol

58 Freie Standard-Enthalpie der Phosphathydrolyse bei einigen biologisch relevanten Verbindungen Verbindung G r (kjmol -1 ) Phosphoenolpyruvat -61,9 1,3-Bisphosphoglycerat -49,4 Acetylphosphat -43,1 Phosphocreatin -43,1 PP i -33,5 ATP AMP + PP i -32,2 ATP ADP + P i -30,5 Glucose-1-phosphat -20,9 Fructose-1-phosphat -16,0 Glucose-6-phosphat -13,8 Glycerin-3-phosphat -9,2 Phosphorylierung von ADP Phosphorylierung der ydrolyseprodukte durch ATP

59 ATP ist also Energiemittler zwischen energiereichen Phosphoryldonoren (Synthese bei der Verbrennung von ährstoffen ) und energieärmeren Phosphorylakzeptoren! Das Donor/Akzeptorpaar ATP 4- /ADP 3- nimmt in der ierachie der Phosphorylgruppenübertragungspotentiale eine Mittelstellung ein. ATP as an intermediate energy-shuttle molecule. Wichtig ist die Tatsache, dass (obwohl die ydrolyse von ATP einen sehr negativen G r -Wert hat) ATP in wässriger Lösung eine relativ stabile Verbindung ist. Unter den physiologischen Bedingungen von p und Temperatur hydrolysiert es nicht sehr schnell. Die ydrolyse, obwohl thermodynamisch extrem begünstigt, wird durch eine hohe Aktivierungsschwelle verlangsamt. Erst diese Tatsache gewährleistet die rasche und selektive utzung der Freien Enthalpie des ATP. Enzyme (z.b. Kinasen) können diese Barriere aber leicht überwinden.

60 Aktivierungsenergie ( kj/mol) ATP Edukte Übergangszustand G r = -31 kj/mol Produkte ADP + P i Energiereich bedeutet also nicht, dass diese Verbindungen instabil sind und sofort hydrolysieren! Für den Bruch der -P -Bindung in ATP ist eine Aktivierungsenergie von kj/mol nötig (vgl. ydrolyse: -31,0 kj/mol) Enzyme (Katalysatoren): Überwinden die Aktivierungs- Schwelle Biochemischer utzen energiereicher Phosphatverbindungen: Sie sind kinetisch stabil gegenüber ydrolyse, jedoch gleichzeitig kompetent in (Enzym-katalysierten) Reaktionen große Beträge an freier Enthalpie freizusetzen.

61 Energiereiche Phosphatverbindungen sind Übergangsformen gespeicherter Energie ( transient forms of stored energy ) im Gegensatz zu langfristigen Speicherformen (z.b. Glykogen, Stärke) ( longterm storage of energy ). Ein wichtiger Grund in der Bedeutung des ATP liegt auch darin, dass die bei der ydrolyse frei werdenden Produkte in einer Reihe von chemischen Reaktionen mit anderen Molekülen gekoppelt werden können. Beispiel: Einbau von Phosphat in Glucose. Weiters stellen das Adenin und die Ribosylgruppe von ATP, ADP und AMP zusätzliche Strukturmerkmale zur Verfügung, die es diesen Verbindungen ermöglichen, an Enzyme zu binden und an der Regulation enzymatischer Reaktionen teilzunehmen. AMP

62 Intermediate des Stoffwechsels mit hohem Gehalt an Freier Enthalpie Adenosintriphosphat Abhängigkeit der ATP-ydrolyse vom p-wert, der Konzentration an Erdalkali-Ionen und den tatsächlichen zellulären Konzentrationen von ATP, ADP und anorganischem Phosphat Gruppenübertragungspotentiale Gekoppelte Reaktionen

63 Gekoppelte Reaktionen Die Freie Enthalpie aller Komponenten einer Lösung ist additiv. Energetisch ungünstige Reaktionen werden im Stoffwechsel mit energetisch günstigen gekoppelt, um synthetische Arbeit leisten zu können. Im allgemeinen gilt, wenn die Änderung der mit zwei Reaktionen A B und C D assoziierten Freien Enthalpie G AB und G CD ist, dann ist die Änderung der Freien Enthalpie, die den kombinierten Prozeß (A + C B + D) begleitet, einfach G AB + G CD. Dieses Prinzip erlaubt es lebenden rganismen, komplexe Moleküle mit höherer Enthalpie und geringerer Entropie zu synthetisieren. Die Änderung der Freien Enthalpien ist additiv, wohingegen die Gleichgewichtskonstanten multiplikativ kombiniert werden müssen: AB K CD

64 Beispiele: G r (kj/mol) P i + Glucose Glucose-6-P ,9 ATP + 2 ADP + P i -31,0 ATP + Glucose ADP + Glucose-6-P -17,1 Enzyme: exokinase, Glucokinase P 3 2- C C C ADP + P i ATP C C C G r = -62,2 kj/mol G r = +31,0 kj/mol Phosphoenolpyruvat + ADP Pyruvat + ATP kj/mol Enzym: Pyruvatkinase + P 4 2-

65 Kopplung erfolgt direkt durch Enzyme, hier durch Kinasen (Enzymklasse 2: Transferasen). Sie katalysieren die Übertragung von Phosphorylgruppen von ATP auf andere Moleküle und umgekehrt. Der Kopplungsmechanismus muss aber nicht unbedingt direkt über ein Enzym funktionieren. Ein anderer allgemeiner Mechanismus zur Kopplung einer energetisch ungünstigen Reaktion an eine günstige besteht darin, einfach dafür zu sorgen, dass eine der Reaktionen der anderen vorausgeht oder folgt. Sind die Änderungen der Freien Enthalpien für die Reaktionen A B G AB und für B C G BC, dann ist die Änderung der Freien Enthalpie für A C gleich G AB + G BC.

66 Beispiel: Acetyl-CoA + xalacetat Citryl-CoA Citrat + Coenzym A Acetyl-CoA + xalacetat Citryl-CoA Citryl-CoA Citrat + Coenzym A Kombination durch Enzym Citratsynthase G r = -0,21 kj/mol G r = -35,2 kj/mol G r = -35,41 kj/mol Der Mechanismus der Citratsynthase stellt sicher, dass beide Reaktionen zusammen erfolgen. Treibt bei sequentiellen Reaktionen eine die andere an, ist es nicht notwendig, dass die zwei Schritte vom selben Enzym katalysiert werden. Dies kann aber hilfreich sein, um die Gesamtreaktion zu beschleunigen.

67 Beispiel: Malat + AD + xalacetat + AD + + G r = +30 kj/mol Enzym: Malat-Dehydrogenase Wird diese Reaktion gekoppelt mit Acetyl-CoA + xalacetat Citryl-CoA Citrat + Coenzym A (Enzym: Citratsynthase; G r = -35,4 kj/mol) dann beträgt der kombinierte G r Wert -5,4 kj/mol, sodass die Gleichgewichtskonstante für die Gesamtsequenz günstig ist. In beiden Reaktionen wird durch Entfernen eines Produktes die Reaktion angetrieben. Wichtig: icht G r sondern G r bestimmt, ob ein Prozeß spontan abläuft.

68 Übungsbeisbeispiel: Ein wichtiger Schritt in der Glykolyse (Embden-Meyerhof-Weg) ist die Kopplung der xidation von Glycerinaldehyd-3-Phosphat mit der anschließenden ATP-Bildung aus 1,3-Bisphosphoglycerat. Die beiden beteiligten Enzyme sind Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase und Phosphoglycerat-Kinase. Berechnen Sie die Freie Enthalpie der gekoppelten Gesamtreaktion bei p 7,0 und 38 C, wenn für beide Reaktionen folgende Gleichgewichtskonstanten gegeben sind: Reaktion 1: Glycerinaldehyd-3-Phosphat + P i + AD + 1,3-Bisphoglycerat + AD + + K eq = 0, Reaktion 2: 1,3-Bisphosphoglycerat + ADP 3-Phosphoglycerat + ATP K eq = 1,

69 Lösung: Gleichgewichtskonstanten gekoppelter Reaktion sind multiplikativ zu behandeln: Gesamtgleichgewichtskonstante K eq = (0, ) (1, ) = 152,78 G r = - RTln K eq R = 8,314 J/(mol K) und T = = 311 K G r = - [8,314 J/(mol K)][311 K] ln 152,78 = J/mol = - = -13,005 kj/mol

70 Intermediate des Stoffwechsels mit hohem Gehalt an Freier Enthalpie Adenosintriphosphat Abhängigkeit der ATP-ydrolyse vom p-wert, der Konzentration an Erdalkali-Ionen und den tatsächlichen zellulären Konzentrationen von ATP, ADP und anorganischem Phosphat Gruppenübertragungspotentiale Gekoppelte Reaktionen Thermodynamische Betrachtung der energiereichen Intermediate des Stoffwechsels

71 Thermodynamische Betrachtung der energiereichen Intermediate des Stoffwechsels Wie erklärt man sich die stark negative Freie Enthalpie der ydrolysereaktionen von phosphorylierten Intermediaten? Welche strukturellen Merkmale zeichnen diese Moleküle aus? Energiereiche Phosphorylverbindungen: Die Freie Enthalpie der ydrolyse ist kleiner (noch mehr exergonisch) als -25 kj/mol. Darunter fallen folgende Typen biochemisch relevanter Moleküle: Phosphoanhydride (ATP, ADP, GTP, GDP, PP i etc.) Gemischte Anhydride (Acylphosphate, z.b.: Acetylphosphat) Enolphosphate (PEP) Phosphoguanidine (Phosphocreatin, Phosphoarginin) Thioester (z.b.: Acetyl-CoA) Zuckernucleotide, cyclische ucleotide S-Adenosylmethionin

72 Phosphoanhydride (ATP, ADP, GDT, GTP...) - C 2 P - P - P - 2 Phosphorsäureanhydridbindungen ucleosidtriphosphate enthalten 2 Pyrophosphat-Bindungen, die bei ydrolyse große Mengen an Freier Enthalpie freisetzen. Ursachen: Elektrostatische Abstoßung der Edukte (Reaktanten). Stabilisierung der Produkte durch Ionisation und Resonanz Erhöhung der Entropie durch ydrolyse

73 C 3 C + C + C 3 2 C 3 C R P P R' 2 R P - - P R' Elektrostatische Abstoßung in den Edukten (z.b. in Pyrophosphat: P )

74 Stabilisierung der ydrolyseprodukte durch Ionisation P P P Edukt Pyrophosphat, P ettoladung -3 P Produkte P 4 2- ettoladung -2 (Stabilisierung des elektrophilen Phosphoratoms)

75 Beispiel Essigsäureanhydrid C 3 C C C 3 C 3 C C C 3 Edukte: kompetitive Resonanz (nur alternativ) C 3 C C C 3

76 Stabilisierung der Produkte durch Resonanz. Die auptprodukte der ATP-ydrolyse (ADP 3-, P 2-4 ) weisen eine größere Zahl mesomerer Grenzstrukturen auf als ATP. C 3 C C C 3 Produkte: Simultane Resonanz C 3 C C C 3

77 2 Entropiefaktor 2 Edukte 3 Produkte P P P C 2 Zunahme der 2 Entropie! 2 P p-abhängig, siehe pk a -Werte P P C 2

78 Gemischte Anhydride Beispiele: Acetylphosphat, 1,3- Bisphosphoglycerat, Aminosäureester der tras Die ydrolyse von Acylphosphaten ist stark exergonisch; die Produkte sind viel stabiler als die Edukte Ursachen: Partiell positive Ladungen am C-Atom und P- Atom bewirken Bindungsspannung Erhöhte Resonanzmöglichkeiten der Produkte Erhöhung der Entropie Acetylphosphat + 2 Acetat + P i + + G r = -47,3 kj/mol

79 Acetylphosphat + 2 Acetat + P C C 2- P 3 2 C C - - P + - G r = -47,3 kj/mol C C - - P

80 1,3-Bisphosphoglycerat Phoshoglycerat + P i + + C - P - G r = -49,4 kj/mol C - 2 C 2 P - C C C 2 P + - P Enzym: 3-Phosphoglycerat-Kinase: 1,3-Bisphosphoglycerat + ADP 3-Phosphoglycerat + ATP

81 Aminosäureester der tra Aminoacyl-Adenylate sind Intermediate bei der Proteinbiosynthese. Wiederum handelt es sich um gemischte Anhydride aus Carbonsäuren und Phosphorsäuren. Mehrere Reaktionsschritte werden durch das Enzym Aminoacyl-tRA- Synthetase gekoppelt. RC( 3+ )C - + ATP 4- RC( 3+ )C-AMP + PP i RC( 3+ )C-AMP + tra RC( 3+ )C -tra + AMP Gesamt: RC( 3+ )C - + tra + ATP RC( 3+ )C-tRA + AMP + PP i Die Freie Enthalpie der ydrolyse der Anhydridbindung des Aminoacyl-Intermediates (RC( 3+ )C-AMP) ist die treibende Kraft der Bindungsknüpfung an die tra.

82 RC( 3+ )C-AMP gemischtes Anhydrid Die Freie Enthalpie der ydrolyse der Anhydridbindung des Aminoacyl-Intermediates (RC( 3+ )C-AMP) ist die treibende Kraft der Bindungsknüpfung an die tra. Esterbindung RC( 3+ )C-tRA

83 Enolphosphate Phosphoenolpyruvat (PEP): öchstes Gruppenübertragungspotential Ursache: Als Folgereaktion der ydrolyse bildet sich eine sehr instabile Enolform, die in die stabilere Ketoform umgewandelt wird. PEP entsteht in der Glycolyse durch Dehydratisierung von 2-Phosphoglycerat: C C P C C P 3 2- C Enolase C Phosphoenolpyruvat, PEP

84 C C C ADP, + ATP 2- P 3 Mg 2+, K + Pyruvatkinase C C C PEP

85 - P C C C 2 - C C C 2 Instabile Enolform des Pyruvats - C C C 2 - Tautomerisierung P - - C C G r = -28,3 kj/mol Stabile Ketoform des Pyruvats C 3 G r = -33,6 kj/mol

86 Guanidiniumphosphate Guanidiniumphosphate: Creatinphosphat Argininphosphat Energiereiche Phosphatverbindungen mit Guanidinium (bzw. Amidinium), die bei der Muskelkontraktion die Rolle von ATP-Depots spielen, werden Phosphagene genannt. Creatinphosphat Argininphosphat

87 Effektive Resonanzstabilisierung der ydrolyseprodukte; hohe Symmetrie der ydrolyseprodukte Limitierte Resonanzstabilisierung der Edukte

88 Thioester C 3 C C S C 2 C 2 C C 2 C 2 C C C C 3 C 2 ADP Acetyl-CoA + 2 CoA + Acetat G r = -31,5 kj/mol

89 Sauerstoffester - R C R' R C R' Thioester - + R C S R' R C S R' R C S R' Thioester: Die Überlappung der -Elektronen des relativ großen Schwefelatoms mit den Elektronen des C-Atoms in einer C=S Doppelbindung ist ungünstig. Folge: Resonanz im Gegensatz zu Sauerstoff-Estern ungünstig! Thioester sind instabiler.

90 Succinyl-CoA + GDP + P 4 2- Succinat + GTP + CoA-S C C - C C - + GDP + P 2- C 4 GTP + 2 C C - + CoA-S C S CoA Enzym des Citratzyklus: Succinyl-CoA-Synthetase GTP + ADP GDP + ATP ucleosiddiphophat-kinase

91 Zuckernucleotide (ukleosiddiphosphatzucker) Bindung eines Zuckers an ein ucleosiddiphosphat (Bildung einer C--P Bindung). Beispiele: ADP-Ribose, GDP-Mannose, UDP-Glucose. Intermediate der Biosynthese von Polysacchariden und anderen komplexen Kohlenhydraten ydrolyse in Zucker und ucleosiddiphosphat ist exergonisch (Ursache: Resonanzstabilisierung der Produkte): ucleosiddiphosphatzucker + 2 ucleosiddiphosphat + Zucker G r -30 kj/mol

92 ADP-Ribose (Adenosindiphosphatribose)

93 GDP-Mannose (Guanosindiphosphatmannose)

94 C 2 P P C Uridindiphosphat-Glucose, UDP-Glucose UDP-Glucose + 2 Glucose + UDP G r = -31,9 kj/mol Uridindiphosphat, UDP

95 Cyclische ucleotide (Phosphodiester) Ursache für stark negatives G : ohe Spannung im Phosphodiesterring Funktion: Modulation der Aktivität regulatorischer Proteine

96 S-Adenosylmethionin S-Adenosylmethionin ist zwar kein phosphoryliertes Intermediat des Stoffwechsels. Es hat aber einen hohen Gehalt an Freier Enthalpie und wird als Methylgruppen-Donor im Metabolismus eingesetzt. Synthese aus Methionin und ATP. Bindung der Aminosäure Methionin über eine S-C Bindung an einen Adenosinrest. C 3 + C- C- C 3 + C 3 C 2 C 2 S + ATP C 2 C 2 C 3 S C 2 Adenin PP i + P i Enzym: S-Adenosylmethionin-Synthase

97 C 3 + R R-C 3 C 3 + C 3 C 2 C 2 S Adenosyl Aktivierung der Methylgruppe durch benachbartes positives S-Atom omocystein Methyltransferase C- C- C- C 3 + C 2 C 2 S C 2 C 2 S Adenosyl S-Adenosylhomocystein Adenosin 2 ydrolase