1

TERMODINAMIKA

2

• HŐ (q) és MUNKA (w): energia „átmenet közben” a rendszer és környezete között.

A különböző energiafajták átalakulásukkor végső soron termikus energiává„degradálódnak” (disszipáció).

• BELSŐ ENERGIA (E): Molekulák transzlációs, vibrációs és rotációs energiája + kémiai kötések energiája(E = Ekin + Eköt + E0)

3

• A TERMODINAMIKA ELS Ő TÖRVÉNYE: (az energia-megmaradás törvénye)

• ENTALPIA (H): Hőtartalom = belső energia + térfogati munka (P = konst.)

∆∆∆∆E = Evég – Ekezd →→→→ ∆∆∆∆E = Q + Wtf + Wegyéb

∆∆∆∆H = ∆∆∆∆E + p∆∆∆∆V

Biológiai rendszerekben történő változások közel állandó nyomásonjátszódnak le, és a térfogati munka általában kicsiérték, így jó közelítéssel

∆∆∆∆E = Q, ∆∆∆∆H = Q →→→→ ∆∆∆∆H ≈≈≈≈ ∆∆∆∆E

4

• A TERMODINAMIKA MÁSODIK TÖRVÉNYE :

(a folyamatok iránya: spontán lejátszódó, rev, irrev)

Az önként végbemenő folyamatok egyirányúsága

Izolált rendszer entrópiája maximum érték felé tart (egyensúly).

Spontán lejátszódó folyamatban a rendszer és a környezet entrópiája növekszik.

5

• ENTRÓPIA (S)Rendezetlenség (véletlenszerűség) mértéke

A folyamatok irányát megszabja a kevésbé valószínű

→ valószínűbb állapot irány.

Önként végbemenő folyamatban → rendezetlennéválás következik be (energia, hely szerint is).

Hely szerint → maximális kitöltés

Energia szerint → Boltzmann-eloszlás

S = kS = kBB lnWlnW (L. Boltzmann, 1877)

∆∆∆∆∆∆∆∆S S ≥≥≥≥≥≥≥≥ ∆∆∆∆∆∆∆∆ q/Tq/T (R. Clausius, 1864)

6

7

Spontán lejátszódó (irreverzibilis) folyamatban:

∆∆∆∆∆∆∆∆SSrendsz.rendsz. + + ∆∆∆∆∆∆∆∆SSkköörny.rny. > 0> 0

(Entrópiaváltozással járó spontán folyamat pl. a diffúzió.)

• SZABADENERGIA (G) (Gibbs szabadenergia!)

A két főtétel egyesítése; (P és T konst.)

Változása az a maximális energia, ami hasznos munkára fordítható.

∆∆∆∆G = ∆∆∆∆H – T∆∆∆∆S (J.W. Gibbs, 1878)

(csak a rendszerre vonatkozik!)

8

• Önként lejátszódó folyamat:

• Szabadenergia befektetés:

• Termodinamikai egyensúly:

∆∆∆∆G < 0 exergonikus

∆∆∆∆G > 0 endergonikus

∆∆∆∆∆∆∆∆G = 0G = 0

• Mivel a szabadenergia állapotfüggvény, a változását csak a végállapot (a termékek szabadenergiájának összege) és a kezdeti állapot (a kiindulási anyagok szabadenergiájának összege) szabja meg, azaz független az átalakulás tényleges molekuláris mechanizmusától.

• A ∆∆∆∆G nem ad információt a reakciók sebességéről, amit a tőle teljesen független aktivációs szabadenergia szab meg (∆∆∆∆G‡).

9

Endoterm reakciEndoterm reakcióó, spont, spontáán nem megy vn nem megy véégbe gbe ((endergonikusendergonikus))

––++

Endoterm reakciEndoterm reakcióó, spont, spontáán lejn lejáátsztszóódik, ha T > dik, ha T > ∆∆H/H/∆∆SS++++

ExotermExotermreakcireakcióó, spont, spontáán lejn lejáátsztszóódik, ha T < dik, ha T < ∆∆H/H/∆∆SS––––

ExotermExotermreakcireakcióó, spont, spontáán lejn lejáátsztszóódik minden dik minden hhőőmméérsrséékletenkleten

++––

∆∆∆∆∆∆∆∆GG = = ∆∆∆∆∆∆∆∆HH –– TT∆∆∆∆∆∆∆∆SS∆∆∆∆∆∆∆∆SS∆∆∆∆∆∆∆∆HH

10

⇔⇔⇔⇔

11

”NAGYENERGIÁJÚ” FOSZFÁT VEGYÜLETEK

• Szabadenergia befektetést igénylő folyamatok „fizetőeszköze”: ATP (F. Lipmann és H. Kalckar, 1941)

• Nagy foszfát-transzfer potenciál≡ Hidrolíziskor nagy szabadenergia csökkenés.

12

Az ATP és hidrolízise

13

• „Nagyenergiájú” kötés, ha ∆Go’ < –25 kJ/mol

– 9,2foszfát-észterGlicerin-3-foszfát

–13,8foszfát-észterGlükóz-6-foszfát

– 14,0foszfát-észterAMP → ade + Pi

– 30,5foszfoanhidridATP →→→→ ADP + Pi

– 32,2foszfoanhidridATP → AMP + PPi

– 33,5foszfoanhidridPirofoszfát (PPi)

– 43,1foszfoguanidinKreatin-foszfát

– 49,4acil-foszfát1,3-foszfoglicerát

– 61,9enol-foszfátFoszfoenol-piruvát

∆∆∆∆Go’ (kJ/mol)KötéstípusVegyület

14

• Az ATP kötés szerkezeti magyarázat:– Ortofoszfát (HPO42-, Pi) rezonancia stabilizációja

(tetraéderes foszfát)

– ATP negatív töltések taszítása destabilizál

– Hidrolízis termékek nagyobb szolvatációs energiája

– Entrópia hatás (ATP4- + H2O ADP3- + HPO42- + H+)

• ∆G-t befolyásolja: [ATP] = 8 mM, [ADP] = 1 mM,

[Pi] = 8 mM, pH, Mg2+ konc., ionerősség

• ∆Gcell ≈ – 50 kJ/mol

• Az ATP metastabil vegyület :

enzimek nélkül nagyon lassan hidrolizál

Aktivációs szabadenergia (∆G‡): 200-400 kJ/mol

15

Ortofoszfát (HPO42-, Pi) rezonancia

16

Az élő sejtet felépítőfontosabb molekulák

• Szénhidrátok- monoszacharidok (egyszerű cukrok)- oligoszacharidok- poliszacharidok

• Lipidek (membránokban: zsírsavak glicerinészterei)

• Aminosavak, peptidek, fehérjék

• Nukleozidok, nukleotidok, nukleinsavak

17

AMINOSAVAK, PEPTIDEK, FEHÉRJÉK

AMINOSAVAK• α-L-aminosavak (20 + Sec)• pKamino=8,0 pKkarboxil=3,1

(függ: T, ionerősség, mikrokörnyezet)

• homokiralitás

RR||

NHNH33++——CCαααααααα ——COOCOO¯̄

||HH

enantiomerekenantiomerek

18

• apoláros oldallánc:– Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Met, Phe,

Trp,

– Pro (iminosav)

• poláros oldallánc: – Ser, Thr, Asn, Gln, Cys(pKR=8,4),

Tyr (10,5)

• bázikus oldallánc: – Lys (10,5), Arg (12,5), His (6,0)

• savas oldallánc:– Asp(3,9), Glu (4,1)

19

20

21

Módosított aminosavak

– 5-hidroxi-Lys, 4-hidroxi-Pro (pl. kollagén)

– 3-met-His, ε-N,N,N-trimet-Lys (pl. miozin)

– N-formil-Met(prokarióta N-terminus)

– γ-karboxil-Glu (Gla, pl. protrombin)

– tiroxin (tiroglobulin)

22

Módosított aminosavak fehérjékben

23

oxoxiiddáácicióó

redukciredukcióó

cisztincisztinSSSS--hhíídd

CysCys

CysCys

• diszulfid-híd

24

A PEPTIDKÖTÉS

kondenzációhidrolízis

szubsztituált amid

25

• Elsődleges: aminosav szekvencia

FEHÉRJE SZERKEZETI SZINTEK

N-terminus C-terminus

26

• Másodlagos: lokálisan ismétlődő feltekeredés– szuperszekunder elemek (motívumok)

domén (kvázi-független térszerkezeti egység)• Harmadlagos: globális térszerkezet• Negyedleges: alegység szerkezet (több polipeptid)

mioglobin hemoglobin

27

Immunoglobulin-G

28

A FEHÉRJEMŰKÖDÉS LÉNYEGE

• Specifikus kötődés indukálta konformációváltozások

laktoferrin

29

• Katalitikus hatékonyság (enzimek)

• Szabályozás:– allosztérikus effektorok

– irreverzibilis kovalens módosítás (proteolitikus hasítás)

– reverzibilis kovalens módosítás(foszforiláció/defoszforiláció, acetiláció/dezacetiláció)

• Molekuláris motorok (energia transzdukció) ésmolekuláris kapcsolók (információ transzdukció)

kalmodulin – Ca2+-kapcsoló

30

FEHÉRJÉK CSOPORTOSÍTÁSA

• Funkció szerint– enzimek

– regulációs fehérjék (pl. hormonok, transzkripciós faktorok)

– transzport fehérjék (pl. hemoglobin, transzferrin, szérum albumin)

– tároló fehérjék (pl. ovalbumin, kazein, zein, ferritin)

– motorfehérjék (pl. aktin, miozin, kinezin, dinein)

– szerkezeti fehérjék (pl. kollagén, keratin, elasztin)

– adapter („scaffold”) fehérjék (pl. Grb 2, stat, crk, shc)

– immunfehérjék, toxin-fehérjék (pl. IgG, antifreeze fehérje, ricin)

– exotikus fehérjék (pl. monellin, rezilin, glue fehérjék)

31

• Konjugált (összetett) fehérjék – glikoprotein(pl. IgG, fibronektin, proteoglikán)

– lipoprotein(pl. LDL, HDL)

– foszfoprotein(pl. kazein, glikogén foszforiláz-a)

– metalloproteinek(pl. ferritin, alkohol-dehidrogenáz, nitrogenáz)

– hemoprotein(pl. hemoglobin, citokróm-c, kataláz, nitrát-reduktáz)

– flavoprotein(pl. szukcinát-dehidrogenáz, NADH-dehidrogenáz)