BIOENERGETICS อ.ชัยวัฒน์ วามวรรัตน์

BIOENERGETICS : the study of energy transformations in living systems Living systems = Environments + Organisms Two fundamental concepts govern energy as it relates to living organisms : the first and the second law of thermodynamics.

THERMODYNAMICS A collection of laws and principles describing the flows and interchanges of heat, energy, and matter in systems of interest. Thermodynamics allows us to determine whether or not chemical processes and reactions occur spontaneously.

UNIVERSE

BIOENERGETICS AND THERMODYNAMICS Biological energy transformations obey the laws of thermodynamics The first law- conservation of energy- “for any physical or chemical change, the total amount of energy in the universe remains constant; energy may change form or it may be transported from one region to another but it cannot be created or destroyed.”

BIOENERGETICS AND THERMODYNAMICS The second law of thermodynamics : the universe always tends toward increasing disorder: in all natural processes, the entropy of the universe increases. S system + Ssurroundings = Suniverse, where Suniverse > 0

BIOENERGETICS AND THERMODYNAMICS  Living cells and organisms are open system, exchanging both material and energy with their surroundings.  Living systems are never at equilibrium with their surrounding, and the constant transactions between system and surrounding explain how organisms can create order within themselves while operating within the second law of the thermodynamics.  Every molecule in the cell has an intrinsic energy, and therefore whenever a molecule is involved in a chemical reaction, there will be a change in the energy of the resulting molecule(s). Some of this change in the energy of the system will be usable to do work, and that energy is referred to as the free energy of the reaction.

 the theory of energy changes during chemical reactions. J. Willard Gibbs  the theory of energy changes during chemical reactions. The Gibbs equation : G = H - TS Free-energy content, G, of any closed system can be defined in terms of three quantities: Enthalpy, H, reflecting the number and kinds of bonds Entropy, S  absolute temperature, T (in Kelvin).

ENTHALPY - is the heat content of the reacting system. - When a chemical reaction releases heat: exothermic reaction  ΔH is negative (the heat content of the products is less than that of the reactants) - Reacting systems that take up heat from their surroundings are endothermic reaction  ΔH is positive . The units of ΔG &ΔH are joules/mole or calorie/mole

ENTROPY is a qualitative expression for the randomness and disorder in a system When the product of the reaction is less complex & more disordered than the reactant it is said to proceed with a gain in entropy. The unit of entropy is joules/mole.kelvin

GIBBS FREE ENERGY CHANGE G is determined by - the enthalpy change, H, reflecting the kinds and numbers of chemical bonds and noncovalent interactions broken and formed. - entropy change, S, describing the change in the system’s randomness  H is negative for a reaction that releases heat.  S is positive for a reaction that increases the system’s randomness.

■ If G is negative, the forward reaction (from left to right as written) will tend to occur spontaneously. → exergonic reaction ■ If G is positive, the reverse reaction (from right to left as written) will tend to occur. → endergonic reaction ■ If G is zero, both forward and reverse reactions occur at equal rates; the reaction is at equilibrium.

Release of free energy is a negative number, while a requirement for input of energy is denoted with a positive number. Generally, a chemical reaction in which G < 0 is a spontaneous reaction (also called an exergonic reaction), while a chemical reaction in which G > 0 is not spontaneous (or endergonic). When G = 0, the system is in equilibrium.

ΔG = Gproducts – Greactants Biological systems are generally held at constant temperature and pressure, it is possible to predict the direction of a chemical reaction from the change in the free energy ΔG = Gproducts – Greactants

STANDARD FREE ENERGY CHANGE When the reactant and the products are present in a concentration of 1 M, it is known as standard free energy change - ΔG° For a biochemical reaction, a standard state is defined as having a pH of 7, temp 25 deg, pressure at 1 atm and reactant and products at 1 M - standard transformed constants ΔG'°

actual free energy change Standard free energy change differentiated from actual free energy change ΔG o is measured under standard conditions stated above & has the constant value for given reaction. whereas ΔG is measured at the conditions prevailing during the reaction, such as the conditions of the concentration, pH & temperature which are not standard.

 G = G0 + RT ln ([P1][P2][P3]…/[R1][R2][R3]…) The standard free energy change is related to the equilibrium constant In a reversible chemical reaction The state which no net chemical transformation occurs : at equilibrium The concentrations of reactants and products define the equilibrium constant, Keq G can also be expressed with respect to the concentration of products (P) and reactants (R) :  G = G0 + RT ln ([P1][P2][P3]…/[R1][R2][R3]…)

Therefore ΔG = ΔG ° + RT ln Keq 0 = ΔG ° + RT ln Keq At equilibrium ΔG = 0 Therefore ΔG = ΔG ° + RT ln Keq 0 = ΔG ° + RT ln Keq ΔG ° = - RT ln Keq When Keq = 1, ln Keq = 0 hence ΔG0 = 0 The product contains the same amount of free energy as the reactant. Therefore reaction stands at equilibrium Gas constant, R = 8.315 J/mol · K ( 1.987 Cal/mol K) Units of absolute temperature, T, are Kelvin, K. 25 0C = 298 K At 25 0C, RT = 2.478 kJ/mol ( 0.592 kCal/mol)

Standard free-energy changes are additive Endergonic reactions can be coupled to exergonic reactions as a series of reactions that ultimately is able to proceed forward. The only requirement is that the overall free energy change must be negative (G < 0)

เมแทบอลิซึมประกอบด้วยวิถีของของปฏิกิริยา 2 รูปแบบ 1. catabolism (degradation) 2. anabolism (biosynthesis)

Catabolism (degradation) : เป็นกระบวนการที่สารอาหารและองค์ประกอบของเซลล์ถูก ย่อยสลายลงเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่และ/หรือเพื่อสร้างพลังงาน Anabolism (biosynthesis) : เป็นกระบวนการที่สารชีวโมเลกุลที่ซับซ้อนถูกสร้างขึ้นจากสาร ต้นตอธรรมดา โดยต้องอาศัยพลังงานที่ได้จากสิ่งแวดล้อม (พลังงานแสง) หรือจากการสลายสารอาหาร

RELATIONSHIP BETWEEN CATABOLISM AND ANABOLISM คำศัพท์ : oxidative, reductive, exergonic, endergonic ?

ดังนั้น หลักการของเมแทบอลิซึม คือ การนำเอาสารอาหารและ พลังงานแสงมาใช้ให้เป็นประโยชน์ต่อสิ่งมีชีวิต โดยเปลี่ยนให้เป็น ปัจจัย 3 อย่าง ได้แก่ 1. พลังงานชีวเคมี (biochemical energy) 2. อิเล็คตรอน (electron) 3. สารต้นตอสำหรับการสังเคราะห์ (biosynthetic precursor)

1. พลังงานชีวเคมี (biochemical energy) สารที่สามารถให้พลังงานได้มากในการช่วยผลักดันปฏิกิริยา คือ Adenosine 5 ׳ triphosphate หรือ ATP Mg2+   Phosphoanhydride bonds : energy rich bonds ∆G0 ~ 30 KJ·mol-1

ATP + H2O ADP + Pi X + Y X-Y  ENERGY เมื่อ ATP แตกสลายเป็น ADP และ Pi จะได้พลังงานสูงที่สามารถผลักดันให้ปฏิกิริยาที่เป็นไปไม่ได้ให้เกิดขึ้นได้ โดยอาศัยหลักการควบคู่ทางพลังงาน (energy coupling)

ปฏิกิริยาการสร้าง ATP : phosphorylation ที่เกิดขึ้นในเซลล์มี 3 รูปแบบ คือ 1. Substrate-level phosphorylation - glycolysis, Kreb’s cycle 2. Oxidative phosphorylation - electron transport chain 3. Photophosphorylation - photosynthesis

นอกจาก ATP ซึ่งมีบทบาทเป็น แหล่งให้พลังงานสำหรับการ สังเคราะห์สารต่างๆและกิจกรรม การทำงานของเซลล์แล้ว นิวคลีโอไทด์ชนิดอื่นก็มีบทบาทเป็น แหล่งพลังงานแก่กระบวนการ การสังเคราะห์สาร ได้แก่ (Glycogen synthesis) (protein synthesis) (gluconeogenesis) (Lipid synthesis)

HIGH-ENERGY COMPOUNDS ลบมากๆ (มากกว่า -25 KJ·mol-1) นอกจาก ATP แล้วยังมีสารให้พลังงานสูงอื่นๆอีก ซึ่งมี บทบาทในการสังเคราะห์ ATP ด้วย ได้แก่

PHOSPHORIC-CARBOXYLIC ACID ANHYDRIDE BONDS 1. ACYL PHOSPHATES PHOSPHORIC-CARBOXYLIC ACID ANHYDRIDE BONDS G0= -43.1 KJ·mol-1 G0 = -49.4 KJ·mol-1 ENOL PHOSPHATE BOND 2. ENOL PHOSPHATES G0 = -61.9 KJ·mol-1

3. PHOSPHOGUANIDINES (PHOSPHAGENS) PHOSPHOGUANIDINE BONDS = -43.1 KJ·mol-1 พบในสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง เช่น lobster พบในสัตว์มีกระดูกสันหลัง สารเหล่านี้พบมากในเซลล์กล้ามเนื้อและเซลล์ประสาท มีบทบาทเป็นแหล่งสะสมสำรอง ATP

2. อิเล็คตรอน (electron) สารที่สามารถรับและถ่ายอิเล็คตรอนได้และมีบทบาทที่สำคัญใน เมแทบอลิซึมมี 3 ชนิด คือ - NICOTINAMIDE ADENINE DINUCLEOTIDE PHOSPHATE - FLAVIN ADENINE DINUCLEOTIDE ทั้ง 3 ชนิดล้วนเป็นโคเอนไซม์ และอยู่ได้ 2 สภาพคือ สภาพรีดิวซ์ (reduced form) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อได้รับอิเล็คตรอนและโปรตอนเข้ามา สภาพออกซิไดซ์ (oxidized form) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อได้ถ่ายอิเล็คตรอนและโปรตอนออกไป สารทั้งสามจึงเป็นสารนำอิเล็คตรอน (electron carrier) ที่สภาพรีดิวซ์จะเก็บรักษาไว้ซึ่งพลังงานที่ได้การออกซิไดซ์ สารต่างๆ ในเซลล์

NICOTINAMIDE ADENINE DINUCLEOTIDE, NAD+ FADH2 และ NADH นำอิเล็คตรอนเข้าสู่ระบบการขนส่งอิเล็คตรอนที่อยู่ใน ไมโตคอนเดรีย เพื่อสร้าง ATP (oxidized form) (reduced form) FLAVIN ADENINE DINUCLEOTIDE, FAD

NICOTINAMIDE ADENINE DINUCLEOTIDE PHOSPHATE, NADP+ (oxidized form) oxidation reduction NADPH ถูกสร้างขึ้น ในเซลล์โดยทาง pentose phosphate pathway ในเซลล์พืชยังเกิดขึ้นจาก ทาง photosynthesis (reduced form)

3. สารต้นตอสำหรับการสังเคราะห์ (biosynthetic precursor) เป็นสารมาจากการย่อยสลายสารอาหารหลักประเภท คาร์โบไฮเดรต ไขมัน และโปรตีน ซึ่งมีตั้งแต่สารที่มี โครงสร้างง่ายๆ ได้แก่ คาร์บอนไดออกไซด์ แอมโมเนีย อะซีเตท ไปจนถึงกลูโคส กรดอะมิโน กรดไขมัน

ปฏิกิริยาออกซิเดชั่น-รีดักชั่น : สูญเสียอิเล็กตรอน : สูญเสียไฮโดรเจน : รับออกซิเจน ปฏิกิริยารีดักชั่น : รับอิเล็กตรอน : รับไฮโดรเจน : สูญเสียออกซิเจน ปฏิกิริยาทั้งสองเกิดควบคู่ กันเสมอ โดยมีสารตัวหนึ่ง ถูกออกซิไดซ์ (เสียอิเล็กตรอน)  Reducing agent และมีอีกสารหนึ่งถูกรีดิวซ์ (รับอิเล็กตรอน)  Oxidizing agent

The flow of electrons in oxidation-reduction reactions is responsible, directly or indirectly, for all work done by living organisms. Low affinity for electron High affinity for electron e- flow → electrons flow spontaneously through the circuit, driven by a force proportional to the difference in electron affinity : electromotive force, EMF

Oxygen is the strongest electron acceptor in biological systems, due to it very high electronegativity and hence it is the strongest oxidizing agent. Fluorine is the strongest oxidizing agent but it is present in trace amount in living system. In living systems, electron flow from various electron carrier to oxygen and the EMF generated is utilized for various energy transduction reactions.

PRINCIPLE OF ELECTROCHEMISTRY When describing electron transfers of a redox reaction, the oxidation and reduction can be considered separately. Overall Reaction : Half Reactions Oxidation of ferrous ion (loss of an electron) : Reduction of cupric ion (addition of an electron) :

Electrons are transferred from one molecule (electron donor) to another (electron acceptor) in one of the four different ways; Direct electron transfers: Fe2+ + Cu2+ → Fe3+ + Cu+ As hydrogen atom: AH2 → A + 2e- + 2H+ B + 2e- + 2H+ → BH2 -------------------------------- AH2 + B → A + BH2 As hydride ion (:H-): As in case of NAD-linked dehydrogenases transfer of two electron. 4. Through direct combination with oxygen: Covalent incorporation of oxygen into an organic molecule

Free-Energy Change is related to Reduction Potential The electromotive force is the measured potential difference between two half-cells  The standard reduction potential, E0 for any given redox pair is referenced on the half-reaction : H+ +e- → ½ H2 Electrons tend to flow through the external circuit from the half-cell of lower standard reduction potential to the half-cell of higher standard reduction potential. By convention, the half-cell with the stronger tendency to acquire electrons is assigned a positive value of E.

REDUCTION POTENTIAL  Under biological conditions, reactants are not present at standard concentrations of 1 M  Actual reduction potential (E) is dependent upon the concentrations of reactants and products n is the number of electrons transferred per molecule is the Faraday constant. At 298 K (25O C), this expression reduces to

Standard reduction potentials and free energy Relationship between standard free-energy change and the standard reduction potential: DGo = -nFDEo n = # electrons transferred F = Faraday constant (96.48 kJ V-1) ΔEʹo = Eʹ0electron acceptor - Eʹ0electron donor

ที่มา : Biotechnology Advances 31 (2013) 1187–1199