Fizika | Hőtan » Termodinamika előadás

TERMODINAMIKA 1 • 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) 2 • A TERMODINAMIKA ELSŐ TÖRVÉNYE: (az energia-megmaradás törvénye) ∆E = Evég – Ekezd ∆E = Q + Wtf + Wegyéb • ENTALPIA (H): Hőtartalom = belső energia + térfogati munka (P = konst.) ∆H = ∆E + p∆ ∆V Biológiai rendszerekben történő változások közel állandó nyomáson játszódnak le, és a térfogati munka általában kicsi érték, így jó közelítéssel ∆E = Q, ∆H = Q ∆H ≈ ∆E 3 • 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. 4 • ENTRÓPIA (S) Rendezetlenség (véletlenszerűség) mértéke A folyamatok irányát megszabja a kevésbé valószínű valószínűbb állapot irány. Önként végbemenő folyamatban rendezetlenné válás következik be (energia, hely szerint is). Hely szerint maximális kitöltés Energia szerint Boltzmann-eloszlás S = kB lnW (L. Boltzmann, 1877) ∆S ≥ ∆ q/T (R. Clausius, 1864) 5 6 Spontán lejátszódó (irreverzibilis) folyamatban: ∆Srendsz. + ∆Skörny > 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!) 7 • Önként lejátszódó

folyamat: ∆G < 0 exergonikus • Szabadenergia befektetés: ∆G > 0 endergonikus • Termodinamikai egyensúly: ∆G = 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‡). 8 ∆H ∆S ∆ G = ∆ H – T∆ S – + – – Exoterm reakció, spontán lejátszódik minden hőmérsékleten Exoterm reakció, spontán lejátszódik, ha T < ∆H/∆S + + Endoterm reakció, spontán lejátszódik, ha T > ∆H/∆S + – Endoterm reakció, spontán nem megy végbe (endergonikus) 9 ⇔ 10 ”NAGYENERGIÁJÚ” FOSZFÁT VEGYÜLETEK • Szabadenergia befektetést igénylő

folyamatok „fizetőeszköze”: ATP (F. Lipmann és H Kalckar, 1941) • Nagy foszfát-transzfer potenciál ≡ Hidrolíziskor nagy szabadenergia csökkenés. 11 Az ATP és hidrolízise 12 • „Nagyenergiájú” kötés, ha ∆Go’ < –25 kJ/mol Kötéstípus ∆Go’ (kJ/mol) Foszfoenol-piruvát enol-foszfát – 61,9 1,3-foszfoglicerát acil-foszfát – 49,4 Kreatin-foszfát foszfoguanidin – 43,1 Pirofoszfát (PPi) foszfoanhidrid – 33,5 ATP AMP + PPi foszfoanhidrid – 32,2 ATP ADP + Pi foszfoanhidrid – 30,5 AMP ade + Pi foszfát-észter – 14,0 Glükóz-6-foszfát foszfát-észter –13,8 Glicerin-3-foszfát foszfát-észter – 9,2 Vegyület 13 • 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 14 Ortofoszfát (HPO42-, Pi) rezonancia 15 Az élő sejtet felépítő fontosabb molekulák • Szénhidrátok - monoszacharidok (egyszerű cukrok) - oligoszacharidok - poliszacharidok • Lipidek (membránokban: zsírsavak glicerinészterei) • Aminosavak, peptidek, fehérjék • Nukleozidok, nukleotidok, nukleinsavak 16 AMINOSAVAK, PEPTIDEK, FEHÉRJÉK AMINOSAVAK • α-L-aminosavak (20 + Sec) • pKamino=8,0 pKkarboxil=3,1 (függ: T, ionerősség, mikrokörnyezet) R | NH3+Cα COO¯ | H • homokiralitás enantiomerek 17 • 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) 18 19 20 Módosított aminosavak – 5-hidroxi-Lys, 4hidroxi-Pro (pl. kollagén) – 3-met-His, ε-N,N,Ntrimet-Lys (pl. miozin) – N-formil-Met (prokarióta Nterminus) – γ-karboxil-Glu (Gla, pl. protrombin) – tiroxin (tiroglobulin) 21 Módosított aminosavak fehérjékben 22 • diszulfid-híd Cys oxidáció cisztin SS-híd redukció Cys 23 A PEPTIDKÖTÉS kondenzáció hidrolízis szubsztituált amid 24 FEHÉRJE SZERKEZETI SZINTEK • Elsődleges: aminosav szekvencia N-terminus C-terminus 25 • Másodlagos: lokálisan ismétlődő feltekeredés – szuperszekunder elemek (motívumok) domén (kvázi-független térszerkezeti egység) • Harmadlagos: globális térszerkezet • Negyedleges: alegység szerkezet (több polipeptid) mioglobin hemoglobin 26 Immunoglobulin-G 27 A FEHÉRJEMŰKÖDÉS LÉNYEGE • Specifikus

kötődés indukálta változások konformáció laktoferrin 28 • Katalitikus hatékonyság (enzimek) • Szabályozás: – allosztérikus effektorok – irreverzibilis kovalens módosítás (proteolitikus hasítás) – reverzibilis kovalens módosítás (foszforiláció/defoszforiláció, acetiláció/dezacetiláció) • Molekuláris motorok (energia transzdukció) és molekuláris kapcsolók (információ transzdukció) kalmodulin – Ca2+-kapcsoló 29 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) 30 • 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) 31