Anvendt BioKemi: MM2. Anvendt BioKemi: Struktur. 1) MM2- Opsummering. Aminosyrer og proteiner som buffere

Transkript

1 Anvendt BioKemi: Struktur 1) MM1 Intro: Terminologi, Enheder Math/ biokemi : Kemiske ligninger, syre, baser, buffer Små / Store molekyler: Aminosyre, proteiner 2) MM2 Anvendelse: blod som et kemisk system 3) MM3 Math/ biokemi: Enzymer, energibevarelse 4) MM4 Små molekyler: monosaccharider, fedtsyre Store molekyler: Kulhydrater, fedt (lipids) Anvendelse: Energi metabolisme 5) MM5 Kemiske måling teknikker Isotoper, brug af kemi til at måle biologiske processer Anvendt BioKemi: MM2 1) MM2 Opsummering Anvendelse: blod som et kemisk system Matematisk beskrivelse af syre/base reaktioner Svage syrer, Equilibration konstant Basis struktur Aminosyrer og proteiner som buffere Svage syrer dissocierer reversibelt men ufuldstændigt i vandholdig opløsning f.eks. Det frigjorte proton bindes k 1 HA H A nogen gange af en anden konjugerende base. Der er ofte k 1 flere par af konjugerende syrer/baser i systemet Konjugerende syre Konjugerende base I en stabil tilstand er den fremadgående og returhastigheden ækvivalent d.v.s. v f =v r eller k 1 [HA] = k 1 [H ][A ] Hvis k1/k1 = Keq så er K eq = [H ][A ] [HA] K eq er ofte beregnet ud fra opmålinger af den konjugerende syre og base og H. En konstant K eq er så ofte anvendt til at simulere andre situationer 1

2 Blod som et transport system: O 2, CO 2, syrebase kemi af blodet: Plasma buffere O 2, CO 2, syrebase kemi af blodet: Plasma som et system CO 2 buffer CO 2 H 2 0 H 2 CO 3 H HCO 3 Protein buffer (albumin 60%) CO 2 PrNH 2 PrNHCOOH H PrNHCOO Phosphate buffer HPO 4 CO 2 H 2 0 HCO 3 H 2 PO 4 H HCO H Op CO H p NBB p HNBBp p 3,p 2 2,p O 2, CO 2, syrebase kemi af blodet: Plasma som et system Total Buffer Base, Base Excess, metabolic and respiratory acidosis Buffer Base (i plasma) BB p =HCO 3,p NBB p H HCO H Op CO H p NBB p HNBBp p 3,p 2 2,p Væv (anaerobic metabolism) Base excess BE = BB BB R Metabolic and Respiratory Acidosis (where BB R is BB at reference conditions) 2

3 The SiggaardAndersen curve nomogram Matematisk /Matlab fremstilling af plasma function q= plasolv(pco2,be); % % this code takes a sample of plasma at known PCO2 and BE % find the equilibrium of all buffers % % calculate normal values for buffering using the input parameter values n, stands for normal values in arterial blood % % calculate reference buffer base nphp=7.4; nco2p=0.225*5.33; nhco3p=10^(nphp6.1)*nco2p; nhnbbp=( /(10^(nphp6.9274)1)); nnbbp= nhnbbp; nbbp=nhco3pnnbbp; % calculate Buffer base and CO2p BBp=nBBpBE; CO2p=PCO2*0.225; function q= plasolv_eq(var,par) % initialisation % CO2p= par(1); BBp=par(2); HCO3p=var(1); php=var(2); HNBBp=var(3); NBBp=var(4); % equilibrium equations % q = zeros(size(var1)); q(1)=6.1log10(hco3p/co2p)php; q(2)=( /(10^(php6.9274)1))hnbbp; q(3)= HNBBpNBBp; q(4)= HCO3pNBBpBBp; % call to solve the following eqiations, with BBp and CO2p Code continues... Blod som et transport system: Røde blodceller H e HCO 3,e H2O eco2,e H e HbNH 2 HbNH 3 O2 O2 H e HbO2NH 2 HbO2NH3 Anvendt BioKemi: Struktur 3) MM3 Math/ biokemi: Enzymer, energibevarelse H e HbNHCOO HbNH2 CO2,e O2 O2 H e HbO2NH COO HbO2NH 2CO2,e 3

4 Biokemisk energetik Kroppen er i en dynamisk tilstand for optagelse af energi i form af mad og derefter oplagre det eller bruge det til processer som syntese og til at udføre arbejde d.v.s. energi stofskifte. Disse processer følger de termodynamiske love og kan derfor beskrives matematisk. Ved hjælp af nogle proteiner (enzymer) kan den nødvendige aktiveringsenergi af en reaktion reduceres. Reaktioner derfor foregår hurtigere ved tilstedeværelse af enzymer. De basale love omkring termodynamik Første lov energi kan ikke skabes eller destrueres Anden lov Alle naturligt forekommende processer tenderer imod minimum potentiel energi d.v.s. verdenens uorden (entropi) forøges konstant. Ved nul grader Kelvin er entropien af en ren substans lig nul. Exergonic, Endergonic reaktioner Exergonic reaktion A B 15 kcal Exergonic, Endergonic reaktioner Forbundne reaktioner Endergonic reaktion B 15 kcal A 4

5 Fri energi difference Gibbs fri energi Gibbs fri energi kalkulation: energi absorberet ved forøgelse af gasvolumen Difference mellem energiindhold af produkter og reaktionsdeltagere d.v.s. denne reaktions potentiale til at udføre arbejde. Energi forandring ( G)= Energi nu energi i ligevægt G negativ exergonic G positiv endergonic Arbejde udført (energi krævet) af gassen ved ekspansion til et volumen ved konstant tryk Arbejde udført = P * V Ved forskellige tryk integreres over små volumenændringer d.v.s. dw= P(V)dV W = (V1to V2) P(V) dv Fra PV=nRT W = (V1to V2) nrtp dv V W = nrt ln (V 1 /V 2 ) P 1 V 1 n P 2 V 2 n Gibbs fri energi Kalkulation: energi frigivet ved en exergonic reaktion Vi så tidligere den absorberede energi for en ekspanderende gas Q = nrt ln (V B /V A ) Forholdet mellem Gibbs fri energi og equilibrium(ligevægt) konstant K G= RT ln (c B /c A ) RTln(c equib(b) /c equib(a) ) På samme måde kan det påvises, at den energi, der frigøres som et substrat (A), der omdannes til produkt (B) er Q = nrt ln (c B /c A ) Den fri energi kan så beskrives som følger, fra en reference koncentration c ref G= Energi frigjort fra c A,B til c ref(a,b) energi frigjort fra c equib(a,b) til c ref (A,B) Hvilket forenklet når c ref tilstanden elimineres giver (kontakt mig for udledning, hvis du er interesseret) G= RT ln (c B /c A ) RT ln (c equib(b) /c equib(a) ) A B 15 kcal G o er den fri energiændring ved kinetisk equilibrium G o = RT ln (c equib(b) /c equib(a) ) Hvis K eq = (c equib(b) /c equib(a) ) Så, G o = RT ln K eq K eq = e Go /RT 5

6 Enzymer aktiveringsenergi Termodynamisk ustabilitet betyder ikke nødvendigvis kinetisk ustabilitet: Aktiveringsenergi (E a ) Enzymer enzymernes aktion Aktiveringsreaktioner, sænkning af energiaktiveringen At forbinde reaktioner Enzymer enzymernes aktion Enzymer Michaelis Mentin kinetik Enzymsubstrat forbindelse d[es] /dt = k 1 [E][S] k 1 [ES] k p [ES] d[e] /dt = k 1 [E][S] k 1 [ES] k p [ES] d[s] /dt = k 1 [E][S] k 1 [ES] d[p] /dt = k p [ES] Når der er små mængder af enzymer til stede og S er meget større end E, opnås en stabil tilstand, hvor ES konstant: d[es]/dt =0 6

7 Enzymer enzym kinetik v = Vmax[S] Km [S] Hvor Km = [S][E] = k 1 k p [ES] k 1 Når alle enzymer i [ES], Km =0 Når Km =[S], v=0.5 Vmax Når S er meget mindre end Km, returner til den lineære model 7