© Heribert Cypionka SS 2003, Grundlagen der Physiologie Bioenergetik.

© Heribert Cypionka SS 2003, www.icbm.de/pmbio

Grundlagen der Physiologie

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Bioenergetik


o Energie ist etwas, das Arbeit ermöglicht. o Lebewesen nutzen nur zwei Formen: -- Licht -- Chemische Energie o Zahlreiche Energieformen werden gebildet. o Wärme ist Voraussetzung und Produkt von Lebensprozessen. o Lebewesen sind Spezialisten für Energiewandlung.

Von Lebewesen verwertete Energieformen

Weshalb ist Leben Arbeit?

Energieformen


Energiemaß

1 J = 1 Ws = 1 VAs = 0.2388 cal1 cal = 4.1868 J

Energiemaß


Energetische Klassifizierung von Prozessen:

freie (nutzbare) Energie G

G < 0: exergon, thermodynamisch spontan möglichG = 0: reversibel, thermodynamisch im GleichgewichtG > 0: endergon, nicht spontan ablaufend

Klassifizierung von Prozessen


Weshalb fliegen Gasmoleküle mit

1000 km/h durch die Luft?

Gasmoleküle


Entropie

Solange Teilchen bei einer Temperatur >0 K sind, enthalten sie Energie, die Entropie (Energie pro Temperatur). Diese kann nicht (bei konstantem Druck und Temperatur) für Arbeit genutzt werden.

Entropie


Woher weiß ich, dass die Teilchen sich nach rechts oben bewegen werden?

Energie/Entropie


Die Wahrscheinlichkeit, dass sich Teilchen von rechts oben nach links unten bewegen, ist momentan Null.

EnergieformenEnergie/Entropie


S = k . ln W

S : Entropie [J K-1]

k : Boltzmann-Konstante = R/NL

=8.314 J mol-1 K-1/6.023 * 1023

= 1.380 10-23 J K-1 pro Teilchen

W : Zahl der Freiheitsgrade der Teilchen

S = k . ln W


Transportprozess

G = -T . S (negativ, da spontan ablaufend)

Von den möglichen Zuständen der Teilchen ändern sich (!) nur die Konzentrationen (c1 und c2), z.B. auf den beiden Seiten einer Membran. Statt W wird deshalb der Quotient c1/c2 eingesetzt. Die sich ergebende Formel lautet (für ein Teilchen):

G = -kT ln(c1/c2)

für ein Mol: G = -RT ln(c1/c2)

Transport


Beispiel

Aufnahme ungeladener Teilchen über eine Membran entlang einem Gradienten

caußen und cinnen seien 100 und 1 mM

für ein Mol gilt G = -RT ln(ca/ci)

ln(100) = 4.605 RT = 8.314 J mol-1 K-1 * 298 K = 2478 J mol-1

G = -11.4 kJ mol-1

Transport


Lichtenergie

E = h .

E : Energie in kJ/molh : Planck'sches Wirkungsquantum (6.626 .10-34 Js)

: Frequenz (Lichtgeschwindigkeit [m/s]/Wellenlänge [nm])

Beispiel grünes Licht mit 546 nm: 220 kJ mol-1 Photonen

zum Vergleich:

E = m . c2 (Kernreaktionen!)

Lichtenergie


Maße für Licht

Einstein = mol Lichtquanten (angegeben oft s-1 m-2)

im hellen Sonnenlicht ungefähr 2000 µE s-1 m-2 10 000 Lux

PAR = Photosynthetically Active Radiation (400 - 700 nm)

Solar'konstante' (maximale Sonneneinstrahlung auf die Erde): 1.36 kJ s-1 m-2

Maße f. Lichtenergie


Chemische Energie

o in Reaktionsmöglichkeiten, nicht in Verbindungen! o auch Licht sofort in chemische Energie umgewandelt o Die freie Energie G entscheidet, ob eine Reaktion abläuft

Chemische Energie


Freie Energie chemischer Reaktionen

G = H - T * S (Gibbs-Helmholtz-Gleichung)

G : freie Energie [J] (nutzbar bei T, P = const.)H : Reaktions-Enthalpie (Bestreben der Reaktanten) [J]T : absolute Temperatur [K]S : Entropie (Energie pro Temperatur, J K-1)

Freie Energie chem. Reaktionen


Das G chemischer Reaktionen kann leicht aus den tabellierten Bildungenthalpien berechnet werden

G = Gf(Produkte) - Gf(Edukte)

G berechnen


Beispiel Glucoseoxidation mit Sauerstoff

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O

Bildungsenthalpien laut Tabelle unter Standardbedingungen ([°]: 25°C, je 1 mol/l in Wasser [Gas 1atm], [']: bei pH=7) in

kJ/mol

C6H12O6 : -917.2 (Edukt: x -1) +917.2

O2 : 0 (Edukt: x -6) 0

CO2 : -394.4 (Produkt: x 6) -2366.4

H2O : -237.2 (Produkt: x 6) -1423.2

Summe: G°'= -2872.4 kJ mol-1

G Glucoseoxidation


Energie von Redoxreaktionen

G = -n F E

R T cred E = E0 - ln (Nernstsche Gleichung) n F cox

E0 : Redoxpotential unter Standardbedingungen

n : Zahl der Ladungen oder Elektronen pro

Reaktion

F : Faradaykonstante (Energie pro mol

Ladungen und Volt) 96.5 kJ mol-1 V-1

Redoxreaktionen


Beispiel Knallgasreaktion

H2 + ½ O2 H2O

Standard-Redoxpotentiale E0' (V)

2 H+/H2 (oxidiert links) -0.413 ½ O2 + 2 H+/H2O +0.814

G0' = -2 . 96.5 kJ mol-1 V-1 . 1.23 V = -238 kJ/mol

Knallgasreaktion


Berücksichtigung von Konzentrationen

G = G0+ RT ln(cP/cE)

(vgl. Formel für Entropie und Transport)

G u. Konzentrationen


Wert von ATP

1.) Chemiebuch (Standardbedingungen)

ATP + H2O ADP + Pi G0' = -32 kJ/mol

2.) In der Zelle: [ATP]10 mM, ADP1 mM, [Pi] 10 mM, [H2O]=1

Produkt/Edukt-Verhältnis wird (0.001*0.01)/(0.01 * 1) = 0.001

Gbiol. = G0' + RT ln 0.001 = G0' -17 = -49 kJ/mol

Gbiol= -50 kJ/mol

3.) Für Regenerierung aufgewendet: meist etwa 75 kJ/mol ATP

ATP


Mechanismen der ATP-Nutzung

Typische anabole Reaktionen sind endergon und nicht spontan ablaufend:X Y G > 0 aber(a) X + ATP X-Pi + ADP G 0 (möglich) (b) X-Pi Y + Pi G 0 (möglich)_____________________________________________________________

Summe (a + b) X + ATP Y + ADP + Pi G 0 (möglich)

ATP-Regenerierung (es gibt nur zwei Möglichkeiten)

Substrat-Phosphorylierung (b + a rückwärts bei bestimmten exergonen Reaktionen im Stoffwechsel)

Ionentransport-Phophorylierung (H+ oder Na+)

ATP-Nutzung


Reversible Phosphorylierung von ADP gekoppelt an den Transport von Protonen über eine Membran durch die ATP-Synthase

ATPase


Fragen

In welchen Formen wird Energie von Lebewesen genutzt, welche Formen werden freigesetzt?Was besagen die Hauptsätze der Thermodynamik?Was bedeutet E = h ?In welchen Einheiten wird Entropie gemessen? Für welche Berechnungen werden die Faraday- und die allgemeine Gaskonstante benötigt?Wie sind exergone und reversible Reaktionen definiert?Wie werden die Energiebeträge von Transportprozessen, chemischen Reaktionen und Redoxreaktionen bestimmt?Wie hängt die freie Energie einer chemischen Reaktion von den Konzentrationen der Reaktanten ab?Wie groß ist der Energiebetrag der ATP-Hydrolyse in der Zelle?Wie werden ATP-Hydrolyse und -Regenerierung an den Stoffwechsel gekoppelt?

Fragen

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