Stoff- und Energieumsatz in Lebewesen Dominik Wagner © Hochschule für Technik und Wirtschaft des...

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in Lebewesen


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Aufbau Einleitung

Energiegewinnung in Lebewesen

Definitionen Energieerhaltungssatz Enthalpie Entropie Frei Enthalpie

Redoxreaktionen, Redoxpotentiale

Energiespeicherung und Energieübertragung Energetische Kopplung von Reaktionen in Lebewesen (ATP-ADP-System) Energiespeicherung von Lebewesen (Membranpotentiale) ATP Bildung in Chloroplasten und Mitochondrien

Zusammenfassung


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EinleitungStoffwechsel ständiger Wechsel der stofflichen ZusammensetzungenStoffaustausch mit der Umgebung

Energieaustausch Aufrechterhaltung lebenswichtiger Vorgänge Aufbau körpereigener Stoffe Informationsverarbeitung Energie Austausch mit der Umgebung (Energiewechsel)

Beides eng miteinander Verknüpft Stoff- und Energiewechsel in Lebewesen


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Zusammenhang zwischen den wichtigsten Energiegewinnenden Stoffwechselprozessen der Organismen


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Mitochondrien

Oxidation von Kohlenhydraten zu

Kohlenstoffdioxid und Wasser

Chloroplasten

Wandlung von Lichtenergie in

chemische Energie zum Aufbau von

Kohlenhydraten


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Das Kraftwerk der Lebewesen ist die Oxidation von Glukose

Zellatmung

Photosynthese

Δ H = 2900 kJ/mol

6 12 6 2 2 26 6 6C H O O CO H O


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Energieerhaltungssatz Energie und Arbeit sind einander gleichwertig Energie kann weder verloren gehen noch aus dem

nichts entstehen verschiedene Energieformen können ineinander

umgewandelt werden

Energie muss bei chemischen Reaktionen von dem System der Reaktionspartnern stammen!


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Energieerhaltungssatz

Summe aller Energieformen in einem System bezeichnet man als freie Energie (U).

U W Q

21 2 2

1( ) ( ) ( )

2H g O g H O l

286kJ

Umol

Abgabe


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Enthalpie, ReaktionsenthalpieDie Reaktionsenthalpie ist diejenige Energie, die freigesetzt oder

benötigt wird, wenn zwischen den Molekülen zweier Stoffe neue chemische Bindungen gebildet werden.

Sie ist abhängig von den Reaktionspartnern (Edukte) und der Art der chemischen Bindung im Produkt . Zur Berechnung vergleicht man die Summe der Bindungsenthalpien der Produkte mit der der Edukte. Die Differenz ist die Reaktionsenthalpie.

2 ( Na )fest + ( Cl2 )gas -----------> 2 ( NaCl ) fest

2 * 0 kJ/mol + 0 kJ/mol 2 * -411 kJ/mol

Reaktionsenthalpie = -822 kJ/mol NaCl = ΔH


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Entropie (S)

Entropie ist eine Kenngröße für den Ordnungszustand eines Systems.

Sie ist eine mathematische Funktion die etwas über die Wahrscheinlichkeit eines Zustandes aussagt.

1S Beweglichkeit

Ordnung

JS

mol K


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Frei Enthalpie, Gibbsche Energie, G

Chemische Reaktionen gehorchen den Gesetzen der Thermodynamik. Die Thermodynamik beschreibt Beziehungen zwischen verschiedenen Energieformen und beantwortet die Frage, ob, unter welchen Bedingungen und in welchem Umfang eine Umsetzung der beteiligten Stoffe abläuft. Hier ist das entscheidende Kriterium die Gibbs-Energie G. Für ihre Änderung ΔG während einer Reaktion gilt

ΔG < 0: exergone Reaktion, gibt freie Enthalpie ab;

ΔG = 0: Gleichgewichtssituation

ΔG > 0: endergone Reaktion, benötigt freie Enthalpie

ΔG= ΔH-T* ΔS


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Redoxreaktionen, RedoxpotentialeDen bei offenem Stromkreis messbaren Spannungsunterschiedbezeichnet man als Redoxpotential (ΔE) oder elektromotorische Kraft.

Redoxpotentialunterschied ist proportional der Änderung der freien Enthalpie

.elW I t E n F E G

G E


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1 2( )G n F E n F E E


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Energiespeicherung und Energieübertragung

Lebewesen speichern Energie fast ausschließlich in Form von chemischer Energie.


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Energiespeicherung und Energieübertragung


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ATP-ADP-System


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ATP-ADP-SystemIm Körper laufen unzählige ATP-verbrauchende Prozesse ab (Alle enzymatischunterstützt). Beispiele: Glucose gelangt aus dem Blut nur dann in die Zellen, wenn es gleichzeitig durch ATP zu

Glucose-6-Phosphat verestert wird. Bei der Kontraktion von Eiweißmolekülen, die hinter jeglicher Muskelaktivität steht, wird

die chemische Energie des ATP von den Muskelfasern direkt in mechanische Arbeit umgewandelt.

In den Zellen müssen je nach Bedarf ständig Enzyme aufgebaut werden, weil sie nach Gebrauch aus Regulationsgründen sofort wieder zerlegt werden.

Aus ATP beziehen auch Transportvorgänge ihre Energie, etwa von Alkalimetall-Ionen durch Nerven- oder Nierenmembranen oder von Protonen aus der Magenwand in den Magensaft. Dabei wird chemische in elektrische Energie umgewandelt. Das Gehirn gehört deshalb zu den Organen mit dem größten Energieverbrauch.

Die Anreicherung von Salzen im Harn erfordert außerdem Arbeit gegen den osmotischen Druck: Pro Wassermolekül, das die Nierenschranke passiert, wird etwa ein ATP verbraucht.

Aber auch das Kopieren von Genen in der DNA hat ATP-Verbrauch zur Voraussetzung. Hier ist ein Zusammenhang zwischen Energie und Information zu erkennen.

Wenn der Körper nur gewärmt werden will, weil es draußen sehr kalt ist oder weil er zur Krankheitsabwehr Fieber erzeugen will, spaltet er unter Einwirkung der Schilddrüse Unmengen von ATP.


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ATP-ADP-System


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ATP-ADP-SystemDer biochemische Wirkungsgrad

Unter versteht man das Verhältnis von nutzbarer Energie zu eingesetzter Gesamt-energie. Normalerweise liegt er aber weit darunter. Beispiel: Oxidation der Glucose

Die bei der Verbrennung von einem Mol Glucose insgesamt freigesetzte Energiebeträgt etwa 2900 kJ. Nur ein Teil davon ist Form von ATP durch den Körper füreigene Tätigkeiten direkt verwertbar. Der Anteil beträgt bei 38 ATP pro Molekül Glucose.

38 · 50 kJ/mol = 1900 kJ/mol

Das ist ein Anteil von 1900/2900 = 0,66 oder 66 %; das ist der Wirkungsgrad. Wenn man zusätzlich bei Biosynthesen, an denen ATP beteiligt ist, einen Wirkungsgrad von 90 % annimmt,

0,65 · 0,9 » 0,59 oder 59 % (40%)


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Energiespeicherung von Lebewesen (Membranpotentiale)


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ATP Bildung in Chloroplasten und Mitochondrien


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Zusammenfassung1. Energieumsatz in Lebewesen unterliegt den gleichen

Gesetzmäßigkeiten wie die unbelebte Natur2. Nach dem Energieerhaltungssatz stammt die Energie die bei

einer chemischen Reaktion frei wir, aus dem Energiegehalt des Systems. Bei konstantem Druck entspricht die Energieänderung der Wärmeänderung (Enthalpieänderung).

3. Entropie macht eine Aussage über die maximal zur Arbeitsleistung verfügbare Energie. Frei Enthalpie gibt an ob die Reaktion exergonisch oder endergonisch ist

4. Endergonische Reaktionen können nur durch Kopplung an exergonische Reaktionen ablaufen.

5. Organismen gewinnen freie Enthalpie nur aus chem. Reaktionen. Da die Energiedepots des Körpers nur mit großem Aufwand zu mobilisieren sind, greift der Organismus kurzfristig auf Phosphate zurück.


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Zusammenfassung

6. Eine besondere Rolle spielt dabei das ADTP-ADP-System. Da exergonische und endergonische Reaktionen meist nicht direkt gekoppelt geschieht dies meist über das ATP-ADP-System.

7. Lebewesen können Energie durch den Aufbau von Membranspannungen speichern.

8. Zur ATP-Synthese werde die Protonenpumpen (Turbinen) der Mitochondrien in andere Richtung betrieben. Die Energie liefert die Atmungskettenreaktion.


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Wag

ner Vielen Dank

für die

Aufmerksamkeit

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