Stoff- und Energieumsatz in Lebewesen © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

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 © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

Einleitung Stoffwechsel ständiger Wechsel der stofflichen Zusammensetzungen Stoffaustausch 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 © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

Energiegewinnung in Lebewesen Zusammenhang zwischen den wichtigsten Energiegewinnenden Stoffwechselprozessen der Organismen © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

Energiegewinnung in Lebewesen Mitochondrien Oxidation von Kohlenhydraten zu Kohlenstoffdioxid und Wasser Chloroplasten Wandlung von Lichtenergie in chemische Energie zum Aufbau von Kohlenhydraten © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

Redoxreaktionen, Redoxpotentiale Das Kraftwerk der Lebewesen ist die Oxidation von Glukose Zellatmung Photosynthese Δ H = 2900 kJ/mol © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

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! © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

Energieerhaltungssatz Summe aller Energieformen in einem System bezeichnet man als freie Energie (U). Abgabe © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

Enthalpie, Reaktionsenthalpie Die 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 © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

Entropie ist eine Kenngröße für den Ordnungszustand eines Systems. Entropie (S) Entropie ist eine Kenngröße für den Ordnungszustand eines Systems. Sie ist eine mathematische Funktion die etwas über die Wahrscheinlichkeit eines Zustandes aussagt. © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

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 © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

Redoxreaktionen, Redoxpotentiale © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

Redoxreaktionen, Redoxpotentiale Den bei offenem Stromkreis messbaren Spannungsunterschied bezeichnet man als Redoxpotential (ΔE) oder elektromotorische Kraft. Redoxpotentialunterschied ist proportional der Änderung der freien Enthalpie © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

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Energiespeicherung und Energieübertragung Lebewesen speichern Energie fast ausschließlich in Form von chemischer Energie. © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

Energiespeicherung und Energieübertragung © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

ATP-ADP-System © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

ATP-ADP-System © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

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ATP-ADP-System Im Körper laufen unzählige ATP-verbrauchende Prozesse ab (Alle enzymatisch unterstützt). 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. © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

ATP-ADP-System © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

Der biochemische Wirkungsgrad ATP-ADP-System Der 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 Energie beträgt etwa 2900 kJ. Nur ein Teil davon ist Form von ATP durch den Körper für eigene 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%) © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

Energiespeicherung von Lebewesen (Membranpotentiale) © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

ATP Bildung in Chloroplasten und Mitochondrien © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

Zusammenfassung Energieumsatz in Lebewesen unterliegt den gleichen Gesetzmäßigkeiten wie die unbelebte Natur 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). Entropie macht eine Aussage über die maximal zur Arbeitsleistung verfügbare Energie. Frei Enthalpie gibt an ob die Reaktion exergonisch oder endergonisch ist Endergonische Reaktionen können nur durch Kopplung an exergonische Reaktionen ablaufen. 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. © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

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. © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit © Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes