Grundlagen der Physiologie Bioenergetik www.icbm.de/pmbio

Von Lebewesen verwertete Energieformen 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. Weshalb ist Leben Arbeit?

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

Energetische Klassifizierung von Prozessen: freie (nutzbare) Energie G G < 0: exergon, thermodynamisch spontan möglich G = 0: reversibel, thermodynamisch im Gleichgewicht G > 0: endergon, nicht spontan ablaufend

Weshalb fliegen Gasmoleküle mit 1000 km/h durch die Luft?

Entropie 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.

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

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

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

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

Lichtenergie Lichtenergie E = h .  E : Energie in kJ/mol h : 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!)

Maße für Licht Einstein = mol Lichtquanten (angegeben oft s-1 m-2) Maße f. 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

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

Freie Energie chemischer Reaktionen Freie Energie chem. Reaktionen 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)

G =  Gf(Produkte) -  Gf(Edukte) G berechnen Das G chemischer Reaktionen kann leicht aus den tabellierten Bildungenthalpien berechnet werden G =  Gf(Produkte) -  Gf(Edukte)

Beispiel Glucoseoxidation mit Sauerstoff G Glucoseoxidation 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

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

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

G u. Konzentrationen Berücksichtigung von Konzentrationen G = G0+ RT ln(cP/cE) (vgl. Formel für Entropie und Transport)

Wert von ATP Gbiol= -50 kJ/mol 1.) Chemiebuch (Standardbedingungen) ATP + H2O  ADP + Pi G0' = -32 kJ/mol 2.) In der Zelle: [ATP]10 mM, ADP1 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

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+)

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

Was besagen die Hauptsätze der Thermodynamik? Was bedeutet E = h ? Fragen 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?