Grundlagen der Physiologie

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 cal 1 cal = 4.1868 J

Energiemaß

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

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.

Energieformen Energie/Entropie

S = k

ln W

S : Entropie [J K^-1]

k : Boltzmann-Konstante = R/N_L =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

c_außen und c_innen seien 100 und 1 mM für ein Mol gilt G = -RT ln(c_a/c_i) 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/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!)

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 =  G_f(Produkte) -  G_f(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

G Glucoseoxidation

Energie von Redoxreaktionen

G = -n F E

R T c_red

E = E₀ -  ln  (Nernstsche Gleichung) n F c_ox

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(c_P/c_E)

G u. Konzentrationen

Wert von ATP

1.) Chemiebuch (Standardbedingungen)

ATP + H₂O  ADP + P_i G₀' = -32 kJ/mol

2.) In der Zelle: [ATP]10 mM, ADP1 mM, [P_i] 10 mM, [H₂O]=1 Produkt/Edukt-Verhältnis wird (0.001*0.01)/(0.01 * 1) = 0.001

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

G_biol= -50 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-P_i + ADP G  0 (möglich) (b) X-P_i  Y + P_i 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

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