Metabolismus Umwandlung von Stoffen und Energie nach den Gesetzen der Thermodynamik

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1 Metabolismus Umwandlung von Stoffen und Energie nach den Gesetzen der Thermodynamik Der Metabolismus oder Stoffwechsel ist die Gesamtheit der in einem Organismus ablaufenden (bio)chemischen Prozesse Der Stoffwechsel ist ein Beispiel für die Wechselwirkungen zwischen Molekülen innerhalb der geordneten Umgebung innerhalb einer Zelle

2 Energieumwandlung und Synthesleistung Autotroph (anorganisch organisch) - heterotroph Phototroph - chemotroph (Energiequelle!) Organotroph - litotroph (Wasserstoffdonator organisch oder anorganisch)

3 Produktion organischer Substanzen aus anorganischen Bausteinen 2 Gruppen von Organismen: Photoautotrophe (photosynthetisch aktive Bakterien, Cyanobakterien und alle chlorophyllbesitzende Pflanzen) Chemolithoautotrophe (Bakterien) Photosynthese - Chemosynthese

4 Energieformen Unter Energie versteht man die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten und so Veränderungen an/in einem System zu bewirken Energie tritt in sehr verschiedenen Formen auf: - um Materie gegen bestehende Kräfte zu bewegen - um Stoffe umzusortieren - um Materialien zu transportieren

5 Kinetische Energie ist mit der Bewegung von Objekten verbunden Wärme (thermische Energie) ist die kinetische Energie der Zufallsbewegungen von Atomen oder Molekülen Selbst ein ruhender Körper enthält Energie, potenzielle Energie genannt, die auf seine Lage im Raum oder seine Struktur zurückgeht Chemische Energie ist ein Begriff für die potenzielle Energie, die durch chemische Reaktionen verfügbar wird Energie kann von einer Form in eine andere überführt werden Animation: Energy Concepts Foli e: 6

6 Die Gesetze der Energietransformation Die klassischethermodynamik beschreibt die Energieumwandlungsprozesse in Stoffen Ein isoliertes System ist beispielsweise eine Flüssigkeit in einer Thermosflasche; sie kann mit ihrer Umgebung weder Materie noch Energie austauschen Ein geschlossenes System kann zwar Materie, aber keine Energie mit seiner Umgebung austauschen In einem offenen System ist jeder Austausch wechselseitig möglich Organismen sind folglich offene Systeme Foli e: 7

7 Grundgesetze der Thermodynamik 1. Hauptsatz: Energie kann von einer Form in die andere umgewandelt, nicht aber erzeugt oder vernichtet werden 2. Hauptsatz: Bei allen Energieaustausch- oder - umwandlungsprozessen ist die potentielle Energie des Endzustandes kleiner als die des Anfangszustandes (es darf keine Energie zuoder abgeführt werden)

8 Energieverluste in Form von Wärme sind bei den chemischen Reaktionen in einer Zelle unvermeidlich Einen Prozess, der ohne Energiezufuhr abläuft, nennen wir spontan ; das bedeutet aber keineswegs immer schnell (sowohl eine Explosion als auch das allmähliche Rosten von Metall sind spontane Prozesse) Die Energiedifferenz zwischen Ausgangs- und Endzustand wird in die Systemumgebung abgegeben, deren Entropie sich folglich erhöht und damit die Entropie des Universums insgesamt vergrößert

9 Gleichgewichtszustand A + B = C + D c( C). c( D) c( A). c( B) K Je nachdem, ob K > 1 oder K < 1 ist, liegt das Gleichgewicht mehr links oder rechts

10 Exergonisch - endergonisch, freie Energie A + B zusammen: Reaktion erfolgt bis zum Gleichgewichtszustand Auch energetischer Zustand wird verändert (freiwillige Raktion nur von höherem nach niedrigeren Energiepotential): es wird Energie frei: exergonisch Dieser Energiebetrag ist im chemischen System reversibel festgelegt: freie Energie, G (besser: Änderung der freien Energie des Systems) G 0 = 1mol bei 25 C, ph=0 und 1 bar; G 0 : ph=7 Exergonische Reaktionen: G 0 = -!

11 Entropie Entropie: Maß für den Zustand der Materie und Energie Je geringer die Ordnung oder Struktur, desto größer der Zahlenwert der Entropie Thermodynamik (2. Hauptsatz): gleichmäßige Verteilung wird angestrebt Entropie nimmt zu Geordnete Strukturen entstehen, wenn im Gesamtsystem Entropie zunimmt

12 Fließgleichgewicht (steady state) Offene Reaktionssysteme, denen Ausgangsmaterialien zugeführt und Reaktionsprodukte entnommen werden Reaktionen verlaufen fortgesetzt in eine Richtung Freie Energie in J (kj); man kann auch das Redoxpotential (E 0 ) in V (mv) verwenden (Wasserstoffelektrode H 2 /2H + bei c(h + )=1, ph=0; E 0

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14 Die biochemischen Prozesse sind in Stoffwechselpfaden organisiert Ein Stoffwechselpfad beginnt mit einem bestimmten Molekül und endet mit einem Produkt Jeder Prozessschritt wird durch ein spezifisches Enzym katalysiert

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17 Redoxsystem 1 V = 96 kj (23 kcal) E 0 = -: Reduktionsvermögen (gibt leicht Elektronen ab) E 0 = +: Oxidationsvermögen (Elektronen können aufgenommen werden) Das stärker negative System reduziert das weniger negative und wird dabei oxidiert, Energie wird freigesetzt Sehr wichtig in der Bioenergetik!

18 Energietransfer Reversible Festlegung der Energie

19 Energieübertragung A + B ATP G + H exergonisch - G 0 endergonisch + G 0 C + D ADP + P i E + F

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21 Phosphorilierung Übertragung des Phosphatrestes Substrate werden aktiviert HO H HO H 2 C O H O H H OH H OH H Hexokinase HO H HO H 2 C O PO 3 H 2 O H H OH H OH H + ATP + ADP Glucose + ATP Glucose-6-phosphat + ADP

22 Biokatalyse Organische Substanzen sind metastabil Aktivierungsenergie Katalyse

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25 Enzyme Wirkungsspezifität Substratspezifität Gruppenspezifität Apoenzym + prosthetische Gruppe: Holoenzym; prosthetische Gruppe nicht fest: Coenzym (Co-Substrate) Aktives Zentrum Induced fit - Hypothese

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