Grundlagen der Physiologie

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1 Grundlagen der Physiologie Bioenergetik Energieformen 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? 1

2 Energiemaß Energiemaß 1 J = 1 Ws = 1 VAs = cal 1 cal = J Klassifizierung von Prozessen Energetische Klassifizierung von Prozessen: freie (nutzbare) Energie DG G < 0: exergon, thermodynamisch spontan möglich G = 0: reversibel, thermodynamisch im Gleichgewicht G > 0: endergon, nicht spontan ablaufend 2

3 Gasmoleküle 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. 3

4 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. 4

5 S = k. ln W S = k. ln W S : Entropie [J K -1 ] k : Boltzmann-Konstante = R/N L =8.314 J mol -1 K -1 /6.023 * = J K -1 pro Teilchen W : Zahl der Freiheitsgrade der Teilchen Transport Transportprozess G = -T. S (negativ, da spontan ablaufend) Von den möglichen Zuständen der Teilchen ändern sich (!) nur die Konzentrationen (c 1 und c 2 ), z.b. auf den beiden Seiten einer Membran. Statt W wird deshalb der Quotient c 1 /c 2 eingesetzt. Die sich ergebende Formel lautet (für ein Teilchen): G = -kt ln(c 1 /c 2 ) für ein Mol: G = -RT ln(c 1 /c 2 ) 5

6 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 DG = -RT ln(c a /c i ) ln(100) = RT = J mol -1 K -1 * 298 K = 2478 J mol -1 G = kj mol -1 Lichtenergie Lichtenergie E = h. ν E : Energie in kj/mol h : Planck'sches Wirkungsquantum ( Js) ν : Frequenz (Lichtgeschwindigkeit [m/s]/wellenlänge [nm]) Beispiel grünes Licht mit 546 nm: 220 kj mol -1 Photonen zum Vergleich: E = m. c 2 (Kernreaktionen!) 6

7 Maße f. Lichtenergie Maße für Licht Einstein = mol Lichtquanten (angegeben oft s -1 m -2 ) im hellen Sonnenlicht ungefähr 2000 µe s -1 m Lux PAR = Photosynthetically Active Radiation ( nm) Solar'konstante' (maximale Sonneneinstrahlung auf die Erde): 1.36 kj s -1 m -2 Chemische Energie 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 7

8 Freie Energie chem. Reaktionen Freie Energie chemischer Reaktionen DG = DH - T * DS (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 berechnen Das DG chemischer Reaktionen kann leicht aus den tabellierten Bildungenthalpien berechnet werden DG = S DG f (Produkte) - S DG f (Edukte) 8

9 G Glucoseoxidation Beispiel Glucoseoxidation mit Sauerstoff C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O Bildungsenthalpien laut Tabelle unter Standardbedingungen ([ ]: 25 C, je 1 mol/l in Wasser [Gas 1atm], [']: bei ph=7) in kj/mol C 6 H 12 O 6 : (Edukt: x -1) O 2 : 0 (Edukt: x -6) 0 CO 2 : (Produkt: x 6) H 2 O : (Produkt: x 6) Summe: DG '= kj mol -1 Redoxreaktionen Energie von Redoxreaktionen DG = -n F DE R T c red DE = DE 0 - ln (Nernstsche Gleichung) n F c ox E 0 : 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 9

10 Knallgasreaktion Beispiel Knallgasreaktion H 2 + ½ O 2 H 2 O Standard-Redoxpotentiale E 0 ' (V) 2 H + /H 2 (oxidiert links) ½ O H + /H 2 O G 0 ' = kj mol -1 V V = -238 kj/mol G u. Konzentrationen Berücksichtigung von Konzentrationen G = G 0 + RT ln(c P /c E ) (vgl. Formel für Entropie und Transport) 10

11 ATP Wert von ATP 1.) Chemiebuch (Standardbedingungen) ATP + H 2 O ADP + P i DG 0 ' = -32 kj/mol 2.) In der Zelle: [ATP] 10 mm, ADP 1 mm, [P i ] 10 mm, [H 2 O]=1 Produkt/Edukt-Verhältnis wird (0.001*0.01)/(0.01 * 1) = G biol. = G 0 ' + RT ln = G 0 ' -17 = -49 kj/mol DG biol = -50 kj/mol 3.) Für Regenerierung aufgewendet: meist etwa 75 kj/mol ATP ATP-Nutzung Mechanismen der ATP-Nutzung Typische anabole Reaktionen sind endergon und nicht spontan ablaufend: X fi Y DG > 0 aber (a) X + ATP fi X-P i + ADP DG 0 (möglich) (b) X-P i fi Y + P i DG 0 (möglich) Summe (a + b) X + ATP fi Y + ADP + Pi DG 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 + ) 11

12 ATPase Reversible Phosphorylierung von ADP gekoppelt an den Transport von Protonen über eine Membran durch die ATP- Synthase Fragen Fragen In welchen Formen wird Energie von Lebewesen genutzt, welche Formen werden freigesetzt? Was besagen die Hauptsätze der Thermodynamik? Was bedeutet E = h υ? 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? 12