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Leben findet vorwiegend bei Temperaturen von 20–40 °C statt. Trotz dieser gemäßigten Bedingungen (25 °C, 1013 mbar, pH-Wert 7) können organische Verbindungen in biologischen Systemen in Gegenwart von Sauerstoff zu CO2 und H2O umgesetzt, d.h. oxidiert werden. Ohne die Hilfe von Enzymen und der geschützten Umgebung innerhalb der Zelle ist die Umsetzung von chemischen Komponenten unendlich langsam, d.h., die Reaktionsgeschwindigkeit ist sehr gering.

Merke

Erst die Enzyme ermöglichen Leben, wie wir es kennen.

Stoffwechsel = Organisationswege für chemische Reaktionen

Im Stoffwechsel sind die biochemischen Prozesse auf bestimmten Wegen organisiert. Die meisten dürften Ihnen bereits bekannt sein: Glykolyse, Citrat-Zyklus, Atmungskette ...

Grundlegend für alle Stoffwechselvorgänge sind die Gesetze der Thermodynamik.

Hier ein kurzer Ausflug in die Themodynamik.

Thermodynamik: Energieumwandlung in drei (Haupt-)Sätzen

Die Thermodynamik (TD) beschreibt die energetischen (Wärme/Bewegung) Zusammenhänge einer chemischen Reaktion.

Energie kann übertragen und umgewandelt werden. Energie kann niemals vernichtet oder neu erzeugt werden!

Es gibt unterschiedliche Energieformen, z.B. die thermische Energie (Wärme) oder die chemische Energie einer Bindung und viele mehr. Energie besitzt die Möglichkeit, Materie umzusortieren. Z.B. wird aus Fruktose mithilfe eines Enzyms Glukose gebildet.

Es gibt drei Hauptsätze der TD:

1. Energie kann niemals verloren gehen (Energieerhaltungssatz)

Def.: Die innere Energie U eines abgeschlossenen Systems ist konstant.

∆U = U2 – U1 = Q + W

W= -p ∆V

Q = Wärme; W = Arbeit

∆H = ∆U + p ∆V

H: Reaktionsenthalpie (Reaktionswärme)

Merke

1. Energieerhaltungssatz!

2. Ein System sucht immer die maximale Unordnung

(Na, wie sieht es auf Ihrem Schreibtisch aus?)

Def.: ∆S > 0 für abgeschlossenes System; S = Entropie, Maß der Unordnung

Vgl. offene Parfümflasche im Raum, was passiert?

Merke

2. Maximale Unordnung!

3. Das Prinzip des Energieminimums

Exotherme Reaktionsverläufe werden gegenüber endothermen Reaktionen bevorzugt. Legen Sie einen Ball auf eine schiefe Ebene. Wo rollt er hin?

Ebenso beim Lernen für eine Klausur ... minimaler Einsatz soll maximale Ausbeute erbringen. ☺

Merke

3. Energieminimum

Gibbs-Helmholtz-Gleichung

∆G = ∆H – T∆S, das beschreibt, dass nur Reaktionen ablaufen, die exergonisch sind dabei trifft zu: ∆H < 0; Folge: ∆G < 0.

Die Spontanität einer Reaktion, also die Fähigkeit, ob eine Reaktion freiwillig ablaufen kann oder nicht, hängt von der freien Enthalpie ∆G ab. Ist dieser Wert negativ, so läuft die Reaktion von allein ab. Betrachtet man die gegebene Formel, zeigt sich, dass ∆G z.B. dann negativ wird, wenn der Term T∆S größer als die Veränderung der Enthalpie (∆H) ist. Das ist immer dann der Fall, wenn die Entropie stark zunimmt.

Ist der Wert für ∆G > 0, so muss Energie aufgewendet werden, damit die Reaktion ablaufen kann (endergon/endotherm).

Zum Verständnis:

  • Fotosynthese -> Die Prozesse der Fotosynthese benötigen das Licht der Sonne, um überhaupt ablaufen zu können. Die Bruttoreaktion der Fotosynthese ergibt einen ∆G0'-Wert von + 2870 kJ/mol.
  • Atmung -> Die Prozesse der Atmung basieren auf energiereichen Verbindungen, die nun im Körper abgebaut werden. Der ∆G0'-Wert beträgt –2872 kJ/mol. Energie wird frei! 

Merke

∆G = freie Enthalpie


Die Thermodynamik sagt nichts über die Geschwindigkeit einer Reaktion aus, dafür ist die Kinetik zuständig. Das Massenwirkungsgesetz verbindet Thermodynamik mit Kinetik (bitte lesen Sie dazu die Kapitel zu Enzymreaktionen).

Zusammengefasst:

1. Energie geht niemals verloren (Energieerhaltungssatz).
2. Ein System sucht immer die maximale Unordnung.
3. Energie wählt immer den Weg des geringsten Widerstandes (Prinzip vom Energieminimum).

Merke

∆G = ∆H – T∆S

Die Gibbsgleichung entscheidet über die Spontanität einer Reaktion:

∆G < 0 = exergon

∆G > 0 = endergon

∆G = 0 = Gleichgewichtszustand

Lückentext
Bitte die Lücken im Text sinnvoll ausfüllen.
Ein Teelöffel Zucker wird in eine Tasse heißen Kaffee gegeben. Es wird dabei nicht umgerührt. Nach einiger Zeit verteilt sich der Zucker gleichmäßig im Kaffee. Dies geschieht aufgrund des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik. Die wird erhöht!
0/0
Lösen

Hinweis:

Bitte füllen Sie alle Lücken im Text aus. Möglicherweise sind mehrere Lösungen für eine Lücke möglich. In diesem Fall tragen Sie bitte nur eine Lösung ein.

Bitte setzten Sie den gesuchten Fachbegriff ein!

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Autor: Dr. Martina Henn-Sax

Dieses Dokument Energieumwandlung ist Teil eines interaktiven Online-Kurses zum Thema Stoffwechsel.

Dr. Martina Henn-Sax verfügt über langjährige Erfahrung auf diesem Themengebiet.
Vorstellung des Online-Kurses StoffwechselStoffwechsel
Dieser Inhalt ist Bestandteil des Online-Kurses

Stoffwechsel

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Diese Themen werden im Kurs behandelt:

[Bitte auf Kapitelüberschriften klicken, um Unterthemen anzuzeigen]

  • Grundlagen des Stoffwechsels
    • Einleitung zu Grundlagen des Stoffwechsels
    • Grundlagen des Stoffwechsels (Allgemein)
    • Energieumwandlung
      • Einleitung zu Energieumwandlung
      • Wege der Energieumwandlung - Basiswissen Chemie
        • Einleitung zu Wege der Energieumwandlung - Basiswissen Chemie
        • Wasser - das Lebenselexier
        • Kohlenwasserstoffe und funktionelle Gruppen
          • Einleitung zu Kohlenwasserstoffe und funktionelle Gruppen
          • Charakteristischen Reaktionen
      • Zellen und Organellen des Stoffwechsels
    • Fließgleichgewicht und Regulation des Stoffwechsels
    • Stoffwechselregulation
  • Prozesse zur ATP-Gewinnung
    • Einleitung zu Prozesse zur ATP-Gewinnung
    • Enzymatik - Grundlage: Proteinwissen generell
      • Einleitung zu Enzymatik - Grundlage: Proteinwissen generell
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    Ein Kursnutzer am 05.03.2016:
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    Ein Kursnutzer am 26.10.2015:
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