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Energieumwandlung

Grundlagen des Stoffwechsels

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

Dieser Inhalt ist Bestandteil des Online-Kurses

Stoffwechsel

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Diese Themen werden im Kurs behandelt:

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  • 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
      • Aufbau von Proteinen
      • Eigenschaften der Enzyme
        • Einleitung zu Eigenschaften der Enzyme
        • Schlüssel-Schloss-Prinzip
      • Ablauf der Enzymreaktion
      • Möglichkeiten der Enzymbeeinflussung
        • Einleitung zu Möglichkeiten der Enzymbeeinflussung
        • Biokatalysatoren: Einfluss von Temperatur, pH, Salzkonzentration
        • kompetetive Hemmung
        • nicht kompetitive Hemmung
        • allosterische Wechselwirkung
          • Einleitung zu allosterische Wechselwirkung
          • Schwermetalle und Enzymaktivität
      • Einfluss von Hitze auf Enzyme - Ein Experiment
        • Einleitung zu Einfluss von Hitze auf Enzyme - Ein Experiment
        • Beispiele für Enzymreaktionen - Urease
        • Beispiele für Enzymreaktionen - Katalase
      • Enzyme im Alltag
  • Fotosynthese
    • Einleitung zu Fotosynthese
    • Ort der Fotosynthese
      • Einleitung zu Ort der Fotosynthese
      • Chloroplasten: Organelle der Fotosynthese
        • Einleitung zu Chloroplasten: Organelle der Fotosynthese
        • Endosymbionten-Hypothese
    • Primärreaktion der Fotosynthese
      • Einleitung zu Primärreaktion der Fotosynthese
      • Lichtsammelkomplexe
      • Frühe Experimente zur Fotosynthese
      • Experiment: Dünnschicht-Chromatographie (DC) der Blattfarbstoffe
      • Primärvorgänge der Fotosynthese
        • Einleitung zu Primärvorgänge der Fotosynthese
        • Wasserspaltung durch Licht
        • Elektronentransport und Fotophosphorylierung
      • Zyklische Fotophosphorylierung
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        • Einleitung zu Chemiosmose
        • Redoxchemie
      • ATP-Synthase
      • Lichtreaktion auf einen Blick
        • Einleitung zu Lichtreaktion auf einen Blick
        • Lichtreaktion: Weiterverwendung der Endprodukte
    • Sekundärvorgänge der Fotosynthese
      • Einleitung zu Sekundärvorgänge der Fotosynthese
      • C-Körper-Schema des Calvin-Zyklus
      • Autoradiagraphie bringt Licht in die Dunkelreaktion
      • Katalyse: Enzymreaktion am Beispiel der Dunkelreaktion
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    • Aufklärung der Fotosynthese
    • Fotosynthese und Ökologie
      • Einleitung zu Fotosynthese und Ökologie
      • Abhängigkeit der Fotosyntheserate von Außenfaktoren
        • Einleitung zu Abhängigkeit der Fotosyntheserate von Außenfaktoren
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      • Fotosynthesevarianten: Anpassung an die Umwelt
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      • Fotosyntheseprodukte der Pflanze -> Bedeutung und Speicherung
      • Zusammenfassung: Fotosynthese
    • Chemosynthese: es funktioniert auch ohne Licht
      • Einleitung zu Chemosynthese: es funktioniert auch ohne Licht
      • autotrophe Assimilation am Beispiel nitrifizierender Bakterien
  • Stoffwechsel vielzelliger Tiere - Wo kommt die Glukose her?
    • Einleitung zu Stoffwechsel vielzelliger Tiere - Wo kommt die Glukose her?
    • Verdauung und Resorption - Verdauungssystem
    • Verdauung und Resorption - Fette
    • Verdauung und Resorption - Proteine und Kohlenhydrate
    • Berechnung des Energieumsatzes
    • Gesundheit und Nahrung
      • Einleitung zu Gesundheit und Nahrung
      • Allergien gegen Nahrungsbestandteile
    • Blut- und Kreislauf
      • Einleitung zu Blut- und Kreislauf
      • Blut das flüssige Organ
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    • äußere Atmung
      • Einleitung zu äußere Atmung
      • Regulation der Atmung
    • Ausscheidungsprozesse
  • Zellatmung
    • Einleitung zu Zellatmung
    • Glykolyse
    • Oxidative Decarboxylierung
    • Der Citratzyklus
    • Endoxidation - Atmungskette
    • Zellatmung in Gefahr
    • Gesamtsumme des Glukoseabbaus über die Vorgänge der Zellatmung
    • Zellatmung: Abhängigkeit von inneren und äußeren Faktoren
      • Einleitung zu Zellatmung: Abhängigkeit von inneren und äußeren Faktoren
      • Energiebilanz und Regulation der Atmung
      • Regulation des Stoffwechsels
      • Regulation der Phosphofruktokinase (PFK)
    • Pyruvat als Scheitelpunkt: mit oder ohne Sauerstoff?
      • Einleitung zu Pyruvat als Scheitelpunkt: mit oder ohne Sauerstoff?
      • Milchsäuregärung
      • alkoholische Gärung
        • Einleitung zu alkoholische Gärung
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      • heterotrophe Assimilation
    • Zusammenfassung: Zellatmung
      • Einleitung zu Zusammenfassung: Zellatmung
      • Gemeinsamkeiten und Unterschiede bei diesen ATP-produzuierenden Prozessen
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