Energieumwandlung
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
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