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Grundlagen der Physiologie
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Bioenergetik
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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.
Von Lebewesen verwertete Energieformen
Weshalb ist Leben Arbeit?
Energieformen
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Energiemaß
1 J = 1 Ws = 1 VAs = 0.2388 cal1 cal = 4.1868 J
Energiemaß
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Energetische Klassifizierung von Prozessen:
freie (nutzbare) Energie G
G < 0: exergon, thermodynamisch spontan möglichG = 0: reversibel, thermodynamisch im GleichgewichtG > 0: endergon, nicht spontan ablaufend
Klassifizierung von Prozessen
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Weshalb fliegen Gasmoleküle mit
1000 km/h durch die Luft?
Gasmoleküle
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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.
Entropie
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Woher weiß ich, dass die Teilchen sich nach rechts oben bewegen werden?
Energie/Entropie
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Die Wahrscheinlichkeit, dass sich Teilchen von rechts oben nach links unten bewegen, ist momentan Null.
EnergieformenEnergie/Entropie
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S = k . ln W
S : Entropie [J K-1]
k : Boltzmann-Konstante = R/NL
=8.314 J mol-1 K-1/6.023 * 1023
= 1.380 10-23 J K-1 pro Teilchen
W : Zahl der Freiheitsgrade der Teilchen
S = k . ln W
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Transportprozess
G = -T . S (negativ, da spontan ablaufend)
Von den möglichen Zuständen der Teilchen ändern sich (!) nur die Konzentrationen (c1 und c2), z.B. auf den beiden Seiten einer Membran. Statt W wird deshalb der Quotient c1/c2 eingesetzt. Die sich ergebende Formel lautet (für ein Teilchen):
G = -kT ln(c1/c2)
für ein Mol: G = -RT ln(c1/c2)
Transport
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Beispiel
Aufnahme ungeladener Teilchen über eine Membran entlang einem Gradienten
caußen und cinnen seien 100 und 1 mM
für ein Mol gilt G = -RT ln(ca/ci)
ln(100) = 4.605 RT = 8.314 J mol-1 K-1 * 298 K = 2478 J mol-1
G = -11.4 kJ mol-1
Transport
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Lichtenergie
E = h .
E : Energie in kJ/molh : Planck'sches Wirkungsquantum (6.626 .10-34 Js)
: Frequenz (Lichtgeschwindigkeit [m/s]/Wellenlänge [nm])
Beispiel grünes Licht mit 546 nm: 220 kJ mol-1 Photonen
zum Vergleich:
E = m . c2 (Kernreaktionen!)
Lichtenergie
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Maße für Licht
Einstein = mol Lichtquanten (angegeben oft s-1 m-2)
im hellen Sonnenlicht ungefähr 2000 µE s-1 m-2 10 000 Lux
PAR = Photosynthetically Active Radiation (400 - 700 nm)
Solar'konstante' (maximale Sonneneinstrahlung auf die Erde): 1.36 kJ s-1 m-2
Maße f. Lichtenergie
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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
Chemische Energie
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Freie Energie chemischer Reaktionen
G = H - T * S (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)
Freie Energie chem. Reaktionen
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Das G chemischer Reaktionen kann leicht aus den tabellierten Bildungenthalpien berechnet werden
G = Gf(Produkte) - Gf(Edukte)
G berechnen
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Beispiel Glucoseoxidation mit Sauerstoff
C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O
Bildungsenthalpien laut Tabelle unter Standardbedingungen ([°]: 25°C, je 1 mol/l in Wasser [Gas 1atm], [']: bei pH=7) in
kJ/mol
C6H12O6 : -917.2 (Edukt: x -1) +917.2
O2 : 0 (Edukt: x -6) 0
CO2 : -394.4 (Produkt: x 6) -2366.4
H2O : -237.2 (Produkt: x 6) -1423.2
Summe: G°'= -2872.4 kJ mol-1
G Glucoseoxidation
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Energie von Redoxreaktionen
G = -n F E
R T cred E = E0 - ln (Nernstsche Gleichung) n F cox
E0 : 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
Redoxreaktionen
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Beispiel Knallgasreaktion
H2 + ½ O2 H2O
Standard-Redoxpotentiale E0' (V)
2 H+/H2 (oxidiert links) -0.413 ½ O2 + 2 H+/H2O +0.814
G0' = -2 . 96.5 kJ mol-1 V-1 . 1.23 V = -238 kJ/mol
Knallgasreaktion
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Berücksichtigung von Konzentrationen
G = G0+ RT ln(cP/cE)
(vgl. Formel für Entropie und Transport)
G u. Konzentrationen
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Wert von ATP
1.) Chemiebuch (Standardbedingungen)
ATP + H2O ADP + Pi G0' = -32 kJ/mol
2.) In der Zelle: [ATP]10 mM, ADP1 mM, [Pi] 10 mM, [H2O]=1
Produkt/Edukt-Verhältnis wird (0.001*0.01)/(0.01 * 1) = 0.001
Gbiol. = G0' + RT ln 0.001 = G0' -17 = -49 kJ/mol
Gbiol= -50 kJ/mol
3.) Für Regenerierung aufgewendet: meist etwa 75 kJ/mol ATP
ATP
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Mechanismen der ATP-Nutzung
Typische anabole Reaktionen sind endergon und nicht spontan ablaufend:X Y G > 0 aber(a) X + ATP X-Pi + ADP G 0 (möglich) (b) X-Pi Y + Pi G 0 (möglich)_____________________________________________________________
Summe (a + b) X + ATP Y + ADP + Pi G 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+)
ATP-Nutzung
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Reversible Phosphorylierung von ADP gekoppelt an den Transport von Protonen über eine Membran durch die ATP-Synthase
ATPase
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Fragen
In welchen Formen wird Energie von Lebewesen genutzt, welche Formen werden freigesetzt?Was besagen die Hauptsätze der Thermodynamik?Was bedeutet E = h ?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?
Fragen