Grundlagen der Physiologie

1. Grundlagen der Physiologie Bioenergetik www.icbm.de/pmbio

2. 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?

3. Energiemaß Energiemaß 1 J = 1 Ws = 1 VAs = 0.2388 cal 1 cal = 4.1868 J

4. Klassifizierung von Prozessen • Energetische Klassifizierung von Prozessen: • freie (nutzbare) Energie G • G < 0: exergon, thermodynamisch spontan möglich • G = 0: reversibel, thermodynamisch im Gleichgewicht • G > 0: endergon, nicht spontan ablaufend

5. Gasmoleküle Weshalb fliegen Gasmoleküle mit 1000 km/h durch die Luft?

6. 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.

7. Energie/Entropie Woher weiß ich, dass die Teilchen sich nach rechts oben bewegen werden?

8. Energie/Entropie Energieformen Die Wahrscheinlichkeit, dass sich Teilchen von rechts oben nach links unten bewegen, ist momentan Null.

9. S = k . ln W 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

10. Transport 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)

11. Transport 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

12. Lichtenergie Lichtenergie E = h . E : Energie in kJ/mol h : 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!)

13. Maße f. Lichtenergie 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

14. 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

15. Freie Energie chem. Reaktionen 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)

16. G berechnen Das G chemischer Reaktionen kann leicht aus den tabellierten Bildungenthalpien berechnet werden G = Gf(Produkte) - Gf(Edukte)

17. G Glucoseoxidation 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

18. Redoxreaktionen 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

19. Knallgasreaktion • 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

20. G u. Konzentrationen Berücksichtigung von KonzentrationenG = G0+ RT ln(cP/cE)(vgl. Formel für Entropie und Transport)

21. ATP Wert von ATP 1.) Chemiebuch (Standardbedingungen) ATP + H2O  ADP + PiG0' = -32 kJ/mol 2.) In der Zelle: [ATP]10 mM, ADP1 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 Regenerierungaufgewendet: meist etwa 75 kJ/mol ATP

22. ATP-Nutzung 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+)

23. ATPase Reversible Phosphorylierung von ADP gekoppelt an den Transport von Protonen über eine Membran durch die ATP-Synthase

24. Fragen • 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?