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Kapitel 9

Allgemeine Bioenergetik


Bearbeitet von: Marc Hufnagl & Dirk Brouwer

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(1) In welchen Formen wird Energie von Lebewesen genutzt, welche Formen werden freigesetzt?

(2) Was besagen die Hauptsätze der Thermodynamik?

(3) Was bedeutet E = h * n?

(4) In welchen Einheiten wird Entropie gemessen?

(5) Für welche Berechnungen werden die Faraday- und die allgemeine Gaskonstante benötigt?

(6) Wie sind exergone und reversible Reaktionen definiert?

(7) Wie werden die Energiebeträge von Transportprozessen, chemischen Reaktionen und Redoxreaktionen bestimmt?

(8) Wie hängt die freie Energie einer chemischen Reaktion von den Konzentrationen der Reaktanten ab?

(9) Wie groß ist der Energiebetrag der ATP-Hydrolyse in der Zelle?

(10) Wie werden ATP-Hydrolyse und -Regenerierung an den Stoffwechsel gekoppelt?


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(1) ? In welchen Formen wird Energie von Lebewesen genutzt, welche Formen werden freigesetzt?

   Energie kann definiert werden als die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten.
   Lebewesen sind in der Lage, chemische Energie oder Lichtenergie zu nutzen. Wenn ein Organismus Lichtenergie nutzen will, benötigt er Pigmente, die Licht absorbieren, und ein daran gekoppeltes Elektronentransportsystem, das Protonen transloziert. Lichtenergie wird sofort zur Durchführung chemischer Reaktionen (Redoxreaktionen) genutzt.

Lebewesen sind vielseitige Energiewandler. Freigesetzt wird Energie in den verschiedensten Formen (chemische, kinetische, selbst Licht etc.). Die wichtigste und - da Lebewesen isotherm und isobar arbeiten - nicht weiter nutzbare freigesetzte Energieform ist Wärme.


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(2) ? Was besagen die Hauptsätze der Thermodynamik?

  
   Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist der Energieerhaltungsatz. Er besagt, dass Energieformen ineinander umgewandelt werden können und dass in einem abgeschlossenen System die Summe aller Energieformen konstant ist.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist der Entropiesatz, den man auf verschiedene Arten formulieren kann: Wärme kann nicht von selbst von einem kälteren auf einen wärmeren Körper übergehen. Es wird ein Zustand größter Unordnung angestrebt.
Entropie kann man sich als die (zur Temperatur proportionale) Energie vorstellen, die Teilchen bei einer gegebenen Temperatur inne haben und nicht abgeben können, solange sich Temperatur und Druck nicht ändern.

Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie eines Körpers am absoluten Temperatur-Nullpunkt (-273.15 C) Null wird. Dieser absolute Nullpunkt ist aber prinzipiell nicht erreichbar.


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(3) ? Was bedeutet E = h * n?

   Plancksches Wirkungsquantum h = 6.626 * 10-34 J s
Lichtgeschwindigkeit = 300 000 km s-1
   Die Energie von Licht ist umgekehrt proportional der Wellenlänge. Sie ergibt sich aus dem Planckschen Wirkungsquantum und der Frequenz. Letztere lässt sich leicht aus der Lichtgeschwindigkeit geteilt durch die Wellenlänge (nm in km umrechnen!).


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(4) ? In welchen Einheiten wird Entropie gemessen?

  
  Aus dem Produkt der Entropie und der absoluten Temperatur ergibt sich die den Teilchen innewohnende Energie. Die Dimension der Entropie ist also Energie pro Temperatur, z.B. J K-1.


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(5) ? Für welche Berechnungen werden die Faraday- und die allgemeine Gaskonstante benötigt?

   Faraday-Konstante F = 96 500 J mol-1 V-1
  Die Faraday-Konstante beschreibt die Energie, die in einem Mol Elektronen oder Ladungen bei 1 Volt Potentialdifferenz oder Spannung steckt. Man benötigt sie zur Umrechnung elektrischer Potentiale in freie Energie.


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(6) ? Wie sind exergone und reversible Reaktionen definiert?

  
  Eine exergone Reaktion ist eine Reaktion, bei der die Energie der Edukte größer ist als die der Produkte. Es wird also Energie frei, DG ist kleiner als Null. Dadurch ist die Reaktion irreversibel, da es unwahrscheinlich ist, dass die freigewordene Energie spontan zurückkehrt und die Umkehrung der Reaktion ermöglicht. Wenn ein Organismus jedoch Energie investiert, kann er die irreversible Reaktion über Umwege umkehren.

Eine reversible Reaktion ist eine Reaktion, bei der weder Energie frei noch Energie gebraucht wird, das DG ist Null. Reversible Reaktionen müssen aber nicht jederzeit ablaufen. Sie können kinetisch gehemmt und auf Katalyse angewiesen sein.

Für die Regulation sind irreversible Schritte in den Stoffwechselwegen wichtig. Die reversiblen Schritte bedeuten, daß die Reaktionen in beide Richtungen ablaufen können; wenn irreversible Schritte eingebaut sind, erhält die Zelle die Möglichkeit, die Richtung des Stoffwechsels zu steuern.


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(7) ? Wie werden die Energiebeträge von Transportprozessen, chemischen Reaktionen und Redoxreaktionen bestimmt?

  
   1. Transportprozesse:
Wenn das elektrische Membranpotential durch den Transport nicht verändert wird, ist der Energiebetrag ist gleich der negativen Entropieänderung multipliziert mit der Temperatur. Die Entropieänderung ergibt sich aus den Konzentrationen (Aktivitäten) c1 und c2 des transportierten Stoffes:

DG = -RT ln(c1/c2)

2. Chemische Reaktionen:
Um die freie Energie einer Reaktion zu bestimmen, addiert man die Bildungenthalpien der Produkte und subtrahiert von diesen die Bildungenthalpien der Edukte.

3. Redoxreaktionen:
Der freie Energiebetrages einer Redoxreaktion ergibt sich aus den Differenzenen der Redoxpotentiale der Reaktionspartner unter Multiplikation mit der Faraday-Konstante. (Natürlich kann man auch so wie bei anderen chemischen Reaktionen vorgehen.)


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(8) ? Wie hängt die freie Energie einer chemischen Reaktion von den Konzentrationen der Reaktanten ab?

  
   Die Energetik der Konzentrationsabhängigkeit chemischer Reaktionen ist ähnlich der von Transportprozessen. Mit steigender Konzentration der Edukte und sinkender Konzentration der Produkte werden Reaktionen stärker exergon.


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(9) ? Wie groß ist der Energiebetrag der ATP-Hydrolyse in der Zelle?

  
   Für die Hydrolyse von ATP unter Standardbedingungen ist die freie Energie ca. 32 kJ/mol. Wenn man jedoch die tatsächlichen Konzentrationen in einer Zelle berücksichtigt (ca. 10 mM ATP, 1 mM ADP, 10 mM Phosphat) ergibt sich eine freie Energie von etwa -50 kJ/mol. Für die ATP-Bildung werden in der Zelle jedoch ca. 75 kJ/mol eingesetzt. Der 'Verlust' von ca. 25 kJ/mol an freier Energie gibt der Zelle die Möglichkeit, Stoffwechselprozesse in eine Richtung (irreversibel) ablaufen zu lassen.


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(10) ? Wie werden ATP-Hydrolyse und -Regenerierung an den Stoffwechsel gekoppelt?

   Nicht immer muss es sich um eine Aktivität der Bakterien handeln!
   Viele Metabolite werden durch Übertragung eines energiereichen Phosphatrestes durch ATP aktiviert. Diese Phosphat-Gruppe kann wieder abgespalten werden, wodurch Energie frei wird, die zur Überwindung sonst endergoner Reaktionen genutzt werden kann.
Umgekehrt gibt es einige exergone Reaktionen im Stoffwechsel, bei denen ein Phosphatrest auf einen Metaboliten übertragen wird, der anschließend zur Regenerierung von ATP genutzt wird. Dies ist die Substratphosphorylierung.
Die Regenerierung von ATP erfolgt bei den meisten Organismen jedoch durch chemiosmotische Mechanismen, und zwar durch membrangebundene durch primären Transport getriebene ATP-Synthasen.


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