Kein Folientitel

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Grundlagen der Physiologie
Bioenergetik
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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?
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Energiemaß
Energiemaß 1 J 1 Ws 1 VAs 0.2388 cal 1 cal
4.1868 J
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Klassifizierung von Prozessen
Energetische Klassifizierung von Prozessen
freie (nutzbare) Energie ?G ?G lt 0 exergon,
thermodynamisch spontan möglich ?G 0
reversibel, thermodynamisch im Gleichgewicht ?G gt
0 endergon, nicht spontan ablaufend
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Gasmoleküle
Weshalb fliegen Gasmoleküle mit ?1000 km/h durch
die Luft?
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Entropie
Entropie Solange Teilchen bei einer Temperatur gt0
K sind, enthalten sie Energie, die Entropie
(Energie pro Temperatur). Diese kann nicht (bei
konstantem Druck und Temperatur) für Arbeit
genutzt werden.
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Energie/Entropie
Woher weiß ich, dass die Teilchen sich nach
rechts oben bewegen werden?
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Energieformen
Energie/Entropie
Die Wahrscheinlichkeit, dass sich Teilchen von
rechts oben nach links unten bewegen, ist
momentan Null.
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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
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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)
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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
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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!)
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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

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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
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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)
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?G berechnen
Das ?G chemischer Reaktionen kann leicht aus den
tabellierten Bildungenthalpien berechnet
werden ?G ? ?Gf(Produkte) - ? ?Gf(Edukte)
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?G Glucoseoxidation
Beispiel Glucoseoxidation mit Sauerstoff
C6H12O6 6 O2 ? 6 CO2 6 H2O Bildungsenthalp
ien laut Tabelle unter Standardbedingungen (
25C, je 1 mol/l in Wasser Gas 1atm, ' bei
pH7) 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
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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
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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
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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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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, H2O1 Produkt/Edukt-Verhältnis
wird (0.0010.01)/(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
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ATP-Nutzung
Mechanismen der ATP-Nutzung Typische anabole
Reaktionen sind endergon und nicht spontan
ablaufend X ? Y ?G gt 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)
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ATPase
Reversible Phosphorylierung von ADP gekoppelt an
den Transport von Protonen über eine Membran
durch die ATP-Synthase
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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?