Alternativer Bildtext:

Reihe; Zellbiologie und Stoffwechsel $.98-103 Erster Hauptsatz der Thermodynamik (Energieumwandlung): Energie kann nicht neu entstehen oder verschwinden, sondern die verschiedenen Energieformen können nur ineinander umgewandelt werden. (-> In einem abgeschlossenen System bleibt nach dem Energieerhaltungssatz also die Gesamtenergie gleich.) B Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik: Das sich der Betrag an Energie, bei der Energieumwandlung, der für die Arbeit nutzbar ist, immer für einen gewissen Anteil an nicht nutzbarer Energie verringert. -> Entropie (AS) zufällige Verteilung von Objekten in einem System -> höhere Entropie im System (Unordnung oder Zufälligkeit) Innerhalb eines Systems -> gleichmäßigen Energieverteilung -> hohe Entropie Bei energetischer Betrachtung biologischer Systeme muss daher der Organismus immer im Zusammenhang mit seiner Umgebung gesehen werden. Energie vorher Energie- umwandlung Energie nachher nutzbar nicht nutzbar 99.1 Hauptsätze der Thermodynamik. A Energieerhaltung im abgeschlossenen System; B Zunahme der Entropie ATP = Zucker Ribose + stickstoffhaltige Base Adenin + einer Kette von drei Phosphatgruppen (= kovalent an den Zucker gebunden) ATP = Energiestoffwechsel der Zelle; einer von vier Bausteinen der Ribonukleinsäure RNA Phosphatgruppen des ATP = dissoziierter (Trennung/Zerfall) Form als Anion vor => drei Phosphatgruppen dort Abstoßkräfte Die Bindungen zwischen den einzelnen können unter Einlagerung von Wasser gespalten werden => hydrolytische Abspaltung →> endständigen Phosphatgruppe ATP -> anorganischen Phosphat (Ⓡ) + energieärmeren ADP => Reaktion ist exergon [setzt unter Standardbedingungen etwa 30,5 Kilojoule Energie pro Mol ATP frei: ATP +H20-> ADP + ⓇAG = -30,5 kj/mol] ADP => AMP + anorganischen Phosphatrest hydrolysiert werden = Hydrolyse dieser Phosphatgruppe verläuft exergon hydrolytische Spaltung von ATP zu ADP und=> Wärme # Arbeit; ATP - Hydrolyse freigesetzte Energie -> zelluläre Proteine => treibt endergone Prozesse in der Zelle an => endständige Phosphatgruppe von ATP die auf andere Moleküle übertragen => sodass diese energiereicher und damit chemisch reaktionsfreudiger werden = Phosphorylierung => strukturelle Veränderungen in dem betreffenden Molekül (=> an diesem Molekül wird Chemische Arbeit verrichtet) Motorproteine (Cilien und Muskeln) = zelluläre Bewegungsabläufe -> Organellen entlang des Cytoskeletts => mechanische Arbeit Motorproteine = zwei miteinander verdrillten Proteinfäden; über fußähnliche Strukturen an Mikrotubulus binden Verdrillung => stabile Bindung der Füße zum Mikrotubulus Anlagerung von ATP festigt die Bindung des vorderen Fußes" an den Mikrotubulus 5 Der andere, mit ADP beladene Fuß" löst sich und schwingt nach vorn 6 => ATP-Hydrolyse am jetzt hinteren Fuß" lockert dessen Bindung an den Mikrotubulus 7 und erlaubt die Bindung des vorderen „Fußes" 8. Freisetzung Lockerung des hinteren Fußes" -> vordere ,Fuß" + Austausch von ADP gegen ATP = Bindung an den Mikrotubulus festigen Ein Teil der erhaltenden Energie kann nach den Gesetzen der Thermodynamik nicht in Arbeit umgesetzt werden, sondern geht dem System als Wärme verloren. Endergone Reaktionen = zwei Schritten. Energie und Stoffumwandlungen Reaktionspartner A durch ATP -abhängige Phosphorylierung aktiviert ! Abspaltung der Phosphatgruppe 2 => notwendige Energie für die chemische Reaktion mit Reaktionspartner B zum Produkt 3 => Zelle chemische Arbeit verrichtet Die Phosphorylierung eines Transportproteins in der Zellmembran 4 => Änderung seiner Konfirmation > Carrier spezifisch den zu transportierenden Stoff binden Transportarbeit gegen das Konzentrationsgefälle > Abspaltung der Phosphatgruppe => exergone Reaktion = Strukturänderung des Carriers Motorprotein ADP 103.1 Verrichtung zellulärer Arbeit durch Hydrolyse von ATP. A chemische Arbeit; B Transportarbeit; C mechanische Arbeit Ribose OH OH ATP Adenin LO COE Phosphatgruppen MG<0 Adenin AGSO H₂O Phosphatgruppen Phosphat +Hº Ribose OH OH +30,3 102.1 Hydrolyse von ATP und Phosphorylierung von ADP Ein neu gebildetes ATP-Molekül wird in er Zelle durchschnittlich innerhalb einer Minute hydrolysiert. In Ruhe benötigt ein Mensch in 24 Stunden rund 70 Kilogramm ATP. Die ATP-Vorräte des menschlichen Körpers sind daher schnell verbraucht, da nur etwa 250 Gramm ATP vorhanden sind. Deshalb muss im Stoffwechsel ständig wieder ATP aus ADP und Ⓒ regeneriert werden. Dies geschieht zum Beispiel durch exergone Abbauprozesse I, bei denen die freie Enthalpie zur Bildung von ATP in der Zell genutzt werden kann. Damit befindet sich ATP in einem Zyklus ständiger Hydrolyse und Regeneration 2. So wird ständig Energie für energone Reaktion verfügbar gemacht. C AG <0. AG₁ <0 AG₂ <0 chemische 4 Energie A 1000 101.1 Hydroelektrisches System. A isoliertes; Boffenes; Cmehrstufiges, offenes B 103.2 Der ATP-Zyklus Holzkugel rollt eine Bahn herab, aber nicht herauf. Sie rollt weiter bis sie einen stabilen Zustand erreicht. Ihre Ladeenergie wird während der Bewegung zum Teil in kinetische Energie umgewandelt, zum Teil als Reibungswärme freigesetzt. Auch im Stoffwechsel der Zelle finden laufend chemische Reaktionen statt, die im System Zelle spontan, oder nicht spontan ablaufen. Die Kenntnis hierrüber ist wichtig, um den Energiehaushalt von Zellen verstehen zu können. Die Vorhersage zum Ablauf von biochemischen Reaktionen in der Zelle ist weitaus komplexer als bei der Kugelbahn, aber mithilfe energetischer Betrachtung möglich. AG=0 AG<0 AG; <0 exergon endergon. ADP + P freie Enthalpie A freie Enthalpie 2 Enthalpie und chemische Reaktionen exergon endergon Reaktionsverlauf Änderung der freien Enthalpie AG [= Beziehung zwischen der Enthalpieänderung (AH) und der Entropieänderung (AS)) wobei T die absolute Temperatur (Kelvin) ist: AG=AH-T-AS. freie Enthalpie Das Vorzeichen von AG hängt bei konstanter Temperatur stark von der Entropieänderung ab. Nimmt die Entropie zu, dann ist AS > O. Edukte Änderung der freien Enthalpie AG Spontanität der betreffenden chemischen Reaktion Freie Enthalpie abgegeben (Hang herabrollt)->exergon (AG ist negativ) Freie Enthalpie aufgewendet (Hang heraufrollt) werden -> endergon (AG ist positiv) Chemische Reaktionen mit AG > O könne im biologischen System nicht spontan ablaufen. B AG> 0 Edukte AG<0 Produkte Thermodynamisches System -> bestimmten Wärmeinhalt -> Enthalpie H Reaktionsverlauf Veränderung der Wärmeenergie Enthalpieänderung AH Wärmeenergie von außen- endotherm (AH>O) -> erhöht die innere Energie = teilweise zur Verrichtung von Arbeit Wärmeabgabe -> exotherm (AH < 0) Produkte с Reaktionsverlauf D Reaktionsverlauf 100.2 Änderung der freien Enthalpie. A Kugel rollt spontan bergab; Bexergone Reaktion; C Bergaufrollen der Kugel benötigt Energie; Dendergone Reaktion Änderung der Enthalpie = keine Aussage darüber, ob dieser Prozess spontan abläuft => Energie für die Verrichtung zellulärer Arbeit bereitstellen Der Anteil der Energie, der für die Arbeitsleistung bei diesem Prozess zur Verfügung steht, wird als freie Enthalpie G bezeichnet. Im Stoffwechsel der Zelle => endergone Reaktionen = z.B. Aufbau von Makromolekülen energetische Kopplung => endergonen Reaktion + exergone Reaktion = Gestamtprozess im zellulären System ermöglicht. => gesamte Änderung der freien Enthalpie muss negativ sein (AGI + AG2 = AGgesamt < 0). Bei energetischen Betrachtungen muss also stets die gesamte Energiebilanz der gekoppelten Reaktion berücksichtigt werden. Alle chemischen Reaktionen => thermodynamischen Gleichgewichtszustand +> Energieminimum => erhöhte Entropie isolierten hydroelektrischen System -> bergab fließendes Wasser, solange eine Turbine zur Stromerzeugung antreibt -> Gleichgewichtszustand Zelle thermodynamischen Gleichgewicht > Stoffwechselprozesse -> Tod der Zelle Biologische Systeme ständigen Stoff- und Energieaustausch mit ihrer Umgebung -> offene Systeme => Stoffwechselprozesse mit energetischen Veränderungen + Umgebung betrachtet werden geordnete System Zelle => Aufrechterhaltung von ständiger Zufuhr von Energie werden -> spontanen Zunahme der Entropie in der Zelle entgegen zu wirken <=> nimmt die Entropie in der Umgebung des biologischen Systems zu Vergleich: offenen hydroelektrischen System - ständigen Zulauf von Wasser-hindert das System den Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts einzunehmen. Fließgleichgewicht => Abflussrate des Wassers = Abflussrate aus dem Vorratsbehälter Alle Lebewesen -> Aufnahme von Energie als Sonnenlicht oder chemischen Verbindungen => geben ständig Wärmeenergie und Stoffe ab -> wirken sich auf Energiegehalt und Entropie der Umgebung aus =>Fließgewicht (durch körpereigene Regelung über längere Zeiträume stabil) Komplexe biochemische Reaktionen in der Zelle = mehrstufige Reaktionsfolgen (einzelnen Zwischenprodukte ständig weiter umgesetzt) -> Teilreaktionen erreichen nicht das thermodynamische Gleichgewicht (= mehrstufigen offenen hydroelektrischen System -> Wasserstrom treibt mehrere Turbinen auf unterschiedlichen Energieniveaus an) Die Änderung der freien Enthalpie der Teilreaktion AGTeilreaktion kann zur Verrichtung zellulärer Arbeit verwendet werden.