Biochemie und Pathobiochemie: Energetik chemischer Reaktionen
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[Bearbeiten] Thermodynamik
[Bearbeiten] Hauptsätze
1. Hauptsatz: Die gesamte Energie in einem System und seiner Umgebung bleibt konstant.
2. Hauptsatz: Bei spontan ablaufenden Vorgängen kann die Entropie eines Systems und seiner Umgebung nie kleiner werden.
[Bearbeiten] Reaktionsenthalpie H
Angenommen wird die Reaktion A + B <-> C + D.
A und B sind hier die Edukte, C und D die Produkte. Die Reaktion kann prinzipiell in beide Richtungen ablaufen, Hin- und Rückreaktionen laufen gleichzeitig ab.
Die Änderung der inneren Energie, der sog. Reaktionsenthalpie ΔH zwischen Produkten und Edukten einer Reaktion entspricht unter isobaren und isothermen Bedingungen der Summe aus der Reaktionswärme und der geleisteten Arbeit. Die Arbeit ist hier vernachlässigbar, so dass wir die Änderung der Reaktionsenthalpie ΔH mit der Reaktionswärme gleichsetzen können.
- Ist ΔH < 0, dann ist die Reaktion exotherm, gibt also Energie in Form von Wärme an die Umgebung ab.
- Ist ΔH > 0, so ist die Reaktion endotherm, d.h. sie nimmt Energie in Form von Wärme aus der Umgebung auf.
[Bearbeiten] Reaktionsentropie S
Auch die Entropie ist eine Form der Energie in einem System. Die Entropie ist ein Maß für die Unordnung eines Systems. Mit wachsender Unordnung wächst die Entropie und die Energie nimmt ab. Umgekehrt muss Energie aufgewendet werden, um in einem System Ordnung zu erzeugen und die Entropie zu vermindern.
[Bearbeiten] Gibbs freie Energie
Für Gibbs freie Energie (= freie Reaktionsenthalpie) gilt: ΔG = ΔH - T ∙ ΔS
- Ist ΔG < 0, so ist die Reaktion exergon, d.h. sie kann Arbeit leisten und sie läuft freiwillig ab.
- Ist ΔG > 0, so ist die Reaktion endergon und sie läuft nur dann ab, wenn Arbeit investiert wird.
ΔG ist ein Maß für die Änderung der Gesamtenergie im System und damit für die Triebkraft der Reaktion. Die Triebkraft nimmt zu (d.h. ΔG ist umso negativer), je positiver die Entropieänderung ΔS und je negativer die Reaktionsenthalpie ΔH. D.h. in einfachen Worten: Eine Reaktion läuft umso freiwilliger ab, je mehr dabei die Unordnung zunimmt und je mehr Wärmeenergie dabei frei wird. Mit zunehmender Temperatur T in Kelvin steigt der Einfluss der Entropieänderung ΔS.
[Bearbeiten] Chemische Gleichgewichte
Wenn das chemische Gleichgewicht zwischen Edukten und Produkten erreicht ist, dann gilt: ΔG = 0 und die Hinreaktion läuft genauso schnell ab wie die Rückreaktion. Die aktuelle Triebkraft ΔG hängt von den aktuellen Konzentrationen K der beteiligten Edukte und Produkte ab.
| ΔG = ΔG0 + R ∙ T ∙ ln K | mit K = [C]∙[D]/[A]∙[B] |
ΔG0 ist die Energieänderung, die notwendig ist oder frei wird, wenn die Edukte vollständig in die Produkte überführt werden. Dieser Wert ist damit ein Maß für die Lage des Gleichgewichts. Ist ΔG0 positiv, die Reaktion als endergon, so liegt das Gleichgewicht eher links bei den Edukten, ist ΔG0 negativ, die Reaktion als exergon, so liegt das Gleichgewicht eher rechts bei den Produkten.
Für die Gleichgewichtslage mit ΔG = O ergibt sich aus der Formel:
ΔG0 = - R ∙ T ∙ ln KGW
D.h. ΔG0 ist temperaturabhängig und lässt sich aus den Konzentrationen der Reaktionspartner bestimmen, wenn sich das chemische Gleichgewicht eingestellt hat (R ist die allgemeine Gaskonstante).
[Bearbeiten] Gekoppelte Reaktionen
Endergone Reaktionen (ΔG0 positiv) laufen auch dann effektiv ab, wenn sie mit exergonen gekoppelt werden. Bsp.:
| Reaktion 1 | A + B <-> C + D | ΔG0 1 = + 20 kJ/mol |
| Reaktion 2 | D <-> E + F | ΔG0 2 = - 30 kJ/mol |
| Gesamtreaktion: | A + B <-> C + D <-> C + E + F | ΔG0 Ges = - 10 kJ/mol |
Das ΔG0 Ges der Gesamtreaktion ergibt sich aus der Summe von ΔG0 1 und ΔG0 2. In biologischen Systemen werden energetisch ungünstige Reaktionen (z.B. Biosynthesen) häufig mit der Hydrolyse von ATP (ATP <-> ADP + Pi) gekoppelt, eine stark exergone Reaktion. Die Energie steckt dabei vorwiegend in der Phosphorsäureanhydrid-Bindung zwischen dem zweiten und dritten Phosphat-Rest. Ein zweiter wichtiger Energiezwischenspeicher ist reduziertes Nicotinamid-adenin-dinucleotid(-phosphat), abgekürzt: NAD(P)H + H+. Hier liegt die Energie in Form der Reduktionskraft vor, d.h. in der Fähigkeit energiereiche Elektronen zu übertragen. Während NADPH/H+, das z.B. im Pentosephosphatweg regeneriert wird, Biosynthesen antreiben kann, speist NADH/H+ seine Elektronen überwiegend in die Atmungskette ein zur ATP-Gewinnung.
Im Körper kann so die Energie, die aus dem schrittweisen Abbau (Katabolismus) von Glucose, Aminosäuren und Fetten stammt und in Form von ATP und NADPH zwischengespeichert wurde, zur (endergonen) Biosynthese (Anabolismus) der verschiedensten Biomoleküle und anderer Prozesse (z.B. Transportvorgänge oder Bewegung) verwendet werden.
[Bearbeiten] Fließgleichgewicht
Die vorgenannten Betrachtungen beziehen sich auf geschlossene Systeme, in denen sich nach einer gewissen Zeit ein stabiles Gleichgewicht einstellt.
Offene Systeme wie Lebewesen tauschen mit ihrer Umwelt jedoch ständig Energie und Stoffe aus. Dadurch kommt es bei den zahllosen chemischen Reaktionen im Körper praktisch nie zur Einstellung der Gleichgewichtslage, sondern die Edukte werden ständig in ihre Produkte umgewandelt. Alle Lebewesen befinden sich mit ihrer Umgebung im Fließgleichgewicht, der sog. Homöostase. Sie sind auf ständige Energiezufuhr angewiesen, die auf unserem Planeten letztendlich von der Sonne stammt (E = H ∙ ν) und von den Pflanzen mit Hilfe der Photosynthese und Carbonfixierung chemisch fixiert wird.
