Big Bang HTL 4, Schulbuch

Stoffwechsel 4 Biochemie und Biotechnologie (IV. Jahrgang, 7. Semester) 49 die Photosynthese (siehe Kap. 4.4) oder spezielle Gärungen (Kap. 4.3). ( F3 ) Energie im Stoffwechsel Ein zentrales Thema des Stoffwechsels ist die Energie. Ener- gie ist nichts anderes als die Fähigkeit eine Veränderung zu verursachen. Das kann bedeuten, dass mit ihrer Hilfe Arbeit geleistet wird. Energie kann in den unterschiedlichsten Formen vorkommen, wie z. B. kinetische Energie (Bewe- gungsenergie). In diesem Sinne ist auch die Wärme kineti- sche Energie, nämlich jene der sich zufällig bewegenden Atome oder Moleküle. Aber auch ein unbewegtes Objekt kann Energie beinhalten, diese wird potenzielle Energie genannt. Es ist eine Art von Energie die durch die Lage oder Struktur verursacht wird. So enthalten Moleküle und Atome durch die Anordnung der Elektronen mehr oder weniger Energie, die wir als innere Energie schon kennen gelernt haben. Bei chemischen Reaktionen verändert sich deshalb auch immer der Energiegehalt der Teilchen. Lies in Band II zu den Details nach. Dieselben Regeln gelten auch für die Reaktionen im Stoffwechsel. Katabole Stoffwechselwege sind also nichts anderes als eine Reihe überwiegend exo- thermer Reaktionen. Anabole Stoffwechselwege hingegen sind eine Reihe überwiegend endothermer Reaktionen. ( F4 ) In der Zellatmung wird wie erwähnt Glucose mit Hilfe von Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut. Es passiert eigentlich nichts anderes als bei der Verbrennung der Glucose: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6 H 2 O ∆ H = –2826kJ/mol Glucose Abb. 4.2: Schematisches Energiediagramm der Zellatmung und der Glucoseverbrennung Da die innere Energie der Ausgangsstoffe (Glucose und Sau- erstoff) viel höher liegt als die der Produkte (Kohlenstoffdio- xid und Wasser) wird Energie abgegeben, der Vorgang ist exotherm. Dies ist sowohl für die Verbrennung als auch für die Zellatmung der Fall (siehe Abb. 4.2). Die Differenz der inneren Energien zwischen den Produkten und den Aus- gangsstoffen wird Enthalpie ( ∆ H ) genannt. Der Unterschied zwischen Stoffwechsel und Verbrennung liegt nun darin, dass im Stoffwechsel nicht eine exotherme Reaktion mit einer sehr großen Enthalpie abläuft sondern eine Vielzahl von Reaktionen, die auch überwiegend exotherm sind. Die Summe der Energiedifferenzen ist allerdings gleich wie bei der Verbrennung. Die einzelnen Reaktionen haben also eine viel kleinere Enthalpie. Und das ist gut so, sonst würde es schließlich genauso heiß werden wie bei einer Verbrennung. Die kleineren frei werdenden Energiebeträge können dann auch besser genutzt werden. Ein weiterer Vorteil der vielen kleinen Reaktionen ist ihre niedrigere Aktivierungsenergie, die mit Hilfe von Enzymen dann so weit gesenkt wird, dass die Reaktionen bei Körper- temperatur ablaufen können. Kopplung von endo- und exothermen Reaktionen In einer Zelle werden die unterschiedlichsten Arten von Arbeit geleistet für die Energie benötigt wird. Angefangen beim Anabolismus, über Transportvorgänge bis zu Bewe- gungsprozessen. In der Energieverwaltung der Zellen sind endo- und exotherme Reaktionen miteinander gekoppelt. In den allermeisten Fällen passiert diese Kopplung über ein ganz bestimmtes Molekül, das ATP. Abb. 4.3: Struktur von ATP ATP steht für Adenosintriphosphat. Wir kennen die Grund- struktur des Moleküls bereits aus Kapitel 2 (Nukleinsäuren). Es entspricht einem Nukleotid mit der Base Adenin, nur dass 2 zusätzliche Phosphatgruppen gebunden sind. In vielen Bildern wird das Phosphat in der Biochemie als P in einem Kreis dargestellt. Abb. 4.4: Hydrolyse und Veresterung von und zu ATP Die Bindungen zwischen den Phosphatgruppen sind durch Hydrolyse leicht spaltbar. Diese Reaktion ist exotherm und als Produkt entsteht ADP (= Adenosin-diphosphat) und ein Phosphat, das wir hier im Text immer mit Pi abkürzen. Die Energie dieser exothermen Reaktion treibt fast alle endo- thermen Reaktionen in Lebewesen an. Das ADP kann durch Verknüpfung mit einem weiteren Phosphat wieder zu ATP regeneriert werden. Diese endo- therme Reaktion ist an exotherme Reaktionen des Stoff- wechsels gekoppelt und erhält von diesen die benötigte Energie. i Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv