Sie essen ein Sandwich, Ihre Muskeln ziehen sich zusammen und Ihre Neuronen feuern. Die Energie ist nicht direkt von der Nahrung in Bewegung übergegangen. Sie durchlief viele chemische Schritte, von denen jeder an einem bestimmten Ort in der Zelle stattfand und nur dann ablief, wenn die Energiebilanz stimmte. Diese Bilanzierung ist weniger intuitiv, als es den Anschein hat, da einige für die Zelle notwendige Reaktionen energetisch ungünstig verlaufen („bergauf“ gehen) – selbst wenn das Gesamtziel darin besteht, Energie aus Nährstoffen freizusetzen. Hier verknüpfen wir zelluläre Strukturen mit dem Konzept der freien Energie und nutzen dieses Wissen, um vorherzusagen, wann eine ATP-Kopplung einen ansonsten ungünstigen Prozess in Gang setzen kann.
Der Stoffwechsel (Metabolismus) umfasst die Gesamtheit der chemischen Reaktionen in einer Zelle, die Stoffe umwandeln und Energie übertragen. Die strukturelle Komponente ist dabei von entscheidender Bedeutung, da die Reaktionen nicht in einer strukturlosen Suppe ablaufen. Sie finden in Kompartimenten statt, die steuern, welche Moleküle aufeinandertreffen, wie hoch die lokalen Konzentrationen sind und welche Enzyme vorhanden sind.
Betrachten wir die wichtigsten zellulären Bereiche, in denen Energieumwandlungen organisiert sind.
Einige wichtige strukturelle Anhaltspunkte, veranschaulicht durch bekannte Beispiele aus menschlichen und pflanzlichen Zellen:
Stoffwechsel bedeutet nicht nur den Abbau von Nahrung. Es geht darum, Energie in nutzbare Formen – vor allem ATP und reduzierte Elektronenträger wie NADH – umzuwandeln, wobei die Materie erhalten bleibt. Auf molekularer Ebene bewegen sich Elektronen zwischen Molekülen. Auf zellulärer Ebene tragen diese Elektronentransfers dazu bei, Ionengradienten über Membranen hinweg aufzubauen. Auf der Ebene des Organismus nutzen ATP-betriebene molekulare Maschinen – wie etwa Myosinmotoren in Muskeln – diese Energie, um mechanische Arbeit zu verrichten.
Die freie Energie ist ein Maß dafür, wie viel Energie bei konstanter Temperatur und konstantem Druck für die Verrichtung von Arbeit zur Verfügung steht. Die entscheidende Größe für eine Reaktion ist Delta G (), also die Änderung der freien Energie beim Übergang von den Edukten zu den Produkten.
Bevor wir die Zusammenhänge analysieren, treffen Sie bitte eine Vorhersage.
Vorhersage: Was lässt sich über die dargestellte Reaktion aussagen, wenn gilt?
Wählen Sie eine Antwort aus und überprüfen Sie anschließend Ihre Überlegungen.
Ist , so ist die Reaktion exergonisch und in dieser Richtung thermodynamisch begünstigt; das bedeutet, dass die Produkte eine geringere freie Energie aufweisen als die Edukte. Ist , so ist die Reaktion endergonisch und in dieser Richtung thermodynamisch ungünstig; sie benötigt also Energiezufuhr oder eine Kopplung, um abzulaufen. Ist , befindet sich das System im Gleichgewicht, ohne Netto-Tendenz, in die eine oder andere Richtung zu verlaufen.
Eine häufige Falle in Prüfungen ist die Verwechslung von Reaktionsrichtung und Reaktionsgeschwindigkeit. gibt an, in welche Richtung die Reaktion tendenziell verläuft, nicht jedoch, wie schnell sie abläuft. Die Geschwindigkeit hängt von der Aktivierungsenergiebarriere und von Enzymen ab – physischen Strukturen, die Substrate binden und Übergangszustände stabilisieren.
Bei der Energiekopplung treibt eine exergonische Reaktion eine endergonische Reaktion an, indem sie über ein gemeinsames Zwischenprodukt miteinander verknüpft werden, sodass der gesamte kombinierte Prozess ein negatives Netto- aufweist.
Vorhersage: Angenommen, Reaktion 1 hat ein von und Reaktion 2 ein von . Welches ergibt sich, wenn die Zelle diese Reaktionen eng miteinander koppelt?
Entscheiden Sie sich, dann sehen Sie die Lösung.