Bioenergetik: Freie Energie und Stoffwechselprozesse

Freie Energie in biologischen Prozessen

Freie Energie: Die thermodynamische Größe, die verwendet wird, um biologische Prozesse zu untersuchen und vorherzusagen, ob sie energetisch günstig sind oder nicht, ist die freie Energie (Gibbs-Energie). Die freie Energie ist die Energieform, die in der Lage ist, unter konstanten Temperatur- und Druckbedingungen nützliche Arbeit zu leisten. Je nach Vorzeichen der Änderung der freien Energie (ΔG) können wir das Verhalten eines chemischen Prozesses vorhersagen:

• ΔG < 0: Die Reaktion ist energetisch günstig. Die Reaktionsprodukte enthalten weniger freie Energie als die Edukte. Wenn freie Energie freigesetzt wird, nennt man diese Reaktionen exergonisch.
• ΔG > 0: Die Reaktion ist energetisch ungünstig und erfordert die Absorption von freier Energie (eine endergonische Reaktion).
• ΔG = 0: Das System befindet sich im Gleichgewicht; die Reaktion läuft in beiden Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit ab.

Energiekopplung zwischen Reaktionen

Energiekopplung zwischen endergonischen und exergonischen Reaktionen: Die Energie, die in einer exergonischen, thermodynamisch günstigen Reaktion freigesetzt wird, kann für andere Reaktionen verwendet werden, die in die gleiche Richtung energetisch ungünstig sind. Diese Eigenschaft ist als energetische Kopplung zwischen Reaktionen bekannt. Die für die Durchführung erforderliche Energie erhält die Zelle aus einer anderen exergonischen Reaktion, meist der Hydrolyse von ATP. Die Energie der ATP-Hydrolyse wird zusammen mit spezifischen Enzymen an endergonische Prozesse in der Zelle gekoppelt. Die freien Energien können algebraisch addiert werden, wodurch der Gesamtprozess energetisch günstig wird. Für jede endergonische Reaktion in der Zelle tritt eine andere exergonische Reaktion gekoppelt auf, die als Energiequelle dient.

Überlegungen zum Stoffwechsel

Überlegungen zum Stoffwechsel: Der Stoffwechsel (Metabolismus) umfasst alle chemischen Umwandlungen und energetischen Vorgänge in Lebewesen. Eine Route oder ein Stoffwechselweg ist ein Prozess, der aus einer Kette aufeinanderfolgender enzymatischer Reaktionen besteht.

• Katabolismus: Der oxidative Abbau von Molekülen, bei dem Energie produziert wird.
• Anabolismus: Die Synthese von Molekülen, die Energie erfordert und durch den Abbau gespeist wird.
• Amphibolismus: Dieser Begriff bezieht sich auf enzymatische Prozesse, bei denen bereits bestehende Biomoleküle ständig umgewandelt werden; Metaboliten werden oxidiert und große Mengen an Energie gespeichert, die dann im Anabolismus verwendet werden.

In anabolen Prozessen stammt die Energie letztlich nicht aus dem Lebewesen selbst, sondern die primäre Energiequelle kommt aus der Umwelt. In katabolen und amphibolen Prozessen wird freie Energie durch das Erreichen von Zuständen erhöhter Oxidation freigesetzt.

Wichtige Moleküle im Stoffwechsel

Metaboliten

Moleküle, die in den verschiedenen Strecken des Stoffwechsels vorkommen. Glukose und Fettsäuren sind typische Beispiele für Metaboliten.

Nukleotide

Dies sind Moleküle, welche die Oxidation oder Reduktion von Metaboliten ermöglichen, je nachdem, welcher Stoffwechselweg aktiv ist.

Moleküle mit energiereichen Bindungen

Hierbei handelt es sich um Verbindungen, die an Phosphatgruppen gebunden sind. Chemische Energie wird gespeichert und bei der Spaltung dieser Bindungen wird die gleiche Menge an Energie wieder freigesetzt. Zur Kopplung an bestimmte Stoffwechselreaktionen dienen Moleküle wie GTP und ATP als Energiespeicher.

Moleküle der zellulären Umgebung

Sie stehen am Anfang oder Ende eines metabolischen Prozesses. Sie stammen aus der zellulären Umgebung oder werden in diese abgegeben.

Rendite und Energiebilanz des Stoffwechsels

Die Menge an Energie, die in einer exergonischen Reaktion freigesetzt wird, hängt von der Energiedifferenz zwischen dem Anfangs- und Endzustand des Systems ab. Chemische Energie ist die einzige Form, die ein Lebewesen nutzen kann. Dies geschieht durch die Kopplung von Energie oder die Speicherung in Form von energiereichen Bindungen. Ein Parameter, der die Menge der ausgetauschten Energie misst, ist die Energiebilanz. Diese wird durch die Anzahl der Moleküle mit energiereichen Bindungen definiert, die durch die Oxidation von Metaboliten entstehen. Ist der Weg streng anabol, ist die Bilanz negativ; ist er katabol, ist sie positiv.

• Positive Energiebilanz: Gibt die Anzahl der ATP-Moleküle an, die pro Molekül oxidiertem Metabolit gebildet werden (typisch für katabole Wege).
• Negative Energiebilanz: In einem anabolen Weg muss die Zelle ATP-Moleküle für die Synthese komplexer Biomoleküle hydrolysieren.

Da nicht die gesamte in einem Stoffwechselprodukt freigesetzte Energie von der Zelle genutzt werden kann (ein Großteil geht als Wärme verloren), ist es notwendig, die Energieeffizienz zu definieren. Dieser Parameter zeigt den Anteil der gespeicherten Energie im Verhältnis zur Gesamtmenge im katabolen Prozess.

Redox-Reaktionen und aerober Abbau

Redox-Reaktionen

Alle molekularen Veränderungen in Abbauprozessen, die Energie freisetzen, sind Oxidationsreaktionen. Bei diesen Reaktionen werden Elektronen von einem Atom oder Molekül auf ein anderes übertragen. Die Oxidation wird oft vom Verlust von Wasserstoffatomen begleitet. Moleküle, die Wasserstoffatome abgeben, werden oxidiert, während jene, die sie aufnehmen, reduziert werden. Der Transfer von Elektronen erfolgt in einer bestimmten Reihenfolge, die durch das Redox-Potential der jeweiligen Paare bestimmt wird.

Abbauprozesse unter aeroben Bedingungen

Der aerobe Abbau besteht aus mehreren Stoffwechselwegen zur Gewinnung von ATP-Molekülen. Die gespeicherte Energie wird dabei nicht einfach als Wärme abgeführt. Glukose und Fettsäuren werden in der Zelle durch Glykolyse beziehungsweise Beta-Oxidation abgebaut. Proteine werden in ihre einzelnen Aminosäuren zerlegt, die anschließend im Krebs-Zyklus (Citratzyklus) und in der Atmungskette weiterverarbeitet werden.