= "r . ----·--- Endspurt - die Skripten fürs Physikum Biochemie 2 (!Jrhieme Endspurt - die Skripten fürs Physikum Biochemie 2 105 Abbildungen 15 Tabellen Die Inhalte dieses Werkes basieren überwiegend auf dem Kurzlehrbuch Biochemie von Metanie Königshoff und Timo Brandenburger. 2. Auflage, Thieme 2007 Georg Thieme Verlag Stuttgart · New Yorl< Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Wichtiger Hinweis: Wie jede Wissenschaft ist die Medizin ständigen Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation Entwicklungen unterworfen. Forschung und klinische Erfahrung er in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliogra weitern unsere Erkenntnisse. insbesondere was Behandlung und me fische Daten sind im Internet über dikamentöse Therapie anbelangt. Soweit in diesem Werk eine Dosie http://dnb.d-nb.de abrufbar. rung oder eine Applikation erwähnt wird. darf der Leser zwar darauf vertrauen. dass Autoren. Herausgeber und Verlag große Sorgfalt da rauf verwandt haben. dass diese Angabe dem Wissensstand bei Fer tigstellung des Werkes entspricht. Für Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikations formen kann vom Verlagjedoch keine Gewähr übernommen werden. jeder Benutzer ist angehalten. durch sorgfältige Prüfung der Bei packzettel der verwendeten Präparate und gegebenenfalls nach Kon sultation eines Spezialisten festzustellen, ob die dort gegebene Emp fehlung für Dosierungen oder die Beachtung von Kontraindikationen gegenüber der Angabe in diesem Buch abweicht. Eine solche Prüfung ist besonders wichtig bei selten verwendeten Präparaten oder sol chen, die neu auf den Markt gebracht worden sind. jede Dosierung oder Applikation erfolgt auf eigene Gefahr des Benutzers. Autoren und Verlag appellieren an jeden Benutzer. ihm etwa auffallende Unge nauigkeiten dem Verlag mitzuteilen. Ihre Meinung ist uns wichtig I Bitte schreiben Sie uns unter © 2011 Georg Thieme Verlag KG Geschützte Warennamen (Warenzeichen) werden nicht besonders Rüdigerstraße 14 kenntlich gemacht. Aus dem Fehlen eines solchen Hinweises kann D-70469 Stuttgart also nicht geschlossen werden. dass es sich um einen freien Waren Unsere Homepage: http://www.thieme.de namen handelt. Das Werk, einschließlich aller seiner Teile. ist urheberrechtlich ge schützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urhe Satz: medionet Publishing Services Ltd .. Berlin berrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages .unzulässig und Druck: Stürtz GmbH, Würzburg strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfaltigungen, Ubersetzungen. Umschlaggestaltung: Thieme Verlagsgruppe Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elek Umschlagabbildungen: fotolia.com tronischen Systemen. Grafiken: BITmap, Mannheim Wir haben uns bemüht, sämtliche Rechteinhaber von Abbildungen zu ermitteln. Sollte dem Verlag gegenüber dennoch der Nachweis der ISBN 978-3-13-153421-7 123456 Rechtsinhaberschaft geführt werden. wird das branchenübliche Ho norar nachträglich gezahlt. Auch erhältlich als E-Book: eJSBN (PDF) 978-3-13-166631-4 111 Vorwort Wenn Sie dieses Heft in Händen halten, dann hat für Sie wahr- Wochen vor der Prüfung, haben Sie dann noch einmal einen Tag scheinlieh der Endspurt begonnen - der Endspurt zum Physi- pro Skript Zeit zum Wiederholen. kum. Dieses Skript wird Ihnen dabei helfen, sich in möglichst kur- zer Zeit so effizient wie möglich auf den schriftlichen Teil der Wir helfen Ihnen beim Lernen! 1. ÄP vorzubereiten. Um Ihnen das Lernen so angenehm wie möglich zu gestalten, bieten die Endspurt-Skripten Ihnen einige tolle Features an, mit Modulares Lernen -Schritt für Schritt! denen Sie spielend durch die Prüfungsinhalte kommen werden: • Gelbe Hinterlegungen im Text markieren passgenau das Die Endspurt-Reihe besteht aus 14 Skripten. Zu den "kleinen" Prüfungswissen. das in den letzten Jahren gefragt wurde. Fächern (Biologie. Chemie, Histologie, Psych/Soz. Physik) gibt es • Lerntipps gehen ganz gezielt darauf ein, wie das IM PP seine jeweils ein Skript. Die "großen" Fächer (Biochemie, Physiologie Fragen stellt, was für Fallstricke Ihnen möglicherweise ge und Anatomie) umfassen jeweils 3 Skripte. Zur besseren Unter stellt werden und wie Sie sich bestimmte Prüfungsinhalte scheidbarkeit hat jedes Fach seine eigene l<ennfarbe. damit das besser merken können. Chaos auf Ihrem Schreibtisch nicht zu groß wird. jedes Skript • .. Apropos"-Abschnitte enthalten interessantes Zusatzwis ist wiederum unterteilt in 3 bis 4 handliche und gut zu bewäl sen, das Spaß macht, aber nicht prüfungsrelevant ist-wenn tigende Lernpakete. Sie in Eile sind, können Sie diese Texte getrost überspringen. • Rechenbeispiele zeigen Ihnen Schritt für Schritt, wie man mathematische Aufgaben in der Prüfung löst und welche jederzeit einsteigen! Formeln man hierzu benötigt. • Die FAZIT-Kästen ermöglichen Ihnen das rasche, stich Beim Lernen mit der Endspurt-Reihe spielt es keine Rolle, wie punktartige Wiederholen der Prüfungsinhalte. groß Ihr Vorwissen ist, Sie können zu jeder Zeit mit dem Lernen • Zahlreiche farbige Abbildungen illustrieren den Lernstoff beginnen: und machen ihn anschaulich. • Wenn Sie sich das grundlegende Wissen erst erarbeiten müssen, empfiehlt es sich, die Skripten als Leitfaden zu verwenden und zusätzlich ausführlichere Lehrbücher her Noch mehr Nutzen durch examen online! anzuziehen, um etwas tiefer in die Materie einzusteigen. • Können Sie bereits auf ein Wissensfundament zurückgreifen, Wenn Sie einen Zugang zu examen online haben, profitieren reicht es aus. wenn Sie sich die Zusammenhänge rund um Sie gleich doppelt. In examen online (www.examenonline.de) das prüfungsrelevante Wissen ausschließlich mit den End finden Sie zu jedem Lernpaket der Skriptenreihe eine eigens spurt-Skripten erarbeiten. Alle Inhalte, die in den Examina zusammengestellte Prüfungssitzung, mit der Sie alle Fragen, von Frühjahr 2003 bis Herbst 2010 gefragt wurden, sind gelb passend zum Lernpaket, kreuzen können. Hier ist das Prinzip markiert. Sie erkennen also auf den ersten Blick was wichtig .. erst lernen dann kreuzen" perfel<t verwirklicht! Wer alle Lern ist. um das schriftliche Physikum zu bestehen. pakete der Endspurt-Reihe kreuzt. kann sicher sein, dass er alle • Rückt der Prüfungstermin näher und sind Sie schon gut Examensfragen der letzten Jahre beantwortet hat. vorbereitet, sollten Sie sich vor allem auf jene Textpassagen konzentrieren. die besonders viele gelbe Hervorhebungen Wir hoffen. dass Ihnen unsere Skripten-Reihe gefällt und freuen enthalten. uns über Ihr Feedback über • Als Repetitorium zum schnellen Wiederholen bis unmit www.thieme.de/serviceffeedback.html telbar vor der Prüfung sind die FAZIT-Kästen hervorragend oder per Mai! an geeignet. [email protected] Die Inhalte der Lernpakete sind darauf ausgerichtet. dass Sie Nun wünschen wir Ihnen einen effizienten Endspurt und viel etwa 70 Tage vor der Prüfung beginnen können, sich ein Lern Erfolg im Physikum! paket pro Tag zu erarbeiten. Im Endspurt. also den letzten zwei Ihr Endspurt-Team IV Alle Skripten in der Übersicht Anatomie 1 Allg. Anatomie, allg. Embryologie, Extremitäten, Leibeswand Anatomie 2 Chemie Brust-, Bauch-und Beckeneingeweide Anatomie 3 Kopf, Hals, ZNS, Sinnesorgane Physiologie 1 Biologie Zellphysiologie, Blut, Immunsystem. Herz-Kreislauf . , System, Atmung Physiologie 2 Verdauung, Energiehaushalt, Niere, Wasser, Elektrolyte. Hormone Physiologie 3 .~--•;..-.;;...;;.J Muskulatur, Nervensystem, Motorik, Sensorik Histologie Biochemie 1 Kohlenhydrate, Lipide, Aminosäuren, Peptide, Proteine Biochemie 2 Enzyme, Ernährung, Hormone, Organstoffwechsel Biochemie 3 PsychSoz Blut, Immunsystem, Molekularbiologie, Zellbiologie ~ 1,.. I ,_ •·--1 Physik V I ENDSPURT-BIOCHEMIE 2 Dieses Skript umfasst die großen Themengebiete des Organsstoffwechsel sollten Sie optimalerweise das Enzyme und Enzymkinetik, Vitamine, Coenzyme und Skript 1 bereits kennen, denn dort werden die einzelnen Spurenelemente sowie Verdauung, Hormone und Stoffwechselwege im Detail besprochen. Stoffwechsel der einzelnen Organe. Für das Verständnis VI Inhaltsverzeichnis LERNPAKET 4 2.3.9 VitaminC- L-Ascorbinsäure ...... 0 00 . .•.. 0. . 27 2.4 Spurenelemente 0.. . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . 27 Enzyme und Enzymkinetik 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 3 Ernährung und Verdauung .......... 29 101 Grundbegriffe der Energetik und Kinetik 0 0 00 0 0.. 2 0 ••• 0 ••• 3.1 Ernährung ...... 00 0 00 . .............. 0. . . . . 29 1.1.1 Enthalpie (H) ..................... 00 0 0 . 0. 0 . 0 2 3.1.1 Energieumsatz ... o o oo . o. ............ 0.... . 29 1.1.2 Entropie (S) ............ 0 0. 0................ 2 30102 Energiegehalt der Nahrung: 1.1 .3 Gibbs' freie Energie (G) . 0 0 ............. 00 0... 2 der Brennwert . 0 0. ................ 0. . . . • . . . 30 101.4 Gibbs-Helmholtz-Gieichung . . . . . . . . . . . . 2 3.2 Verdauung ................... 30 1.1 .5 Veränderung von Gibbs' freier Energie 0 •• • • 0 • • • • • • • 3.2.1 Verdauungssekrete ... 0 0. 0. ...... 0......... 31 bei Konzentrationsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . 3 30202 Verdauung der einzelnen Nährstoffe .... 0 0. 0. . 34 1.1.6 Gruppenübertragungspotenzial und energiereiche Verbindungen .. 3 0. • • • • • • • • • • 1.1.7 RedoxpotenzialE ...... 0. ....... 0. .... 0..... 4 1.2 Einfluss von Enzymen auf LERNPAKET 6 biochemische Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 10201 Energieprofil biochemischer Reaktionen 4 Hormone . 0 0• •..•• 0• •....... 0. ...... 0• . 0• 37 und Katalyse 0 0 .......................... 0 . . 4 4.1 Hormoneigenschaften . 0. ............ 0. 0 0. 0. 37 10202 Reaktionen im Gleichgewicht . 0 0. •...•. ... 0. . 0 5 4.1o1 Einteilung nach dem Bildungsort . . . . . . 37 1.2.3 Fließgleichgewicht ........... 0. . . . . . . . . . . . . . 5 4.1.2 Einteilung nach der chemischen Struktur 37 1.2.4 Biokatalyse . 0 0 0 00 0. 0. 0. . 0. .. 0. . . . . . . . . . . . . . 5 4.2 Signalübertragung ...... 0. 00 0. ...... . 38 1.3 Enzymkinetik ........................ 0.. . . . 6 4.2.1 Intrazelluläre Rezeptoren . 0. 0. . 0. . 0. .... 0. 0. 38 1. 3.1 Michaelis-Menten-Modell ... 0 0. ......... 0 0. . 0 6 4.2.2 Membranständige Hormonrezeptoren . . . . . . . . 38 1.3.2 Lineweaver-Burk-Diagramm ........ 0. . . . . . . . . 7 4.2.3 Second Messenger .. 0. .......... 0. ... 0. . • . . 39 10303 Regulation von Enzymen .... 0 0. .. 0. ..... 0 0. 0. 8 4.3 Hormonelle Regulation ......... 0. .. 0 00 . 00 0 0 41 1.3.4 Enzymaktivität .... 0. ... 0. ...... 0. . 0. .. 0• . 0. 9 4.4 Effektorhormone des Hypothalamus 1.3.5 Fotometrische Methoden 0 0. •.. 0. •........... 11 und der Hypophyse 0. . 0 00 . ........ 0. ..... o. 41 1. 4 Enzymklassen .. 0. .. 0. 00 0 0. ... 0. •. 0 00 0. 0. . . 12 4.4.1 Hypothalamus ................... 0 0. ... 0.. 41 1. 5 Isoenzyme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 4.4.2 Hypophyse ..... 0. . 0. . 00 . ....... 0 0 0. ... 0. . 42 1.6 Cofaktoren .................. 0. ... 00 0. 0 0. 0 14 4.5 Schilddrüsenhormone .... 0 0. 0. .. 0. 0. . . . . • . . 42 1.7 Prinzipien der Stoffwechselregulation . . . . . . . . . 14 4.5o1 Aufbau und Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.5.2 Funktionsstörungen der Schilddrüse . 0. ...... 0 43 4.6 Somatotropin (STH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 LERNPAI<ET 5 4.7 Hormone der Nebennierenrinde . . . . . . . . . . . . . 44 4.7.1 Synthese der Steroidhormone . . . . . . . . . . . . . . . 44 2 Vitamine, Coenzyme, Spurenelemente . 16 4.7.2 Glucocorticoide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 0 ••• • • 2.1 Grundlagen 16 4.7.3 Mineralcorticoide .... 0. . 0. . 0. .....• 0. . . . . . . 45 0 ••• • •• 0 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 2.2 Fettlösliche Vitamine .................. 0. ... 17 4.8 Sexualhormone .................. 0 0• .. 0. . . 47 2.2.1 Vitamin A-Retinol ...... 0. .. 0. . 0 ..... 0.... 17 4.9 Katecholamine ... 0. ... 00 ..... 0. . . • . • . . . . . . 49 2.2.2 Vitamin D-Calciferole ............... 0. 0. . . 20 4.10 Insulin und Glukagon .... 0 0. ... 0. •.... o o. o.. 50 2.2.3 VitaminE-Tocopherol ............ 0. . . . . . . . 20 4.10.1 Insulin .......... 0. ......•.... 0 . . . . . . . • . . . 50 2.2.4 Vitamin K-Phyllochinon ........... 00 . .... 0 20 4.10.2 Glukagon ........................ ..... 0. .. 52 2.3 Wasserlösliche Vitamine . 0. ....... 0. .. 0... .. 21 4.10.3 Diabetes mellitus . 0 0. ..... 0. .......•... 0. . . 53 2.3.1 Vitamin B -Thiamin .......... ...... 0. .. 0. . 21 4.11 Hormone des Calciumstoffwechsels .. 0..... .. 53 1 2.3.2 Vitamin 82- Riboflavin . 0 0 0. ...........•. .. 0 22 4.1101 Parathormon (Parathyrin) .. .. 0.............. 53 2.3.3 Vitamin B3- Niacin 0 0. .. 0. ......... 0. . . . . . . 23 4.11.2 Calcitonin ........................ 0. .... 0. 54 2.3.4 Pantothensäure ............... 00 . .... 0. . . . 23 4.1103 Calcitrial (Vitamin-D-Hormon) 0. •. .. 0. •...... 54 2.3o5 Folsäure . 0 0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . • . . . • . • . . . 24 4.12 Gewebehormone .... .............. 0. 0 0 00 . . 55 2.3.6 Vitamin 86- Pyridoxin 0 •••••••••• • • • •••• 0 • • • 24 4.12.1 Serotonin .... 0. ... 0. ..... 0. ....... .... 00 . . 55 2.3.7 Vitamin B12- Cobalamin .... 0. . . . . . . . • . . . . . . 25 4.12.2 Histamin ...... 0. ..................... 0. 0. 56 2.3.8 Biotin ..................... 0 0. .•. 0. . . • . • . . 26 4.12.3 Eicosanoide 0. ..... 0. ... 0 0. •...•.. 0. ...... 0 56 VII 4.12.4 Kinine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.3.3 Rote und weiße Muskulatur . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.12.5 Zytokine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.3.4 Kohlenhydratstoffwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.13 Hormone des Gastrointestinaltraktes . . . . . . . . . 58 5.3.5 Lipidstoffwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.13.1 Hormone des Magens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5.3.6 Proteinstoffwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.13.2 Hormone des Darms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5.3.7 ATP-Bereitstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5.4 Zentrales Nervensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.4.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.4.2 Energiestoffwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 LERNPAKET 7 I 5.4.3 Neurotransmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.5 Niere und Elektrolythaushalt . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5 Stoffwechsel der einzelnen Organe ........... 59 5.5.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.1 Leber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.5.2 Stoffwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.1 .1 Stoffwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.5.3 Niere als Ausscheidungsorgan . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.1.2 Synthese der Gallensäuren in der Leber . . . . . . . . 61 5.5.4 Elektrolythaushalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.1.3 Enterehepatischer Kreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.5.5 Bildung von Hormonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.1 .4 Biotransformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.6 Bindegewebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.1.5 Alkoholgenuss und seine Folgen . . . . . . . . . . . . . . 64 5.6.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.2 Fettgewebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.6.2 Proteine des Bindegewebes . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.2.1 Kohlenhydratstoffwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.6.3 Knochengewebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.2.2 Lipidstoffwechsel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.6.4 Knorpelgewebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.2.3 Regulation der Nahrungsaufnahme durch Leptin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Sachverzeichnis ................................. 82 5.3 Muskelgewebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.3.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.3.2 Kontraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2 1 Enzyme und Enzymkinetik 1 Enzyme und Enzymkinetik Die Zunahme der Entropie kann einen Prozess antreiben. Ein Beispiel ist die gleichmäßige Verteilung von Natrium- und Enzyme sind Biokatalysatoren. Sie sind an den meisten chemi Chiaridionen durch Diffusion. durch die sich der Grad der Un schen Umsetzungen des Stoffwechsels beteiligt. Die Stoffe, die ordnung im System erhöht. Die Entropie nimmt zu. gleichzei von einem Enzym umgesetzt werden, heißen Substrate. Bei fast tig nimmt die freie Enthalpie des Systems ab. Die Differenz der allen Enzymen handelt es sich chemisch gesehen um Proteine. inneren Energie zwischen Ausgangs-und Endzustand des Sys Allerdings besitzen auch einige Nucleinsäuren wie RNA kataly tems treibt die Diffusion der Ionen an. tische Aktivität. Sie werden als Ribozyme bezeichnet. Die wichtigste Aufgabe eines Enzyms besteht darin. die Re 1.1.3 Gibbs' freie Energie (G) aktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Durch die Anwesenheit eines Enzyms kann die Geschwindigkeit einer Reaktion um den Ein Kriterium für den spontanen Ablauf von Reaktionen liefert Faktor 1010 und mehr gesteigert werden. Das Enzym selbst wird die von Gibbs im Jahr 1878 eingeführte Gibbs' freie Energie G. bei den Reaktionen nicht verbraucht. Enzyme beschleunigen Sie wird auch freie Enthalpie genannt. LIG gibt die Änderung die Reaktionsgeschwindigkeit, indem sie die Aktivierungsener der freien Enthalpie bei einer Reaktion (auch freie Reaktions gie herabsetzen (s. u.). enthalpie) an, sagt aber nichts liber die Geschwindigkeit dieser Reaktion aus. Dabei gilt: • LIG < 0: Die Reaktion läuft spontan ab, sie ist exergon. 1.1 Grundbegriffe der Energetik • LIG = 0: Das System ist im Gleichgewicht. und Kinetik • aG > 0: Die Reaktion kann nicht spontan ablaufen, sie ist endergon. Es ist eine Zufuhr von freier Enthalpie notwendig, Die Energie, die der Organismus zum Leben benötigt, ist im um die Reaktion anzutreiben. Z. B. ist die Hydrolyse von ATP Körper in Form von chemischen Verbindungen gespeichert. zu ADP und Phosphat exergon und die Gibbs' freie Energie Diese Energie wird bei chemischen Reaktionen freigesetzt oder unter Standardbedingungen ist negativ. Daher kann die bei umgesetzt. Dabei spielen Enzyme eine entscheidende Rolle. der ATP-Spaltung frei werdende Energie genutzt werden, um andere Stoffwechselwege anzutreiben. 1.1.1 Enthalpie (H) 1.1.4 Gibbs-Helmholtz-Gieichung Ausgangsstoffe einer Reaktion (z. B. Glucose) und ihre Produkte (z. B. H20 und C02) unterscheiden sich in ihrer inneren Energie Die Änderung der freien Enthalpie, I'>G. d. h. die Energie. die eine (Enthalpie, H). Ändert sich die innere Energie, kommt es zu ei Reaktion antreibt, errechnet sich aus der Differenz der Wärme ner Enthalpieänderung (LIH; Einheit: J · mol-1). menge und der Differenz der Unordnung zwischen Ausgangs • Nimmt die innere Energie der Ausgangssubstanz während substanzen und Produkten der Reaktion. Den mathematischen der Reaktion ab, wird die entsprechende Energiemenge als Zusammenhang dieses Sachverhalts gibt die Gibbs-Helmholtz Wärme frei (=negatives aH). Die Reaktion ist exotherm. Gleichung wieder: • Bei einer Reaktion mit positivem aH muss Wärme zugeführt LIG = LIH - T X LIS werden, damit sie abläuft. Die Reaktion ist endotherm. LIG =Änderung der freien Enthalpie LIH =Änderung der Enthalpie 1.1.2 Entropie (S) LIS =Änderung der Entropie Die Entropie ist ein Maß für die Unordnung eines Systems. Ein T =Temperatur (in I<) System strebt immer den maximalen Grad an Unordnung an. LIG zeigt an, wie viel Arbeit eine Reaktion maximalleisten kann. APROPOS Dieses Prinzip erleben Sie jeden Tag beim lernen. wenn Sie feststellen, dass das Chaos auf Ihrem Schreibtisch nahezu automatisch zunimmt. während es nie von alleine ordentlicher wird. 1.1 Grundbegriffe der Energetik und Kinetik 3 1.1.5 Veränderung von Gibbs' freier Energie bei einer Anschlussreaktion als Substrate dienen. Eine weitere bei Konzentrationsänderungen Möglichkeit, thermodynamisch ungünstige Reaktionen ablau fen zu lassen, ist die energetische Kopplung der Reaktion an Chemische Reaktionen führen zu einem Gleichgewicht derbe eine Reaktion, bei der ausreichend Energie frei wird, um die teiligten Reaktionspartner. Eine Reaktion, in der die Stoffe A Gesamtreaktion anzutreiben (s. u.). und Bin die Stoffe C und D umgewandelt werden, wird folgen dermaßen formuliert: 1.1.6 Gruppenübertragungspotenzial und energiereiche Verbindungen A+B""C+D Nach dem Massenwirkungsgesetz lautet die Gleichgewichts Endergone Reaktionen können ablaufen, indem sie energetisch konstante I<' dieser Reaktion: an eine exergone Reaktion gekoppelt werden. Voraussetzung I<'= [C]x[DJ ist jedoch, dass der t.G0' der exergonen Reaktion größer ist als [AJx[BJ (1) t.G0' der endergonen Reaktion. sodass .:1G0' der Gesamtreaktion negativ wird. An der energetischen Kopplung im Stoffwechsel I<'= Gleichgewichtskonstante K bei pH = 7 sind häufig Enzyme beteiligt. Die Änderung der freien Enthalpie dieser Reaktion berechnet Der Organismus koppelt in solchen Fällen häufig die durch man durch: zuführende endergone Reaktion an die Spaltung energiereicher Verbindungen wie ATP (Adenosintriphosphat). Es ist aufgebaut LIG = L'IG0 '+ RT · In [C]x[DJ (2) aus Adenin, Ribose und drei Phosphatresten (Abb. 1.1). Der [AJx[BJ erste Phosphatrest ist mit der Ribose verestert. Die Phosphat L'IG =Änderung der freien Enthalpie reste selbst sind über Säureanhydridbindungen miteinander L'IG0' =Änderung der freien Standardenthalpie bei pH 7 verbunden. Energiereich sind vor allem die zwei Säureanhyd R =Gaskonstante= 8,314 J. moJ-1 • K-1 = 8,314 x w-3k J. ridbindungen zwischen den drei Phosphatresten, weil sie leicht moi-1 • K-1 gespalten und die Phosphatreste auf andere Moleküle übertra T =absolute Temperatur= 298 I< gen werden können. Es ist deshalb korrekter, ATP als eine Ver .:lGO ist die Änderung der freien Standardenthalpie und die bindung mit einem hohen Gruppenübertragungspotenzial zu Kraft, die die Reaktion unter Standardbedingungen (Druck bezeichnen. 101,325 kP; Temperatur von 298 K: Konzentration von A. B. C Die mit LIG0' = -30.5 kJ moJ-1 stark exergone Hydrolyse von und D zu Beginn der Reaktion jeweils 1 mol · J·1) in Richtung ATP kann an endergone Prozesse gekoppelt sein. Ein Beispiel Gleichgewicht treibt. Bei Biochemikern beliebt ist .:1G0', das der für eine solche Reaktion ist die Hexokinasereaktion (der erste Änderung der freien Stand<irdenth<ilpie bei pH 7 entspricht. Schritt der Glykolyse. Die Phosphorylierung der Glucose ist en LIG0' ist sozusagen eine Konstante mit einem für eine be dergon und läuft nicht freiwillig ab. Erst durch die gleichzeitige stimmte Reaktion charakteristischen Wert. Die tatsächliche Hydrolyse von ATP kann die Reaktion stattfinden. Änderung der freien Enthalpie, L'IG, ist dagegen eine Funktion Glucose+ P, ~ Glucose-6-P LI.GO': +14 kJ. moi-1 der t<ltsächlich vorhandenen Konzentrationen von Ausgangs substanzen und Produkten sowie der Temperatur. Nähert sich ATP +H20 ~ ADP + P; LI.GO': -30,5 kJ . mol-1 eine Reaktion dem Gleichgewicht, dann nähert sich LIG null. Gesamtreaktion: Durch Kombination von Gleichung (1) und Gleichung (2) er ATP +Glucose"" ADP + L'IG0': -16.7 kJ · moJ-1 gibt sich: Glucose-6-phosphat LIG = LIG0' + R x T x lnK' Verbindungen mit hohem Gruppenübertragungspotenzial sind Im Gleichgewicht gilt: LIG = 0. Für L'IG0' dieser Reaktion gilt dann: in Tab. 1.1 zusammengefasst. ATP steht am unteren Ende der in Tab. 1.1 genannten Verbindungen. Damit kann es sowohl als L'IG =- RT x lnK' (3) Phosphatgruppendonator und als -akzeptor dienen. Es wird Wenn man den Faktor für die Umwandlung des natürlichen in daher auch durch Umwandlung von 1,3-Bisphosphoglycerat den dekadischen Logarithmus berücksichtigt, kann Gleichung zu 3-Phosphoglycerat, Phosphoenolpyruvat zu Pyruvat und in (3) auch ausgedrückt werden als: direkt von Succinyl-CoA zu Succinat gebildet. Man bezeichnet diese Form der ATP-Synthese als Substratkettenphosphorylie- I'IG0' = -2,303 R x T x log I<' rung. Diese Formel verbindet die Gleichgewichtskonstante einer Re aktion und die Änderung der freien Standardenthalpie mitein ander. Je größer I<', desto mehr Energie wird frei. NH, • K' > 1: LIG0' ist negativ: die Reaktion ist exergon; <:~; Saureanhydndbdg Esterbdg Adenm • K' = 1: L'IG0 = 0; das System leistet keine Arbeit; • K' < 1: t.G0' ist positiv; die Reaktion ist endergon, sie läuft .,.~,~Lr'L1id, nicht spontan <1b. 0 Reaktionen. die aufgrundvon L'IG0' unter den gegebenen Bedin IQI9 ,p/ IQ19 R1bose ATP gungen nicht spontan ablaufen, können dann spontan ablaufen, Phosphatreste wenn man die Konzentr<ltionen der Ausgangssubstanzen und OH OH Produkte verändert.Z.B. können unter physiologischen Bedin '-----v------' gungen Produkte aus dem Reaktionsgleichgewicht entfernt Adeno~in werden, indem siez. B. aus der Zelle transportiert werden oder Abb. 1.1 Struktur von Adenosintriphosphat (ATP).