Energieformen und -umwandlung

Energie und Leben

• Unsere moderne Zivilisation ist sehr energiehungrig.
• Alle Lebensformen benötigen ständig Energie.
• Wärmeenergie: Einheit ist Joule (J = kg⋅m²/s²).
• Kinetische Energie (Arbeit): Einheit ist Newton mal Meter (N*m).
• Elektrische Energie: Einheit ist Watt mal Sekunde (W*s).
• E = mc²: Energie ist in der Ruhemasse der Materie enthalten.
• c = 299792458 m/s ist die Lichtgeschwindigkeit.
• E = h⋅ν: Energie elektromagnetischer Strahlung, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum ist.
• Energie ist proportional zur Frequenz; je höher die Frequenz, desto höher die Energie.
• Elektromagnetische Wellen können sich als Energie-Quantum/Teilchen verhalten, wenn sie mit Materie interagieren.
• E660 = h·υ = 3,0098·10⁻¹⁹ J: Energiegehalt eines Photons roten Lichts (660nm).
• Photoelektrischer Effekt: Photonen lösen Elektronen aus Metall, wodurch elektrischer Strom fließt.
• Bei Energieumwandlung von einer Form in eine andere geht ein Teil als Wärme verloren (Energieerhaltung).
• Kurz nach dem Urknall gab es nur leichte Elemente wie H, He, Li, Be.
• Schwerere Elemente entstehen im Inneren von Sternen durch Kernfusion.
• Kernfusion endet bei Eisen (Fe); schwerere Elemente entstehen durch Neutroneneinfang in massereichen Sternen.
• Das Sonnensystem entstand aus der Asche eines früheren Sterns.
• Das Leben benötigt Wasser.
• Die Erde entstand vor 4,6 Milliarden Jahren als Felsenplanet.
• Der Ursprung des Wassers auf der Erde ist noch nicht vollständig geklärt.
• Die Uratmosphäre enthielt kein freier Sauerstoff, aber 25-50% CO₂, H₂, Methan, Ammoniak und SH durch Vulkanaktivität.
• Elektrische Entladungen und Vulkanismus könnten eine Rolle bei der Entstehung des Lebens gespielt haben.
• Der erste Schritt in Richtung Leben ist noch immer unklar.
• Die Ursuppe war reich an organischen Substanzen, oder es gab Schwarzen Rauch am Grunde des Ozeans.
• Erste Lebensformen siedelten sich vermutlich an hydrothermalen Quellen an (< 4,2 Milliarden Jahren).

Leben und Thermodynamik

• Abgeschlossenes System: Kein Austausch von Materie und Energie mit der Umgebung.
• Geschlossenes System: Kein Materieaustausch, aber Energieaustausch.
• Offenes System: Austausch von Materie und Energie.
• Der Energieerhaltungssatz besagt, dass die innere Energie (U) eines abgeschlossenen Systems konstant ist.
• Die Energie eines geschlossenen Systems ist konstant, wenn Energieaustausch mit der Umgebung zugelassen wird.
• In einem isobaren System entspricht die Wärmemenge Q der Enthalpie H.
• Änderungen der Enthalpie geben keine Auskunft darüber, ob eine Zustandsänderung freiwillig abläuft.
• Der Entropiesatz besagt, dass die Entropie (S) als Maß für die Unordnung die Richtung einer Reaktion bestimmt. 
• Ungeordnete Systeme sind stabiler als geordnete.
• Das dritte thermodynamische Gesetz besagt, dass am absoluten Nullpunkt der Temperatur die Entropie (S) gegen 0 strebt.
• Lebewesen sind offene Systeme und benötigen permanente Energie- und Materiezufuhr, um gegen Entropie anzukämpfen.
• Die Gibbs-Energie (G) verknüpft Enthalpie (H) und Entropie (S) mit der absoluten Temperatur (T) unter isothermen Bedingungen.
• Unter Standardbedingungen gilt: AG° = - R·T·InKeq.
• Unter beliebigen Bedingungen gilt: AG = AG° + R·T·InK.
• Die allgemeine Gaskonstante ist R = 8,31447 J·mol⁻¹·K⁻¹.

Energetik von Redoxreaktionen

• Oxidation: Abgabe von Elektronen.
• Reduktion: Aufnahme von Elektronen.
• Die Nernst´sche Gleichung beschreibt das Redoxpotential: ΔE = ΔE° + (R·T)/(z·F) * ln([Aox][Bred]/[Ared][Box]).
• ΔE ist das Redoxpotential.
• E° ist das Standardredoxpotential.
• Die allgemeine Gaskonstante beträgt R = 8,31447 J·mol⁻¹·K⁻¹.
• Die Faraday-Konstante beträgt F = 96485,34 J·V⁻¹·mol⁻¹.
• z ist die Anzahl der übertragenen Elektronen.
• E₀ ist das Redoxpotential unter Standardbedingungen und pH 0.
• E₀´ ist Redoxpotenzial unter Standardbedingungen und pH 7.
• Die Gibbs-Energie kann aus dem Redoxpotenzial abgeleitet werden: AGO' = -z·F·ΔE.
• Enzyme beschleunigen biochemische Reaktionen und setzen die Aktivierungsenergie herab.
• Adenosintriphosphat (ATP) ist die universelle biochemische Energiewährung.

Energetik des Stoffwechsels

• Lebewesen sind offene Systeme.
• Kopplung endergoner mit exergoner Reaktionen wie die Phosphorylierung von Glucose
• Die Hydrolyse der Phosphatgruppe ist Stark exergon

Energiestoffwechsel - Beispiel Glykolyse

• An gemessene Konzentrationen angepasst → viele Reaktionen näher am thermodynamischen Gleichgewicht, als Gibbs-Energie unter Standartbedingungen und pH=7 (∆Go' (kJ·mol-1))
• Fließgleichgewicht (steady state): es gibt keine stationären Konzentrationen, nur Konzentrationen im Fließgleichgewicht → Konzentrationen der Intermediate können trotz hohem Fluss sehr gering sein
• Energiestoffwechsel – ATPasen in Biomembranen
• Ein Protonengradient treibt die ATP-Synthase an.
• Der Cytochrom b6f-Komplex ist eine Protonen-Pumpe
• Licht macht Stroma alkalisch, Lumen sauer und baut H+-Gradienten auf