Tut mir leid, wenn das zu elementar ist, aber kann jemand erklären, warum die folgende Reaktion ohne einen Nettoenergiezufluss aus einem anderen Prozess ablaufen kann?
Und warum braucht dieser einen Energiezufluss?
Ich bin mir nicht ganz sicher, welche der beiden Fragen Sie hier stellen, aber da dies grundlegend für das Verständnis des Stoffwechsels ist, denke ich, dass eine Antwort auf beide Fragen von allgemeinem Nutzen sein wird, selbst wenn Sie persönlich die Antwort auf die erste bereits verstehen.
[1] Die Gibbs-Freie-Energie-Änderung in einer chemischen Reaktion bestimmt, ob sie spontan abläuft
Wenn eine Reaktion eine negative Änderung der freien Gibbs-Energie (ΔG) beinhaltet, läuft sie spontan ab; wenn nicht, muss Energie zugeführt werden, um ihn anzutreiben.
Der Abbau von Glukose zu Kohlendioxid und Wasser hat ein großes –ve ΔG und erfordert daher keine Energiezufuhr – die Umkehrreaktion hat ein äquivalentes +ve ΔG und erfordert daher einen Energieeintrag, um sie anzutreiben.
Dieser grundlegende Aspekt chemischer Reaktionen ergibt sich aus den Gesetzen der Thermodynamik und wird ausführlich in Abschnitt 1.3.3 von Berg et al. , Online verfügbar.
[2] Reaktionen, die Bindungen brechen, neigen dazu, negative Änderungen der freien Energie zu beinhalten
Warum hat die Oxidation von Glucose ein –ve ΔG und ihre Synthese ein positives –ve ΔG? Dies liegt daran, dass die Glukoseoxidation das Aufbrechen kovalenter Bindungen und ihre Synthese das Herstellen kovalenter Bindungen beinhaltet.
Um den thermodynamischen Beitrag von Bindungsenergien zu verstehen, wird der Bericht in Abschnitt 2.4 von Lodish et al. (online verfügbar) wird empfohlen. Kurz gesagt, ΔG = ΔH – TΔS, wobei H die Enthalpie und S die Entropie ist. Die Bindungsenergien tragen zu ΔH bei, und die Entropie nimmt im Allgemeinen auch zu, wenn zwei Einheiten zu einer werden, wie in der Antwort von @MangoPrincess erwähnt.
Fußnoten
Nicht alle chemischen oder biochemischen Reaktionen beinhalten die Nettobildung oder den Bruch von Bindungen – zum Beispiel molekulare Umlagerungen. In diesen Fällen sind ausgefeiltere chemische Betrachtungen erforderlich, um die experimentell bestimmten Änderungen der freien Energie zu verstehen.
Die Bedeutung bei der Diskussion biochemischer Reaktionen in Bezug auf Änderungen der freien Energie von Gibbs besteht darin, dass eine energetisch günstige Reaktion mit einer energetisch ungünstigen gekoppelt werden kann, um letztere anzutreiben, und es ist die Quantifizierung von ΔG, die es einem ermöglicht, dies vorherzusagen oder zu verstehen. Es ist auch wichtig, da ΔG quantitativ mit Oxidations-Reduktions-Potentialen verknüpft werden kann .
Sauerstoff hat eine hohe Elektronegativität , d. h. er mag Elektronen sehr.
Auf dieser Skala hat Neon die höchste Elektronegativität aller Elemente, gefolgt von Fluor, Helium und Sauerstoff .
Das sind Redoxreaktionen. In der ersten Reaktion wurde Kohlenstoff oxidiert 0 -> +4und Sauerstoff reduziert 0 -> -2. Bei der zweiten Reaktion passiert das Umgekehrte. Nomen est omen Sauerstoff ist ein Oxidationsmittel, daher mag er die Reaktionen nicht, bei denen er oxidiert wird, da er durch Oxidation Elektronen verliert. Und es mag Elektronen. Wirklich.
Jemanden zu etwas zu zwingen, was er nicht will, erfordert immer Energie, und Sauerstoff ist da keine Ausnahme. ;-)
Nur um zu erwähnen, dass unabhängig von der Exothermie der Reaktion immer eine Aktivierungsenergie vorhanden ist. Denken Sie daran; Zucker verbrennt bei Zimmertemperatur nicht von selbst... Dies sind mehrstufige Reaktionen und Enzyme senken die Aktivierungsenergie jedes Schrittes, deshalb müssen Sie bis zur ersten Reaktion nicht viel investieren. Ofc. Eine ähnliche Reaktion kann beim Verbrennen von Zucker stattfinden, aber bei dieser Reaktion ist die Aktivierungsenergie viel höher und kommt von der Hitze der Gasflamme.
Die erste Reaktion ist Katabolismus. Es erfordert am Anfang einen gewissen Energieeinsatz ("Energieinvestition" der Glykolyse), führt aber letztendlich zu einer Nettoenergiefreisetzung durch "Energieauszahlung" der Glykolyse, des Zitronensäurezyklus und schließlich der Elektronentransportkette und der oxidativen Phosphorylierung.
Das Endergebnis ist die Oxidation von Glucose und die Reduktion von Sauerstoff. An verschiedenen Punkten werden Elektronen auf NAD+ und FAD übertragen. Dann gehen die reduzierten Formen dieser 2 Elektronenträger (NADH & FADH2) in die Elektronentransportkette, wo am Ende Elektronen auf Sauerstoff übertragen werden (Reduktion von Sauerstoff). In der Zwischenzeit wurden Protonen in den Zwischenmembranraum gepumpt, um den Protonengradienten zu erzeugen, der die ATP-Synthese antreibt.
Die zweite Reaktion ist der Anabolismus. Der Calvin-Zyklus benötigt Energie von ATP und NADPH, um die notwendigen Bindungen zum Aufbau von Zuckern zu bilden.
Aus bioenergetischer Sicht ist der Abbau eines Moleküls exergonisch. Dies ist günstig, wenn Sie an den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik denken: Es gibt mehr Entropie, wenn es mehrere separate Untereinheiten gibt, während es mehr Ordnung gibt, wenn ein Molekül aus diesen Untereinheiten besteht. Die Synthese eines Moleküls ist endergonisch (benötigt Energie). Es IST günstig in dem Sinne, dass wir in Zukunft Zucker zum Essen und Verbrennen bekommen.
Zusammenfassend:
Beachten Sie, dass meine Antwort spezifische Details zu den Prozessen auslässt, aber ich hoffe, dies ist grundlegend genug, um Ihre Frage zu beantworten!
Quelle: Lehninger Prinzipien der Biologie, David Nelson & Michael Cox
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