Thermodynamik V

Thermodynamik

V. Glucose

5. Energiebilanz der Glucose-Verbrennung

Dies ist ein biologisch interessantes Beispiel dafür, mit welchem Wirkungsgrad die Natur arbeitet. Es zeigt auch den Vorteil durch die Einführung eines aeroben Stoffwechsels verglichen mit dem anaeroben Stoffwechsel in primitiveren Organismen.

AEROBER STOFFWECHSEL

Reaktion: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ 6 CO₂ + 6 H₂O
Standardwerte: ΔH = -2.816 kJ / mol; ΔS = + 181 J mol^-1K^-1; {- T ΔS = -54 kJ / mol }
Damit ΔG = - 2.870 kJ / mol. Die Reaktion ist exotherm und spontan, durch Zunahme der Unordnung entsteht ein zusätzlicher Anschub für die Reaktion.
1 Glucose-Molekül wird im Stoffwechsel im Citronensäurecyclus und in der Atmungskette umgesetzt. Dabei finden als Energiespeicherung für den Organismus 38 Umwandlungen ADP ATP statt.
Für 1 Umwandlung ADP + anorgan. Phosphat ATP ist ΔG = + 30,5 kJ / mol. Diese Umwandlung ist also von selbst (spontan) nicht möglich. Im Stoffwechsel wird die bei der Glucose-Umsetzung freiwerdende Energie auf ADP übertragen, die Reaktion also "von außen angetrieben". Die Summe beider Reaktionen Glucose-Verbrennung + Energiespeicherung muss möglich sein.
Arbeitet die Natur sinnvoll? 38 Umwandlungen ADP ATP verbrauchen + 1.160 kJ / mol. Von den 2.870 kJ / mol bleiben damit noch 1.710 kJ / mol übrig. Für die Gesamtreaktion Glucose-Verbrennung + Energiespeicherung im ATP ist ΔG = - 1.710 kJ / mol. Die Reaktion kann damit noch gut (spontan) ablaufen. Die nicht im ATP gespeicherte Energie wird als Wärme frei, kann also zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur verwendet werden.
Im Organismus gespeichert, und damit für weitere Aufgaben des gesamten Organismus verfügbar, werden 1.160 / 2.870 = 40%.
Ein guter Wirkungsgrad für die Energiespeicherung!


Die Umsetzung von Glucose zu CO₂ und H₂O (über viele Zwischenstufen) setzt Energie frei.	Diese wird in ADP / ATP zwischengespeichert. ADP ATP Speicherung ATP ADP Abgabe	Die Energie wird benutzt, um Zellbausteine (Makromoleküle) zu synthetisieren.

ANAEROBER STOFFWECHSEL

In Hefe sind der Citronensäurecyclus und die Atmungskette lahmgelegt; es findet eine Umsetzung von Glucose zu Ethanol statt.
C₆H₁₂O₆ 2 CO₂ + 2 C₂H₅OH.
Standardwerte: ΔH = - 82 kJ / mol; ΔS = + 458 J mol^-1 K^-1; {- T ΔS = - 136 kJ / mol }
ΔG = - 218 kJ / mol. Die Reaktion ist spontan möglich; der größere Anteil kommt hier von der Entropie, also der Erzeugung von Unordnung.
Pro Glucose-Molekül finden jetzt aber nur noch 2 Umwandlungen ADP ATP statt; die Energiespeicherung ist + 61 kJ / mol.
Wie arbeitet die Natur? Insgesamt ist für die Gesamtreaktion ΔG = - 157 kJ / mol. Auch diese Reaktion daher noch gut möglich.
Der Wirkungsgrad für die Energiespeicherung ist 61 / 218 = 28%, also auch noch gut.

VERGLEICH
Der Vergleich zeigt den riesigen Vorteil der "Erfindung" des aeroben Stoffwechsels.

aerob:	40% der durch Verbrennung von Glucose möglichen Energie gespeichert.
anaerob: ABER!	28% der durch Umsetzung von Glucose zu Ethanol möglichen Energie gespeichert. Das sind nur 2% der aus Glucose prinzipiell verfügbaren Energie!
Der aerobe Stoffwechsel arbeitet also 20-mal effizienter!

Anmerkung: Die Zahlenwerte zeigen zusätzlich, wie effizient die Natur arbeitet. Die Energie in einer ADP ATP Umwandlung (40 kJ / mol) ist klein, verglichen mit der Energie der Gesamtreaktion. Kleine "Energiepakete" können leichter transportiert und universell verwendet werden. Dass diese ganze effiziente Chemie auch noch einer "Fabrik" stattfindet, die im Regelfall hübsch aussieht, ist ebenso erfreulich!

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