Biochemie – Definition und Fachgebiete

Fachbereich Ökotrophologie
Prof. Häusler – SoSe 2005
Biochemie – Definition und Fachgebiete
¾ Grenzwissenschaft zwischen Chemie, Biologie, Agrarwissenschaften
und Medizin
¾ Spezialgebiete wie Immunchemie, Neurochemie, Pathobiologie,
Genetik, Molekularbiologie, Pflanzen- und Tierphysiologie
¾ Überschneidungen mit Toxikologie, Pharmakologie, Umweltchemie
¾ Hauptgebiete sind
die descriptive (beschreibende) Biochemie,
die funktionale, dynamische Biochemie
die angewandte Biochemie
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Biochemie der Ernährung Teil I - Inhalte
¾ Funktionelle chemische Gruppen organischer Verbindungen
¾ Bindungen, Wechselwirkungen, Reaktionen
¾ Stereochemie , Konformation und Konfiguration
¾ Grundlegende Kenntnisse über die wichtigen Naturstoff-Gruppen
¾ Die Zelle und die Genexpression
¾ Enzyme und Biokatalyse
¾ Hauptwege des Stoffwechsels, Energiegewinnung und Biosynthesen
¾ Regulation und endokrine Systeme
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Prof. Häusler – SoSe 2005
Biochemie der Ernährung Teil I - Ziele
¾ Grundverständnis über Naturstoffe und ihre chemischen
Eigenschaften
¾ Verständnis der Prinzipien chemischer Vorgänge in Lebewesen
¾ Erkennen der Gültigkeit allgemeiner chemischer Gesetze im Bereich
des Lebendigen
¾ Kenntnis von und Umgang mit biochemischen Formeln und
Reaktionszyklen
¾ Fundierte Kenntnis der wichtigsten Stoffwechselwege
¾ Grundverständnis für die chemisch-stofflichen Grundlagen und
Beziehungen in der Ernährungsphysiologie und der Diätetik
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Was ist Leben ? – Versuch einer Definition
1. Sich selbst aufbauendes,
2. Selbst regulierendes
3. Selbst erhaltendes
4. Offenes isothermes System
5. Mit aufeinanderfolgenden, rückgekoppelten, enzymatischen Reaktionen
6. Nach dem Prinzip maximaler Ökonomie
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Lebewesen sind offene Systeme im Fließgleichgewicht
Quelle : Lehninger, Biochemie, Springer-Verlag
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Lebende Systeme sind Fließgleichgewichte
Lebende Zellen:
¾ Ständiger Aufbau komplizierter energiereicher Verbindungen aus einfachen,
energieärmeren Vorstufen
¾ Ausbildung von Konzentrationsgradienten
¾ Ausbildung und Aufrechterhaltung von Ordnung
¾ Arbeitsfähig trotz quasi-stationärer Zustände (z.b. konst. Blutglucosespiegel)
¾ Leben ist nur unter ständiger Arbeitsleistung möglich
¾ Leben ist ein offenes System
¾ Leben importiert Exergie aus der Umgebung und exportiert Anergie
¾ Nährstoffe werden aufgenommen und energieärmere Stoffwechselprodukte
abgegeben
¾ Die Energiedifferenz wird für verschiedene Lebensleistungen und für die
Wärmeproduktion verwendet
Bässler, K.H. Ernährungsumschau 1(1990)
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Fonds der Chemischen Industrie
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Fonds der Chemischen Industrie
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Energie als Quelle alles Lebendigen
Quelle : Lehninger, Biochemie, Springer-Verlag
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Die unbelebte Natur : Der 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik
1. Hauptsatz :
¾ Bei allen stofflichen Vorgängen bleibt die Summe der Energien konstant.
Erläuterungen:
¾ Kinetische, chemische, elektrische und Wärmenergie sind Energieformen
¾ Sie können nicht aus dem Nichts geschaffen werden
¾ Energie kann von einer Form in andere Formen umgewandelt werden
¾ Energie kann aber niemals vollständig verschwinden
Bässler, K.H. Ernährungsumschau 1(1990)
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2. Hauptsatz der Thermodynamik
¾ Zu Beginn eines physikalischen oder chemischen Vorganges muß ein Gradient
vorhanden sein
¾ Höhenunterschied, Temperaturunterschied, Konzentrationsunterschied,
Druckunterschiede u.a.m.
¾ Diese Unterschiede oder Potentiale sind die Triebkräfte aller physikalischen und
chemischen Vorgänge, Veränderungen, Reaktionen
¾ Sind die Unterschiede verschwunden , ist der Vorgang zu Ende
¾ Das System ist im thermodynamischen Gleichgewicht
Bässler, K.H. Ernährungsumschau 1(1990)
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Die unbelebte Natur : Der 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik
2. Hauptsatz :
¾ Alle physikalischen und chemischen Vorgänge = Energiewandlungsprozesse
verlaufen in Richtung des thermodynamischen Gleichgewicht
¾ Hierbei gibt es einen Verlauf in nur eine Richtung
Beispiele:
¾ Ein Stein fällt zu Boden
¾ Holz verbrennt
¾ Wasser fließt bergauf
¾ Ein heißer Gegenstand kühlt ab
Diese Vorgänge laufen spontan niemals in umgekehrter Richtung ab
Bässler, K.H. Ernährungsumschau 1(1990)
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2. Hauptsatz der Thermodynamik - Die Umwandelbarkeit von Energie
¾ Die Energie besteht aus Exergie und Anergie
¾ Exergie = umwandelbare Energie
¾ Anergie = Nicht umwandelbare Energie
¾ Wärmenergie läßt sich nur dann umwandeln, wenn sie von höher zu niedrigerer
Temperatur fließt
¾ Alle Energieumwandlungen sind mit Wärmeentwicklung verbunden = Entstehung von
Anergie
¾ Alle physikalischen und chemischen Vorgänge verlaufen daher spontan nur in eine
Richtung, in der die Exergie abnimmt und die Anergie zunimmt
¾ Endstation der Vorgänge ist das thermodynamische Gleichgewicht
Bässler, K.H. Ernährungsumschau 1(1990)
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Prof. Häusler – SoSe 2005
Chemische Reaktionen
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Chemische Reaktionen sind reversibel
Hin- u. Rückreaktion laufen gleichzeitig ab ; A + B ↔ C + D
Ziel ist der energieärmste, mögliche Zustand
Im Gleichgewicht sind die Geschwindigkeiten von Hin- u. Rückreaktion gleich
Es findet keine messbare Konzentrationsänderung von A,B,C,D mehr statt
¾ K = [C] x [D]
[A] x [B]
¾ Das Reaktionssystem befindet sich im thermodynamischen Gleichgewicht
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Chemische Reaktionen - Aktivierungsenergie
¾Alle Chemischen Reaktionen können spontan nur in eine Richtung ablaufen
¾In der die freie Energie (GR) abnimmt (∆ GR – n KJ/Mol)
¾Trotzdem laufen solche Reaktionen tatsächlich nicht spontan ab
¾Z.B. reagiert Glucose nicht spontan mit Luftsauerstoff zu CO2 und H2O
¾Glucose entzündet sich nicht von selber, sondern muß angezündet werden
¾Glucose und Sauerstoff sind ein metastabiles Gemisch
¾Damit sie reagieren, ist eine Aktivierungsenergie aufzubringen
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Bässler, K.H. Ernährungsumschau 1(1990)
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Chemische Reaktionen - Aktivierungsenergie
¾Atome und Moleküle reagieren mit ihren Elektronenhüllen
¾Unter Überwindung der Abstoßungskräfte der negativen Elektronenladungen
¾Dies erfordert ein bestimmtes Mindestmaß an kinetischer Energie
¾Damit die Moleküle erfolgreich zusammenstoßen und reagieren
¾Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt mit der Zahl energiereicher Teilchen
¾Hohe Stoffkonzentrationen, hohe Drücke und hohe Temperaturen
¾Erhöhen die Zahl energiereicher, reaktionsbereiter Teilchen
¾In biologischen gibt es weder hohe Temperaturen, noch hohe Drücke,
noch hohe Stoffkonzentrationen
¾Um dennoch Reaktionen in Gang zu setzen, braucht man Katalysatoren
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