Biochemie – Definition und Fachgebiete · Fachbereich Ökotrophologie Prof. Häusler – SoSe 2005 Biochemie – Definition und Fachgebiete ¾Grenzwissenschaft zwischen Chemie,

Fachbereich ÖkotrophologieProf. Häusler – SoSe 2005

Biochemie – Definition und Fachgebiete

Grenzwissenschaft zwischen Chemie, Biologie, Agrarwissenschaftenund Medizin

Spezialgebiete wie Immunchemie, Neurochemie, Pathobiologie, Genetik, Molekularbiologie, Pflanzen- und Tierphysiologie

Überschneidungen mit Toxikologie, Pharmakologie, Umweltchemie

Hauptgebiete sind die descriptive (beschreibende) Biochemie, die funktionale, dynamische Biochemie die angewandte Biochemie


Biochemie der Ernährung Teil I - Inhalte

Funktionelle chemische Gruppen organischer Verbindungen

Bindungen, Wechselwirkungen, Reaktionen

Stereochemie , Konformation und Konfiguration

Grundlegende Kenntnisse über die wichtigen Naturstoff-Gruppen

Die Zelle und die Genexpression

Enzyme und Biokatalyse

Hauptwege des Stoffwechsels, Energiegewinnung und Biosynthesen

Regulation und endokrine Systeme


Biochemie der Ernährung Teil I - Ziele

Grundverständnis über Naturstoffe und ihre chemischen Eigenschaften

Verständnis der Prinzipien chemischer Vorgänge in Lebewesen

Erkennen der Gültigkeit allgemeiner chemischer Gesetze im Bereich des Lebendigen

Kenntnis von und Umgang mit biochemischen Formeln und Reaktionszyklen

Fundierte Kenntnis der wichtigsten Stoffwechselwege

Grundverständnis für die chemisch-stofflichen Grundlagen und Beziehungen in der Ernährungsphysiologie und der Diätetik


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


Lebewesen sind offene Systeme im Fließgleichgewicht

Quelle : Lehninger, Biochemie, Springer-Verlag


Lebende Systeme sind Fließgleichgewichte

Lebende Zellen:

Ständiger Aufbau komplizierter energiereicher Verbindungen aus einfachen, energieärmeren Vorstufen

Ausbildung von Konzentrationsgradienten

Ausbildung und Aufrechterhaltung von Ordnung

Arbeitsfähig trotz quasi-stationärer Zustände (z.b. konst. Blutglucosespiegel)

Leben ist nur unter ständiger Arbeitsleistung möglich

Leben ist ein offenes System

Leben importiert Exergie aus der Umgebung und exportiert Anergie

Nährstoffe werden aufgenommen und energieärmere Stoffwechselprodukte abgegeben

Die Energiedifferenz wird für verschiedene Lebensleistungen und für die Wärmeproduktion verwendet

Bässler, K.H. Ernährungsumschau 1(1990)


Fonds der Chemischen Industrie


Fonds der Chemischen Industrie


Energie als Quelle alles Lebendigen

Quelle : Lehninger, Biochemie, Springer-Verlag


Die unbelebte Natur : Der 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik

1. Hauptsatz :

Bei allen stofflichen Vorgängen bleibt die Summe der Energien konstant.

Erläuterungen:

Kinetische, chemische, elektrische und Wärmenergie sind Energieformen

Sie können nicht aus dem Nichts geschaffen werden

Energie kann von einer Form in andere Formen umgewandelt werden

Energie kann aber niemals vollständig verschwinden



2. Hauptsatz der Thermodynamik

Zu Beginn eines physikalischen oder chemischen Vorganges muß ein Gradient vorhanden sein

Höhenunterschied, Temperaturunterschied, Konzentrationsunterschied, Druckunterschiede u.a.m.

Diese Unterschiede oder Potentiale sind die Triebkräfte aller physikalischen und chemischen Vorgänge, Veränderungen, Reaktionen

Sind die Unterschiede verschwunden , ist der Vorgang zu Ende

Das System ist im thermodynamischen Gleichgewicht



Die unbelebte Natur : Der 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik

2. Hauptsatz :

Alle physikalischen und chemischen Vorgänge = Energiewandlungsprozesse verlaufen in Richtung des thermodynamischen Gleichgewicht

Hierbei gibt es einen Verlauf in nur eine Richtung

Beispiele:

Ein Stein fällt zu Boden

Holz verbrennt

Wasser fließt bergauf

Ein heißer Gegenstand kühlt ab

Diese Vorgänge laufen spontan niemals in umgekehrter Richtung ab



2. Hauptsatz der Thermodynamik - Die Umwandelbarkeit von Energie

Die Energie besteht aus Exergie und Anergie

Exergie = umwandelbare Energie

Anergie = Nicht umwandelbare Energie

Wärmenergie läßt sich nur dann umwandeln, wenn sie von höher zu niedrigerer Temperatur fließt

Alle Energieumwandlungen sind mit Wärmeentwicklung verbunden = Entstehung von Anergie

Alle physikalischen und chemischen Vorgänge verlaufen daher spontan nur in eine Richtung, in der die Exergie abnimmt und die Anergie zunimmt

Endstation der Vorgänge ist das thermodynamische Gleichgewicht



Chemische Reaktionen

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

K = [C] x [D]

[A] x [B]

Das Reaktionssystem befindet sich im thermodynamischen Gleichgewicht


Chemische Reaktionen - Aktivierungsenergie

Alle Chemischen Reaktionen können spontan nur in eine Richtung ablaufen

In der die freie Energie (GR) abnimmt (∆ GR – n KJ/Mol)

Trotzdem laufen solche Reaktionen tatsächlich nicht spontan ab

Z.B. reagiert Glucose nicht spontan mit Luftsauerstoff zu CO2 und H2O

Glucose entzündet sich nicht von selber, sondern muß angezündet werden

Glucose und Sauerstoff sind ein metastabiles Gemisch

Damit sie reagieren, ist eine Aktivierungsenergie aufzubringen




Chemische Reaktionen - Aktivierungsenergie

Atome und Moleküle reagieren mit ihren Elektronenhüllen

Unter Überwindung der Abstoßungskräfte der negativen Elektronenladungen

Dies erfordert ein bestimmtes Mindestmaß an kinetischer Energie

Damit die Moleküle erfolgreich zusammenstoßen und reagieren

Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt mit der Zahl energiereicher Teilchen

Hohe Stoffkonzentrationen, hohe Drücke und hohe Temperaturen

Erhöhen die Zahl energiereicher, reaktionsbereiter Teilchen

In biologischen gibt es weder hohe Temperaturen, noch hohe Drücke,

noch hohe Stoffkonzentrationen

Um dennoch Reaktionen in Gang zu setzen, braucht man Katalysatoren


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