Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Reduction / OxidationGlycogen

Glucose-6-P

2 Pyruvat

2 Acetyl-CoA

GlucoseGlycolyse

Citrat-Zyklusoder

TricarbonsäureZyklus

Atmungskette

2 CO2

4 CO2

C6H12O6

6 H2O6 O2

2 e-

2 e-

8 e-

Pyruvat

ATPADP ATP

ADP

Wo findet die Oxidation der Folgeprodukte von Glucose statt? - Der Citratzyklus und die Atmungkette finden bei Eukaryoten in abgeschlossenen Unterräumen der Zelle (so genannten Zell-Kompartimenten) statt, den Mitochondrien. Mitochondrien weisen eine doppelte Membran auf, von denen die innere in den meisten Zellen zwecks Oberflächenvergrößerung eingestülpt ist. Das Stoffwechselintermediat Pyruvat wird in Mitochondrien transportiert, wo es zu CO2 oxidiert wird. In den Mitochondrien fallen demnach auch die Reduktionsäquivalente (meist NADH) an, die schließlich (wiederum in den Mitochondrien) mit O2 reagieren.

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Reduction / OxidationGlycogen

Glucose-6-P

2 Pyruvat

2 Acetyl-CoA

GlucoseGlycolyse

Citrat-Zyklusoder

TricarbonsäureZyklus

Atmungskette

2 CO2

4 CO2

C6H12O6

6 H2O6 O2

2 e-

2 e-

8 e-

Citrat-Zyklus(Tricarbonsäure-,

TCC, oderKrebs-Zyklus)

Der Citratzyklus findet in Mitochondrien statt. Gezeigt sind die Intermediate, über die Acetyl-CoA oxidiert wird und von denen Reduktionsäquivaltente (NADH und FADH) gewonnen werden. [Sie brauchen die chemischen Formeln und Reaktionen nicht auswendig lernen.]

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Reduction / Oxidation

H2 + 2 H2O 2 H3O+ + 2 e-

6 H2O O2 + 4 H3O+ + 4 e-

Zn Zn2+ + 2 e-

Fe Fe2+ + 2 e-

Cu Cu2+ + 2 e-

Cu+ Cu2+ + 1 e-

-320 mV

+170 mV

+/- 0 mV

+815 mV

+580 mV

-760 mV

-440 mV

+350 mV

+750 mV Fe2+ Fe3+ + 1 e-

Gas / Flüssigkeit Feststoff / Flüssigkeit in wässriger Lösung

Der Citratzyklus findet in Mitochondrien statt. Gezeigt sind die Intermediate, über die Acetyl-CoA oxidiert wird und von denen Reduktionsäquivaltente (NADH und FADH) gewonnen werden. [Sie brauchen die chemischen Formeln und Reaktionen nicht auswendig lernen.]Wichtige Schritte beinhalten Enzyme, die Metallionen enthalten. Metallionen sind aufgrund der Lage ihrer Redoxpotentiale für diese Prozesse besonders geeignet. Die komplexen Bindungen, die diese Metallionen im Protein eingehen, ändern die Lage der Redoxpotentiale erheblich.

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Reduction / Oxidation

NADH+ H+ NAD+

FADH2 FAD-220 mV

+170 mV

+/- 0 mV

+815 mV

+580 mV

-320 mV

+350 mV

+750 mV

-500 mV-430 mV

-30 mV-170 mV

Der Citratzyklus findet in Mitochondrien statt. Gezeigt sind die Intermediate, über die Acetyl-CoA oxidiert wird und von denen Reduktionsäquivaltente (NADH und FADH) gewonnen werden. Die Redoxpaare FADH2 und NADH sind auf der Höhe ihres tatsächlichen Standard-Redoxpotentials eingezeichnet, ebenso wie Fumarat/Succinat. [Sie brauchen die chemischen Formeln und Reaktionen nicht auswendig lernen.]

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Reduction / Oxidation

NADH+ H+ NAD+

-220 mV

+170 mV

+/- 0 mV

+815 mV

+580 mV

-320 mV

+350 mV

+750 mV

-500 mV-430 mV

-30 mV-170 mV

6 H2O O2 + 4 H3O+ + 4 e-

~ - 2"96,5 "1,135 V

= -219 kJmol

kCmol

2x CH3-CO-S-CoenzymA

6x => 1314 kJ/mol Glucose

!G = -z"F"!E

Der Citratzyklus findet in Mitochondrien statt. Gezeigt sind die Intermediate, über die Acetyl-CoA oxidiert wird und von denen Reduktionsäquivaltente (NADH und FADH) gewonnen werden. Die Redoxpaare FADH2 und NADH sind auf der Höhe ihres tatsächlichen Standard-Redoxpotentials eingezeichnet, ebenso wie Fumarat/Succinat. Für Elektronen(-paare), die von NADH übertragen werden und letztlich auf O2 „landen“, können -219 kJ/mol Eletronenpaar freigesetzt werden. Dies entspricht der freien Enthalpie von ca. 7 ATP (7 x 30,5 kJ/mol = 213,5 kJ/mol).

inner membrane

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Mitochondria and Respiratory Chain

inside

outside Complex III Complex IVComplex IUbichinon

Complex II

outer membrane

OmpChannels

+

-

solutes

ADP+ HPO42- ATP + H2O

CytC

Die Atmungskette ist der letzte Teil des Energiestoffwechsels, und ist an Prozesse gekoppelt, die an der inneren Mitochondrienmembran stattfinden. Genau genommen finden die abschließenden Redoxreaktionen an vier Membran-Proteinkomplexen statt.

2·H+4·H+ 4·H+

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Mitochondria and Respiratory Chain

inside

outside Complex III Complex IVComplex I

NADH+ H+

NAD+ 2H+ + " O2 H2O

Ubichinone2e-

2e- 2e- 2e-

Complex II

2e-

Succinat Fumarat

CytC

Die Atmungskette ist der letzte Teil des Energiestoffwechsels, und ist an Prozesse gekoppelt, die an der inneren Mitochondrienmembran stattfinden. Genau genommen finden die abschließenden Redoxreaktionen an vier Membran-Proteinkomplexen statt, die in der Lage sind, die Redoxreaktionen mit einem Pumpen von H+ zu koppeln.

2·H+4·H+ 4·H+

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Mitochondria and Respiratory Chain

inside

outside

+235 mV

+ 45 mV

+815 mV

+580 mV

-320 mV

Complex IV(Cu++/CytBred/ox)

NADH+ H+ NAD+

Ubi-quinone"H2

Ubi-quinone

2H+ + ' O2 H2O

2e-

2e-

2e-

2e-

Complex III Complex IVComplex I

NADH+ H+

NAD+ 2H+ + " O2 H2O

Ubichinone2e-

2e- 2e- 2e-

CytochromeCoxCytochromeCred

!G = -z"F"!E ~ - 2 " 96.5 "0.365 V = -70.4 kJ

molkCmol

Complex II

2e-

Succinat Fumarat

CytC

Die Atmungskette ist der letzte Teil des Energiestoffwechsels, und ist an Prozesse gekoppelt, die an der inneren Mitochondrienmembran stattfinden. Genau genommen finden die abschließenden Redoxreaktionen an vier Membran-Proteinkomplexen statt, die in der Lage sind, die Redoxreaktionen mit einem Pumpen von H+ zu koppeln. Jeder Komplex vermittelt eine Reaktion mit einer spezifischen freien Enthalpie, die für das energieaufwändige Herauspumpen von Protonen benutzt wird.

2·H+4·H+ 4·H+

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Mitochondria and Respiratory Chain

inside

outside

+235 mV

+ 45 mV

+815 mV

+580 mV

-320 mV

Complex IV(Cu++/CytBred/ox)

NADH+ H+ NAD+

Ubi-quinone"H2

Ubi-quinone

2H+ + ' O2 H2O

2e-

2e-

2e-

2e-

Complex III Complex IVComplex I

NADH+ H+

NAD+ 2H+ + " O2 H2O

2e-

2e- 2e- 2e-

CytochromeCoxCytochromeCred

!G = -z"F"!E ~ - 2"96,5 "0,19 V

= -37 kJmol

kCmol

Complex II

2e-

Succinat Fumarat

CytC

Ubichinone

Die Atmungskette ist der letzte Teil des Energiestoffwechsels, und ist an Prozesse gekoppelt, die an der inneren Mitochondrienmembran stattfinden. Genau genommen finden die abschließenden Redoxreaktionen an vier Membran-Proteinkomplexen statt, die in der Lage sind, die Redoxreaktionen mit einem Pumpen von H+ zu koppeln. Jeder Komplex vermittelt eine Reaktion mit einer spezifischen freien Enthalpie, die für das energieaufwändige Herauspumpen von Protonen benutzt wird.

2·H+4·H+ 4·H+

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Mitochondria and Respiratory Chain

inside

outside

+235 mV

+ 45 mV

+815 mV

+580 mV

-320 mV

Complex IV(Cu++/CytBred/ox)

NADH+ H+ NAD+

2H+ + ' O2 H2O

2e-

2e-

2e-

2e-

Complex III Complex IVComplex I

NADH+ H+

NAD+ 2H+ + " O2 H2O

2e-

2e- 2e- 2e-

CytochromeCoxCytochromeCred

!G = -z"F"!E ~ - 2"96,5 "0,345 V

= -67 kJmol

kCmol

Complex II

2e-

Succinat Fumarat

CytC

Ubi-quinone"H2

Ubi-quinone

Ubichinone

Die Atmungskette ist der letzte Teil des Energiestoffwechsels, und ist an Prozesse gekoppelt, die an der inneren Mitochondrienmembran stattfinden. Genau genommen finden die abschließenden Redoxreaktionen an vier Membran-Proteinkomplexen statt, die in der Lage sind, die Redoxreaktionen mit einem Pumpen von H+ zu koppeln. Jeder Komplex vermittelt eine Reaktion mit einer spezifischen freien Enthalpie, die für das energieaufwändige Herauspumpen von Protonen benutzt wird.

2·H+4·H+ 4·H+

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Mitochondria and Respiratory Chain

inside

outside

+235 mV

+ 45 mV

+815 mV

+580 mV

-320 mV

Complex IV(Cu++/CytBred/ox)

NADH+ H+ NAD+

2H+ + ' O2 H2O

2e-

2e-

2e-

2e-

Complex III Complex IVComplex I

NADH+ H+

NAD+ 2H+ + " O2 H2O

2e-

2e- 2e- 2e-

CytochromeCoxCytochromeCred

!G = -z"F"!E ~ - 2"96,5 "0,235 V

= -45 kJmol

kCmol

Complex II

2e-

Succinat Fumarat

CytC

Ubi-quinone"H2

Ubi-quinone

Ubichinone

Die Atmungskette ist der letzte Teil des Energiestoffwechsels, und ist an Prozesse gekoppelt, die an der inneren Mitochondrienmembran stattfinden. Genau genommen finden die abschließenden Redoxreaktionen an vier Membran-Proteinkomplexen statt, die in der Lage sind, die Redoxreaktionen mit einem Pumpen von H+ zu koppeln. Jeder Komplex vermittelt eine Reaktion mit einer spezifischen freien Enthalpie, die für das energieaufwändige Herauspumpen von Protonen benutzt wird.

2·H+4·H+ 4·H+

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Mitochondria and Respiratory Chain

inside

outside

+235 mV

+ 45 mV

+815 mV

+580 mV

-320 mV

Complex IV(Cu++/CytBred/ox)

NADH+ H+ NAD+

Ubi-quinon"H2

Ubi-quinon

2H+ + ' O2 H2O

2e-

2e-

2e-

2e-

Complex III Complex IVComplex I

NADH+ H+

NAD+ 2H+ + " O2 H2O

2e-

2e- 2e- 2e-

CytochromeCoxCytochromeCred

!G = -z"F"!E ~ - 2"96,5 "1,135 V = -220 kJ

molkCmol

Complex II

2e-

Succinat Fumarat

CytC

Ubichinone

Die Atmungskette ist der letzte Teil des Energiestoffwechsels, und ist an Prozesse gekoppelt, die an der inneren Mitochondrienmembran stattfinden. Genau genommen finden die abschließenden Redoxreaktionen an vier Membran-Proteinkomplexen statt, die in der Lage sind, die Redoxreaktionen mit einem Pumpen von H+ zu koppeln. Jeder Komplex vermittelt eine Reaktion mit einer spezifischen freien Enthalpie, die für das energieaufwändige Herauspumpen von Protonen benutzt wird.

2·H+4·H+ 4·H+

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Mitochondria and Respiratory Chain

inside

outside Complex III Complex IVComplex I

NADH+ H+

NAD+ 2H+ + " O2 H2O

2e-

2e- 2e- 2e-

Complex II

2e-

Succinat Fumarat

Ubichinone

CytC

Die Atmungskette ist der letzte Teil des Energiestoffwechsels, und ist an Prozesse gekoppelt, die mit einem Pumpen von H+ gekoppelt sind. Welche Energie steckt in dem entstehenden Membranpotential?

2·H+4·H+ 4·H+

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Mitochondria and Respiratory Chain

inside

outside

!G = 2.3 R#T !pH + z#F#!$oder !(H+

~ 59 mV#!pH + !$

!"+

-!pH

proton-motive force:

= 2.3 !pH + z#!E!"H+ F

R#TF

Die Atmungskette ist der letzte Teil des Energiestoffwechsels, und ist an Prozesse gekoppelt, die mit einem Pumpen von H+ gekoppelt sind. Welche freie Enthalpie steckt in dem entstehenden Membranpotential? - Die freie Enthalpie ist die Summe der Enthalpie des Protonengradienten über die Membran, und der Energie des Kondensators, den die Membran darstellt. Formal: Die freie Enthalpie ("$H+ in der Einheit kJ/mol) beträgt 2,3 RT "pH (wobei der Faktor 2,3 die Näherung der Umrechnung von natürlichem auf dekadischen Logarithmus darstellt) + z F "% (letzteres ist die elektrische Spannung über die Membran).Die „protonen-motorische Kraft“ (proton-motive force, oder p.m.f.) ist derselbe Ausdruck, bezogen auf die elektrische Energie (Einheit Volt).

2·H+

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Mitochondria and Respiratory Chain

inside

outside Complex III Complex IVComplex I

NADH+ H+

NAD+ 2H+ + " O2 H2O

CytC

Ubichinone2e-

2e- 2e- 2e-

Complex II

2e-

Succinat Fumarat

Die molekularen Strukturen der vier Atmungsketten-Komplexe sind großenteils bekannt. Im Zentrum dieser Membranproteine sind chelatisierte Metallionen, die als zentrale Elektronenakzeptoren dienen. Der Elektronenfluss beeinflusst die „Form“ des Enzyms in der Weise, dass ionisierbare Gruppen des Protonentunnels H+-Ionen weiterreichen und über die innere Membran aus dem Mitochondrium herauspumpen.

inner membrane

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Mitochondria and Respiratory Chain

Complex III Complex IVComplex I

NADH+ H+

NAD+ 2H+ + " O2 H2O

2e- 2e- 2e-

Complex II

2e-

Succinat Fumarat

outer membrane

OmpChannels

-

n·H+

ADP+ HPO42- ATP + H2O

inside

outside+

-Ubichinone

CytC

Die molekularen Strukturen der vier Atmungsketten-Komplexe sind großenteils bekannt. Im Zentrum dieser Membranproteine sind chelatisierte Metallionen, die als zentrale Elektronenakzeptoren dienen. Der Elektronenfluss beeinflusst die „Form“ des Enzyms in der Weise, dass ionisierbare Gruppen des Protonentunnels H+-Ionen weiterreichen und über die innere Membran aus dem Mitochondrium herauspumpen. Wie wird der entstandene Ionengradient für die „Energieproduktion“ genutzt? => F1Fo-ATPase.

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Energetics of Life

NAD+ +2H+ + 2e-

workfree enthalpy(biosynthesis,

motility, membrane potentials, ...)

redox potentialelectrochemical membrane potential

chemical (phosphorylation) potentialNADH + H+ / NAD+ + 2H+ + 2e-

!μ

ATP / ADP+Pi

!μH+

(glucose

CO2 + H2O, light absorption, ...)

NADH + H+

ADP + Pi

ATP

Zusammenfassung „Bioenergetik“: Ziel der Einheit war es, die energiebildenden Vorgänge in der Zelle drei Prinzipien zuzuordnen, (1) Energiespeicher Phosphosäureanhydridbindung, (2) Redox-Potential und (3) elektrochemisches Membranpotential.

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Energetics of Life

NAD+ +2H+ + 2e-

workfree enthalpy(biosynthesis,

motility, membrane potentials, ...)

redox potentialelectrochemical membrane potential

chemical (phosphorylation) potentialNADH + H+ / NAD+ + 2H+ + 2e-

!μ

ATP / ADP+Pi

!μH+

(glucose

CO2 + H2O, light absorption, ...)

GlycolysisNADH + H+

ADP + Pi

ATP

!G = !G°‘ + RT ln" cprocucts

" ceducts

Zusammenfassung „Bioenergetik“: Ziel der Einheit war es, die energiebildenden Vorgänge in der Zelle drei Prinzipien zuzuordnen, (1) Energiespeicher Phosphosäureanhydridbindung, (2) Redox-Potential und (3) elektrochemisches Membranpotential. Schritt 1: Glycolyse - Beachte: die tatsächlichen freien Enthalpien hängen von den Konzentrationen der Reaktionspartner ab.

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Energetics of Life

NAD+ +2H+ + 2e-

workfree enthalpy(biosynthesis,

motility, membrane potentials, ...)

redox potentialelectrochemical membrane potential

chemical (phosphorylation) potentialNADH + H+ / NAD+ + 2H+ + 2e-

!μ

ATP / ADP+Pi

!μH+

(glucose

CO2 + H2O, light absorption, ...)

!E = !E°‘ - ln coxcred

RTz·F

GlycolysisNADH + H+

ADP + Pi

ATP

!G = -z·F·!E

Citric Acid Cycle

!G = !G°‘ + RT ln" cprocucts

" ceducts

Zusammenfassung „Bioenergetik“: Ziel der Einheit war es, die energiebildenden Vorgänge in der Zelle drei Prinzipien zuzuordnen, (1) Energiespeicher Phosphosäureanhydridbindung, (2) Redox-Potential und (3) elektrochemisches Membranpotential. Schritt 2: Citratzyklus - Beachte: die tatsächlichen freien Enthalpien hängen von den Konzentrationen der Reaktionspartner ab.

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Energetics of Life

NAD+ +2H+ + 2e-

workfree enthalpy(biosynthesis,

motility, membrane potentials, ...)

redox potentialelectrochemical membrane potential

chemical (phosphorylation) potentialNADH + H+ / NAD+ + 2H+ + 2e-

!μ

ATP / ADP+Pi

!μH+

(glucose + O2

CO2 + H2O, light absorption, ...)

!E = !E°‘ - ln coxcred

RTz·F

GlycolysisNADH + H+

Respiratory Chain

!G = !µH+ = 2.3 R·T !pH + z·F·!Ψ

ADP + Pi

ATP

!G = -z·F·!E

Citric Acid Cycle

!G = !G°‘ + RT ln" cprocucts

" ceducts

Zusammenfassung „Bioenergetik“: Ziel der Einheit war es, die energiebildenden Vorgänge in der Zelle drei Prinzipien zuzuordnen, (1) Energiespeicher Phosphosäureanhydridbindung, (2) Redox-Potential und (3) elektrochemisches Membranpotential. Schritt 3: Atmunsgkette - Beachte: die tatsächlichen freien Enthalpien hängen von den Konzentrationen der Reaktionspartner ab.

Bio-Thermodynamics

Glycolysis

Energy of ATP

Redox Energy

Membrane Potential

Pyruvate Dehydrogenase

Tricarboxylic Acid Cycle

Mitochondria

Energetics of Life

NAD+ +2H+ + 2e-

workfree enthalpy(biosynthesis,

motility, membrane potentials, ...)

redox potentialelectrochemical membrane potential

chemical (phosphorylation) potentialNADH + H+ / NAD+ + 2H+ + 2e-

!μ

ATP / ADP+Pi

!μH+

(glucose

CO2 + H2O, light absorption, ...)

!E = !E°‘ - ln coxcred

RTz·F

GlycolysisNADH + H+

Respiratory Chain

!G = !µH+ = 2.3 R·T !pH + z·F·!Ψ

ADP + Pi

ATP

H+

!G = -z·F·!E

Citric Acid Cycle

ADP + Pi

!G = !G°‘ + RT ln" cprocucts

" ceducts

Zusammenfassung „Bioenergetik“: Ziel der Einheit war es, die energiebildenden Vorgänge in der Zelle drei Prinzipien zuzuordnen, (1) Energiespeicher Phosphosäureanhydridbindung, (2) Redox-Potential und (3) elektrochemisches Membranpotential. Schritt 3b: ATP-Synthese durch die F1Fo-ATPase - Beachte: die tatsächlichen freien Enthalpien hängen von den Konzentrationen der Reaktionspartner ab.