Die Zelle als energetisches System

Zusammenfassung

Alle Lebensprozesse sind mit energetischen Zustandsänderungen verknüpft Energie, d.h. die Fähigkeit Arbeit zu leisten, tritt in der anorganischen Natur in verschiedenen Erscheinungsformen auf (z.B.als mechanische Energie, Lichtenergie, elektrische Energie oder Wärmeenergie). Im Rahmen der Physik beschreibt die Thermodynamik die Gesetzmäßigkeiten, nach denen die verschiedenen Energieformen ineinander umgewandelt werden können. Diese Gesetze und die dafür geprägten Begriffe wie Enthalpie, freie Enthalpie, Entropie, chemisches Potential usw. können im Prinzip auch auf die lebendigen Systeme angewandt werden. Die Auffassung erscheint berechtigt, daß sich lebendige und nicht-lebendige Systeme lediglich im Grad ihrer Komplexität unterscheiden und daß demgemäß alle Gesetze der Physik wenigstens potentiell auch Gesetze der Biologie sind. Dies bedeutet allerdings nicht, daß die physikalischen Gesetze ausreichen, um die biologischen Systeme erschöpfend zu beschreiben. Gerade bei der Anwendung der Thermodynamik auf die Energetik lebendiger Systeme zeigen sich die enormen Schwierigkeiten, welche stets dann auftreten, wenn komplexe Systeme radikal vereinfacht werden müssen, um für eine gesetzhafte Beschreibung überhaupt zugänglich zu werden. Dieses Vorgehen hat zur Folge, daß die formalistische, energetische Betrachtung biologischer Prozesse meist fiktive Resultate liefert, die häufig nur qualitative Aussagen über reale Prozesse zulassen. Trotz dieser gravierenden Einschränkung ist die Bioenergetik — die Thermodynamik lebendiger Systeme — ein sehr leistungsfähiges Instrument, um die Richtung und die energetische Ausbeute biologischer Reaktionen im Prinzip verständlich zu machen. Für diesen Zweck wird die Bioenergetik in den folgenden Kapiteln häufig herangezogen. Wir müssen uns daher in den folgenden Abschnitten kurz mit den Grundlagen dieser biophysikalischen Wissenschaft vertraut machen, wobei wir uns weitgehend auf den Bereich der reversiblen Thermodynamik beschränken. Wir verzichten also auf den Begriff der Zeit und betrachten lediglich Gleichgewichtszustände, genauer gesagt: Unterschiede zwischen Gleichgewichtszuständen. Zur Beschreibung der Triebkraft biochemischer oder biophysikalischer Prozesse werden Zustandsgrößen in Form von Potentialen formuliert, z. B. Wasserpotential, elektrochemisches Potential, Membranpotential, Redoxpotential. Im folgenden Kapitel werden diese Potentiale aus der allgemeinen Gleichung des chemischen Potentials abgeleitet und ihre Bedeutung für die Energetik physiologischer Prozesse besprochen.