Fließgleichgewicht und thermodynamisches Gleichgewicht

Organismen leben von Freier Enthalpie:
Liegt eine chemische Reaktion vom $\text{A + B}\stackrel{}{\rightleftarrows }\text{C + D}$ vor, stellt sich nac h einer gewissen Zeit ein Gleichgewicht zwischen den Ausgangsstoffen A und B und den Endprodukten C und D ein. Seine Lage wird durch die thermodynamische Gleichgewichtskonstante K angegeben. Danach ist

$K\text{=}\frac{c\text{(C)}\cdot c\text{(D)}}{c\text{(A)}\cdot c\text{(B)}}$

wobei c(A) ... c(D) die Konzentrationen der Stoffe in Mol/pro Liter darstellen, die sich im Gleichgewicht eingestellt haben. Die Gleichgewichtskonstante K gibt an, wie weit das System vom Gleichgewichtszustand entfernt ist. Sie wird von der Konzentration der Stoffe bestimmt.

Je weiter die tatsächlichen Konzentrationen von den Konzentrationen des im Gleichgewicht befindlichen Systems entfernt sind, umso energiereicher ist das System. Das bedeutet für die Reaktion, dass umso mehr Energie freigesetzt werden kann, je weiter das System vom Gleichgewicht entfernt ist. Diese Energie wird Freie Enthalpie G genannt. Ihre Maßeinheit ist kJ/mol.

Freie Enthalpie

Wird bei einer Reaktion Energie frei, dann ist $\Delta G$ negativ. Die Reaktion verläuft exergonisch (Energie freisetzend). Ist $\Delta G$ positiv, verläuft die Reaktion endergonisch, d. h. unter Energieaufnahme. Die Reaktionen im Gleichgewicht laufen so lange ab, bis $\Delta G$ Null ist.

$\Delta G^{\circ }\text{=}RT\cdot \ln K$
T = absolute Temperatur
R = Gaskonstante

$K\text{< 1}\Rightarrow \Delta G^{\circ }\text{> 0}$
$K\text{> 1}\Rightarrow \Delta G^{\circ }\text{< 0}$

Nur ein System, das sich auf ein Gleichgewicht einstellt, kann Energie freisetzen. Wenn der Gleichgewichtszustand erreicht ist, ist die Freie Enthalpie $\Delta G$ gleich Null.

Fließgleichgewicht

Durch ständigen Stoffaustausch mit der Umwelt wird verhindert, dass sich ein Gleichgewicht der Reaktionen einstellt. Das von der lebenden Zelle aufrecht erhaltene Ungleichgewicht wird als Fließgleichgewicht bezeichnet. Es ist in der Abbildung modellhaft dargestellt.

Eine lebende Zelle stellt damit ein energetisch offenes System dar. Sie steht mit ihrer Umwelt in einem ständigen Austausch von Stoffen und Energie. Theoretische Grundlage solcher Vorgänge ist nicht die klassische Thermodynamik sondern die von LARS ONSAGER (1903-1976) 1931 begründete Nichtgleichgewichts-Thermodynamik. Aus ihr lässt sich ableiten, dass Leben nur fern vom thermodynamischen Gleichgewicht existieren kann. Dieser Zustand wird durch den ständigen Fluss von Stoffen und Energie aufrecht erhalten und ist damit wesentliches Merkmal des Lebens.