Stoff- und Energiewechsel

Alle Organismen benötigen Energie zur Aufrechterhaltung ihrer Lebensfunktionen. Sie bauen Zellmaterial auf, Wachsen und Vermehren sich, für all diese Prozesse ist Energie unbedingt notwendig. Zur Energiegewinnung werden körpereigene Stoffe auf- und/oder abgebaut.

Stoff- und Energiewechsel

1. Assimilation

Aufbauende Stoffwechselvorgänge bezeichnet man auch als Assimilation. Dies ist der Aufbau körpereigener Stoffe aus körperfremden Stoffen unter Energieverbrauch. Hierzu gehören der Aufbau von Zellmaterial für Wachstum und Vermehrung oder der Aufbau von Speicherstoffen zur Energiegewinnung, diese werden im Rahmen dissimilatorischer Prozesse genutzt.

1.1. Heterotrophe Assimilation

Unter heterotropher Assimilation versteht man den Aufbau körpereigener organischer Stoffe aus körperfremden organischen Stoffen. Die Verdauung umfasst alle Vorgänge der mechanischen und chemischen (enzymatischen) Aufspaltung der Nahrung zu Resorbierbaren Stoffen. Bei Prokaryoten (Procyte) erfolgt die Nahrungsaufnahme Intrazellulär mit Hilfe eines Vesikels. Bei allen anderen Lebewesen erfolgt die Verdauung extrazellulär also ausserhalb der Zellen. Bestimmte Stoffe sind auch ohne Verdauung resorptionsfähig (z.Bsp. Wasser, Salze, Alkohol, Nikotin, Vitamine).

Enzyme werden in drei Hauptgruppen unterteilt. Kohlenhydrat spaltende Enzyme nennt man Larbohydrasen. Fett spaltende Enzyme nennt man Liposen. Eiweiss spaltende Enzyme nennt man Proteasen.  Vorkommen bei: Mensch und Tier, den meisten Bakterien und Pilzen, nichtgrünen Pflanzen (z.Bsp. Fichtenspargel, Fleischfressende Pflanzen sind grün und betreiben Photosynthese, die verdauten Tiere dienen lediglich der Nahrungsergänzung um den in ihrer Umgebung vorherrschenden Stickstoffmangel auszugleichen)

1.1.1. Heterotrophe Assimilation bei Mensch und Tier

Ernährung ist die Aufnahme von Nahrungsstoffen für den Aufbau des Körpers und Aufrechterhaltung der Körperfunktionen. Nahrungszusammensetzung: Kohlenhydrate, Fette, Proteine, Wasser, Salze, Vitamine, Ballaststoffe

1.2. Autotrophe Assimilation

Autotrophe Organismen sind unabhängig von anderen Organismen und somit alleiniger Erzeuger organischer Substanz!

1.2.1. Photosynthese

Die Fotosynthese zeichnet sich aus durch die Umwandlung von Lichtenergie in Energie organischer Substanzen, Bildung organischer Stoffe aus CO2 und H2O sowie der Freisetzung von O2. Ohne Photosynthese wäre auf der Erde kein Leben möglich, da der lebenswichtige Sauerstoff während der Photosynthese gebildet wird nicht vorhanden wäre. Autotrophe Pflanzen sind der Beginn jeder Nahrungskette. Die Pflanze bildet organische Stoffe, diese ist somit die Nahrunsgrundlage für für jeden Konsumenten der keine organischen Stoffe bilden kann. Somit sind heterotrophe Lebewesen prinzipiell von autotrophen Lebewesen abhängig und heterotroph ernähren sich bis auf Pflanzen und wenigen Bakterien alle anderen Lebewesen. Praktisch alle Pflanzenteile die nicht grün sind, also kein Chlorophyll oder keine Chloroplasten enthalten, sind Photosynthetisch inaktiv. Umso höher die CO2 Konzentration desto mehr O2 wird produziert. Es kann nur soviel O2 produziert werden wie CO2 zur Verfügung steht. Stärke dient bei der Photosynthese als Energiespeicher. Durch den Gasaustausch über die Epidermisporen gelangt der Kohlenstoff für den Aufbau organischer Substanz in die Pflanze. Beispiele autotropher Organismen

  • Energielieferant (fossile Brennstoffe, Holz)
  • Nahrungliefernat (für Mensch und Tier -> Stärke- und Eiweisslieferant, Ölpflanzen)
  • Baustofflieferant
  • Medikamente (Digitalis, Tee, Arzneipflanzen)
  • Fasern (Baumwolle, Leinen, Bast)
  • Genussmittel (Nikotin, Coffein)
1.2.1.1. Ablauf der Photosynthese

Der Ablauf wird in zwei Prozesse eingeteilt, Primärprozess bzw. Lichtreaktion sowie dem Sekundärprozess der Dunkelreaktion. Wobei die Bezeichnung Dunkelreaktion missverständlich ist, da diese auch am Tag parallel zum Primärprozess abläuft. Der produzierte Sauerstoff stammt nicht aus dem Kohlenstoffdioxid sondern aus der Photolyse des Wassers während der Lichtreaktion.

12H2O + 6CO2 + Licht → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O + Energie
1.2.1.2. Primärprozess / Lichtreaktion

Im Primärprozess der Lichtreaktion ist Licht unbedingt nötig, in diesem ersten Reaktionsschritt wird der Energieträger ATP und NADPH+H+ bereitgestellt. Das ATP (Adenosintriphosphat) zerfällt zu ADP+P und setzt hierbei Energie frei die bei vielen Reaktionen benötigt wird. Das NADPH hingegen ist ein Coenzym das die Wasserstoffprotonen an sich bindet. In der Lichtreaktion werden wichtige Ausgangsstoffe für die Dunkelreaktion gebildet. ATP und NADPH+H+ sind Überträger von Energie in die Dunkelreaktion.

1.2.1.3. Sekundärprozess / Dunkelreaktion

Beim Sekundärprozess ist kein Licht nötig, wobei diese Reaktion auch am Tag abläuft. Schematischer Ablauf der Glucoseumwandlung…

ablauf_der_dunkelreaktion

1.2.1.4. Endprodukte der Photosynthese

O2 und H2O (Abgabe gasförmig über die Spaltöffnungen -> DIFFUSION) C6H12O6 ist Osmotisch wirksam (Umwandlung mit Hilfe von Enzymen zu osmotisch unwirksamer Stärke im Blatt) Am Tag überwiegt die Stärkeneubildung im gegensatz zur Zerlegung der Zuckermoleküle. In der Nacht wird die Stärke in Zucker umgewandelt und in alle Pflanzenteile Transportiert. Der Zucker ist wichtig für den Stoffwechsel und dient der Speicherung als Stärke oder Zucker.

1.2.1.5. Photosynthesebeeinflussende Faktoren

Photosynthesebeeinflussende Faktoren können biotisch wie auch abiotisch sein wobei letztere eine größere Auswirkung auf die Photosynthese haben.

1.2.1.6. Abiotische Umweltfaktoren
  • Zusammenhang zwischen dem Blattbau und der Photosynthese
  • Was sind Sonnen und Schattenpflanzen, Zusammenhang zur Photosyntheseleistung
  • Zusammenhang der Photosynthese für die Pflanzen und Menschen
1.2.1.7. Anwendungen in der Landwirtschaft

Gewächshaus

  • CO2 Begasung (dient der Dunkelreaktion)
  • Heizung (optimale Temperatur für die Enzymreaktion)
  • Belichtung (Im Primärprozess werden eichtige Ausgangsstoffe für die Dunkelreaktion gebildet)
  • Bewässerung (ohne Wasser keine Photosynthese, da die Poren geschlossen sind)

Ackerbau

  • Pflanzenabstand (zu eng stehende Pflanzen nehmen sich Licht und Mineralien)
  • Bodenauflockerung (Pflanzen können mehr Stoffe aus dem Boden aufnehmen, der Boden kann mehr Wasser speichern)

2. Wichtiges zur Verdauung

Verdauung ist der Abbau der aufgenommenen Nahrung in für Zellen resorbierbare (Kohlenhydrate, Fette, Eiweisse) Bestandteile. Das Prinzip der Oberflächenvergrösserung wird bereits beim zerkleinern der Nahrung durch die Zähne sowie auch im Dünndarm durch die Dünndarmzotten und zusätzlichen Mikrovillisaum angewandt. Das Emulgieren der Fette durch den Gallensaft bedient sich ebenfalls der Oberflächenvergrösserung.

2.1. Emulgiern

Zerteilen der Fett in kleinste Tröpfchen durch den Gallensaft

2.2. Peristaltik

Wellenförmige Muskelbewegungen des Verdauungstraktes dienen zum Transport der Nahrung.

2.3. Resorption

Aufnahme der in ihre Grundbausteine zerlegten Nährstoffe über die Dünndarmzotten ins Blut bzw. in die Lymphbahnen. Aufnahme aus dem Darmraum in die Dünndarmzellen -> Oft durch aktiven Stofftransport (Energieaufwändig) Aufnahme aus den Dünndarmzellen in Blutlymphe -> prinzip Osmose (ohne Energieaufwand)

3. Dissimilation

Die Dissimilation ist der Gegenpart zur Assimilation. Hier laufen abbauende Stoffwechselprozesse von statten. Zum Beispiel werden Fette unter Energiegewinnung abgebaut. Hier unterscheidet man die aerobe sowie die anaerobe Bedingung.

3.1. Energiegewinnung aus Glukose in 3 Stufen

  1. Glykolyse - Zerlegen von Glucose C6 in Pyruvat C3 im Zellplasma (Phosphorylierung liefert nötige Energie, ADP → ATP) 
    Ergebnis:
    Coenzym geb. Wasserstoff und C3-Körper » Mitochondrien
  2. Citratzyklus - C3 gelangt in Mitochondrien Innenraum und wird zu Essigsäure C2 und Kohlenstoffdioxid CO2 zerlegt, nun gelangt die Essigsäure in den Kreislauf » Bindet an den Akzeptor » Kohlenstoffdioxid wird abgespalten und Wasserstoff auf Coenzyme (FAD und NAD+) übertragen. 
    Ergebnis:
    grosse Mengen Coenzym gebundener Wasserstoff » Atmungskette und CO2 » Blut » Lunge
  3. Atmungskette - An Mitochondrien Membran (innen!). Bindung von ATP aus ADP+P, oxidative phosphorylierung unter O2 Verbrauch und Verbrauch der Protonen und Elektronen des Coenzym gebundnen Wassertstoffs. Also wird der Wasserstoff aus dem Citratzyklus unter Energiegewinnung zu Wasser oxidiert.

3.2. Atmung

Bei der Atmung unterscheidet man die äussere - die in der Lunge – sowie innere Atmung die in den Mitochondrien stattfindet. In der Lunge bzw. in den Lungenbläschen erfolgt ein Gasaustausch von CO2 und O2 auf Grundlage der Osmose mit dem Blut. Die innere Atmung in den Mitochondrien nennt man auch Zellatmung, hierbei wird Glucose mit sind die Mitochondrien und dieBedingungen für die Zellatmung sind: 

  • Sauerstoff (Lunge/Blut)
  • Glucose (Dünndarm/Blatt)
  • optimale Temperatur (da Enzyme wirken)

 
3.2.1. Zellatmung
3.2.2. Alkoholische-Gärung
3.2.3. Milchsäure-Gärung
Ausgangsstoff sehr energiereiche körpereigene organische Substanz sehr energiereiche körpereigene organische Substanz sehr energiereiche körpereigene organische Substanz
Endprodukt (EP) Wasser, Kohlenstoffdioxid Ethanol, Kohlenstoffdioxid Milchsäure
Energiegehalt der EP sehr Energiearm sehr Hoch sehr Hoch
Ausbeute für Zelle sehr Hoch viel Niedriger als bei der Zellatmung viel Niedriger als bei der Zellatmung
Summengleichung C6 H12 O6 + 6 O2 … wird zu 6 CO2 + 6 H2O + Energie C6 H12 O6 … wird zu 2 C2H5OH + 2 CO2 + Energie C6 H12 O6 … wird zu 2 C3H6O3 + Energie
Beispiele   Hefebakterien, diese können aerob wie auch anaerob Atmen. Ist genügend Sauerstoff vorhanden atmen die Hefebakterien aerob, ist kein Sauerstoff aber genügend Zucker vorhanden dann atmen die Hefebakterien anaerob also wird Glukose in Ethanol und Kohlenstoffdioxid umgewandelt. Muskelkater, ist bei einer körperlichen Anstrengung nicht genügend Sauerstoff vorhanden um die Zellatmung aufrecht zu erhalten bedienen sich – zur Überbrückung – unsere Körperzellen der Milchsäuregärung. Das heißt es wird Glucose in Milchsäure umgewandelt. (Diese wird in den Muskeln gespeichert - Muskelkater - und anschließend von der Leber abgebaut.)

3.2.4. Beeinflussung von Atmung und Gärung

Atmung und Gärung sind als enzymatische Reaktionen…

  • Temperaturabhängig -  Für einen bestimmten Temperaturbereich gilt: je höher die Temp., desto höher die Atmungsintensität (Winterschlaf, Winterknospen an Bäumen)
  • Faktor Wasser: Das Zytoplasma wechselt zwischen Sol- und Gelzustand je nach Aussentemperatur, ph-Wert und Salzgehalt. (Keimung von Samen, Aktivieren von Dauersporen, Selbstentzündung von Heu (Gärung)) Der Solzustand ist eher flüssig (Proteine frei um Wasser) mit einem hohen Stoffwechsel. Der Gelzustand ist eher fest (Proteine sind über Seitenketten miteinander verbunden) mit einem niedrigen Stoffwechsel. Denaturierung, nicht mehr umkehrbare Veränderung der Proteine.
  • Faktor CO2: je höher die CO2-Konzentration, desto geringer die Atmungsintensität. (stickige Luft und müde werden zum Beispiel in überfüllten Räumen)
3.2.5. Anwendungen in der Praxis
  • Bei der Lagerung von Obst und Gemüse versucht man den Substanzverlust durch Atmung zu verhindern. Bei niedrigen Temperaturen zum Beispiel im Trockener mit CO2 angereicherter Luft (außerdem Behinderung von Schimmelpilzen und Bakterien).
  • Mistbeete zur Temperaturerhöhung in Frühbeeten (auch CO2)
  • Korrekte Stalltemperaturen bei der Viehhaltung (bei Kälte Muskelzittern → Glucoseabbau → Substratverlust)
  • Temperaturoptimum bei alkoholischer Gärungen / Milchsäuregärungen in der Produktion
  • Lagerung von Saatgut (Getreide) trocken → sonst Atmung → Wärme → Feuer

3.3. Parallelen zwischen Photosynthese und Zellatmung

Beides sind Enzymreaktionen (Beeinflussbarkeit der Reaktionen). Beide enthalten Kreislaufprozesse mit Abhängigkeit (Calvin und Citratzyklus). Bei beiden gibt es Coenzym gebundenen Wasserstoff als Reduktionsstoff. Bei beiden Stoffwechselprozessen gibt es ATP als Energieliferant. Bei beiden Prozessen gibt es Enzyme die in Membranen verankert sind.

3.4. Zentrale Bedeutung der Zellatmung im Stoffwechselgeschehen

Beim Fasten zum Beispiel fehlt dem Körper die Nahrungszufuhr also Glucose, der Körper bedient sich nun an den Fettreserven. Bei einer Person (Muskelprotz) in einem Fitnessstudio benötigt der Körper viel Eiweiß um die Muskelmasse aufbauen zu können.