Physiologie. Transpiration: bedeutet Abkühlung für die Pflanze; Haarfilz, Borke,...schützt vor Sonne.

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1 Physiologie beschäftigt sich mit den Lebensvorgängen. Jeder Lebensvorgang benötigt Energie. Es müssen Stoffe aufgenommen, verarbeitet und abgebaut werden. Jeder Organismus ist ständigem Auf- und Abbau unterworfen (Mensch, Erneuerung außer Gehirn: 7 Jahre). Autotrophe Organismen: Dazu gehören Pflanzen und einige Bakterien. Sie stellen organische Stoffe aus anorganischer Substanz her. Durch Abbau entsteht Energie: - Atmung (Photoautotrophe Organ.: Bakterien, gr. Pflanzen) - Gärung (Chemosynthese Organismen: Bakterien) Heterotrophe Organismen: Sie nehmen organ. Substanz aus der Umwelt auf. Konsumenten: Bakterien, Tiere, Menschen, Pilze, Schmarotzer; alle Wesen, die nicht Photosynthese machen und Pflanzen, wenn Licht fehlt. Assimilation - Dissimilation: Lebewesen bestehen aus organ. Substanzen. Tierische Organe: Vitaminaufnahme, Pflanzen: Gesetz des Minimums: J. v. Liebig, 1840: der Ertrag bzw. das Wachstum einer Pflanze wird von jenem Element bestimmt, das sich im Minimum befindet. (N, K, P;) - 4 Felderversuch: 1. Nichts düngen 2. Stickstoff 3. Phosphor 4. Kalium Es kann herausgefunden werden, welches Element sich im Minimum befindet! 1) Assimilation Aufnahme aller Stoffe, die ein Organismus zum Aufbau seines Köpers braucht und deren Einbau in die Körpersubstanz: Aufbau der Stoffe Es gibt autotrophe und heterotrophe Organismen. Pflanzen machen Kohlenstoffassimilation. Dissimilation: Vorgänge, die dem Abbau der Körpersubstanz dienen: 1. Atmung 2. Gärung Stoffwechsel und Umwelt: Stoffwechselvorgänge sind direkt oder indirekt von der Umwelt abhängig: Niederschläge, Temperatur, Licht Enzyme sind besonders temperaturanfällig. Manche Organismen brauchen eine best. Temperatur: - Sänger (37 C) - Vögel (>40 C) Transpiration: bedeutet Abkühlung für die Pflanze; Haarfilz, Borke,...schützt vor Sonne. Manche Blütenstände haben eine höhere Temperatur als der Rest der Pflanze (Tropenpflanzen). - Es werden Duftstoffe abgegeben. 1

2 Licht: wichtigster Faktor für die Pflanze Enzyme: (S. 25) = Biokatalysator Für den raschen Ablauf von chem. Vorgängen werden im Körper best. Eiweißsubstanzen eingesetzt. Ein Enzym ist eine Kette von Aminosäuren: Enzym: räumlich: kugelförmig oder walzenförmig, d. h. jedes Enzym hat eine individuelle räuml. Struktur. Das aktive Zentrum paßt nur zu einem best. Enzym. Die Form kann zerstört werden (denaturiert) - durch Säuren, Hitze, Laugen, Schwermetalle. Die Giftigkeit liegt in der Fähigkeit zur Schädigung von Enzymen. Enzyme haben an einem Ende eine Aminogruppe ( NH 2 ), am anderen eine COOH Gruppe (Carboxylgruppe). Es werden 2 Aminosäuren verkettet: H N HOOC H H 2 O Die Ausgangsstoffe für chem. Reaktionen heißen Substrate, am Ende steht das Produkt. Enzyme bringen Moleküle, die an einer chem. Reaktion teilnehmen, in eine räumlich so vorteilhafte Position zueinander, daß die Aktivierungsenergie erheblich gesenkt werden kann. Enzyme gehen aus der Reaktion unverändert hervor, deshalb: Biokatalysator. Coenzyme: Moleküle, (nicht Eiweiße) die lose an die Enzymmoleküle gebunden sind und bei einer chem. Reaktion mit den Eiweißen zusammenarbeiten. Prostethische Gruppen: =keine Eiweiße; fest an das Molekül gebunden. Abb : Modell einer Enzymreaktion (Bei Reaktion bildet sich ein Enzymkomplex: Substrat setzt sich am aktiven Zentrum fest. Das Produkt löst sich vom Zentrum ab. Das Enzym bleibt unverändert, es kann neu reagieren. Regulation: Stoffwechselvorgänge müssen reguliert werden. Ausgangssubstanzen - Endprodukt. St. werden von Herstellungsprodukten kontrolliert und gesteuert. Im Körper gibt es unterschiedliche Mechanismen, die kontrollieren und steuern: Regelung der Enzym - Aktivität Es kann ein best. gebildetes Molekül od. ein entstandenes Reaktionsprodukt d. räumlichen Aufbau d. Enzyms verändern. Erst wenn das Endprodukt aufgebraucht ist, wird das Enzym verändert und wieder aktiv. ATP: Adenosintriphosphat; Abb Energiereiches Molekül. Energie ist in chem. Form gespeichert. Durch Abspaltung einer Phosphateinheit wird Adenosindiphosphat (ADP) gebildet. Dabei wird Energie frei. Diese wird gebraucht für: 2

3 Plasmaströmungen Muskelbewegungen Aktive Stoffaufnahme durch Membran Eiweißerzeugung... Kreatinphosphat: Stoff, in dem Energie in chem. Form gespeichert ist. (Zeitungsartikel über Kreatin - siehe Heft!) Energieversorgung: = biolog. Oxidation des reduzierten Kohlenstoffs; (Atmung, Gärungen) Quellen: 1) organ. Substanz wird in der Zelle selbst hergestellt. 2) Sie wird aus zellulärer Umgebung aufgenommen Photoautotrophe und chemoautotrophe Organismen sind wichtige Lieferanten für reduzierten Kohlenstoff (organ. Substanz) Primäre Produzenten; Photosynthese S (6 CO H 2 O kcal. C 6 H 12 O H 2 O + 6O 2 ) = Kohlendioxid Assimilation (CO 2 ) Photosynthese ist die wichtigste chem. Reaktion der Erde: Anorganische Substanz wird übergeführt in organische Substanz (CO 2, H 2 O C 6 H 12 O 6 ; Nebenprodukt Sauerstoff) Kohlendioxid wird in Biomasse umgewandelt. Jede Verbrennung erzeugt CO 2. Alle heterotrophen Organismen leben direkt oder indirekt von den autotrophen. a) Anatomische und Chemische Grundlagen: Ion: elektrisch geladenes Teilchen; Anion, Kation; Reduktionsmittel: H (Wasserstoff), Elektronen (e - ) Reduktion: Vorgang, bei dem einem Atom oder Molekül ein Reduktionsmittel zugeführt wird. Danach befindet sich das Atom oder Molekül im reduzierten Zustand. Oxidationsmittel: Sauerstoff (O), fehlende Elektronen Oxidation: Vorgang, bei dem O zugeführt wird oder Elektronen entzogen werden. Danach befindet sich das Elektron oder Molekül im oxydierten Zustand. Photosynthese: In den Chloroplasten, dort, wo auch Assimilation gemacht wird. (Laub, Stamm) b) Energetische Grundlagen: 3

4 Der Kohlenstoff der organischen Substanz ist reduziert. Diese Stofe heißen Kohlenwasserstoffe. Beim Übergang vom reduzierten zum oxydierten Zustand kann beim Stoffwechsel Energie freigesetzt werden. (z. B.: Atmung) C 6 H 12 O 6 energiereich Energie frei Energie nötig CO 2 energiearm (z. B.: Photosynthese) Für die Photosynthese ist notwendig: Licht (Energie) Photosynthesepigmente (Chlorophylle) Wasser (Boden) Kohlendioxid Chlorophylle: Mit ihrer Hilfe wird Lichtenergie eingefangen. Es vermittelt, daß Lichtenergie in chem. Energie umgewandelt wird. Chlorophyll a 2 Photosysteme (1, 2) Chlorophyll b Absorptionsmaximum: Abb Bei verschiedenen Wellenlängen Chlorophyll ist ähnlich aufgebaut wie Hämoglobin, es besteht aus 2 Molekülteilen (Kopf- und Schwanzteil). Der Kopf besteht aus mehreren Ringen, das Zentralatom ist Magnesium. Im Kopf sind viele Doppelbindungen, die die Lichtenergie aufnehmen. Der Kopfteil ist auch verantwortlich für die grüne Farbe (wasserlöslich). Der Schwanzteil ist eine lange Kohlenstoffkette und fettlöslich. Über ihn ist das Molekül in den Chloroplasten befestigt. Carotinoide: gelb - orange Farbstoffe; Vorstufe von Vitamin A; Sie haben mit der Photosynthese nichts zu tun. Teilreaktionen der Photosynthese: gliedert sich in 2 Abschnitte: 1. Lichtreaktion 2. Dunkelreaktion 1)Lichtreaktion: Teil, indem das Licht Elektronen aus den Chlorophyllmolekülen freisetzt, ATP gebildet wird und H 2 an ein Coenzym gebunden wird. 1. Lichtreaktion 2. Lichtreaktion ad 1. ADP + P Licht, Chlorophyll ATP ad 2. Photolyse (= Wasserzerlegung) 4

5 2 H 2 O Licht, Chlorophyll 2 H 2 + O 2 wird an NADP + gebunden Endprodukte der Lichtreaktion: ATP NADPH + H + Diese gehen in die Dunkelreaktion über. Die Lichtreaktion läuft im Grana - Bereich der Chloroplasten ab. 2) Der Calvin - Zyklus (= Dunkelreation) Nach Melvin Calvin ( Nobelpreis 1961); ist der zweite Teil der Photosynthese, ein Kreisprozeß, der kein Licht benötigt. 6 CO NADPH + H ATP C 6 H 12 O H 2 O + 12 NADP ADP + 18 P 6 C 6 12 NADPH + H + 6 C C 3 12 NADP 6 CO 2 Carboxilierung 6 C C 3 Ribulosebiphosphat 2 C 3 Traubenzucker 6 C 5 Akzeptor 10 C 3 C 6 Stärke 6 ADP Speicherprodukt 6 C 5 Zwischenprodukte 6 ATP Die Dunkelreaktion läuft im Stroma ab. Am Beginn steht Zucker (Ribulosebiphosphat). Er bindet das CO 2 (Akzeptor). Der Vorgang heißt Carboxilierung. Zwischenprodukt: C 6 Körper, er zerfällt in 2 C 3 Körper, die relativ energiearm sind, deshalb werden sie mit ATP in energiereiche Substanz umgewandelt. Der in NADPH + H bereitgestellte H 2 dient als Reduktionsmittel. Hier: Verknüpfung mit der Lichtreaktion. Aus je zwei der energiereichen C 3 Körper bildet sich ein Molekül Traubenzucker (C 6 H 12 O 6 ), das meist in Form von Stärke gespeichert ist. Die überwiegende Menge der C 3 Körper wird über Zwischenprodukte wieder in das Ausgangsprodukt des C 5 Körpers übergeführt, dabei ist Energie (ATP) notwendig. Das Einfangen des CO 2 durch Zucker hat eine bes. Bedeutung, weil CO 2 in die Biomasse gebunden wird und so dem Treibhauseffekt entgegen wirkt. Es entstehen Zucker und Stärke. 5

6 2) Abweichende Wege in der Bildung organ. Substanzen: Unterschiede: - Bei der Photosynthese liefert das Wasser 1. Elektronen 2. Wasserstoff H 2 - Wasser wird als Wasserstoffdonator bezeichnet (Photosynthese). grüne Pflanzen. - Manche Bakterien bekommen von anderen Stoffen den H 2 und die Elektronen. Schwefel - Purpur - Bakterien: Sie sind grün oder rot und besitzen Bakterienchlorophyll. Als Wasserstoffdonator dient Schwefelwasserstoff (H 2 S), zum Beispiel am See, wo organ. Substanz fault. Chemoautotrophe Bakterien: Sie brauchen keine Farbstoffe, die das Licht einfangen, sie gewinnen Lichtenergie aus der Oxidation anorgan. Stoffe. Knallgasbakterien, die den H 2 oxydieren - es entsteht Knallgas (H, O) Schwefelbakterien, die H 2 S oxydieren Nitritbakterien, die Ammoniak (NH 3 ) oxydieren und Pflanzen den Sickstoff zugänglich machen. Sie machen aus Nitrit Nitrat. (NO 2 NO 3 ) Nitratbakterien, s. Nitritbakterien Eisenbakterien, die Eisen durch Entzug von Elektronen (Reduktionsmittel) oxydieren. Methanbakterien, die CO 2 durch direkte Anlagerung von H 2 an O 2 reduzieren. Methan trägt zum Treibhauseffekt bei. Es entsteht in großen Mengen in Rindermägen. Allgemein entsteht Methan dort, wo Luftabschluß unter Wasser ist. 2) Dissimilation: Abbau der organischen Substanzen: Organische Substanzen werden oxydiert (= Entzug von H 2 und Elektronen) oder mit Sauerstoff verbrannt Energiegewinn. Endprodukte: CO 2 und H 2 O; diese sind energiearm. In den Zellen geschieht eine biologische Oxidation, die in kleinen Schritten abläuft. Organische Substanz wird langsam, mit Hilfe von Enzymen, abgebaut. Die freigewordene Energie wird zum Aufbau von ATP verwendet. Ein Teil der Energie Wärme (kein Licht!) 6

7 Während der Evolution der Organismen entwickelten sich verschiedene Formen der biolog. Oxidation - die Atmung und die Gärung sind die häufigsten. a) Atmung: C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O ( kj) Alle Substanzen, die über die Atmung abgebaut werden, müssen vorher in Zucker (4x) oder in andere Zwischenprodukte des Atmungsstoffwechsels übergeführt werden. (Eiweiße, Fette, Stärke) 1. Atmung: tierische und pflanzliche gleich 2. Atmung: eigentliche A., 3 Hauptschritte a) Glykolyse b) Zitronensäurezyklus c) Atmungskette Zucker Glykolyse Gärung Benztraubensäure Gärung Acetyl - Coenzym A = aktivierte Essigsäure CO 2 Zitronensäurezyklus CO 2 = Krebszyklus H H ADP + P ATP ADP + P ATP ADP + P ATP Atmungskette 2H + O H 2 O 1) Glykolyse: Sie läuft im Zellplasma ab und ist anaerob, das heißt, daß kein Sauerstoff benötigt wird. Dabei wird Traubenzucker mit Hilfe von ATP energiereicher gemacht. Aus dem C 6 Körper werden 2 C 3 Körper; ab hier wird alles verdoppelt. Nach einigen Schritten entsteht ein C 3 Körper, genannt Benztraubensäure oder Pyruvat. Ist ab dem nächsten Reaktionsschritt kein O 2 vorhanden, kann die Atmungskette nicht ablaufen und es wird kein ATP gewonnen. Um trotzdem Energiegewinn zu haben, gibt es die folgenden 2 Schritte: 1) Milchsäuregärung (Muskelkater) 2) Alkoholische Gärung (Ethanol) Die nächsten Schritte laufen in den Mitochondrien ab. Oxydative Decarboxylierung der Benztraubensäure: 7

8 Sie wird durch Abspaltung von H 2 und CO 2 und durch Anlagerung vom Coenzym A zum C 2 Körper, genannt Acetyl Coenzym A oder aktivierte Essigsäure. Diese tritt in den Kreisprozeß ein. 2) Zitronensäurezyklus: Er läuft in den Mitochondrien ab und hat geringen Energiegewinn. Er ist ein wichtiger biochemischer Schaltprozeß im Stoffwechsel. Das Acetyl Coenzym A verbindet sich mit einem C 4 Körper zur Zitronensäure (C 6 Körper), es wird 2 mal CO 2 abgespalten, es entsteht ein C 4 Körper,... Zwischendurch wird H 2 frei, der ursprünglich an ein Coenzym gebunden war. ATP wird gebildet. 3) Atmungskette: = Endoxidation; Sie wird durch Sauerstoffanwesenheit gesteuert (Atemluft ist notwendig). Dabei kommt es zu einer Verbindung des O 2 mit H 2 H 2 O. Während des letzten Reaktionsschrittes werden die Elektronen vom H 2 getrennt und direkt auf den O 2 übertragen. Es wird ein abrupter Ausgleich des Energiegefälles verhindert Knallgasreaktion). Dieser Vorgang liefert viel ATP. Wenn 180 g Glucose in reinem O 2 vollständig verbrannt werden, werden 36 ATP (= 1100 kj), bei einem Wirkungsgrad von 40 %. Die ATP stehen überall in der Zelle zur Verfügung Transporte. b) Gärungen: Sie sind dann notwendig, wenn in einem Lebensraum der O 2 Gehalt unter 1 % sinkt und keine Atmung mehr möglich ist. Meeresböden ( Hot Spots ) Moore Gärtanks unbelüftete Komposthaufen, Silos, Mülldeponie; Manche Organismen können umschalten (von Atmung auf Gärung). Den Umschaltpunkt nennt man den Pasteur - Punkt. Andere leben ausschließlich von der Gärung. Fast alle natürlichen organischen Stoffe können mit Gärung abgebaut werden. Gärungen liefern nur 1/20 der Energie der Atmung. Die Organismen müssen deshalb innerhalb kurzer Zeit viel an organ. Substanz umsetzen, und das sehr rasch. Solche Organismen haben eine relativ große Oberfläche. Biotechnologie: In kurzer Zeit wird viel umgesetzt. Bei Gärungen werden die Substanzen nicht zur in CO 2 und H 2 O zerlegt. Die Endprodukte enthalten noch Energie. Gärungen werden vorwiegend von Bakterien ausgeführt, aber auch von Zellen (Gewebe), z. B.: Erdstämme der Teichrosen - alkohol. Gärung mit Ethanol GB: Schnapslilie Netzhaut von Tieren Muskelkater: 8

9 Bei Überbeanspruchung wird Milchsäure gebildet, die sich in der Muskulatur ansammelt (andere Theorie: kleine Risse in den Muskelfasern). 1) Alkoholische Gärung: Ausgangsprodukt: Glucose C 6 H 12 O 6 (zuckerhaltige Flüssigkeit, Traubensaft,...) Die Hefezellen, die schon am Obst haften, werden aktiv. C 6 H 12 O 6 2CH 3 CH 2 OH + CO 2 Ethylalkohol = Ethanol CO 2 ist schwerer als Luft, dies ist besonders bedeutend im Weinkeller, deshalb nimmt der Winzer eine Kerze und stellt sie in den Keller, ist der CO 2 Gehalt hoch, erlischt sie. Hefepilz: Hefe ist die älteste Kulturpflanze und wird verwendet zur Erzeugung von Alkohol. Ethanol: ist energiereich; 2) Essigsäure - Gärung: Ausgangsprodukte bei der Herstellung von Essig: Most, Wein; Der erste Schritt entspricht der alkoholischen Gärung. Im letzten Schritt wird der Luftsauerstoff für die Wasserbindung herausgezogen (oxyidative Weiterverarbeitung von Ethanol). 3) Milchsäure - Gärung: Milch, Sauerkraut, Silofutter; Die Milsäurebakterien sind aktiv. Sie wirkt konservierend und hemmt die Vermehrung von fremden Bakterien. C 6 H 12 O 6 2CH 3 CH OH COOH =Milchsäureg. 4) Buttersäure - Gärung: Ranzig werden der Butter; 9