Praktikum Stoffwechselphysiologie
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Universität Ulm Praktikum Stoffwechselphysiologie WS 2011/2012 Versuch Temperatur/Stoffwechselhormone Gruppe XY Betreuer: Praktikanten: Versuchstag: Inhalt 1. Einleitung ............................................................................................................................... 4 2. Theorie ................................................................................................................................... 4 2.1 Temperatur ....................................................................................................................... 4 2.1.1 Einteilungsmöglichkeiten .......................................................................................... 4 2.1.2 Möglichkeiten zur Wärmeregulation ........................................................................ 6 2.1.3 Torpor ........................................................................................................................ 7 2.1.4 Gefrier- und Unterkühlungspunkt ............................................................................. 7 2.1.5 Molale Gefrierpunktserniedrigung ............................................................................ 7 2.1.6 Biologischer Regelkreis ............................................................................................ 8 2.1.7 Regulierung der Wärmeabgabe ................................................................................. 9 2.1.8 Das Stefan-Bolzmann-Gesetz.................................................................................. 11 2.1.9 Die RGT-Regel (vant´ Hoff´sche-Regel) ................................................................ 12 2.1.10 Ökogeographische Regeln ..................................................................................... 12 2.2 Stoffwechselhormone ..................................................................................................... 15 2.2.1 Definition des Begriffs Hormone ............................................................................ 15 2.2.2 Einteilung der Hormone .......................................................................................... 15 2.2.3 Wirkungsweisen der Hormone über Rezeptoren .................................................... 16 2.2.4 Regulation des Energiestoffwechsels beim Menschen ........................................... 17 2.2.5 Regulation des Energiestoffwechsels bei Insekten und Flugtypen ......................... 18 3. Material und Methoden ........................................................................................................ 19 3.1 Versuch T1: Verlauf der Erwärmung gefärbter Thermometer durch Strahlung ............ 19 3.2 Versuch T2: Messung der Gefrier- und Unterkühlungspunkte ...................................... 19 3.3 Versuch T3: Einfluss der Temperatur auf die Schlagfrequenz des Herzens von Daphnia magna ................................................................................................................................... 20 3.4 Versuch Stoffwechselhormone ...................................................................................... 20 4. Ergebnisse ............................................................................................................................ 21 4.1 Temperatur ..................................................................................................................... 21 4.1.1 Verlauf der Erwärmung gefärbter Thermometer durch Strahlung .......................... 21 4.1.2 Messung der Gefrier- und Unterkühlungspunkte .................................................... 23 4.1.3 Einfluss der Temperatur auf die Schlagfrequenz des Herzens von Daphnia magna ............................................................................................................................... 24 4.2 Stoffwechselhormone ..................................................................................................... 27 4.2.1 Bestimmung des Fettgehalts der Hämolymphe ....................................................... 27 2 5. Diskussion ............................................................................................................................ 29 5.1 Temperatur ..................................................................................................................... 29 5.1.1 Verlauf der Erwärmung gefärbter Thermometer durch Strahlung .......................... 29 5.1.2 Messung der Gefrier- und Unterkühlungspunkte .................................................... 30 5.1.4 Einfluss der Temperatur auf die Schlagfrequenz des Herzens von Daphnia magna .......................................................................................................................................... 31 5.2 Stoffwechselhormone ..................................................................................................... 32 5.2.1 Bestimmung des Fettgehalts der Hämolymphe ....................................................... 32 5. Quellen ................................................................................................................................. 33 3 1. Einleitung Bei den folgenden Versuchen ging es um die Temperatureinflüsse auf Thermometer und Organismen. Außerdem wurde untersucht, wie sich der Gefrierpunkt durch zusätzlich beigemischte Stoffe erniedrigen konnte. 2. Theorie 2.1 Temperatur 2.1.1 Einteilungsmöglichkeiten In allen Lebewesen sind die Lebensprozesse, d.h. die Stoffwechselaktivität von der Temperatur abhängig. Deshalb lassen sich Tiere in zwei Hauptgruppen einteilen: Die Homoiothermen (z.B. Säugetiere) und die Poikilothermen (z.B. Reptilien, Amphibien). Die ersteren sind in der Lage ihre Körpertemperatur aufgrund ihrer Stoffwechselaktivität relativ konstant auf einem Wert zu halten. Deshalb werden sie auch als gleichwarme Tiere bezeichnet. In Abbildung 1 ist die Temperaturabhängigkeit dieser Tiere gezeigt. Es ist erkennbar, dass die Intensität der Stoffwechselaktivität über einen großen Bereich gleichbleibend ist. Abbildung 1: Temperaturabhängigkeit der Stoffwechselaktivität bei Homoiothermen (Quelle: Praktikumsskript zum Versuch „Temperatur“, S.2) 4 Bei den Poikilothermen ist die Körpertemperatur abhängig von der Umgebungstemperatur, d.h. die Intensität der Lebensvorgänge hat nur in einem engen Temperaturbereich ein Optimum. Abbildung 2 zeigt deutlich den Unterschied gegenüber den Homoiothermen. Abbildung 2: Temperaturabhängigkeit der Stoffwechselaktivität bei Poikilothermen (Quelle: Praktikumsskript zum Versuch „Temperatur“, S.2) Zudem lassen sich Organismen auch noch darin unterteilen, durch welche Prozesse ihnen die Wärme zugeführt wird. Bei den Endothermen wird die Körperwärme durch den eigenen Stoffwechsel gestellt. Sie sind dadurch in der Lage, zumindest ihre Köperkerntemperatur auch bei stark schwankenden Außentemperaturen ziemlich konstant auf einem Wert zu halten. Zu dieser Gruppe gehören v.a. Säugetiere, aber auch Vögel, Insekten und manche Fische. Im Gegensatz dazu stehen die Ektothermen, die ihre Körpertemperatur ausschließlich aus der Umgebung beziehen, d.h. sie sind sehr stark von der Umgebungstemperatur abhängig. Hierzu gehören v.a. Reptilien, Amphibien und Fische. Außerdem gibt es eine Mischform, die sogenannten Heterothermen. Sie sind in der Lage bestimmte Körperabschnitte für einen kurzen Zeitraum um einige wenige Grad zu erwärmen. Als Beispiel sei hier der weibliche Python aufgeführt, der beim Bebrüten der Eier die Körpertemperatur um ein paar Grad erhöhen kann, um nicht die Umgebungstemperatur annehmen zu müssen. Diese Erhöhung der Stoffwechselaktivität geschieht über Muskelzittern. 5 2.1.2 Möglichkeiten zur Wärmeregulation Ektotherme Tiere Um einer Unterkühlung oder Überhitzung entgegenzuwirken, können diese Tiere Einfluss auf ihre Hautdurchblutung nehmen, um dadurch mehr oder weniger Wärme abzugeben. Dabei wird unterschieden zwischen der Vasokonstriktion (Verengung der Blutgefäße; weniger Wärmeverlust) und der Vasodilatation (Verbreiterung der Blutgefäße; großer Wärmeverlust). Da diese Tiere oft poikliotherm sind, müssen sie sich zuerst z.B. auf einem sonnigen Stein aufwärmen. Überschüssige Wärme kann über Konvektion, Strahlung oder Verdunstung (Evaporation) an die Umgebung abgegeben werden (siehe auch Abschnitt 2.7). Die Verdunstung kann direkt durch das Ausscheiden von Wasser (Schwitzen) geschehen und zusätzlich durch Respiration (Hecheln) verstärkt werden. Ebenfalls nutzen diese Tiere bestimmte Verhaltensweisen, um sich an die jeweilige Temperatur anzupassen. Dazu zählt z.B. das Aufsuchen eines schattigen Ortes oder auch der Torpor (siehe 2.3). Endotherme Tiere Auch bei diesen Tieren ist die Hautdurchblutung ein wesentlicher Bestandteil der Wärmeregulation. Endotherme Tiere verwenden das sogenannte Gegenstromprinzip: Die Arterien (vom Herzen wegführend) bringen das körperwarme Blut zu den Extremitäten. Dabei wärmen sie die gegenläufigen, parallel liegenden Venen, die das kalte Blut aus den Extremitäten zum Herzen führen. Der physikalische Hintergrund besteht darin, dass Wärme immer zu Stellen mit einer geringeren Temperatur fließt. Der Vorteil dieses Prinzips ist, dass das Blut im Herzen eine relativ konstante Temperatur hat. Das Gegenstromprinzip ist v.a. bei Vögeln und aquatischen Säugern wichtig, da über die Extremitäten sehr viel Wärme an die i.d.R. kalte Umgebung abgegeben wird. Kleine und neugeborene Säugetiere, sowie einige Vögel besitzen sogenanntes Braunes Fettgewebe, das sich durch eine große Anzahl an Mitochondrien auszeichnet. Außerdem ist es sehr gut durchblutet, so dass sich die entstehende Wärme sehr schnell im Körper verteilen kann. Die Wärmeentwicklung beruht darauf, dass die Mitochondrien nun kein ATP synthetisieren, sondern durch die Oxidation von Fettsäuren Wärme gewinnen. Die ATPSynthese wird durch das Membranprotein 6 Thermogenin gestoppt, da es den Protonenkreislauf, der die Atmungskette an die ATP-Synthase koppelt, kurzschließt. Den ganzen Vorgang nennt man zitterfreie Thermogenese. Er wird durch bestimmte Hormone stimuliert. Eine weitere Möglichkeit zur Temperaturregulation ist eine dicke Wärmeisolation, z.B. ein dickes Fell, dichtes Federkleid oder auch ein dickes Unterhautfettgewebe. Ebenso wie die Ektothermen sind auch die Endothermen in der Lage ihre Wärme durch Verhaltensweisen zu regulieren, die denen der Ektothermen ähnlich sind. 2.1.3 Torpor Unter Torpor versteht man verschiedene Varianten eines Starrezustandes. Als Beispiele seien der Winterschlaf, die Winterruhe und die Winterstarre genannt. Das Ziel ist hierbei extremen Bedingungen (Kälte, Hitze, Nahrungsmittelknappheit) auszuweichen. Dies wird erreicht, indem der Körper seine ganze Aktivität, v.a. die des Stoffwechsels, absenkt, um dadurch Nahrungs- und Energiereserven zu sparen. Manche Tiere (z.B. Bienen) fallen täglich in einen Torpor, um nachts Energie zu sparen. Sie steigern morgens ihre Aktivität durch aktives Kältezittern, wodurch sich ihr Körper wieder erwärmt. 2.1.4 Gefrier- und Unterkühlungspunkt Der Gefrierpunkt bezeichnet den Phasenübergang zwischen flüssig und fest. Er ist abhängig von der Substanz, der Reinheit des Stoffes und vom Druck. Dabei gilt: Je geringer der Druck, desto tiefer der Gefrierpunkt. Der Unterkühlungspunkt ist die Temperatur, bei der die Körperkerntemperatur so stark erniedrigt ist, dass sich Eiskristalle in den Körperflüssigkeiten bilden können. Die vitalen Funktionen sind zu diesem Zeitpunkt schon stark eingeschränkt. In der Regel entstehen dabei starke, irreversible Schäden, die auch den Tod des Organismus zur Folge haben können. 2.1.5 Molale Gefrierpunktserniedrigung Die Molalität (b) eines bestimmten Stoffes X ist temperaturunabhängig und lässt sich folgendermaßen berechnen: bx = nx mL (1) 7 Dabei steht nX für die Stoffmenge des gelösten Stoffes X, die sich auch mit mx /MX berechnen lässt. Der Term mL steht demnach für die Masse des verwendeten Lösungsmittels. Durch die Gefrierpunktserniedrigung lässt sich das Phänomen erklären, dass Lösungen im Vergleich zum reinen Lösungsmittel einen niedrigeren Schmelzpunkt haben. Abbildung 3 veranschaulicht diesen Vorgang. Abbildung 3: Graphische Darstellung der Gefrierpunktserniedrigung (Quelle: http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/11/aac/vorlesung/kap_7/kap7_5/kap7_53/grafik/gefrierpunkt_klein.gi f; 08.02.2012) Die tatsächliche Erniedrigung ist dabei nur von der Teilchenzahl des gelösten Stoffes abhängig. Je mehr Teilchen in Lösung gehen können, desto niedriger wird der Gefrierpunkt. 2.1.6 Biologischer Regelkreis Biologische Regelkreise dienen immer dazu einen Überblick über sämtliche Faktoren eines regulierbaren Vorganges zu geben. Abbildung 4 zeigt einen solchen biologischen Regelkreis für die Körpertemperatur. 8 Abbildung 4: Biologischer Regelkreis der Körpertemperatur (Quelle: http://www.abiunity.de/attachments/6785.bmp; 08.02.2012) Die Störgröße (hier: Temperaturschwankungen) werden über bestimmte Sensoren in der Haut wahrgenommen. Außerdem hat die Störgröße direkten negativen Einfluss auf die zu regulierende Größe (hier: Bluttemperatur). Die „gemessenen“ Daten werden mit dem Sollwert, der vom ZNS vorgegeben wird, (hier: ca. 36,5 °C Körpertemperatur) verglichen und das Regelglied (Hier: Hypothalamus) gibt den Befehl (Stellwert) weiter, der Störgröße entgegenzuwirken. Bei manchen biologischen Abläufen gibt es die Möglichkeit über verschiedene Stellglieder die Regelgröße positiv zu beeinflussen. In diesem Beispiel kann die Bluttemperatur über den motorischen Weg (Muskulatur, Atmung) und über den vegetativen Weg (Hautgefäße, Schweißdrüsen) reguliert werden. 2.1.7 Regulierung der Wärmeabgabe Aus der Physik ist bekannt, dass Wärmeabgabe immer nur von Körpern höherer Temperatur zu Körpern mit einer niedrigeren Temperatur stattfinden kann. Dabei sind die Geschwindigkeit und die Menge der abzugebenden/aufzunehmenden Wärme vom Material abhängig. Die spezifische Wärmekapazität gibt die Speicherfähigkeit von Wärme bezogen auf die Masse des Stoffes an. Sie gibt also an, welche Energie dem Stoff zugeführt werden muss, um seine Temperatur um ein Kelvin zu erhöhen. Die SI-Einheit der spezifischen Wärmekapazität ist folgende: J / (g ⋅ K) = kJ / (kg ⋅ K). 9 Bei lebenden Organismen unterscheidet man vier verschiedene Möglichkeiten, über die ein Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfinden kann (s. Abbildung 5). Abbildung 5: Wärmeaustausch zwischen einem Organismus und seiner Umgebung (Quelle: Campbell, Neil A. und Reece, Jane B., Biologie. Pearson Verlag, 8. Auflage, S.1168) Wärmeleitung (Konduktion) Unter Konduktion versteht man den direkten Austausch von thermischer Energie, d.h. Wärme, zwischen Objekten, genauer gesagt, zwischen deren Molekülen. Als Beispiel sei ein Salamander, der sich auf einem warmen Untergrund wärmt, genannt. Konvektion Konvektion beschreibt die Wärmeübertragung, die beispielsweise durch die Bewegung von Luft oder Wasser geschieht. Am Beispiel der Echse kann man sagen, dass Wind dazu führt, dass sich die Haut der Echse abkühlt. Ebenfalls zur Konvektion wird das bereits oben beschriebene Gegenstromprinzip gezählt, da auch hier ein Wärmetransfer von einer warmen zu einer kalten Region geschieht. 10 Strahlung (Radiation) Jeder Körper, der wärmer als der absolute Nullpunkt ist, strahlt mehr oder weniger stark Wärme ab. Dabei werden elektromagnetische Strahlen abgesendet, die ein anderer Körper aufnehmen kann. Der Vorteil dieses Wärmeaustauschs ist, dass die Körper nicht im direkten Kontakt zueinander stehen müssen. Ein Beispiel wäre hier die Sonne, die über eine sehr weite Entfernung Wärme absondert, die von Organismen auf der Erde absorbiert werden kann. Verdunstung (Evaporation) Bei dieser Möglichkeit kann der „überhitzte“ Körper Wärme abgeben, in dem Flüssigkeitsmoleküle (i.d.R. Wasser) verdunsten. Es entsteht sogenannte Verdunstungskälte, die einen stark kühlenden Effekt auf den Organismus ausübt. Der physikalische Hintergrund ist, dass die gasförmigen Moleküle sehr energiereich sind und Moleküle mit einer niedrigeren Energie an der Oberfläche des Organismus zurückbleiben. Dadurch, dass sie energieärmer sind, sind sie auch kälter und kühlen den Organismus. Als Beispiele seien das Schwitzen beim Menschen und das Hecheln beim Hund genannt. 2.1.8 Das Stefan-Bolzmann-Gesetz Das oben genannte Gesetz gibt die thermische Leistung an, die von einem idealen schwarzen Körper abgestrahlt wird. Außerdem ist die thermische Leistung von der Temperatur des Körpers abhängig. Bei einem idealen schwarzen Körper wird davon ausgegangen, dass er alle elektromagnetische Strahlen, die auf ihn treffen, absorbiert (Absorptionsgrad = 1). Auch wenn dies in der Natur nicht vollständig möglich ist, wird in der Physik davon ausgegangen. Formel (2) gibt das Stefan-Bolzmann-Gesetz an. P = σ ⋅ A ⋅T 4 (2) P Strahlungsleistung σ Stefan-Bolzmann-Konstante (5,670373 ± 0,000021) 10 A Fläche des schwarzen Körpers T absolute Temperatur W 8 m 2 K4 Über dieses Gesetz wird deutlich, dass sich die Strahlungsleistung eines schwarzen Körpers 11 proportional zu T4 verändert. Dies bedeutet, dass bereits eine Verdoppelung der Temperatur ausreicht, um die abgestrahlte Leistung um den Faktor 16 zu erhöhen. 2.1.9 Die RGT-Regel (vant´ Hoff´sche-Regel) Die RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel) beschreibt das Phänomen, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit von chemischen Reaktionen verdoppelt (manchmal sogar vervierfacht), wenn man die Temperatur um 10 K erhöht. Den genauen Faktor, um den sich die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht, kann über die Q10-Formel bestimmt werden (Formel (3)). (3) R1 Reaktionsgeschwindigkeit vor Erhöhung der Temperatur R2 Reaktionsgeschwindigkeit nach Erhöhung der Temperatur T2 Endtemperatur T1 Anfangstemperatur Der Nachteil dieser Formel ist, dass sie bei größeren Temperaturdifferenzen zunehmend ungenau wird. 2.1.10 Ökogeographische Regeln Unsere Erde ist in verschiedene Klimazonen eingeteilt und jede von ihnen hat ganz unterschiedliche Bedingungen, an die sich die Lebensaktivität eines Organismus anpassen muss. Die nachfolgenden Regeln sind dabei sehr wichtig, wobei die Regeln b) bis e) eine Ergänzung zu der Bergmannschen Regel darstellen. a) Bergmannsche Regel Diese Regel gilt in erster Linie für endotherme, homoiotherme Tiere und besagt, dass sich Tiere innerhalb einer Art in ihrer Körpergröße unterscheiden. Abbildung 6 zeigt diesen Unterschied anhand des Pinguins. 12 Abbildung 6: Bergmannsche Regel am Beispiel des Pinguins (Quelle: http://wizard.webquests.ch/pics/upload/373/grenvergleich_und_verbreitungsgebiete_von_vier_pinguinarten_400.jpg; http://wizard.webquests.ch/pics/upload/373/grenvergleich_und_verbreitungsgebiete_von_vier_pinguinarten_400.jpg; 10.02.2012) Es ist deutlich erkennbar, dass die Größe des Tieres zunimmt, je kälter seine Umgebungstemperatur wird. Grund dafür ist, dass die kleinen Vertreter in Äquatornähe mehr Wärme über ihre Körperoberfläche verlieren müssen, müssen, damit sie nicht überhitzen, als ihre größeren Verwandten in der Antarktis. Erklärbar ist diese Regel dadurch, dass sich bei zunehmender Größe auch das Volumen vervielfacht, ht, wodurch das Tier mehr Wärmeerzeugende Wärmeerzeugende Reaktionen 13 betreiben kann und mehr Möglichkeiten zur Isolierung hat. Wichtig ist dabei, dass sich die Oberfläche nur quadratisch erhöht, wohingegen das Volumen kubisch zunimmt. b) Allen´sche Regel Diese Regel gibt an, dass sich neben der Gesamtkörpergröße auch die Proportionalitäten von Körper zu Extremitäten (z.B. Schwanz, Ohren) bei homoiothermen Tieren verändert. Diesmal verläuft die Vergrößerung genau umgekehrt, wie die Abbildung 7 deutlich zeigt, da die Extremitäten in warmen Regionen besonders groß sind. Abbildung 7: Allen´sche Regel am Beispiel des Fuchses (Quelle: http://www.biologieunterricht.info/_Media/preview_fuechse.jpg; 10.02.2012) Grund ist auch hier, dass der Wärmeverlust gezielt erhöht, bzw. vermindert wird, damit die Körpertemperatur relativ konstant auf einem Wert gehalten werden kann. c) Hessesche Regel Da die Tiere in kälteren Regionen einen aktiveren Stoffwechsel besitzen, um ihre Körpertemperatur auf einem konstanten Wert zu halten, haben sie auch ein größeres Herzgewicht und –volumen. d) Glogersche Regel Diese Regel wird auch Pigmentierungsregel genannt und hat zwei wesentliche Bestandteile. Zum einen wurde beobachtet, dass Tiere in feuchteren Gebieten eine stärkere Fell-, bzw. Gefiederfarbe aufweisen, was vermutlich darauf zurückzuführen ist, dass in diesen Gebieten Bakterien leben, die helleres Gefieder schneller angreifen und zersetzen können. 14 Auf der anderen Seite ist bekannt, dass die Hautpigmentierung der Säugetiere (v.a. des Menschen) mit zunehmender Entfernung des Äquators abnimmt. Die Erklärung ist, dass die schädliche UV-Strahlung in höheren Breitengraden abnimmt. e) Renschsche Regel Eine weitere klimatische Anpassung ist die Anzahl und Länge der Oberhaare. So haben Tiere, die in wärmeren Regionen leben kürzere und weniger Fellhaare, als ihre verwandten Arten in kälteren Gebieten. 2.2 Stoffwechselhormone 2.2.1 Definition des Begriffs Hormone Hormone sind Botenstoffe, die von bestimmten Zellen gebildet werden und deren Wirkort sich in den allermeisten Fällen in anderen Zellen befindet. Sie wirken spezifisch und regulieren oft wichtige Stoffwechselwege. 2.2.2 Einteilung der Hormone Einteilung nach Bildungsort Hormone können nach ihrer Herkunft aus verschiedenen hormonbildenden Zellen oder Geweben eingeteilt werden: a) Neurohormone aus Neuronen: etwa die hypothalamischen Neuropeptide b) Hormone aus speziellen Hormondrüsen: Insulin und Glukagon aus den Inselzellen der Bauchspeicheldrüse; Adrenalin und Aldosteron aus der Nebenniere; Melatonin aus der Zirbeldrüse sowie Calzitonin aus der Schilddrüse c) Hormone aus Gewebe mit Hormonbildenden Zellen: Testosteron aus den Hoden; Vitamin D3 aus der Haut; Angiotensinogen aus der Leber Einteilung nach chemischer Struktur a) Protein- und Peptidhormone: z.B. Insulin und Glukagon; Calzitonin; Parathormon der Nebenschilddrüse b) Aminosäurederivate: Adrenalin, Noradrenalin und Dopamin; Serotonin und Melatonin c) Steroidhormone: z.B. Sexualhormone wie Östrogene und Testosteron d) Arachidonsäurederivate wie Prostaglandine e) Isoprenderivate: etwa Juvenilhormon bei Insekten 15 Einteilung nach Wirkungsort a) Autokrin: Diese Hormone wirken an der gleichen Zelle, an der sie auic hgebildet wurden. b) Parakrin: Die direkt benachbarten Zellen sind von er Wirkung betroffen. c) Endokrin: Endokrin wirkende Hormone haben ihren Wirkort an weiter entfernten Zellen im Körper. Sie werden über die Blutbahnen oder die Hämolymphe an diese Orte transportiert. d) Exokrin: Der Wirkungsort bei diesen Hormonen liegt außerhalb des Körpers. Hierunter fallen beispielsweise Pheromone. 2.2.3 Wirkungsweisen der Hormone über Rezeptoren Hormone benötige nRezeptoren an ihren Zielorten, um ihre Wirkung entfalten zu können. Diese Rezeptoren können sich entwender an Membranen oder in den Zellen befinden. Membranständige Rezeptoren Hierbei dockt das Hormon außen an der jeweilige Zelle an einen Rezeptor an ohne in die Zelle einzudringen.Häufig löst dies intrazellulär die Aktivierung von second messenger Kaskaden aus, die der Wirkungsverstärkung und –weiterleitung dienen. Heptahelikale Transmembranrezeptoren etwa haben ihre Hormonbindungsstelle außen an der Membran und binden an der Innenseite der Membran an ein G-Protein. Durch die Bindung eines passenden Hormons werden diese G-Proteine aktiviert. Im aktiven Zustand können sie wiederum das Enzym Adenylatcyclase aktivieren, welches aus ATP den second messenger cAMP (cyclisches Adenosinmonophosphat) bildet.Das cAMP kann nun als intrazellulärer Botenstoff weitere Signale auslösen, etwa die Aktivierung von Proteinkinasen zur Bildung von Enzymen (Abbildung 8 zeigt das Schema hierzu). 16 Abbildung 8: Schema der second messenger Wirkung über cAMP; (Quelle: http://www.medizinfo.de/endokrinologie/images/camp.jpg; 08.02.2012) Intrazelluläre Rezeptoren Hierzu ist ein Eindringen der Hormone in die Zellen und damit eine Überwindung der Zellmembran notwendig. Dazu sind nur lipophile Hormone, wie Steroidhormone, in der Lage. In der Zelle binden die Hormone an freie Rezeptoren welche sie in den Zellkern transportieren können. Hier können sie die Transkription beeinflussen und damit beispielsweise die Produktion bestimmter Enzyme auslösen. 2.2.4 Regulation des Energiestoffwechsels beim Menschen Sowohl Fett- als auch Kohlenhydratstoffwechsel unterliegen einer Kontrolle. Das Enzym Hormonsenstitive Lipase (HSL) ist in der Lage den Fettabbau zu initiieren. Es wird positiv durch Glucagon und Katecholamine und negativ durch Insulin beeinflusst. Der die gespeicherten Lipide einhüllende Proteinkomplex wird mithilfe der Hormone aufgebrochen und anschließend werden die Fette in Fettsäuren und Glycerin zerlegt. Um eine gleichmäßige gute Versorgung des Körpers mit Glucose zu gewährleisten muss der Blutzuckerspiegel auf einer konstanten Höhe gehalten werden. Wird Glucose verbraucht, so muss gespeichertes Glykogen mobilisiert werden. Dies wird durch das Hormon Glucagon bewerkstelligt, das von der Bauchspeicheldrüse sezerniert wird. Dessen Gegenspieler ist Insulin, welches bei erhöhtem Blutzuckerspiegel, etwa nach einer Mahlzeit, dazu führt, dass überschüssige Glucose als Glykogen eingelagert wird. 17 2.2.5 Regulation des Energiestoffwechsels bei Insekten und Flugtypen Die Energiestoffwechselregulation der Insekten wird hier anhand der verschiedenen Flugtypen der Insekten vorgestellt. Die Kohlenhydratflieger, welche Stop-and-Go-Flieger sind, die oft hintereinander starten und landen, verwenden als Energieträger zum Fliegen das Disaccharid Trehalose. Trehalose wird durch den Abbau von Glykogen in die Hämolymphe abgegeben, wo sie zum Ort des Verbrauchs diffundieren kann. Anders als beim Menschen wird der Glykogenabbau hier vom Hyperglykämischen Hormon (HGH) gesteuert, das wie das Glucagon ein Peptidhormon ist. Im Flugmuskel wird die Trehalose durch Trehalase zu Glucose abgebaut. Wenige Insekten gelten als Aminosäureflieger. Hier dient Prolin als Energieträger. Im Fettkörper wird Prolin aus Alanin und Acetyl-CoA hergestellt, zu den Flugmuskeln transportiert, wieder zu Alanin abgebaut und dieses zurück zu den Fettkörpern transportiert. Hier kann das Alanin wieder zu Prolin umgesetzt werden. Langstreckenflieger, wie Wanderheuschrecken, zählen zu den Fettfliegern. Analog zu den Kohlenhydratfliegern verbrauchen diese zu Anfang Trehalose zum Fliegen. Nach einiger Zeit stellen sie jedoch auf Fett um, da diese einen höheren Energiegehalt pro Gramm haben. In den Fettkörpern werden hierzu die gespeicherten Triacylglyceride in die Transportform der Diacylglyceride umgewandelt. In der Hämolymphe werden diese von fettbindenden Proteinen, den Lipophorinen transportiert. High-Density-Lipophorin bindet die Diacylglyceride mithilfe des Apoproteins ApoLp-III, den entstehenden Komplex nennt man Low-Density-Lipophorin. An den Muskeln angekommen zerfällt der Komplex, das Diacylglycerid wird dort enzymatisch abgebaut, die Proteine verbleiben in der Hämolymphe und sind zur Aufnahme weiterer Diacylglyceride recycelt. Positiv reguliert wird die Fettsäuremobilisierung vom Adipokinetischen Hormon (AKH), welches von der Corpora cardiaca ausgeschüttet wird (s. Abbildung 9). 18 Abbildung 9: Physiologische Steuerung des Fettstoffwechsels. CC: Corpora cardiaca; AKH Adipokinetisches Hormon; DG/TG: Di- bzw. Triacylglyceride; FFA: freie Fettsäuren; HDLp/LDLp: High- bzw. Low-Density-Lipophorin; (Quelle: Versuchsanleitung) 3. Material und Methoden 3.1 Versuch T1: Verlauf der Erwärmung gefärbter Thermometer durch Strahlung Material: 2 Thermometer, eines davon mit schwarz gefärbtem Ende; Lampe; Styroporblock Methoden: Die 2 Thermometer wurden beide gleichzeitig auf einem Styroporblock unter eine Lampe gelegt und in 10 s Intervallen die Temperaturen abgelesen, bis sich keine Änderungen der Temperatur mehr einstellten. Die Werte wurde dann in einem Liniendiagramm dargestellt. 3.2 Versuch T2: Messung der Gefrier- und Unterkühlungspunkte Material: 1 ml 1 M NaCl-Lösung; 1 ml 1 M Glucose-Lösung; 1 ml 1 M KHSO4-Lösung; Tiefkühltruhe; x-t-Schreiber; Thermoelement Methoden: Die Lösungen wurden frisch angesetzt. Jeweils 200 µl wurden in ein Eppendorfgefäß gegeben, und dann mit einem Fühler des Thermoelements in die Gefriertruhe gegeben. ∆TG = EG * b (4) 19 Mit Hilfe des X-t-Schreibers und Formel (4) mit der molaren Konzentration b und der kryoskopischen Konstante EG wurde die Gefrierpunktserniedrigung ∆TG bestimmt. 3.3 Versuch T3: Einfluss der Temperatur auf die Schlagfrequenz des Herzens von Daphnia magna Material: Binokular; Daphnia magna; Temperiergerät; Versuchsvorrichtung, welche das Beobachten von Plastikpipette; spezielle Daphnia magna unter verschiedenen Temperaturen erlaubt. Methoden: Daphnia magna wurde mit einer Plastikpipette auf die Versuchsvorrichtung gegeben und mit Hilfe des Binokulars dann die Herzfrequenz gezählt. Es wurde jeweils 15 s, bzw. 10 s lang gezählt und auf 60 s hochgerechnet. Die Versuchsvorrichtung wurde mit Wasser definierter Temperatur durchspült. Bei jeder Temperatur wurde insgesamt 3 mal gezählt. Die Ergebnisse wurden dann graphisch festgehalten. 3.4 Versuch Stoffwechselhormone Dieser Versuch wurde nicht selbst durchgeführt. Die Werte wurden der Versuchsanleitung entnommen. Methoden: Verschiedene Mengen eines Corpora cardiaca – Rohextrakts wurden in Wanderheuschrecken injiziert. Die Mengen wurden als „Anteile der extrahierten Hormondrüsen“ festgelegt. Diese wurden in je 5 µl gelöst. In ein Tier wurde als Blindwert 5 µl reines H2O injiziert. Nach 60 min wurden je Tier 10 µl Hämolymphe entnommen und dazu 1 ml Isopropanol gegeben. Mit KOH, Perjodid und NH4+Acetylaceton wurde das Glycerin in einen gelben Farbstoff umgewandelt und bei 410 nm photometrisch quantifiziert. Die Fettkonzentration wurde mit Formel (5) berechnet. ∗ = /äℎ(5) () 20 4. Ergebnisse 4.1 Temperatur 4.1.1 Verlauf der Erwärmung gefärbter Thermometer durch Strahlung Tabelle 1: Temperaturerhöhung des schwarzen und des weißen Thermometers in Abhängigkeit von der Zeit Zeit [s] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 Temperatur: schwarzes Thermometer [°C] 20,00 21,00 22,00 23,00 25,00 26,00 27,00 28,00 29,00 30,00 30,50 31,00 32,00 32,50 33,00 33,50 34,00 34,50 35,00 35,50 36,00 36,00 36,50 36,90 37,00 37,25 37,25 38,00 38,00 38,00 38,00 38,25 38,50 21 Temperatur: weißes Thermometer [°C] 20,00 20,50 21,00 21,50 22,00 22,50 23,00 23,50 24,00 24,50 25,00 25,00 25,50 26,00 26,25 26,75 27,00 27,10 27,50 28,00 28,00 28,50 28,80 29,00 29,00 29,25 29,50 29,80 30,00 30,00 30,20 30,25 30,50 330 340 350 360 39,00 39,00 39,00 39,00 30,75 30,75 31,00 31,00 Die Werte für die Temperaturänderung der verschieden gefärbten Thermometer sind in Tabelle 1 dargestellt. Man kann mit zunehmender Zeit eine stetige Erhöhung der Temperaturwerte der beiden Thermometer beobachten, wobei anzumerken ist, dass die Temperatur des schwarzen Thermometers in der gleichen Zeit schneller stiegt, als die des weißen Thermometers. Die beiden Temperaturmessgeräte zeigten zu Beginn des Versuches die gleiche Anfangstemperatur an. Die Endtemperatur der beiden Thermometer, die sich nach 6 Minuten eingestellte, war jedoch verschieden. Während sie bei dem schwarzen Thermometer 39,00 °C betrug, war sie bei dem Weißen um 8 °C geringer (31,00 °C). 45,00 40,00 Temperatur [°C] 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Zeit [s] schwarzes Thermometer weißes Thermometer Abbildung 10: Erwärmungskurve des weißen und des schwarzen Thermometers Mit Hilfe der Werte aus Tabelle 1 wurde die Abbildung 10 erstellt. Die dort dargestellten Erwärmungskurven der beiden Thermometer verdeutlichen noch einmal bildlich, was man bereits den Zahlenwerten der Tabelle 1 entnehmen konnte. Die Temperatur des schwarzen Thermometers steigt in derselben Zeit schneller an als die des weißen Thermometers, da diese Kurve steiler verläuft, als die des hellen Thermometers. 22 4.1.2 Messung der Gefrier- und Unterkühlungspunkte Die Temperaturen, die in Tabelle 2 dargestellt sind wurden während des Versuches von dem Thermoelement abgelesen. Die Gefrierpunktserniedrigung ∆TG wurde mit Hilfe von Formel (6) berechnet: ∆TG = TGef(Lösung) – TGef(Referenz) (6) Die molale Konzentration b wurde mit Hilfe von Formel 7 berechnet, wobei das Volumen und die Konzentration bei allen drei Lösungen identisch blieb (V = 1 ml = 1 * 10-3 l, c = 1 mol/l). Die Stoffmenge des gelösten Stoffes ändert sich jedoch je nach Lösung. Löst man Glucose in Wasser, so wird nur ein Teilchen frei (x = 1), löst man jedoch NaCl, so werden in Lösung zwei Teilchen frei (x = 2). Löst man schließlich KHSO4 in Wasser, so werden 3 Teilchen frei (x = 3). Auch war zu beachten, dass 1 ml Wasser ein Gewicht von 1 g besitzt (ρ(Wasser) = 1 kg/l). b = x *c * V / (10-3 kg) (7) Nun wurde schließlich die kryoskopischen Konstanten EG mit Hilfe von Formel 8 für jede Lösung einzeln ermittelt, die ebenfalls in Tabelle 2 dargestellt sind. EG = ∆TG / b (8) Wenn man die Tabelle 2 nun betrachtet, fällt einem auf, dass die kryoskopische Konstante von Wasser je nachdem welcher Stoff darin gelöst war unterschiedlich ausfällt. Auch ist zu erkennen, dass Kaliumhydrogensulfat den Gefrierpunkt von Wasser am Stärksten erniedrigt. 23 Tabelle 2: Gefrierpunkttemperaturen verschiedener Lösungen und die daraus resultierenden kryoskopischen Konstanten AnfangsArt der Lösung temperatu c = 1 molar r Gefrierpunkt -temperatur TAnf [°C] Referenz (Wasser) Glucoselösung Natriumchloridlösung Kaliumhydrogen -sulfatlösung 4.1.3 Einfluss der TGef [°C] Gefrierpunkt Molale Kryoskopisch - Konzentratio e Konstante erniedrigung n EG ∆TG [K] b [mol/kg] [K *kg / mol] 20 -4 - - - 21 -6 2 1 2,00 20 -7 3 2 1,50 19 -9 5 3 1,67 Temperatur auf die Schlagfrequenz des Herzens von Daphnia magna Tabelle 3: Abhängigkeit der Herzfrequenz von der Temperatur bei Daphnia magna und der Q10-Wert Temperatur Mittelwert log Herzfrequenz δ Herzschläge [°C] Herzfrequenz δ [Hz] [log Hz] pro Minute Q10 - Wert 4 2,1 0,32 125,3 9 2,9 0,46 172,0 13 3,7 0,57 224,0 1,91 18 4,6 0,67 278,0 1,70 23 5,5 0,74 332,0 1,48 28 6,2 0,79 372,0 1,34 33 6,2 0,79 374,0 1,13 38 5,2 0,71 310,0 0,83 43 4,9 0,69 292,0 0,78 In Tabelle 3 ist die Temperaturabhängigkeit der Herzfrequenz des Wasserflohs dargestellt. Man kann gut erkennen, dass mit steigender Temperatur auch die Anzahl der Herzschläge in 24 einer bestimmten Zeit zunimmt. Auffallend ist auch, dass die Herzschlagfrequenz wieder sinkt, nachdem eine Temperatur von 33 °C überschritten wurde. Bei den Q10-Werten ist eine stetige Abnahme zu beobachten. Berechnet wurden diese Q10-Werte mit Hilfe der Formel 9. భబ Q10 = ௩ ష ቀ మቁ మ భ ௩భ (9) v1 und v2 : Herzschläge pro min bei Temperatur T1 und T2 T1: tiefere Temperatur in °C T2: höhere Temperatur in °C 7,0 Herzfrequenz [Hz] 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0 10 20 30 40 50 Temperatur [°C] Abbildung 11: Temperaturabhängigkeit der Herzfrequenz der Daphnia magna In Abbildung 11 ist die Herzschlagfrequenz gegen die Temperatur aufgetragen worden (Werte aus Tabelle 3), wodurch die die Abhängigkeit der beiden Größen voneinander klar ersichtlich wird. Zu Beginn bis zum Hochpunkt erfolgt eine fast lineare positive Steigung. Nach dem der Hochpunkt erreicht wurde, fällt die Kurve und flacht dabei auch immer stärker ab. 25 0,90 log Herzfrequenz [log Hz] 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Temperatur [°C] Abbildung 12: Halblogarithmische Darstellung der Abhängigkeit der Herzfrequenz von der Temperatur bei Daphnia magna In Abbildung 12 trug man den Logarithmus der Frequenz des Herzschlages gegen die Temperatur auf. Auch hier ist die gleiche Abhängigkeit der beiden Größen voneinander zu erkennen, wie es schon in Abbildung 11 dargestellt ist. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Abbildungen ist, dass die Kurve der halblogarithmischen Auftragung von Anfang an flacher verläuft, als die normale Auftragung der Herzfrequenz gegen die Temperatur. 26 50 4.2 Stoffwechselhormone 4.2.1 Bestimmung des Fettgehalts der Hämolymphe Tabelle 4: Werte der Extinktionen und des Fettgehalts der Hämolymphe Zeit [min] Messung I Messung II E1 E2 Mittelwert Konzentration Konzentration (Diacylglyceride) (Triacylglyceride) [mg/ml Hämolymphe] [mg/ml Hämolymphe] 1. Bestimmung Ruhetier 0,160 0,171 0,165 2,323 4,024 10 0,409 0,425 0,417 5,870 10,170 30 0,523 0,502 0,513 7,218 12,500 60 0,641 0,467 0,928 13,070 22,630 90 0,275 0,276 0,275 3,870 6,700 2.Bestimmung Ruhetier 0,228 0,235 0,232 2,200 2,880 10 0,274 0,285 0,280 2,660 3,120 30 0,374 0,375 0,375 2,560 4,125 60 0,604 0,606 0,605 5,740 3,170 90 0,654 0,637 0,646 6,130 2,240 Die Konzentrationen der Diacylglyceride und der Triacylglyceride, die in Tabelle 4 dargestellt sind, wurden mit Hilfe von Formel 5 berechnet. Die Werte der Tabelle stammen aus dem Versuchsskript „Temperatur“. Anhand der Zahlenwerte in der Tabelle 4 kann man bereits erkennen, dass sowohl die Diacylglyceridkonzentration, wie auch die Triacylglyceridkonzentration in der Hämolymphe zuerst anstiegen, um dann nach 60 min wieder zu sinken. Die einzige Ausnahme von dieser Beobachtung stellt die Diacylglyceridkonzentration der 2. Bestimmung dar, da diese sich innerhalb der ersten 30 min kaum verändert, während sie danach stetig steigt. Das was man bereits aus den Zahlen aus Tabelle 4 herauslesen konnte wurde noch einmal übersichtlich und in graphischer Form in den Abb. 13 und 14 dargestellt, wobei die Bestimmungen 1 und 2 getrennt voneinander aufgetragen wird. In den Diagrammen kann man noch einmal deutlich erkennen, dass die Kurvenverläufe der beiden Bestimmungen sehr unterschiedlich sind und auch die Konzentrationen, die erreicht werden nicht in der gleichen Größenordnung sind. Die Konzentrationen der 1. Bestimmung sind viel höher als die der 27 Zweiten. Außerdem ist bei der 1. Bestimmung sowohl in der Kurve der Diacylglyceride wie auch in der der Triacylglyceride bei 60 min ein Hochpunkt zu sehen, während sich zwischen 10 min und 30 min eine Art Plateau befindet. In Abb. 14 verlaufen die Kurven nicht so parallel wie in Abb. 13. Hier steigt die Konzentration der Diacylglyceride, während die Konzentration an Triacylglyceride sinkt. Die Kurve der Diacylglyceride erreicht nach 60 bis 90 min ihr Maximum und hält dieses auch. Die Triacylglyceridkonzentration in der Hämolymphe indessen fällt weiter und hat nach 90 Konzentration [mg / ml Hämolymphe] min einen neuen Tiefpunkt erreicht. 25 20 15 Diacylglyceride 10 Triacylglyceride 5 0 0 20 40 60 80 100 Zeit [min] Abbildung 13: Zeit-Wirkungskurve aus den Werten der 1. Bestimmung 28 Konzentration [mg / ml Hämolymphe] 7 6 5 4 Diacylglyceride 3 Triacylglyceride 2 1 0 0 20 40 60 80 100 Zeit [min] Abbildung 14: Zeit-Wirkungskurve aus den Werten der 2. Bestimmung 5. Diskussion 5.1 Temperatur 5.1.1 Verlauf der Erwärmung gefärbter Thermometer durch Strahlung Die Ergebnisse des Versuches entsprechen genau den Erwartungen. Das schwarze Thermometer zeigte nach der Bestrahlung eine höhere Temperatur an, 39,00 °C, als das weiße Thermometer, 31,00 °C, welches die gleiche Behandlung wie das Schwarze erfuhr (Werte siehe Tabelle 1). Auch das die Temperatur des schwarzen Thermometers schneller stieg als die des Weißen (schwarz: 27 °C gegenüber weiß: 23 °C, nach einer Minute Bestrahlung) ist durch aus logisch erklärbar. Denn das dunkelgefärbte Thermometer absorbiert mehr Licht, also auch mehr Strahlung als das helle Messgerät. Strahlung jedoch ist Energie und somit Wärme, welche also von dem schwarzen Thermometer stärker aufgenommen wird als von dem Weißen, weshalb das Dunkle sich schneller aufwärmt. Das weiße Thermometer reflektiert einen Großteil der Strahlung, weshalb es nur geringe Mengen Strahlungsenergie, also Wärme aufnehmen kann. Auch in Abbildung 10 sieht man eindeutig, dass das dunkle Thermometer pro Zeiteinheit mehr Wärme aufnehmen kann als das Weiße, da die Kurve des schwarzen Temperaturmessgerätes stärker steigt als die des weißen. Auffallend bei Abbildung 10 ist, dass die Kurve des weißen Thermometers beinahe linear verläuft, während die des Schwarzen zu Beginn sehr stark steigt und zum Ende der Kurve immer mehr abflacht. Ein Grund für diesen unterschiedlichen Kurvenverlauf könnte sein, dass sich das Thermometer 29 nicht unendlich weit Erwärmen kann, da hierbei auch immer die Wärmeabgabe an die Umwelt zu berücksichtigen ist. Zum Ende hin hatte sich das dunkle Thermometer bereits soweit aufgeheizt, dass viel mehr Energie hineingesteckt werden musste, damit sich die Temperatur erhöht als zu Beginn, da nun der Unterschied zwischen der Thermometer und der Umgebungstemperatur sehr hoch war. Das weiße Thermometer zeigt diesen beinahe linearen Verlauf, da es sich nur langsam erwärmt und somit der Austausch der Wärmeenergie mit der Umgebung kaum merklich erfolgt. Außerdem ist auch der Temperaturgradient nicht so hoch wie beim schwarzen Thermometer, da seine Endtemperatur 8 °C niedriger liegt. 5.1.2 Messung der Gefrier- und Unterkühlungspunkte Bei diesem Versuchsteil sind die Ergebnisse wie erwartet, da das reine Wasser den höchsten Gefrierpunkt (- 4 °C) hatte, die Glukoselösung etwas niedriger (- 6 °C) lag, dann die Natriumchloridlösung mit – 7 °C folgt und der geringste Gefrierpunkt bei der Kaliumhydrogensulfatlösung gemessen wurde (Werte siehe Tabelle 2). Die Erniedrigung des Gefrierpunktes des Wassers liegt daran, dass nun weiter Teilchen in der wässrigen Lösung vorhanden sind, die die Packung behindern. Somit können sich die Wassermoleküle schlechter aneinander lagern, wodurch die Bildung des Feststoffes hinausgezögert wird. Umso mehr Teilchen also noch in dem Lösungsmittel vorhanden sind, umso geringer müssen die Temperaturen sein, damit das Lösungsmittel, hier Wasser, fest wird. Da alle Lösungen ein molar waren, hing die Gefrierpunktserniedrigung also nur von der Anzahl der Teilchen ab. Bei Glukose wird nur eine Art von Teilchen zugesetzt, weshalb nur ein Mol eines Fremdmoleküls in das Lösungsmittel hineinkommt. Bei der Natriumchloridlösung werden zwei Teilchen pro Molekül freigesetzt, weshalb insgesamt zwei Mol an Fremdteilchen bei einer vollständigen Dissoziation von NaCl frei werden. Bei der Kaliumhydrogensulfatlösung werden bei vollständiger Dissoziation sogar drei Teilchen pro Molekül frei, weshalb hier die Packung der Wassermoleküle am Stärksten gestört wird und somit der Gefrierpunkt von Wasser am Niedrigsten ist. Mit Hilfe der Werte um wie viel Grad der Gefrierpunkt erniedrigt wurde, konnte die kryoskopische Konstante von Wasser ermittelt werden. Der Literaturwert dieser Konstante beträgt für Wasser 1,86 K*kg/mol8. Die aus dem Versuch berechneten Werte unterscheiden sich jedoch davon ein wenig. Die kryoskopische Konstante, welche aus der Glukoselösung berechnet wurde beträgt 2,0 K*kg/mol, während die von der Natriumchloridlösung 1,5 K*kg/mol beträgt und die kryoskopische Konstante der Kaliumhydrogensulfatlösung dem Literaturwert am nächsten kommt (1,67 K*kg/mol) (Werte siehe Tabelle 2). Die Größenordnung der kryoskopischen Konstante für Wasser stimmt jedoch bei allen Lösungen 30 ungefähr, da sie alle zwischen 1,5 und 2,0 K*kg/mol liegen, genau wie der Literaturwert. Die Schwankungen der berechneten Werte sind dadurch erklärbar, dass das genaue Ablesen der Temperatur mit Hilfe eines Thermoelementes und einem x-t-Schreiber nicht erfolgen konnte, da der x-t-Schreiber nicht richtig funktionierte. Deshalb konnte nur von der sehr ungenauen Skala abgelesen werden, weshalb die Temperatur nicht ganz exakt sind. 5.1.4 Einfluss der Temperatur auf die Schlagfrequenz des Herzens von Daphnia magna Wie man in Abbildung 11 und 12, sowie in Tabelle 3 sehr gut erkennen kann, hat die Temperatur einen sehr starken Einfluss auf die Schlagfrequenz des Herzens von Daphnia magna. Wie man in den Diagrammen sehr leicht erkennen kann, steigt die Frequenz des Herzschlages immer weiter bis zu einem Höhepunkt von über 6,2 Hz bei einer Temperatur von etwa 30 °C. Danach sinkt die Frequenz wieder. Das Phänomen der steigenden und wieder sinkenden Herzfrequenz lässt sich durch die ReaktionsGeschwindigkeits-Temperatur-Regel (RGT-Regel) erklären. Diese besagt, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt bzw. vervierfacht, wenn innerhalb eines Bereiches vom Temperaturoptimum ± 10 °C die Temperatur um etwa 10 °C erhöht wird. Diese von van’t Hoff gefundene Gesetzmäßigkeit erklärt den Anstieg der Herzfrequenz sehr gut, denn durch die Erhöhung der Umgebungstemperatur des Wasserflohs steigt die Reaktionsgeschwindigkeit der chemischen Prozesse und damit auch der Herzschlag. Denn mit steigender Temperatur bewegen die Teilchen sich schneller, zwei Reaktionspartner treffen somit schneller aufeinander und können so rascher umgesetzt werden. Das die Frequenz des Herzschlages wieder sinkt, lässt sich auch mit der RGT-Regel erklären, denn umso wird der Bereich des Temperaturoptimums eines Tieres plus 10 °C überschritten, beginnen die einzelnen Moleküle, vor allem die Enzyme ihre Struktur zu verändern. Diese Strukturveränderung behindert die Reaktion, weshalb diese nur noch langsam, wenn überhaupt stattfinden kann. Laut Literaturwert sollte der Umkehrpunkt für Daphnia magna, bei dem die Herzschlagfrequenz wieder abnimmt bei 45 °C9. Bei diesem Versuch war dies jedoch nicht der Fall, da sich der Umkehrpunkt etwa bei 30 °C (Abbildung 11) befand. Auch die Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit bzw. hier der Schlagfrequenz des Herzens entspricht nicht dem Literaturwert. Denn die berechneten Q10-Wert (Tabelle 3) sind alle kleiner als 2 (0,78 – 1,91), obwohl sie gerade im Bereich ± 10 °C des Temperaturoptimums mindestens 2, wenn nicht sogar 4 laut Literatur betragen sollten. Diese Abweichung vom Literaturwert ist durch Messungenauigkeiten erklärbar, denn die Anzahl der Herzschläge musste mit bloßem Auge unter Zeitdruck abgezählt werden. Jedoch ist der Wert von 1,91 den 31 man bei einer Temperaturerhöhung von 4 auf 13 °C (Tabelle 3) erhalten hat schon sehr nah an einer Verdopplung. 5.2 Stoffwechselhormone 5.2.1 Bestimmung des Fettgehalts der Hämolymphe In Abbildung 13 und 14 sind jeweils die Konzentrationen von Diacylglyceriden und Triacylglyceriden in der Hämolymphe eines Fettfliegers gegen die Zeit aufgetragen. Da die beiden Diagramme nicht identisch sind, kann man davon ausgehen, dass sich hierbei um zwei verschiedene Versuchstiere handelte, die unterschiedliche Arten gebrauchen, wie die Energieträger zu den Flugmuskeln gebracht werden. Bei der 1. Bestimmung (Abbildung 13) steigt ca. parallel zum Anstieg der Diacylglyceridkonzentration in der Hämolymphe auch die der Triacylglyceride an, was daraus schließen lässt, dass nicht nur Diacylglyceride, die im Flugmuskel in freie Fettsäuren und schließlich in Energie umgewandelt werden, vom Fettkörper des Insekts in die Hämolymphe entlassen wird, sondern, dass auch die Triacylglyceride kontinuierlich in die Hämolymphe gelangen, bis ein Hochpunkt der Konzentration nach 1 Stunde erreicht wird. Danach werden die Fette anscheinend nur noch zu Energie im Muskel abgebaut und nicht weiter vom Fettkörper freigesetzt. Was einem sowohl in Abbildung 13 wie auch in Abbildung 14 auffällt, ist, das nach einem kurzen Anstieg der Konzentration der Fette in der Hämolymphe eine Waagrechte bis ca. 30 Minuten nach Versuchsstart erfolgt. Diese Stagnation in der Fettkonzentration kann dadurch erklärt werden, dass die Fett-Flieger innerhalb der ersten 10 -20 Minuten nicht Fett als Energielieferant für die Flugmuskulatur nutzen, sondern wie die Kohlenhydrat-Flieger Trehalose. Die Fettkonzentration in der Hämolymphe steigt also erst wieder an, wenn die Diacylglyceride auch abgebaut werden. Der Unterschied zwischen der 1. und der 2. Bestimmung liegt daran, dass währenddessen in der 1. Bestimmung kontinuierlich Triacylglyceride und Diacylglyceride freigesetzt werden, bei der 2. Bestimmung zuerst Triacylglyceride freigesetzt werden, die dann in der Hämolymphe in Diacylglyceride umgebaut werden (Abbildung 13 und 14). Die Abbauweise des Insekts der 2. Bestimmung erkennt man sehr gut in Abbildung 14, denn hier sieht man deutlich, dass zuerst die Triacylglyceridkonzentration in der Hämolymphe steigt, während die Diacylglyceridkonzentration ungefähr konstant bleibt. Nach 30 min befindet sich am meisten Triacylglyceride (4,125 mg/ml Hämolymphe) in der Hämolymphe des Insekts, während sich die Konzentration der Diacylglyceride kaum verändert hat (ca. 2,5 mg/ml Hämolymphe, Werte siehe Tabelle 4). Die geringe Schwankung der Diacylglyceridkonzentration ist durch 32 eventuelle Messungenauigkeiten des Photometers oder durch einen geringen Abbau der Diacylglyceride in den Flugmuskelzellen zu erklären. Nach diesen ersten 30 Minuten sinkt die Konzentration der Triacylglyceride in der Hämolymphe stetig bis zu einem Wert von 2,24 mg/ml Hämolymphe, der noch unterhalb der Konzentration des ruhenden Tieres liegt. Im Gegensatz dazu steigt die Diacylglyceridkonzentration auf einen Wert von 6,13 mg/ml Hämolymphe (Tabelle 4). Aufgrund der eben beschriebenen Kurvenverläufe der Diagramme (Abbildung 13 und 14) kann man also daraus folgern, dass es bei den Fett-Fliegern mehrere Möglichkeiten gibt die Diacylglyceride dem Flugmuskel zur Verfügung zu stellen. Einerseits können beständig Triund Diacylglyceride in die Hämolymphe freigesetzt werden, andererseits kann auch zuerst nur Triacylglyceride in die Hämolymphe abgegeben werden, welche dann zu Diacylglyceriden, den eigentlichen Energielieferanten, in der Hämolymphe abgebaut werden. 5. Quellen http://de.wikipedia.org/wiki/Gefrierpunktserniedrigung, 07.02.2012 http://de.wikipedia.org/wiki/Stefan-Boltzmann-Gesetz, 10.02.2012 http://de.wikipedia.org/wiki/Bergmannsche_Regel#Bergmann, 10.02.2012 http://de.wikipedia.org/wiki/Gefrierpunkt, 08.02.2012 http://de.wikipedia.org/wiki/Kryoskopische_Konstante, 08.02.2012 http://home.arcor.de/tarkin1138/biologie/daphnia.pdf, 12.02.2012 Campbell, Neil A. und Reece, Jane B., Biologie. Pearson Verlag, 8. Auflage Versuchsanleitung zu Temperatur/Stoffwechsel Anfängerpraktikum 33 im Stoffwechselphysiologischen
