Physiologie - Fundus.org

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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.
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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
H2 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. 25.3.: 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. 25.1.
Energiereiches Molekül . Energie ist in chem. Form gespeichert. Durch Abspaltung
einer Phosphateinheit wird Adenosindiphosphat (ADP) gebildet. Dabei wird Energie
frei. Diese wird gebraucht für:
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•
•
•
•
•
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. 49 - 57
(6 CO2 + 12 H2O + 675 kcal. → C6H12O6 + 6 H2O + 6O2↑)
= Kohlendioxid Assimilation (CO2)
Photosynthese ist die wichtigste chem. Reaktion der Erde:
Anorganische Substanz wird übergeführt in organische Substanz
(CO2, H2O → C6H12O6; Nebenprodukt Sauerstoff)
Kohlendioxid wird in Biomasse umgewandelt. Jede Verbrennung erzeugt CO2. 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:
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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)
C6 H12 O6
energiereich
Energie frei →
← Energie nötig
CO2
(z. B.: Photosynthese)
energiearm
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. 56.4.
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 H2 an ein Coenzym gebunden wird.
1. Lichtreaktion
2. Lichtreaktion
ad 1. ADP + P Licht, Chlorophyll⇒ ATP
ad 2. Photolyse (= Wasserzerlegung)
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2 H2O Licht, Chlorophyll⇒ 2 H2 + O2↑
↓
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 CO2 + 12 NADPH + H+ + 18 ATP → C6H12O6 + 6 H2O + 12 NADP+ + 18 ADP + 18
P
12 NADPH + H+
6 C3 + 6 C3
12 NADP
6 C6
6 CO2
6 C3 + 6 C3
Carboxilierung
2 C3
Ribulosebiphosphat
Traubenzucker
6 C5
Akzeptor
10 C3
6 ADP
C6
Stärke
Speicherprodukt
6 C5
Zwischenprodukte
6 ATP
Die Dunkelreaktion läuft im Stroma ab. Am Beginn steht Zucker
(Ribulosebiphosphat). Er bindet das CO2 (Akzeptor). Der Vorgang heißt
Carboxilierung. Zwischenprodukt: C6 Körper, er zerfällt in 2 C3 Körper, die relativ
energiearm sind, deshalb werden sie mit ATP in energiereiche Substanz
umgewandelt. Der in NADPH + H bereitgestellte H2 dient als Reduktionsmittel. Hier:
Verknüpfung mit der Lichtreaktion. Aus je zwei der energiereichen C3 Körper bildet
sich ein Molekül Traubenzucker (C6H12O6), das meist in Form von Stärke
gespeichert ist. Die überwiegende Menge der C3 Körper wird über Zwischenprodukte
wieder in das Ausgangsprodukt des C5 Körpers übergeführt, dabei ist Energie (ATP)
notwendig. Das Einfangen des CO2 durch Zucker hat eine bes. Bedeutung, weil CO2
in die Biomasse gebunden wird und so dem Treibhauseffekt entgegen wirkt. Es
entstehen Zucker und Stärke.
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2) Abweichende Wege
organ. Substanzen:
in
der
Bildung
Unterschiede:
- Bei der Photosynthese liefert das Wasser 1. Elektronen
2. Wasserstoff H2
- Wasser wird als Wasserstoffdonator bezeichnet (Photosynthese). → grüne
Pflanzen.
- Manche Bakterien bekommen von anderen Stoffen den H2 und die Elektronen.
Schwefel - Purpur - Bakterien:
Sie sind grün oder rot und besitzen Bakterienchlorophyll. Als Wasserstoffdonator
dient Schwefelwasserstoff (H2 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 H2 oxydieren - es entsteht Knallgas (H, O)
Schwefelbakterien, die H2S oxydieren
Nitritbakterien, die Ammoniak (NH3) oxydieren und Pflanzen den Sickstoff
zugänglich machen. Sie machen aus Nitrit → Nitrat. (NO2 → NO3)
Nitratbakterien, s. Nitritbakterien
Eisenbakterien, die Eisen durch Entzug von Elektronen (Reduktionsmittel)
oxydieren.
Methanbakterien, die CO2 durch direkte Anlagerung von H2 an O2 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 H2 und Elektronen) oder mit
Sauerstoff verbrannt → Energiegewinn.
Endprodukte:
CO2 und H2O; 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!)
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Während der Evolution der Organismen entwickelten sich verschiedene Formen
der biolog. Oxidation - die Atmung und die Gärung sind die häufigsten.
a) Atmung:
C6 H12 O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O (- 2872 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
↓
CO2
Zitronensäurezyklus
= Krebszyklus
H
CO2
H
Atmungskette
ADP + P → ATP
ADP + P → ATP
ADP + P → ATP
2H + O → H2O
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 C6 Körper werden 2 C3 Körper; ab hier wird alles verdoppelt. Nach einigen
Schritten entsteht ein C3 Körper, genannt Benztraubensäure oder Pyruvat. Ist ab
dem nächsten Reaktionsschritt kein O2 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:
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Sie wird durch Abspaltung von H2 und CO2 und durch Anlagerung vom Coenzym A
zum C2 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 C4 Körper zur Zitronensäure (C6
Körper) , es wird 2 mal CO 2 abgespalten, es entsteht ein C4 Körper, ...
Zwischendurch wird H2 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 O2 mit H2 → H2O. Während
des letzten Reaktionsschrittes werden die Elektronen vom H2 getrennt und direkt auf
den O2 übertragen. Es wird ein abrupter Ausgleich des Energiegefälles verhindert
Knallgasreaktion). Dieser Vorgang liefert viel ATP. Wenn 180 g Glucose in reinem
O2 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 O2 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 CO2 und H2O 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:
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Bei Überbeanspruchung wird Milchsäure gebildet, die sich in der Muskulatur
ansammelt (andere Theorie: kleine Risse in den Muskelfasern).
1) Alkoholische Gärung:
Ausgangsprodukt: Glucose C6H12O6 (zuckerhaltige Flüssigkeit, Traubensaft, ...)
Die Hefezellen, die schon am Obst haften, werden aktiv.
C6H12O6 → 2CH3 CH2 OH + CO2
Ethylalkohol = Ethanol
CO2 ist schwerer als Luft, dies ist besonders bedeutend im Weinkeller, deshalb
nimmt der Winzer eine Kerze und stellt sie in den Keller, ist der CO2 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.
C6H12O6 → 2CH3 CH OH COOH
=Milchsäureg.
4) Buttersäure - Gärung:
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Ranzig werden der Butter;