3. Sauerstoff & Lebewesen
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Sauerstoff auf unserem Planeten Inhaltsverzeichnis 1. Vorkommen ___________________________________________________________ 1 2. Eigenschaften __________________________________________________________ 2 3. Sauerstoff & Lebewesen _________________________________________________ 2 3.1 Äussere Atmung ________________________________________________________ 2 3.2 Zellatmung _____________________________________________________________ 3 3.2.1 3.3 Citratzyklus __________________________________________________________________ 3 Photosynthese __________________________________________________________ 4 3.3.1 3.3.2 4. 1. Die Lichtreaktion _____________________________________________________________ 4 Die Dunkelreaktion ___________________________________________________________ 5 3.4 Gärung _________________________________________________________________ 6 3.5 Hämoglobin & Chlorophyll ______________________________________________ 6 Ozon _________________________________________________________________ 7 4.1 Ozonschicht ____________________________________________________________ 7 4.2 Ozonloch _______________________________________________________________ 7 4.3 Ozon am Boden _________________________________________________________ 8 Vorkommen Sauerstoff gehört zusammen mit Schwefel, Selen, Tellur und Polonium zur Gruppe der Chalkogene. Nach Wasserstoff und Helium ist es das dritthäufigste Elemente im uns bekannten Teil des Universums. Auf der Erde hat es in allen Bereichen eine überragende Bedeutung: Bezogen auf die gesamte Erde steht es nach Eisen an zweiter Stelle. Sein Anteil Max Hefti 1/8 13.11.04 Error! Use the Home tab to apply Überschrift 1 to the text that you want to appear here. am Aufbau der Erdkruste - also von der Erdoberfläche bis in eine Tiefe von ca. 16 Kilometern - ist es mit über 50 Gewichtsprozent das wichtigste Element überhaupt. Sauerstoff ist in zahlreichen Mineralien und Gesteinstypen enthalten, aus denen ganze Gebirgsketten aufgebaut sind. Auch in der Hydrosphäre hat es Platz eins (knapp 90 Gew.%) und in der Atmosphäre rangiert es hinter Stickstoff mit 23 Gew.% bzw. 21 Vol.% an zweiter Stelle. Auch die biologischen Organismen bestehen größtenteils aus Sauerstoff. Knapp zwei Drittel des menschlichen Körpers besteht nur aus diesem Element. Dies macht deutlich, daß der Sauerstoffkreislauf einer der grundlegensten ökologischen Zyklen auf der Erde ist. Allein durch die Photosynthese der grünen Pflanzen wird jährlich eine Sauerstoffmenge von 300 Milliarden Tonnen freigesetzt. 2. Eigenschaften Sauerstoff ist ein farbloses Gas, das weder Geruch noch Geschmack hat. Unter Normalbedingungen ist Sauerstoff schwerer als Luft, was das Gefühl auf hohen Bergen vermittelt, die Luft würde dünner werden. Der Siedepunkt liegt bei -183°C, der Schmelzpunkt liegt bei -218,4°C. Die bekannteste Form elementaren Sauerstoffs ist der zweiatomige Disauerstoff (O2). Daneben ist eine zweite Form bekannt, die als Ozon ( O3 ) bekannt ist. In Wasser löst sich Sauerstoff nur mäßig, wobei die Wasserlöslichkeit bei höheren Temperaturen weiter abnimmt. Besser als in Wasser löst es sich in organischen Lösungsmitteln. Nach Fluor ist Sauerstoff das elektronegativste Element. Für viele Stoffe wirkt es als Oxidationsmittel. Allerdings verlaufen die meisten dieser Reaktionen bei Raumtempertur sehr langsam ab, weil das Sauerstoffmolekül sehr stabil ist und für eine Oxidationsreaktion die hohe Bindungsenergie erst überwunden werden muß. Daher muß für die entsprechenden Reaktionen meist thermische Energie zugeführt werden. Von allen Metallen - mit Ausnahme einiger Edelmetalle - sind oxidische Formen bekannt. Auch mit Nichtmetallen reagiert Sauerstoff. Ausnahme sind hier die Halogene und Edelgase. Zur Erlangung der Edelgaskonfiguration fehlen ihm lediglich zwei Elektronen. Aus diesem Grunde nimmt Sauerstoff in Verbindungen fast immer die Oxidationsstufe -2 ein; selten ist 1. 3. Sauerstoff & Lebewesen 3.1 Äussere Atmung Die Luft wird über die Nase eingesogen und über die Nasenhöhle, den Rachen, den Kehlkopf, die Luftröhre (10 bis 12 Zentimeter lang), die Hauptbronchien, die Lappenbronchien, die Segmentbronchien und die Lappenbronchien in die Bronchiolen (Lungenbläschen) gesogen, wo die passive Gasdiffusion von Sauerstoff und Kohlendioxid stattfindet. Die Lungenbläschen sind ca. 0.5mm breit und 0.001mm dick, zusammen ergeben sie eine Oberfläche von ca. 200 Quadratmeter. Wir atmen ca. 21% Sauerstoff und 0.03% ein, aber 17% Sauerstoff und 4% Sauerstoff aus. Aufgespannt wird die Lunge von Zwerchfell. Dieses Max Hefti 2/8 13.11.04 Error! Use the Home tab to apply Überschrift 1 to the text that you want to appear here. liegt unterhalb der Lunge und wenn es sich zusammenzieht wird Luft eingesogen. Für die Atmung können aber auch noch die Zwischenrippenmuskeln und bei starker Belastung die Brustmuskeln benötigt werden. Damit die Lunge bei unterdruck nicht zusammenfällt, gibt es zwischen der Lungenaussenhaut (Lungenfell) und dem Rippenfell ein Vakuum. Die Lunge hat ein Volumen zwischen 4.5 (Frauen) und 6 Litern (Männer). 3.2 Zellatmung Der biochemische Vorgang der Atmung lässt sich mit wenigen Worten beschreiben: Die Zellen benötigen ATP als universale Energiewährung. Das Herstellen von ATP ist allerdings ein energieaufwändiger Prozess, und es stellt sich jetzt die Frage, wo die Energie zur Synthese von ATP eigentlich her kommt. Menschliche, tierische und pflanzliche Zellen gewinnen diese Energie, indem sie den energiereichen Zucker Glucose (Traubenzucker) verbrennen, gemäß der Reaktionsgleichung: C6 H12O6 6O2 6CO2 6H 2O 2872 kJ mol Bei dieser Reaktion passieren zwei Dinge gleichzeitig: Erstens wird Glucose oxidiert. Dazu wird Sauerstoff benötigt, den der menschliche Körper z.B. durch Lungenatmung aufnimmt und dann - im Blut gelöst - den Zellen zuführt. Zweitens wird sehr viel Energie freigesetzt, die in den Mitochondrien der Zelle in neues ATP verwandelt wird. Dieser Prozess, der sehr viel komplizierter ist, als es in der Reaktionsgleichung oben aussieht, läuft in unseren Zellen in drei Schritten ab. Schritt 1: Bei der Glycolyse wird das Glucosemolekül in einfachere Verbindungen abgebaut, die noch sehr viel Energie enthalten. Die Glycolyse benötigt noch keinen Sauerstoff. Da eine geringe Menge von ATP bereits in der Glycolyse synthetisiert wird, können bestimmte Organismen ihren ATP-Bedarf auch in Abwesenheit von Sauerstoff decken (Gärung). 3.2.1 Citratzyklus Das Ziel des Zitronenzyklus ist die Gewinnung von chemisch gebundenem Wasserstoff (NADH/H+ oder FADH2)). Diese Stoffe können mit Sauerstoff zu ATP reagieren. Doch diese Stoffe müssen zuerst einmal gewonnen werden: Glucosemoleküle enthalten jede Menge Wasserstoff; die Zelle muss es also irgendwie schaffen, den organischen Molekülen möglichst viel von diesem Wasserstoff zu entziehen. Dies geschieht nun durch den Zitronensäurezyklus. In einem vorgeschalteten Schritt reagiert das Pyruvat aus der Glycolyse mit dem Coenzym A. Das Pyruvat gibt eine COOH-Gruppe in Form von CO2 ab, und die beiden restlichen CGruppen werden an das Coenzym A angelagert, es entsteht das sogenannte Acetyl-Coenzym A. Da diese Reaktion gleichzeitig eine Oxidation ist, kann der freigesetzte Wasserstoff auf NAD+ übertragen werden. Bereits bei dieser vorbereitenden Reaktion entsteht also ein NADH/H+ pro Pyruvat (CH3-CO-COO- )-Molekül, also zwei pro Glucose-Molekül. Das Acetyl-Coenzym A überträgt den Acetyl-Rest dann auf eine Verbindung namens Oxalacetat, welche aus 4 C-Gruppen besteht. Es ensteht dabei das Citrat (6 C-Gruppen). Nach dieser organischen Verbindung hat der ganze Zyklus seinen Namen: Citratzyklus oder Zitronensäurezyklus. Max Hefti 3/8 13.11.04 Error! Use the Home tab to apply Überschrift 1 to the text that you want to appear here. Und jetzt passiert etwas Eigenartiges. Das Citrat wird in mehreren Schritten abgebaut, bis am Ende wieder Oxalacetat vorliegt. Dabei wird zweimal Kohlendioxid abgegeben, welches aber nur als Abfallprodukt anzusehen ist (obwohl da die grünen Pflanzen anderer Meinung sind, sie leben schließlich vom Kohlendioxid). Viel wichtiger aber: während dieser vielen Abbauschritte wird fleißig NADH/H+ gewonnen. Die meisten Abbauschritte sind nämlich Oxidationsreaktionen, die Wasserstoff freisetzen, der dann vom NAD+ aufgenommen wird. Zusammenfassend: (Schritt 2) Im Citronensäurezyklus werden die Endprodukte der Glycolyse zu Kohlendioxid abgebaut, außerdem enstehen jede Menge wasserstoffreicher Verbindungen wie NADH/H+ (=Nicotinamid-Dinucleotid mit Addition eines Hydridions) und FADH2. Schritt 3: In der Atmungskette schließlich geben die wasserstoffreichen Verbindungen des Citronensäurezyklus ihren Wasserstoff an Sauerstoffmoleküle ab. Dies ist eine extrem exotherme Reaktion (vergleichbar mit der Knallgasreaktion, mit der man sogar Raketen antreiben kann). Die bei dieser Reaktion freigesetzte Energie wird zur Synthese von sehr viel ATP aus ADP und Phosphat eingesetzt. Damit ist die Atmungskette nicht nur der letzte, sondern auch der wichtigste Schritt der gesamten Atmung. 3.3 Photosynthese Die Photosynthese läuft genauer betrachtet unter 2 Reaktionen ab. Zum einen gibt es die Lichtreaktion zum anderen die Dunkelheitsreaktion. 3.3.1 Die Lichtreaktion In der ersten Phase (Lichtreaktion) der Photosynthese wird Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt. Dabei wird zuerst Licht durch das Chlorophyll absorbiert, was zur Max Hefti 4/8 13.11.04 Error! Use the Home tab to apply Überschrift 1 to the text that you want to appear here. Folge hat, dass Lichtenergie aufgenommen wird. Die Lichtenergie spaltet das Wasser, das als Ausgangsstoff vorhanden ist. 12 H2O - (unter Chlorophyll und Lichtenergie) -> 12 OH + 12 H+ + 12 eAls nächstes werden die 12 mol OH in Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt. 12 OH --> 6 H2 + 6O2 (Sauerstoff wird an die Umwelt abgegeben) Dritter Schritt: Die Wasserstoffionen und die Elektronenenergie ( e- ) werden in chemische Energie und Wasserstoffmolekülen umgewandelt. 12 H+ + 12 e- --> 12H2 + chemischer Energie Die chemische Energie ermöglicht jetzt die Anlagerung eines Phosphatrestes an das Enzym ADP (Adenosindiphosphat), wobei als Reaktionsprodukt ATP (Adenosintriphosphat) entsteht. Durch diese Reaktion wird die Energie gespeichert und später durch die Abspaltung des Phosphatrestes wieder frei. ADP + P <--( Energie )--> ATP Vereinfacht: Lichtenenergie energiereiches Chlorophyll Elektronenenergie chemische Energie (als ATP) 3.3.2 Die Dunkelreaktion Der erste Schritt in dieser Reaktion ist, dass das Kohlenstoffdioxid an eine sauerstoffreiche Kohlenstoffverbindung mit 5 Kohlenstoffatomen angelagert wird und dadurch eine Verbindung mit 6 Kohlenstoffatomen entsteht. Als nächstes folgt schrittweise eine Reduktion dieser Verbindung mit Hilfe des RH2 und der ATP-Energie aus der Lichtreaktion: Aus der Verbindungen von 12 RH2 werden 12 mol Wasserstoff und aus 6 CO2 werden 6 mol Sauerstoff durch die gespeicherte Energie im ATP Enzym abgespalten und reagieren zu 6 mol Wasser und Glukose. 12 RH2 + 6 CO2 - ( ATP) -> 6 H2O + C6H12O6 + R Damit ist die Photosynthese abgeschlossen, da alle Ausgangsstoffe vorhanden sind (Sauerstoff, Glukose und Wasserstoff). Zum überprüfen: 12 H2O + 6 CO2 --> C6H12O6 + 6 H20 + 6 O2 Vereinfacht: In der zweiten Phase der Photosynthese wird Kohlenstoffdioxid assimiliert. Dabei werden Wasserstoff und Energie aus der Lichtreaktion verwendet. Max Hefti 5/8 13.11.04 Error! Use the Home tab to apply Überschrift 1 to the text that you want to appear here. 3.4 Gärung Unter Gärung versteht man den stufenweisen enzymatischen Abbau von organischen Verbindungen unter Ausschluss von Sauerstoff. Anders als bei aeroben Verfahren werden die bei den Abbaureaktionen gebildeten Elektronen und Protonen nicht auf Sauerstoff, sondern auf organische Verbindungen (Gärungsendprodukte) übertragen. Abhängig von den entstehenden Endprodukten unterscheidet man und u.a.: - Alkohol-Gärung, bei der von Hefepilzen Zucker in Alkohol und Kohlendioxid abgebaut wird. - Milchsäure-Gärung (Sauerwerden der Milch, Sauerkrautbereitung) und - Buttersäure-Gärung werden jeweils von verschiedenen Bakterien durchgeführt. Auch in Säugetieren wird manchmal Energie durch Gärung gewonnen. Dies geschieht z. B. bei Flucht, da es unter Einsatz sämtlichen verfügbaren Körperreserven flieht. Die intensive Muskelarbeit führt schnell zu einem Sauerstoffmangel. Also wird nun zusätzliche Energie durch Gärprozesse gewonnen. 3.5 Hämoglobin & Chlorophyll Als Hämoglobin (Hb) bezeichnet man den eisenhaltigen roten Blutfarbstoff in den Erythrozyten der Wirbeltiere und einigen Insekten und seine Varianten. Es ermöglicht den Sauerstoff-Transport im Körper. Hämoglobin besteht aus dem eisenbindenden Häm (eisenhaltiger Farbstoff, also rot) und Globin (Eiweiss). Chlorophyll (v.grch.: chloros hellgrün; und phýllon Blatt) bezeichnet diejenigen Farbstoffe, durch die Pflanzen ihre grüne Farbe erlangen und mit denen sie bei der Photosynthese Lichtenergie in eine für sie nutzbare Form umwandeln. Chlorophylle bestehen aus zwei Teilen: einem unpolaren Teil, mit dem das Chlorophyll in der Membran der Chloroplasten verankert ist, und einem komplexen polaren Teil, der für die Farbe zuständig ist. Der polare Teil ist ein Porphyrin (organisch chemische Farbstoffe) mit Magnesium im Zentrum und mit Seitengruppen. Chlorophyll Max Hefti 6/8 13.11.04 Error! Use the Home tab to apply Überschrift 1 to the text that you want to appear here. Hämoglobin Es ist ersichtlich, dass sich die beiden Moleküle sehr ähneln. Grösster Unterschied bildet das Metallkation in der Mitte: Beim Chlorophyll befindet sich ein Mg in der Mitte, beim Hämoglobin ein Fe. Das Chlorophyll hat im Gegensatz zum Hämoglobin einen relativ langen unpolaren Rest. 4. Ozon 4.1 Ozonschicht Die Ozonschicht bezeichnet die Ozonanreicherung in der Atmosphäre in der Höhe von 1035km. Die Ozonschicht wirkt als UV-Filter und schirmt die Erdoberfläche von kurzwelligen, gefährlichen UV-Strahlen ab: In der oberen Stratosphäre befindet sich eine Schicht aus O2 . Energiereiche UVC Strahlen (sehr gefährlich!) spalten diese Moleküle und werden somit absorbiert. Es entstehen also zwei O-Radikale. Diese verbinden sich mit zwei O2 Molekülen zu 2 O3 (Ozon): UVC O2 2O 2 O 2O2 2 O3 . Da die Ozonmoleküle schwerer sind als die O2 Moleküle, sinken sie ab und bilden eine 3-4.5 Millimeter dicke Ozonschicht, mit einer unglaublich hohen Konzentration an Ozonmolekülen. Durch UVB Strahlen werden nun O3 Moleküle gespalten und die UVB Strahlen in Wärme umgewandelt. Aus dem O3 Molekül entstehen ein O2 Molekül und ein O-Radikal. Die O2 Moleküle steigen wieder in die obere Stratosphäre auf oder gehen eine Reaktion mit den ORadikalen ein und werden so wieder zu Ozon. UVB O3 O2 O O2 oder : 2O 2O2 2O3 oder : 2O O2 4.2 O2 Ozonloch Schuld an der Abnahme von Ozon sind polare Stratosphärenwolken, die sich ausschließlich in der Polarnacht bei Temperaturen um minus 80o C bilden. Diese aus Wasser und Max Hefti 7/8 13.11.04 Error! Use the Home tab to apply Überschrift 1 to the text that you want to appear here. Salpetersäure zusammengesetzten Wolken speichern in die Luft freigesetztes Chlor. In dieser Form ist Chlor zwar für Ozon zunächst unschädlich. Bei höheren Temperaturen gegen Ende des Polarwinters jedoch zerlegen UVStrahlen die Chlor-Moleküle zu so genannten Chlor-Radikalen, die die Ozonschicht "auffressen". Jedes Prozent Ozon weniger läßt 2% mehr UV-Strahlen durch, was wiederum zu einem Anstieg der Hautkrebsrate um 3% führt. Besonders fatal wirkt sich dabei aus, dass die Radikale durch ihre Reaktion mit Ozon nicht gebunden werden, also anschließend sofort das nächste Molekül angreifen. Erwiesenermaßen wird das Chlor meist erst nach mehreren zerstörerischen Wochen durch den Kontakt mit anderen Verbindungen wieder fixiert und dadurch unschädlich. Die Chlormoleküle stammen vom FCKW (Fluor-chlor-kohlen-wasserstoff), das früher in Kühlschränken (heute werden hauptsächlich Propan und Butan verwendet, da sie, wie auch das FCKW, unter Normalbedingungen verdampfen und dadurch der Umgebung Wärme entzeihen), in Spraydosen und als Lösemittel zu Reinigungszwecken verwendet wurde. Früher war man sich der Wirkung von FCKW nicht bewusst und da das Gas für Mensch und Tier ungefährlich war, liess man es bei der Entsorgung von Kühlschränken frei entweichen. Das Gas konnte also in die höheren Atmosphärenschichten aufsteigen. Als bekannt wurde, welch verheerende Wirkung FCKW besitzt („Zerstörung“ der Ozonschicht von durch UVLicht abgespaltene Chlorradikale), wurde die Verwendung des Gases verboten. FCKW sind sehr stabil und werden deshalb nur sehr langsam in der Atmosphäre abgebaut. 4.3 Ozon am Boden Bodennahes Ozon ist ein Resultat von Auf- und Abbauprozessen. Die fotochemische Neubildung von Ozon erfolgt während des Tages aus seinen Vorläufern NOx. Stickoxide sind in Abgasen und in Zigarettenrauch enthalten. Bei den in Automotoren herrschenden Temperaturen, können Stickstoff und Sauerstoff zu Stickstoffmonoxid reagieren. N 2 O2 2 NO . Stickstoffmonoxid reagiert dann mit Sauerstoff zu Stickstoffdioxid weiter: 2 NO O2 2 NO2 . Von der Ozonschicht nicht absorbierte UVB Strahlen treffen nun auf NO2 . Dieser Schadstoff wird dann in NO O gespalten. Das extrem reaktive O-Radikal verbindet sich nun mit einem O2 -Molekül und reagiert dann zu so genannten anthropogenen („menschenverursachtem“) Ozon. Das Stickstoffmonoxid kann seinerseits wieder mit einem O2 - Molekül zu Stickstoffdioxid reagieren, wodurch es zu einer Kettenreaktion kommt. Stickstoffmonoxid wirkt also katalytisch. Einige Menschen bekommen vom Ozon Kopfscherzen, Husten, tränende Augen oder sogar richtig schwere Asthmaanfälle. Wissenschaftler haben zudem herausgefunden, dass hohe Ozonkonzentrationen das Lungenwachstum bei Kindern verzögern können. Max Hefti 8/8 13.11.04
