PowerPoint-Präsentation

Naturschutz
Ausbildung
Thema:
Stoffwechsel
Naturschutz | 7.2.5.1 Stoffwechsel | 2010
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Fachkenntnis- Stoffwechsel
Gliederung
1. Einführung
2. Stoffwechsel
3. Energiegewinnung
4. Autotrophe Lebewesen (Photo- u. Chemosynthese)
5. Heterotrophe Lebewesen
6. Ernährung (Nährstoffe u. Energieumsatz)
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Einführung
Jeder lebende Organismus (Bakterie, Alge, Pilz, Pflanze, Tier,
Mensch) stellt ein komplexes Gebilde mit einer Vielzahl ständig
ablaufender komplizierter biochemischer Prozesse und
einer hochkomplexen Struktur dar.
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Einführung
Für den Erhalt und das Funktionieren dieser Struktur sowie
das Wachstum und die Fortpflanzung müssen alle
Lebewesen ständig Energie aufwenden.
Zudem ist ein ständiger Stoffaustausch mit ihrer Umgebung
notwendig
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Energiegewinnung
Jeder lebende Organismus muss dazu energiereiche
Verbindungen die er entweder selbst produziert oder aber von
außen in Form von Nahrung aufnimmt zur Energiegewinnung
abbauen.
Die freiwerdende Energie wird für energieaufwendige
biologische Prozesse im Organismus verwendet, wie z.B.:
 Aufbau
von Substanzen

Muskelarbeit

Erregungsleitung in Nerv und Muskel

aktiver Transport von Substanzen im Körper
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Fachkenntnis- Stoffwechsel
Gliederung
1. Einführung
2. Stoffwechsel
3. Energiegewinnung
4. Autotrophe Lebewesen (Photo- u. Chemosynthese)
5. Heterotrophe Lebewesen
6. Ernährung (Nährstoffe u. Energieumsatz)
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Stoffwechsel
In jedem Lebewesen laufen ständig eine Vielzahl von
chemischen Prozessen ab, die man als Stoffwechsel
bezeichnet. Dabei werden im Körper u.a. aus den
Grundbausteinen der Nährstoffe (Eiweiß, Zucker, Fett)
größere und komplexere körpereigene Verbindungen
aufgebaut.
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Fachkenntnis- Stoffwechsel
Gliederung
1. Einführung
2. Stoffwechsel
3. Energiegewinnung
4. Autotrophe Lebewesen (Photo- u. Chemosynthese)
5. Heterotrophe Lebewesen
6. Ernährung (Nährstoffe u. Energieumsatz)
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Autotrophe Organismen
In Bezug auf die Art der Energiegewinnung unterscheidet man
zwei prinzipielle Arten von Lebewesen.
Einerseits solche, die für die Aufrechterhaltung der
Lebensprozesse nötigen energiereichen Verbindungen selbst
erzeugen können (= sog. autotrophe Organismen).

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Heterotrophe Organismen
 Andererseits
solche Lebewesen, welche die energiereichen
Verbindungen nicht selbst produzieren können, sondern
diese in Form von Nahrung von außen aufnehmen müssen
(sog. heterotrophe Organismen). Diese Lebewesen gewinnen
ihre Energie aus der Verstoffwechselung der von den
autotrophen Organismen produzierten “Nahrung“.
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Fachkenntnis- Stoffwechsel
Gliederung
1. Einführung
2. Stoffwechsel
3. Energiegewinnung
4. Autotrophe Lebewesen (Photo- u. Chemosynthese)
5. Heterotrophe Lebewesen
6. Ernährung (Nährstoffe u. Energieumsatz)
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Autotrophe Lebewesen
Autotrophe Lebewesen sind Organismen, die
selbst
energiereiche
Verbindungen
produzieren können.
Diese autotrophen Lebewesen stellen die
Grundlage aller Ökosysteme auf der Erde
dar.
Man unterscheidet 2 Arten von autotrophen
Lebewesen.

Zum einen die sog. phototrophen (oder
photosynthetischen) Organismen.

Zum anderen die sog. chemotrophen
(oder chemosynthetischen) Organismen.
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Photosynthese
Die Photosynthese ist ein Prozess, bei dem die photrophen
Organismen (grüne Pflanzen und Algen) aus den
anorganischen Ausgangsstoffen Wasser (H2O) und
Kohlendioxid (CO2) sowie der Energie des Sonnenlichtes
das energiereichere organische Kohlenhydrat Glukose
(= Traubenzucker; C6H12O6) herstellen.
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Photosynthese
Zudem entsteht sozusagen als „Abfallprodukt“ der für uns
Menschen und viele andere Lebewesen lebensnotwendige
Sauerstoff (O2) den wir zum Atmen brauchen.
Schema der Photosynthese:
6 CO2 + 12 H2O + Lichtenergie
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C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
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Photosynthese
Schematische
Darstellung
der in den Blattgrünhaltigen
Zellen (Chloroplasten) eines
Pflanzenblattes ablaufenden
Photosynthese.
Bei der aus den
Ausgangsstoffen Wasser
(H2O) und Kohlendioxid
(CO2) sowie der Energie des
Sonnenlichtes,
Kohlenhydrate (CH2O)x und
Sauerstoff (O2) entstehen.
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Photosynthese
Mit den ersten Photosynthese treibenden Einzellern auf der
Erde begann vor zwei bis drei Milliarden Jahren die
Umwandlung von Kohlendioxid in Sauerstoff, wodurch erst
allmählich unsere heutige sauerstoffreiche Atmosphäre
entstand.
Damit ist die Photosynthese die Grundlage allen höheren
Lebens auf der Erde.
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Photosynthese
Jährlich werden durch die Photosynthese
aus ca. 3 x 1012 Tonnen CO2
ca. 5 x 1011 Tonnen organische Substanz
gebildet.
Mehr als die Hälfte dieser Produktion
Findet in den Weltmeeren durch das
Phytoplankton statt.
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Fossile Brennstoffe
Die großen Lager an fossilen Brennstoffen (z. B. Kohle) sind
ursprünglich Produkte der Photosynthese von vielen
Millionen Jahren.
Durch die Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas steigt
der CO2-Gehalt der Luft (siehe Kapitel Kohlenstoffkreislauf).
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CO2-Gehalt der Luft
Pflanzliche Organismen können dieses CO2 wieder in
organische Materie umformen. Heute werden allerdings
fossile Brennstoffe weltweit in riesigen Mengen und – im
Vergleich zur Zeit die zu Ihrer Herstellung nötig war
(Pflanzenwachstum) – in sehr kurzer Zeit verbrannt. So
verbrennen wir derzeit in nur 1 Jahr fossile Brennstoffe in einer
Menge, zu deren Herstellung die Natur mehr als 400 Jahre
benötig hat.
Deshalb kann die Photosyntheseleistung der Pflanzen den
resultierenden Anstieg des CO2-Gehalts der Luft nicht mehr
ausreichend kompensieren. Ein stetiger Anstieg des CO2Gehaltes in der Atmosphäre ist die Folge.
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Chemosynthese
Nahezu alles Leben auf der Erde an Land und im Meer beruht
auf der Energiegewinnung mittels Photosynthese der
Pflanzen und Algen.
Jedoch gibt es vor allem an extremen Standorten wie z.B. in
der Tiefsee im Bereichen heißer Quellen, sowie in aktiven
Vulkanen, im Boden, in manchen Gewässern und in
Bergwerken Bakterien, die aus den dort vorhandenen
anorganischen Substanzen mittels sog. Chemosynthese
Energie gewinnen und somit ebenfalls autotrophe Lebewesen
darstellen.
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Chemosynthese
Unter Chemosynthese versteht man die autotrophe
Produktion
von
energiereichen
kohlenstoffhaltigen
(organischen) Substanzen wie z.B. Kohlenhydraten mit Hilfe
von Energie aus Oxidation anorganischer Substanz wie z.B.
Schwefelwasserstoff (H2S), Ammoniak (NH3), Methan (CH4),
Wasserstoff (H2) oder Eisen (Fe).
Die Bakterien die Chemosynthese betreiben nennt man
Chemoautolithotrophe. Es sind meist Schwefelbakterien,
Nitrifizierer, Knallgasbakterien und Methanobakterien.
All diese Bakterien spielen eine wichtige Rolle im Kohlenstoff
(C)-, Schwefel (S)- und Stickstoff (N)-Kreislauf der Natur.
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Chemosynthese
Schema der Chemosynthese:
6 H2O + 6 CO2 + z. B. H2S, CH4 als Energie
C6H12O6 + 6 O2
Gemäß dieses Schemas bilden die chemolithoautotrophen
Bakterien aus den Ausgangsstoffen Wasser (H2O) und
Kohlendioxid (CO2) sowie der Energie aus anorganischen
Verbindungen wie z.B. Schwefelwasserstoff (H2S), oder
Methan (CH4) das Kohlenhydrat Glukose (= Traubenzucker;
C6H12O6) sowie Sauerstoff (O2).
Von den so gebildeten energiereichen Kohlenhydraten können
sich wiederum andere Lebewesen ernähren.
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Ökosystem Tiefsee
Diese chemoautolithotrophen
Bakterien stellen so mit ihrer
Chemosynthese die Basis
eines nicht auf Photosynthese
sondern auf Chemosynthese
beruhenden Ökosystems dar.
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Fachkenntnis- Stoffwechsel
Gliederung
1. Einführung
2. Stoffwechsel
3. Energiegewinnung
4. Autotrophe Lebewesen (Photo- u. Chemosynthese)
5. Heterotrophe Lebewesen
6. Ernährung (Nährstoffe u. Energieumsatz)
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Heterotrophe Lebewesen
Heterotrophe Organismen können nicht selbst energiereiche
kohlenstoffhaltige Verbindungen herstellen, sondern sind
darauf angewiesen die von den autotrophen Organismen
produzierten energiereichen organischen Verbindungen in
Form von Nahrung (Fressen von Bakterien, Pilzen, Pflanzen
und/oder Tieren oder Verwertung von deren totem Gewebe)
von außen aufzunehmen.
Zu den heterotrophen Organismen gehören der Mensch, alle
Tiere, manche Pflanzen und viele Mikroorganismen (wie
z.B. Bakterien und Pilze).
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Aerobe Atmung
Viele der heterotrophen Organismen gewinnen die benötigte
Energie dadurch, dass sie im Rahmen der sog. aeroben
Atmung die von den autotrophen Pflanzen, Algen und
Bakterien produzierte Glukose (C6H12O6) mit Hilfe von
Sauerstoff (O2) oxidieren (verbrennen) und dabei
Kohlendioxid (CO2) bilden, das wiederum von den
autotrophen Organismen im Rahmen der erneuten Produktion
von Glukose „recycelt“ wird.
Die aerobe Atmung stellt
somit die exakte Umkehrung
der Photosynthese dar.
Schema der aeroben Atmung:
C6H12O6 + 6 O2
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6 H2O + 6 CO2 + Energie
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Energie- u. Stoffkreislauf
So entsteht ein ständiger
Energie- und Stoffkreislauf
zwischen den autotrophen
Produzenten, die mit Hilfe der
„Sonnenenergie“
photosynthetisch
Glukose
(C6H12O6) produzieren
und den heterotrophen Konsumenten, die diese Glukose im
Rahmen der aeroben Atmung
wieder abbauen und so
„Lebensenergie“ gewinnen.
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Fachkenntnis- Stoffwechsel
Gliederung
1. Einführung
2. Stoffwechsel
3. Energiegewinnung
4. Autotrophe Lebewesen (Photo- u. Chemosynthese)
5. Heterotrophe Lebewesen
6. Ernährung (Nährstoffe u. Energieumsatz)
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Ernährung
Die Ernährung ist unabdingbare
Voraussetzung für den Bau und
die Funktion eines jeden
Lebewesens.
Die in der Nahrung enthaltenen Nährstoffe dienen zum einen
als „Brennstoff“ für die Energie erfordernden
lebensnotwendigen biochemischen Prozesse im Organismus
und bilden zum anderen die notwendigen Bausteine für den
Aufbau der biologischen Struktur der Lebewesen.
Nahrungsmittel bestehen aus Nährstoffen,
Vitaminen, Salzen, Spurenelementen,
Geschmacks- und Ballaststoffen sowie Wasser.
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Nährstoffe
Zu den Nährstoffen zählen die in der Nahrung vorkommenden
energiereichen Stoffgruppen der Eiweiße, Fette und
Kohlenhydrate
Nahrung
Nährstoffe
Mineralstoffe
Ballaststoffe
Spurenelemente
Kohlenhydrate
Fette
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Wasser
Vitamine
Proteine
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Nährstoffbedarf
Der Nährstoffbedarf richtet sich zum einen nach dem
Energiebedarf des Organismus. Ein erhöhter Bedarf besteht
bei vermehrter körperlicher Arbeit, in der Schwangerschaft
und bei verschiedenen Krankheiten.
Zum anderen werden für die Aufrechterhaltung der
Funktionsfähigkeit des Körpers Mindestmengen an
Eiweißen, Fetten und Kohlenhydraten benötigt.
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Nährstoffbedarf
Bei normaler körperlicher Belastung beträgt die
empfohlene tägliche Zufuhr an:
Eiweiß: 0.8 g/kg Körpergewicht
Kohlenhydraten: 100 g/Tag (v.a. für das Gehirn)
Fette: etwa 25-30% des Energiebedarfs
Wasser: mindestens 1,75 l pro Tag
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Kohlenhydrate
Kohlenhydrate
haben
sowohl
als
Speicherstoff hoher Energiedichte (z.B.
Glykogen in Muskeln und Leber) als auch
als Gerüstsubstanz vieler Organismen
große Bedeutung.
Bei den Kohlenhydraten unterscheidet
man, je nach Anzahl der Monosaccharidbausteine, zwischen
Monosacchariden (Einfachzuckern),
 Di-, Oligo- und
 Polysacchariden
(Zwei- Mehr- u. Vielfachzucker).

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Kohlenhydrate
Die für den Menschen
wichtigen Kohlenhydrate sind
fast ausschließlich pflanzlicher
Herkunft.
Obst, Gemüse, Kartoffeln,
Getreide und Hülsenfrüchte
enthalten Kohlenhydrate.
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Kohlenhydrate
Kohlenhydrate sind die wichtigsten
Energielieferanten für die Zellen.
Glukose (Traubenzucker) ist das
Schlüsselmolekül für alle höheren
Lebewesen einschließlich des Menschen.
So wird bei gesunder Ernährung mehr als
50% des Energiebedarfs durch den Abbau
von Glukose gedeckt.
Ferner
deckt
das
Gehirn
seinen
Energiebedarf fast ausschließlich über
Glukose, während die quergestreifte
Muskulatur bei Kohlenhydratmangel auf
Fettsäureverbrennung ausweicht.
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Eiweiß
Eiweiße (Proteine) bestehen aus sog. Aminosäuren und
werden
hauptsächlich
zum
Aufbau
körpereigener
Substanzen
wie
z.B.
Muskulatur,
Enzymen
und
Plasmaeiweißen benötigt.
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Eiweiß
So werden im menschlichen Körper täglich 300 g Protein neu
gebildet. In dieser Funktion sind Eiweiße nicht durch Fette
oder Kohlenhydrate zu ersetzen.
Von den etwa 20 Aminosäuren, aus denen körpereigene
Proteine aufgebaut sind, können 9 nicht im menschlichen
Organismus hergestellt (synthetisiert) werden. Diese 9 werden
als
unentbehrliche
oder
essentielle
Aminosäuren
bezeichnet.
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Eiweiß
Je nach Herkunft unterscheidet man tierisches und pflanzliches
Eiweiß.
Tierisches Eiweiß findet sich hauptsächlich in Fleisch, Fisch,
Milch und Milchprodukten sowie Eiern.
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Eiweiß
Pflanzliches Eiweiß wird in nennenswerten Mengen mit
Hülsenfrüchten und Kartoffeln aufgenommen, in geringen
Mengen mit fast allen Obst- und Gemüsesorten.
Der erwachsene Mensch muss mindestens 32 g
Eiweiß pro Tag mit der Nahrung zuführen.
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Fett
Ohne Fette (Lipide) könnte
keine der auf der Erde
vorkommenden
Lebensformen existieren.
So bilden Phospholipide die Struktur sämtlicher zellulärer
Membranen (= Hüllen von Zellen) und ermöglichen auf diese
Weise erst die Existenz von Zellen, deren Inneres gegen
störende Einflüsse der Außenwelt abgeschirmt wird (s. Abb.).
Zudem sind Fette sind die wichtigste Energiereserve des
Menschen sowie vieler tierischer Organismen.
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Fett
Ferner dienen Fette der Wärmeisolierung (subcutanes
Fettgewebe) oder als Druckpolster (Fett der Nierenlager und
der Fußsohle).
Die Möglichkeit der Fettspeicherung im Fettgewebe
gewährleistet über längere Zeit eine gewisse Unabhängigkeit
von der Nahrungszufuhr und sichert so in Zeiten
von Nahrungsknappheit das Überleben.
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Fett
Die aufgenommenen Fette werden entweder verbrannt
(Betriebsstoffwechsel) oder in Form von Depotfett im Gewebe
gespeichert (Energiespeicher).
Die Fettverbrennung ergibt im Vergleich mit anderen
Nahrungsstoffen die höchste Energieausbeute (siehe
biologischer Brennwert).
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Fett
Fette kommen als unvermeidliche Begleitsubstanzen in fast
allen Nahrungsmitteln tierischer Herkunft vor, so in den
wichtigen
Eiweißquellen
Fleisch,
Fisch,
Milch
und
Milchprodukten sowie Eiern.
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Fett
Fette finden sich ferner in Pflanzensamen, z.B. in Nüssen.
Die sehr eiweißreiche mitteleuropäische Durchschnittskost hat
einen zu hohen Fettanteil.
Fette sollen etwa 35% der gesamten
Energiezufuhr über die Nahrung ausmachen.
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Speicherung von Nährstoffen
Im Gegensatz zum Fett kann der Organismus Eiweiße und
Kohlenhydrate nur in geringem Umfang speichern.

Überschüssige Mengen werden abgebaut,
ausgeschieden oder in Fett umgebaut und gespeichert.

Die kurzfristig verfügbaren Eiweißreserven im Körper
betragen nur rund 45 g.

Die Kohlenhydratreserven betragen nur 300-450 g.

Dagegen können die Fettdepots (als große
Energiespeicher) bei Übergewicht mehrere zig
Kilogramm betragen.
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Biologischer Brennwert von Nährstoffen
Die 3 Grundnährstoffe enthalten unterschiedlich viel Energie.
Die pro Gramm freiwerdende Energie nennt man
biologischen Brennwert.
Dieser ist bei Fetten mehr als doppelt
so groß (9 kcal/g)
wie bei Eiweißen (4 kcal/g)
oder Kohlenhydraten (4 kcal/g)
Alkohol hat einen relativ hohen biologischen Brennwert von
7 kcal/g (Bier- oder Weinbauch!).
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Biologischer Brennwert von Nährstoffen
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Vitamine
Als Vitamine bezeichnet man
in der Nahrung vorkommende,
lebenswichtige organische
Substanzen, die der
Organismus nicht oder nicht
in genügender Menge
synthetisieren kann und
deren Energiegehalt ohne
Bedeutung ist.
Man unterscheidet fettlösliche Vitamine (A, D, E und K) und
wasserlösliche Vitamine (B1, B2, B6, B12, Biotin, Folsäure,
Nicotinsäure, Nicotinsäureamid, Pantothensäure u. Vitamin C).
Vitamine erfüllen sehr spezifische Funktionen im
Zellstoffwechsel. Sie sind häufig Bestandteile von
Enzymsystemen oder entfalten komplexe Systemwirkungen.
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Wasser
„Das Prinzip aller Dinge ist das Wasser,
denn Wasser ist alles, und ins Wasser
kehrt alles zurück.“
Thales von Milet (griechischer Philosoph)
Wasser (H2O) ist als „Lösungsmittel“ für alle im Organismus
ablaufenden biochemischen Prozesse und somit für alle
Lebewesen von außerordentlicher Bedeutung.
Ohne Wasser kein Leben !
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Wasser
Die meisten Lebensmittel enthalten mehr als 50% Wasser.
Weniger als 50% findet man u.a. in Brot, Butter und Käse.
Während
der
biologischen
Verbrennung von Nahrung entstehen
zusätzlich ca. 350 ml Wasser pro Tag
(dieses „Oxidationswasser“ ist für
Tiere in extremen Trockenregionen,
z.B. die Wüstenmaus lebenswichtig).
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Salze
Die Salze dienen dem Organismus,
ebenso wie das Wasser, zur Aufrechterhaltung des inneren Milieus.
Die Konstanthaltung der ionalen Zusammensetzung (Isoionie)
und des pH-Wertes (Gehalt an Wasserstoffionen) der
Körperflüssigkeiten
gehört
zu
den
wesentlichen
Voraussetzungen einer ungestörten Zelltätigkeit.
Von besonderer Bedeutung sind die Kationen
(positiv geladen) Natrium, Kalium, Calcium
und Magnesium sowie die Anionen (negativ
geladen) Chlorid und Phosphat.
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Spurenelemente
Unter den Spurenelementen versteht man Elemente, die nur in
äußerst geringen Mengen in der Nahrung und im Organismus
vorkommen und wichtige Funktionen erfüllen.
Zu den essentiellen Spurenelementen gehören u.a. Eisen
(Baustein des Blutfarbstoffes Häm), Jod (Baustein der
Schilddrüsenhormone) und Fluor (Bestandteil in Zahn u.
Knochen).
Ferner Kupfer, Mangan, Molybdän, Kobalt, Selen und Zink als
Bausteine intrazellulärer und exkretorischer Enzyme.
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Täglicher Energieverbrauch
Der Energieverbrauch des
Menschen besteht aus dem:

Grundumsatz
(Energieverbrauch für die
Aufrechterhaltung der
Körperfunktionen in Ruhe),

der Thermogenese
(Energieverbrauch durch
zusätzliche Wärmebildung)

Energieverbrauch durch
körperliche Aktivität
(Alltagsaktivität + Sport)
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Vielen Dank
für eure
Aufmerksamkeit und
euer Interesse!
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Präsentation:
Stoffwechsel
© 2010 Bergwacht Bayern
Konzept, Inhalt:
Arbeitskreis Naturschutz der
Bergwacht-Region Hochland
Ausarbeitung:
Dr. Cölestin Allgäuer-Lechner
(BW Benediktbeuern)
Layout:
Georg Schober jun.
1. Auflage:
2010
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