VL 13 Energiestoffwechsel

Grundlagen des Energiestoffwechsels

• Die Vorlesung behandelt die Grundlagen des Energiestoffwechsels im Sachunterricht.
• Datum der Vorlesung ist der 20.01.25, gehalten von Dr. Linn Müggenburg.

Wiederholungsfragen (Säuren, Basen, pH-Wert)

• Eine Säure ist ein Protonen-Donator (H+).
• Eine Base ist ein Protonen-Akzeptor (H+).
• Der pH-Wert wird als negativer dekadischer Logarithmus der Wasserstoffionen-Konzentration definiert: pH = -log(cH3O+).
• Chemisches Gleichgewicht beschreibt einen Zustand, in dem Hin- und Rückreaktion gleich schnell ablaufen.
• Oxidation ist die Abgabe von Elektronen.
• Reduktion ist die Aufnahme von Elektronen.

Zentrale Fragen zum Thema Energiestoffwechsel

• Warum ist es für Menschen und Tiere notwendig, zu essen und zu atmen?
• Was geschieht beim "Kalorien verbrennen"?
• Benötigen Pflanzen ebenfalls Nahrung und Sauerstoff?
• Benötigen Pflanzen Licht zum Leben?
• Warum haben Pflanzen eine grüne Farbe und was vollziehen diese in der Nacht sowie im Winter?
• Stellen Wälder insgesamt Kohlenstoffsenken dar?
• Aus welchen Gründen ist Biodiesel eine vorteilhaftere Alternative als Erdöl?
• Welches Problem ergibt sich bei der Trockenlegung von Mooren?

Triebkräfte von Reaktionen

• Teilchen streben einen energetisch niedrigeren Zustand an; der Endzustand (Produkte) ist energieärmer als der Ausgangszustand (Edukte).
• Systeme tendieren zu Zuständen mit maximaler Entropie (Unordnung).

Energiereiche Biomoleküle

• Kohlenhydrate(z.B. Glucose als Monomer und Cellulose als Polymer) und Proteine (Aminosäuren als Monomer und Proteine als Polymer) sind Beispiele für energiereiche Moleküle in der Natur.
• In chemischen Bindungen ist Energie gespeichert.

Ordnung in der Natur

• In der belebten Natur herrscht hohe Ordnung, die sich in makroskopischen Mustern und der Kompartimentierung in Zellen zeigt, wie z.B. durch Lipiddoppelschichten (Zellmembranen).

Kalorienverbrennung

• Die "Verbrennung" von Kohlenwasserstoffen, Pizza oder Bauchfett benötigt Sauerstoff (O2) und setzt Kohlendioxid (CO2), Wasser (H2O) und Wärme bzw. nutzbare Energie frei.

Zellatmung

• Die Zellatmung ist die Oxidation von Glucose (C6H12O6) zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O): C6H12O6 + 6 O2 ⇌ 6 H2O + 6 CO2.
• Die Zellatmung läuft in vielen Teilreaktionen ab und wird durch Enzyme katalysiert, ermöglicht eine Reaktion bei Körpertemperatur.
• Exergone Reaktionen sind an endergone Reaktionen gekoppelt; chemische Energie der Glucose wird in andere chemische Energie umgewandelt.

ATP als Energieträger

• Energiereiches ATP entsteht aus energiearmen ADP durch Kopplung an exergone Reaktionen.
• Die Glycolyse ist der erste Schritt der Zellatmung.
• Die chemische Energie der Glucose wird in die chemische Energie von ATP umgewandelt.

Bedeutung des Atmens

• Die Zellatmung ist eine Redoxreaktion.
• Bei der Zellatmung wird Glucose zu CO2 oxidiert und Sauerstoff wird reduziert.
• Sauerstoff dient als Oxidationsmittel, also als Elektronenakzeptor.

Redoxreaktionen

• Oxidation ist die Abgabe von Elektronen, Reduktion die Aufnahme.
• Oxidation und Reduktion treten immer gemeinsam auf (Redoxreaktion).

Photosynthese

• Photosynthese ist die Umkehrreaktion der Zellatmung: 6 CO2 + 6 H2O ⇌ C6H12O6 + 6 O2.
• Pflanzen nehmen CO2 auf und geben O2 ab; sie benötigen Wasser.
• Pflanzen produzieren ihre eigene Nahrung (Glucose) und nehmen Stickstoff über Salze auf.
• Für die Photosynthese ist Licht notwendig, um Strahlungsenergie in chemische Energie (Glucose) umzuwandeln.

Lichtabsorption durch Pigmente

• Chlorophyll und Carotinoide absorbieren Photonen im sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichts.
• Ein Molekül im Grundzustand absorbiert ein Photon, wodurch ein Elektron in ein höheres Energieniveau gehoben wird (angeregter Zustand).
• Die absorbierte Energie kann als Wärmestrahlung, Fluoreszenz oder durch Umwandlung in chemische Energie (Photosynthese) freigesetzt werden.

Photosynthese und Zellatmung in Organellen

• Photosynthese findet in Chloroplasten statt, Zellatmung in Mitochondrien; beides sind komplexe Vorgänge an Membranen.
• Fotosynthese und Zellatmung erzeugen Protonengradienten, die als Triebkraft für die ATP-Synthese dienen.

Energiestoffwechsel von Pflanzen (Nachts und Winter)

• Pflanzen stellen nachts und im Winter Biomasse (Cellulose) und Energieträger her.
• Die Pflanze muss die nicht-photosynthese-betreibenden Pflanzenteile mit Glucose versorgen.
• Für Nacht und Winter müssen Energiereserven (z.B. Stärke) aufgebaut werden.

Kohlenstoffkreislauf

• Pflanzen fixieren CO2 durch Aufbau von Biomasse.
• CO2 wird bei der Zersetzung abgestorbenen Pflanzenmaterials freigesetzt.
• Biomasse kann unter Sauerstoffmangel, bei erhöhten Temperaturen und Druck über lange Zeiträume zu Torf/Kohle/Erdöl/Erdgas umgewandelt werden.
• Menschen verbrennen fossile und nachwachsende Rohstoffe.
• Wälder der nördlichen Hemisphäre sind im Sommer Kohlenstoffsenken und im Winter Kohlenstoffquellen.
• Nachwachsende Rohstoffe setzen nur kurzfristig gebundenes CO2 frei, während fossile Brennstoffe enorme Mengen über Millionen von Jahren gebundenes CO2 freisetzen.
• In nassen Mooren wird Kohlenstoff gebunden, während in trockengelegten Mooren Zersetzung stattfindet und CO2 freigesetzt wird.

Zusammenfassung

• Organismen müssen ständig Energie aufwenden, um ihren geordneten Zustand aufrechtzuerhalten.
• Pflanzen nutzen Sonnenenergie zur Photosynthese, Tiere nehmen Nahrung auf, um Energie zu gewinnen.
• Die chemische Energie von Glucose kann im Prozess der Zellatmung im Körper nutzbar gemacht werden (ATP).
• Zellatmung und Photosynthese sind Redoxreaktionen; nur wenn mehr Biomasse aufgebaut als abgebaut wird, wird CO2 fixiert.