Assimilation und Dissimilation - Redoxprozesse zelluläre Strukturen PDF

2 Assimilation und Dissimilation - Redoxprozesse zelluläre Strukturen 2.1 Autotrophe Assimilation - Fotosynthese 2.1.1 Bedeutung des Fotosynthese Vorraussetzung für das Leben aller Orgasimen - Bindung von Kohlenstoff - Bildung von Biomasse (Zucker, Eiwei...

2 Assimilation und Dissimilation - Redoxprozesse zelluläre Strukturen 2.1 Autotrophe Assimilation - Fotosynthese 2.1.1 Bedeutung des Fotosynthese Vorraussetzung für das Leben aller Orgasimen - Bindung von Kohlenstoff - Bildung von Biomasse (Zucker, Eiweiße, Fette, Holz, andere organische Substanzen) -> Nahrungsgrundlage der heterotrophen Lebewesen - Bildung von Sauerstoff - Bindung von Lichtenergie in der chemischen Energie des Stoffe - Ozonbildung Grundlage für wichtige Zweige der Wirtschaft - Landwirtschaft - Kulturpflanzen - Viehhaltung - Firstwirtschaft - Holz - Cellulose - Fischereiwesen - Fisch - Tran - Energiewirtschaft - Holz - Kohle - Erdöl, Erdgas 3 fossile Brennstoffe Lichtenergie 6C0z + 12Hz0 · Cat1zOp + GHz0 + 60z Chlorophyll 2880k]/mol ° 16 = + 2.1.2 Weiterverarbeitung der Fotosyntheseprodukte Sekundärprodukte der Fotosynthese Gebildete Bedeutung für die Pflanze Wirtschaftliche Bedeutung Stoffe Stärke Reservestoff und Energiespeicher Bäckerei, Nahrung, tierische Futtermittel - Zellulose Aufbau der Zellwände Papierherstellung (Zellstoff) Fette Speicher - und Reservestoffe Pflanzenöle, Nahrungsmittel Eiweiße Wichtiger Bestandteil des Nahrungsmittel Zellplasmas - Vitamine CO - Faktoren im Stoffwechsel Nahrungsmittelergänzungsstoffe - Giftstoffe Abwehr von Fressfeinden Pharmaindustrie 2.1.3 Entdeckung der Fotosynthese 1648 JOHAN BAPTISTA VAN HELMONT: Experiment zum Wachstum von Bäumen - erkannte die Bedeutung von Wasser für das Pflanzenwachstum 1771 JOSEPH PRIESTLEY: erkannte die Bedeutung der Luftgase für den pflanzlichen Stoffwechsel - Luft wird durch abrennen einer Kerze oder Atmung „verbraucht“, mit Pflanze sehr längeres überleben => Tiere in luftdicht abgeschlossenen Räumen überleben sehr viel läner, wenn Pflanzen anwesend sind 1779 Jan Ingenhouz: Entdeckung der Fotosynthese 1845 Robert Mayer: erstmalige beschreibung, dass bei der Fotosynthese Lichtenergie in chemische Energie, gespeichert im Zucker, umgewandelt wird 1862 Julius Sachs: Entdeckung, dass bei der Fotosynthese der Zucker (in Form von Stärke) in den grünen Chloroplasten gebildet wird. 2.1.4 Anhänigkeit der Fotosynthese von äußeren Faktoren Bedingunen der Fotosynthese Vorhandensein von Licht Vorhandensein von Wasser Vorhandensein von Kohlenstoffdioxid Umgebungstemperatur Vorhandensein von Chlorophyll und weiteren Blattfarbstoffen Abhänigkeit vom Faktor Licht wichtig ist besonders die Lichtintensität Licht - und Schattenblätter Sonnenpflanzen: hohe Fotosynthese bei intensiver Bestrahlung Schattenpflanzen: maximale Fotosyntheseleistung bereits bei 10% der Lichteinstrahlung Abhängikeit vom Faktor Wasser Ausgangsstoff !!! Abhänigkeit vom Faktor CO2 - Gehalt CO2 - gehalt der Luft: 0,03% Optimum der Fotosynthese 0,1% Abhänigkeit com Faktor Temperatur enges Optimum (Enzyme) Kälte: Reaktionen verlaufen langsamer 2.1.5 Blattfarbstoffe und Fotosysteme Exkurs: Endosymbiontentheorie heute bestehende Vielfalt der zellulären Strukturen der Eucyte ist das Ergebnis von > 3,5 Mrd. Jahren Evolution von einfachen, unkompartimentierten bakterienähnlichen Zellen (Prokaryoten) zu ersten Eukaryoten vor 2 Mrd. Jahren -> Weiterentwicklung zu vielzelligen Organsimen  Stroma-Thylakoid StarKe om B0 mummopelmemelmembran äußere Membran| Chloro- i plasten- innere Membran | hülle Lipid. - tropfen DNA Ribosomen - Granum - (Thylakoidstapel) B0 Stroma = Matrix M Grana-Thylakoid Aufbau eines Chloroplasten (schematisch) Foto- ntheserale bzw. Licht- absorption spekuum Lichtabsolpaa l. Auß Chiorophyll a Chlorophyll b -Carotin 40I0) 500 60 700 Wellenlänge ( blau griü: gelt-orange Farbe des Lichts Abhängigkeit der Fotosynthese von den Wellenlängen des Lichtes  1 oSa Áso10 unt 5 · · es so10 un y Dei Endosymbiotentheorie besagt, dass Mitochondrien und Chloroplasten aus ursprünglich frei lebenden Prokaryoten hervorgegangen sind, die von anderen Prokaryoten als Symbionten aufgenommen wurden. Belege für die Endosymbiontentheorie - Dopplemembran: die äußere Membran entspricht einer eukaryotischen Membran, die innere Membran der Mitochodrien Phospholipide, die es nur bei Prokaryoten gib - DNA: nackt, ohne Histone, ringförmig - Ribosomen: entsprechen 70 S - Ribosomen der Prokaryoten Blattfarbstoffe und Fotosysteme Blattfarbstoffe: - Chlorophyll a - Chlorophyll b - Carotinodie - Xanthophylle Fotosysteme: - Fotosystem I Fotosystem II P700 P680 - in Thylakoidmembranen (Grana) - 300 Farbmolküle zu Fotosystem zusammengefasst - immer Chlorophyll a im Reaktionszentrum Aufgabe: Licht absorbieren und zum Reaktionszentrum leiten siehe Abb. AB  leicht anregbare Elektonen der konjugierten Doppelbindungen werden kurzzeitig vom energiearmen Grundzustand in angeregten Zustand gehoben Rückkehr in Grundzustand -> benachbartes Farbstoffmolkül wird angeregt (Voraussetzung: dessen Anregungsenergie ist etwas niedriger) Anregungsenergie nimmt von oben nach unten ab Anregung von Chlorophyll a -> Übertragung aus Elektronenakzeptor, der reduziert wird Ziel: neutraler Ladungszustand -> von einem benachbarten Elektronendonator (Redoxsystem oder Wasser) wird ein Elektron entzogen 2.1.6 Die Tracer - Methode zur Aufklärung von Stoffwechselprozessen bei der Tracer - Methode werden bestimmte körpereigene oder körperfremde Substanzen mit radioaktiven Substanzen markiert und in den Körper eingebracht. Diese nehmen dann am körpereigenen Stoffwechsel teil. 1913 erfunden Methode der Nuklearmedizin Was sind Tracer ? radioaktive Substanzen Nehmen am körpereigen Stoffwechsel teil Verarbeitung ermöglicht „Nachverfolgung“ (= to trace) Anwendung der Tracer - Methode bei der Fotosynthese Vorgehen: Entweder der Sauerstoff im Wasser oder Kohlenstoffdioxid wird radioaktiv markiert. Fragestellung: Nach welcher Markierung enthält welches Produkt den radioaktiven Sauerstoff? Ergebnis 1: Sauerstoff im Wasser markiert: Der produzierte Sauerstoff ist radioaktiv Ergebnis 2: Sauerstoff im Kohlenstoffdioxid markiert: Die Glucose ist radioaktiv Schlussfolgerung: Der Sauerstoff, der am die Atmosphäre abgegeben wird, stammt aus dem Wasser. 2.1.7 Lichtabhängige Reaktion der Fotosynthese Lichtabhänige Reaktion der Fotosynthese Licht Co2 - H20 ATP 1000 7 02 ? Lichtabhänige Reaktion Y NADPH T Lichtunabhänige Reaktion ↓ hmmmmmmmm Wie m Lichtabhänige Reaktion Glucose Lichtunabhänige Reaktion an Thylakoidmembran der Grana 1. Fotolyse des Wassers Wassermolküle werden durch Lichenergie gespalten -> Wasser wird in Sauerstoff, Elektronen und Protonen zerlegt Abgabe des Sauerstoffs die Elektronen (je zwei pro Wassermolkül) werden vom Fotosystem II aufgenommen. Sie fülle die Elektronenlücke auf, die durch Lichtanregung enstanden war. Bildung des Reduktionsmittels H+ - Protonen reduzieren NADP+ zu NADPH + H+ 2. Fotophosphorylierung Ziel: Bereitstellung der Reduktionsenergie Durch Fotolyse und die Reduktion von NADP+ wird ein Teil der absorbierten Lichtenergie gebunden Im weiteren Verlauf erfolgt die Bildung von ATP = Fotophosphorylierung ADP + P -> ATP  움한 5 본 · z 분 ichreaktion I A tennen- Lichtabhänige Reaktion der Fotosynthese pigmente e Lichtreaktion I A iennen- pigmente  Thylakoid-V Thylakoid- Thylakoid- innenraum membran au enraum 스 an Thylakoidmembran der Grana () Nichtzyklisch M 3. Mechanismus der nichtzyklischen Fotophosphorylierung (lineare Fotophosphorylierung) Durch Lichtenergie wird das Fotosystem II mit seinem Reaktionszentrum angeregt. Es wird auf ein höheres Energieniveau angehoben. -> P*680 Im Fotosystem II entsteht eine Elektronenlücke, da 2 e- an einen Akzeptor abgegeben werden. Diese Elektronenlücke wird durch Elektronen aus der Fotolyse wieder geschlossen Das angergte Fotosystem II überträgt zwei Elektronen auf ein Redoxsystem. Die Elektronen wandern durch eine Kette von Redoxsystemen (=Elektronentransportkette) entlang eines Energiegefälles. Dabei findet die Fotophosphorylierungg statt. Die Elektronen werden auf das Fotosystem I übertragen, wenn dort eine Elektronenlücke besteht. Diese Elektronenlücke ist ebenfalls durch Anregung des Fotosystems I durch die Lichtenergie entstanden. Die angeregten Elektronen des Fotosystems I werden über ein zweites Redoxsystem weitergegeben. Anschließend werden die Elektronen auf NADP+ übertragen. Gleichzeitig reagiert NADP+ mit den Protonen aus der Fotolyse. Das NADP+ wird zu NADPH + H+ reduziert. Das Reduktionsmittel wird in die lichtunabhängige Reaktion (Calvin Zyklus) überführt. Ergebnis der lichtabhängigen Reaktion: * 12H20 + 12 NADP + 18 ADP + 180 * GOz + 12 NAPPH +H + + 18 ATP Mitchell. Hypothese (= chemi - osmotische Hypothese) = Aufbau eines Protonengradienten und ATP - Gewinnung über eine ATP - Synthase an Biomembranen klärt das Problem des pH - Wert - Unterschiedes im Stromata und im Inneren der Thylakoide Protonenpumpe -> Bildung eines Protonengradienten im Thylakiodeninnenraum durch die Elektronentransportkette im Fotosystem II, d.h. es werden H+ durch die Membran geschleust -> ph - Wert niedriger (pH 5) als außen (pH 8)  Markl Biologie Oberstufe (978-3-12-150050-5) Fotosynthese - Solarenergie für das Leben Der Calvin-Zyklus tM Die Aldehydgruppe ist ergiereicher als die Carbonsäuregruppe 3-Phosphoglycerinsäure (PGS) 3-Phosphoglycerinaldehyd (PGA) 0 Aldehydgruppe — Auf dhonsäureg p H–– OH H– –O H U P H–0–P 3-Phosphoglycerinsäure (PGS) wird zum Zucker 3-Phosphoglycerinaidenya (F ) Teuuzier ADP +p Ly Phosphoglycerinsäure (PGS) "IXIerung NADP Zucke 12 NADPH +12 H wa 6 C, P -0-0-0--0-P Ribulose-1,5-bisphosphat aIVII 12 AlP 2 Red 12 NADP* 12 G,0-0-0- cerin- c, 0-0-0–P eri. aldehyd (PGA) aldehyd (PGA) 2 G0-0-0- p aldehyo (PGke 0-0-0-0-0-0e. Der Calvin-Zyklus findet im Stroma des Chloroplasten statt. In 6 Durchläufen wird aus 6 co2-Molekülen ein C6-Zucker erzeugt. Dabei werden 12 NADPH+H+ sowiee 18 ATP verbraucht. 봉 8- &  Exkurs: Zyklische Fotophosphorylierung nur das Fotosystem I ist beteiligt Ein Elektron des Chlorophyllmoleküls im Fotosystem I (P 700) wird dabei auf ein höheres Energieniveau gehoben und langsam unter Passieren mehrerer Molekülkomplexe (Ferredoxin - Cytochrome - Plastochinon - Plastocyanin) in das Ausgangsniveau des Fotosystems I zurückversetzt. Bei Ankunft am ursprünglichen Chlorophyllmolekül ist ATP entstanden. Da das Elektron sich in einem Kreislauf bewegt, wird der Vorgang als zyklischer Elektronentransport bezeichent. Ergebnis: nur Bildung von ATP (kein NADPH + H+) Ursache: Der Calvin - Zyklus verbraucht mehr ATP als NADPH + H+, im nichtzyklischen Prozess werden jedoch gleiche Mengen an beidem gebildet, sodass ein ATP - Defizit entsteht, das durch den zyklischen Prozess aufgeglichen wird. Diese zusätzliche ATP - Bildung wird vermutlich durch eine genügend hohe NADPH + H+ - Konzentration im Chloroplasten angeregt. 2.1.8 Lichtunabhänige Reaktion der Fotosynthese - Calvin Zyklus im Stroma 1. Carboxylierende Phase CO2 wird an einen Akzeptor (C5; Ribulose - 1,5 - bisphosphat) gebunden Enzym: Rubisco (Ribulose - 1,5 bisphosphat - carboxylase/ - oxygenase) Entstehung einer instabilien Verbindung (C6 - Körper) Zerfällt sofort in zwei Moleküle C3 (3 - Phosphogycerinsäure) 2. Reduzierende Phase Produkte der lichtabhänigen Reaktion werden verarbeitet Reduktion von 3 - Phosphoglycerinsäure zu 3 - Phosphoglycerinaldehyd durch NADPH + H+ und ATP aus zwei Molekülen 3 - Phosphogycerinaldehyd ensteht dann ein Molekül Fructose Fructose - 1,6 - biosphat -> GLUCOSE 3. Regenerierende Phase die restlichen 10 Moleküle 3 - Phosphoglycerinaldehyd werden wieder in den Akzeptor für CO2 umgewandelt Mehrere Zwischenverbindungen ATP - Verbrauch Ergebnise der lichtunabhänigen Reaktion: 6002 + 1 NADPH + 12H" + 18A + b - * CH1206 + + 12 NADP = 18ADD + 188 + H20 2.1.9 Fotosynthese bei C4 - und CAM - Pflanzen Fotosynthese bei C4 - Pflanzen C4 Pflanzen: Pflnazen, die C4 - Körper bilden Beispiele für C4 - Pflanzen: Zuckerrohr, Mais, Hirse Standort: heiß, trockene Umgebung Kennzeichen: 2 verschiedene Arten von fotosynthetisch aktiven Zellen in den Laubblättern: Bündelsscheidenzellen (um die Leitbündel herum angeordnet) und Mesophyllzellen (umgeben die Bündelsscheidenzellen) -> Chloroplasten - Dimporphismus Pflanzen besitzen zusätzlich CO2 - Fixierungsmechanismus, der dem Calvin - Zyklus vorgeschaltet ist Mesophyllzellen mit dem Enzym PEP - Carboxylase, das die Anlagerung von CO2 an Phospoenolpyruvat (PEP) katalysiert Bildung eines C4 - Körpers (Ocallacetat) -> Dicarbonsäure Oxalacetat wird in Malat umgewandelt, das dann in die Bündelscheidenzellen transportiert wird -> das gebundene CO2 wird frei und in den Calvin - Zyklus eungeschleust, das übrig bleibende Pyruvat wird wieder in die Mesophyllzellen transportiert und dort unter ATP - Verbrauch zu Akzeptor PEP oxidiert  I L ( Y L l 1 L L L 1) NADp+ ( (( 1 (UUH Hco HCOH COOH cH, OH * COOH ApfelS H CI coO Oxalessigsä COOH COOH cOO CALVIN: co- 0 C=0 c=0 Zyklus CH, Phosphoenol- AMP ATP CH, Brenztra Rre h Rrenztraubensäure C 9 KG 31.1. Vereinfachtes Schema der CO,-Fixierung bei C -Pflanzen 31.2. Feinstruktur der Chloroplasten von C,-Pflanzen (EM-Bild). A Chloroplast aus dem Mesophyll, B aus der Leitbündelscheide. a ht Dbe -H-0 ) Phosphoenol- |Zyklus Brenztraubensaure Apfelsäure Assimi- Äpfelsäu pfelö pH6 pH 4 pH4 pH6r 32.3. Vereinfachtes Schema der CO,-Fixierung bei CAM-Pflanzen 32 (u a Hałeisbin fi dun 5kundlozbueih I kej Sfwech) - phgs y hp, "kH chd Wi khu. 5eesbkl Swbuh  Vorteil der PEP - Carboxylase: sehr hohe Affinität zu CO2, Optimum der Enzyme der C4 - Pflanzen liegt bei 30 - 40°C; Malat und Aspartat als CO2 - Speicher -> Zeiten mit geschlossenen Stomata können leichter überdauert werden Fotosynthese bei CAM - Pflanzen CAM - Pflanzen = Crassulaceen - Acid - Metabolismus (CAM), den die Crassulaceen mit Carbonsäure als Speichermolekülen betreibt Typische CAM - Pflanzen: Kakteen, sukkulente Crassulaceen oder Bromeliaceen Stadort: extrem heiß und trocken nur Nachts CO2-Fixierung Stomata werden nur nachts geöffnet und tagsüber geschlossen Wasserverlust wird tagsüber verringert, gleichzeitig kann die Pflanze aber auch kein CO2 mehr aufnehmen -> CO2 wird nachts aufgenommen -> Speicherung in Carbonsäure - Anionen (v.a. Malat), die in den Vakuolen der Mesophyllzellen bis zum Sonnenaufgang gespeichert werden lichtabhängige Reaktion am Tag: Bildung von ATP udn NADPH -> Freisetzung des gespeicherten CO2 -> Einschleusung über dem Calvinzyklus in die Zuckersynthese 2.1.10 Chemosynthese Chemosynthese = Stoffwechsel mancher Bakterien, die aus der Oxidation anorganischer Stoffe chemische Energie in Form von ATP gewinnen. Organismen: Knallgasbakterien, Eisenbakterien, Nitrifizierer: Nitrosomonas; Nitrobacter, Schwefel - Oxidierer In nährstoffreichen Gewässern, Kläranlagen, im Wasser und im Boden Energiequelle: exergonische Reaktionen, anorganisches Substrat, Kohlenstoffdioxid Chemosynthese ist komplett unabhängig von der Fotosynthese Fotosynthese Chemosynthese & Lichtquelle anorganische Substanzen Stoffwechselprozess zur oxidative Phosphorilierung Energiegewinnung ATP Stoffwechselprozesse zu Energiegewinnung ATP Fotophosphorilierung Calvin - Zyklus Clavin - Zyklus Bakterien Pflanzen, chlorphyllhaltige Bakterien. Markl Biologie Oberstufe Gesamtband (978-3-12-150070-3) C4.Pflanzen und CAM-Pflanzen e M p L1 Z Le i 8 1 | sitzen keinen Calvinzyklis, 5ondern In dieser Reaktion Wird die Enzym, das C0, auf das CMolekul Energie für die CO,-Pumpe Phosphoenolpyruvat übertragt. Dal 5 *P eh Mesophyllzelle Hier wird ein CoMolekiül v Ede k ter▇ ▇ es entsteh ound das CMolekül Pyr Epidermis cOo, ist hier im Vergleich zur Mes0- / I zyklus | a 3 i ) i fließt daher besonder5 cffizient in Calvinzyklus. inwurden ExperG," und einemeine eine C"Pflanze in -Aufnahme/ Abgabe (umol *m. ”) Bohne (G-P " Han2e " Tanze einm mit Kol 80 dioxid angereicherten ruie ii i Li ) l n Glasgefäß bei 33 °C gas- (rAM-pfla dicht eingeschlo. und stark belichtet. "PTIanze. 20- C"Pilan U, l f f n te 7 öffneten Stomata CO, auf genommen und auf das zyklus CyMolekül Pho oh H eg uole exportiert. C0, Wird Malat (k abgespalten und fließt für die Zuckersynthese i Oe luinzklus. Phospho ( 0 chert. Das Blatt win (Ma  (at I IUI▇ ▇ ▇e (916- T ▇ "T UU/U-▇ · S EI ▇ ▇ ▇ ▇ " | re) vorfixiert. Es entsteht eln shuullzele C"Pílanzen geschieht das in den sophyllzellen, bel CAM-Přlan dagegen nur nacht U1t U C Male C. Molekul cheidenzelle Calvin Das frelgesetzte Co, wird tagsüber in den Calvinzyklus eingeschleust, beie |ldIL l W l| ) l|i4I|1lI)Ne l ( A & y Chemosynthese H. + C0. CH, + 2H,0 en die relative nergem die aus der Reaktion bezogen werden kar (H5+20, — So +2* H * + 0, — NO, +H0+2H* |Zum Vergleich ist die Mindestmenge an Licht energie angegeden, ie Von aen Fotosysteen für die Herstellung von NADPH aufgefangen N , +0,— NO, 200 400 Mit zunehmender Tiefe verándert sich das Spek Bakterienfotosynthese Was5ermoleküle, kleine Partikel und gelöste Stoffe dir tTela Ate weYee ▇ Wellenlänge ( 38045050055060065070075 0 G 20U 250 *y 2.2 Dissimilationsprozesse Überblick über die Dissilationsprozesse Glucose Glycolyse V Brenztraubensäure Alkohol. (Pyruvat) Milchsäuregärung Gärung v V Ethanol Milchsäure.. Citronensäurezyklus Atmungskette CO2 H2O Orte der Zellatmung Glycolyse -> Zellplasma Citratzyklus -> Mitichondrium, Matrix Atmungskette -> Mitochondrium, innere Membran 2.2.1 Das Mitochondrium Bau des Mitochondriums 2.2.2 Überblick über die Zellatmung Gleichung 60z6l0z + 12Hz0 CHez0g + GHz0 + -> aerober Prozess -> freiwerdene Energie wird als ATP verfügbar bzw. gebunden oder als Wärme freigesetzt (Bei Menschen und Tieren gibt es eine äußere Armung = Aufnahme von Sauerstoff und Abgabe von Kohlenstoffdioxid durch besondere Atmungsorgane wie Lungen, Kiemen, Tracheen und Haut) · · ummmmmmm wo 2.2.3 Glycolyse Sh. Abb. Al  · Arbeits- blatt Glykolyse 60 Im Zellplasma In der folgenden Übersicht ist der Verlauf der Glykolyse schematisch dargestellt. 1. Ordnen Sie den Ziffern die entsprechenden Begriffe zu. 2. Geben Sie den Namen des Nebenprodukts an, welches beim Reaktionsschritt von 6 zu 0 abgespal ten wird. 3. Kennzeichnen Sie durch Reaktionspfeile bei den entsprechenden Schritten, ob ADP oder ATP, NAD* oder NADH + H* gebildet werden. 4. Stellen Sie eine Bilanz für produziertes bzw. verbrauchtes ATP bbei der Glykolyse auf. p H Glucose 10— T ADP | · Glucose-6-phosphat H0— Fructose-6-phosphat 0 cO0 Fructose-1,6-bisphosphat H cs o 0 Gylcerinald(H O Dihydroxyla ehyd-3- cetonphosp phosphat HC 0–0 hat OH 0– ( *NAD*|NADH+H*| -0 ADP : 1,3-Bisphosphoglycerat ATP =0–0 3-Phosphoglycerat 2-Phosphogycerat H2O H2O Phosphoenolpyruvat (PEP) 1 ATP | Pyruvat -> Energiegewinn von 2 Mol. ATP 2.2.4 Citratzyklus (Zitronensäurezyklus, KREBS - Zyclus) 1. Pyruvatabbau Abbau der Pyruvatmoleküle zu Acetylresten Abspaltung von CO2 und Reduktion von NAD+ zu NADH + H+ Bindung der Acetylreste an Coenzym - A - Moleküle und Bildung des Acetyl - CoA. Moleküls (=aktivierte Essigsäure) -> Erhöhung der Reaktionsfähigkeit 2. Citratzyklus zyklisch verlaufender Prozess der Stoff - und Energieumwandlung Acetyl - CoA - Moleküle werden in den Kreislauf eingeschleust Vollständige OXidation zu CO2 Bildung von ATP und NADH + H+ und FADH2 Regeneration des Akzeptors Oxalacetat 2.2.5 Atmungskette (Endoxidation, oxidative Phosporylierung) Ort: innere Mitochondrienmembran oxidativ = unter Sauerstoffverrauch Phosphorilierung = ATP - Bildung Phase der Zellatmung, die die meiste Energie liefert (ATP) Endpordukte: H2O, ATP der gebundene Wasserstoff (an NADH + H+ und FADH2) muss schrittweise oxidiert werden. -> Kette von Redoxsystemen (ATP - Synthase - Komplex)  Arbeits- blatt Citronensäurezyklus 61 Die folgende Darstellung zeigt den Citronensäurezyklus, bei dem die in der Glykolyse gebildete Brenztrau- bensäure weiteren Abbauprozessen unterworfen wird. Der Citronensäurezyklus wird auch nach seinem Ent- decker als KREBS-Zyklus bezeichnet. 1. Ergänzen Sie die fehlenden Stoffwechselzwischenprodukte. 2. Geben Sie für die Stoffwechselschritte von ! zu ", von " zu # und von $ zu % an, welche Bestand- teile abgespalten bzw. hinzugefügt werden. 3. Stellen Sie mithilfe von Reaktionspfeilen dar, ob ATP oder ADP, GTP oder GDP, NADH + H+ oder NAD+ und FADH2 oder FAD bei den einzelnen Stoffwechselschritten gebildet werden. Aus Biologie heute (3-507-10592-6) CO2 Acetyl-Coenzym A Hz0 Oxalessigsäure Citronensäure [ Äpfelsäure CO2 H20 > - ↓ Ketoglugarsäure H20 CO2 > [ > © 1998 Schroedel Verlag GmbH, Hannover 4. Stellen Sie eine Bilanz darüber auf, wie viel ATP bzw. GTP sowie Reduktionsäquivalente im Citro- nensäurezyklus gebildet werden, und vergleichen Sie diese Bilanz mit der Glykolyse. bei der oxidativen Descarboxilierung u. im Citronensäurezyklus werden bezogen auf ein Mol Glucose gebildet : (mol GTP , 8 mol NADH + ht , 2 mol FADHz + bei Glykolyse : 2mol ATP 2 mol NADH + H pro mol Glucose ,  Arbeits- blatt Oxidative Phosporylierung (Atmungskette) 62 1. Bei der äußerst heftig ablaufenden Knallgasreaktion werden unter Energiefreisetzung Elektronen von Wasserstoff auf Sauerstoff übertragen. Die formal gleiche Reaktion läuft auch im Stoffwechsel ab, jedoch wird hier die Energie nicht explosionsartig frei. a) In der folgenden Abbildung sind die Vorgänge der oxidativen Phosphorylierung in der Membran der Mito- chondrien dargestellt. Beschreiben Sie die ablaufenden Vorgänge, stellen Sie dabei einen Zusammenhang zwischen dem Protonentransport und den Abläufen an der ATP-Synthase (auch ATP-Synthetase) her. Citronensäurezyklus H HH CONH2 + H+ + 2 e- N N H2O + NAD FADH2 + NAD H + H äußere 2 e- + 2 H+ + 1/2 O2 Aus Biologie heute (3-507-10592-6) Mitochondrien- membran ATP H+ H+ H+ H+ e- Atmungs- e- e- enzym- innere komplexe ADP + P Mitochondrien- membran ATP- Elektronentransportkette Synthase H+ H+ H+ + + H+ H+ H H H+ H+ Atmungskette b) Begründen Sie ausführlich, wie die unterschiedliche Menge an gebildetem ATP bezüglich NADH + H+ bzw. FADH2 an der ATP-Synthase zustande kommt. c) Stellen Sie eine Gesamtbilanz bezüglich ATP bzw. GTP und der Reduktionsäquivalente NADH + H+ bzw. FADH2 für die Glykolyse, die oxidative Decarboxylierung, den Citronensäurezyklus und die oxidative Phos- phorylierung auf. © 1999 Schroedel Verlag GmbH, Hannover 2. Neben dem weißen Fettgewebe besitzen winterschlafende und neugeborene Säugetiere das so genann- te braune Fettgewebe, welches besonders reich an Mitochondrien ist. Es dient der Thermogenese im Kör- per, ohne dass dabei ein Muskelzittern notwendig ist. Bei dieser Art der Wärmeerzeugung kommt es zu einer Entkopplung von Elektronentransport und ATP-Bildung in der Mitochondrienmembran. a) Stellen Sie die Bedeutung dieser Art der Wärmeerzeugung dar. b) Erklären Sie mithilfe dieser Angaben, warum manche Winterschläfer besonders kalte und lange Winter nicht überleben. 10 592 Arbeitsheft  Arbeits- blatt Citronensäurezyklus 61 Die folgende Darstellung zeigt den Citronensäurezyklus, bei dem die in der Glykolyse gebildete Brenztrau- bensäure weiteren Abbauprozessen unterworfen wird. Der Citronensäurezyklus wird auch nach seinem Ent- decker als KREBS-Zyklus bezeichnet. 1. Ergänzen Sie die fehlenden Stoffwechselzwischenprodukte. 2. Geben Sie für die Stoffwechselschritte von ! zu ", von " zu # und von $ zu % an, welche Bestand- teile abgespalten bzw. hinzugefügt werden. 3. Stellen Sie mithilfe von Reaktionspfeilen dar, ob ATP oder ADP, GTP oder GDP, NADH + H+ oder NAD+ und FADH2 oder FAD bei den einzelnen Stoffwechselschritten gebildet werden. COz Aus Biologie heute (3-507-10592-6) ⑭ Acetyl-Coenzym A Hz0 Oxalessigsäure Citronensäure * Apfelsäure Hz0 # L-Ketoglutarsäure H28 CO2 # t * © 1998 Schroedel Verlag GmbH, Hannover 4. Stellen Sie eine Bilanz darüber auf, wie viel ATP bzw. GTP sowie Reduktionsäquivalente im Citro- nensäurezyklus gebildet werden, und vergleichen Sie diese Bilanz mit der Glykolyse. Bei der oxidativen Decarboxylierung und im Citronensäurezyklus werden bezogen auf 1 Mol Glucose H+ der Glykolyse gebildet ZmalGTP Smal NADH + 2 mal FADHz Bei werden im : · · · ; Vergleich und Zmal gebildet. + dazu nur zual ATP NADPH + H promol Glucose 10 597 Löser Arbeits- Citronensäurezyklus 61 Arbeits- Oxidative Phosphorylierung (Atmungskette) 62 blatt blatt 1 1., 2. und 3. 1. 2 a) Die Energie freisetzenden Prozesse, welche im Zellstoffwechsel ablaufen, zeigen eine schrittweise Energie- 3 freisetzung, wobei diese Energie in energiereichen Molekülen gespeichert wird. Solche Speichermoleküle für 4 Oxidationsenergie sind z. B. NADH + H+ und FADH2, welche in Glykolyse und Citronensäurezyklus auftreten. Ihre 5 Energie wird nun in einer Reaktionskette freigesetzt, welche an der inneren Mitochondrienmembran abläuft. 6 Formal müssen die energiereichen Elektronen des NADH + H+ und FADH2 zum Sauerstoff gelangen. Dies ge- 7 schieht mithilfe dreier großer Enzymkomplexe, welche sich in der inneren Mitochondrienmembran befinden. Bei 8 der Passage durch die Enzymkomplexe wird den Elektronen Energie entzogen. Diese Energie wird genutzt, um 9 Protonen durch die Membran von innen nach außen zu pumpen. Dadurch kommt es zur Ausbildung eines Pro- 10 tonengradienten, bei dem sich außen mehr Protonen befinden als innen. Somit ist die Energie aus NADH + H+ 11 und FADH2 in einem Protonengradienten gespeichert. Dieser dient nun dazu, aus ADP und Phosphatresten ATP 12 zu synthetisieren, dieser Vorgang läuft an der ATP-Synthase ab. Dabei werden durch die membranständige 13 ATP-Synthase Protonen von außen nach innen geschleust und bei diesem Vorgang ATP gebildet. Beim Durch- 14 strömen von 10 Protonen durch die ATP-Synthase können drei ATP gebildet werden. Die Elektronen aus der 15 Elektronentransportkette werden zusammen mit Protonen auf elementaren Sauerstoff übertragen, dadurch wird 16 Wasser gebildet. 17 b) Die zwei Elektronen des Nicotinamid-Molekül-Bestandteils des NADH + H+ liefern die Energie, um zehn 18 Protonen durch die Membran nach außen zu pumpen, welche ihrerseits beim Passieren der ATP-Synthase drei 19 ATP ergeben. FADH2 wird später an dieser Elektronentransportkette beteiligt und bewirkt einen Transport von 20 nur sechs Protonen durch die Membran. Diese sechs Protonen ergeben, durch die ATP-Synthase transportiert, 21 zwei ATP. Es werden demnach bezüglich NADH + H+ drei ATP und bezüglich FADH2 zwei ATP gebildet. 22 c) 23 reduzierte Coenzyme Energiebilanz 24 25 Glykolyse 2 NADH + H+ 2 ATP 26 oxidative Decarboxylierung 2 NADH + H+ 2 GTP (= 2 ATP) 27 Citronensäurezyklus 6 NADH + H+; 2 FADH2 28 29 Atmungskette keine Bildung 34 ATP 30 Gesamtbilanz 10 NADH + H+; 2 FADH2 38 ATP 31 32 4. 33 Bei der oxidativen Decarboxylierung und im Citronensäurezyklus werden bezogen auf ein Mol Glucose gebildet: 2. 34 2 mol GTP a) Bei winterschlafenden Säugetieren findet man in der inneren Mitochondrienmembran ein zusätzliches 35 8 mol NADH + H+ Membranprotein, durch das der Protonengradient ausgeglichen wird. Somit kommt es zu einer Wärmeproduk- 36 2 mol FADH2 tion, die aus der im Protonengradient gespeicherten Energie resultiert. Der Protonenaustausch an der ATP- 37 Bei der Glykolyse werden im Vergleich dazu nur 2 mol ATP und 2 mol NADH + H+ pro Mol Glucose gebildet. Synthase wird dagegen stark reduziert. 38 Bei Winterschläfern handelt es sich ausschließlich um kleine Tiere mit einer relativ großen Oberfläche; sie 39 haben eine große Wärmeabstrahlung. Der Energieverlust durch Muskelzittern würde zum Tod der Lebewesen 40 führen, da die meisten Muskeln an der Körperoberfläche liegen und mit dem Blutkreislauf die gebildete Wärme 41 nur unzureichend in das Körperinnere transportiert werden würde. Die zentrale Lage des braunen Fettgewebes 42 ermöglicht dagegen eine Wärmeproduktion im Körperinneren. 43 b) Manche Winterschläfer überstehen lange und besonders kalte Winter u. a. deshalb nicht, da die Wärmepro- 44 duktion in ihrem Körper zum Erliegen kommt. Die Wärmeproduktion ist an das Vorhandensein von Körperfett 45 gebunden, diese Reserven werden dabei abgebaut. Bei sehr niedrigen Temperaturen oder langen Wintern rei- 46 chen diese Fettreserven bei einigen Tieren nicht aus, sie sterben den Kältetod. 2.2.5 Beeinflussung der Zellatmung Innere Faktoren: Verfügbarkeit von Nährstoffen (Glucose) Enzymaktivität Temperatur Äußere Faktoren: Temperatur CO2 - Gehalt Sauerstoffgehalt Faktoren um Obst und Gemüse länger frisch zu halten? hoher CO2 Gehalt Gerringer O2 Gehalt Dunkle Lagerung -> Verminderung des Masseverlusts -> Einschränken des Schrumpfen C4 Wann Bindung stattfindet  Arbeits- blatt Gärungen – Energiegewinn ohne Sauerstoff 64 1. Atmungsvorgänge sind immer an das Vorhandensein von Sauerstoff gebunden. Bei Sauerstoffmangel werden organische Verbindungen in der Zelle nur unvollständig abgebaut. Man spricht dann von Gärungen, auch sie sind Dissimilationsvorgänge. Einige wichtige Gärungsprodukte sind aus unse- rem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken, z. B. Käse, Jogurt, Quark, Ethanol und Essig. Selbst beim Brot- und Kuchenbacken spielen Gärungs- vorgänge eine wichtige Rolle. a) Nennen Sie die Fachbegriffe für die beiden wichtigsten Gärungsarten, welche in den Abbildungen A und B schematisch dargestellt sind. b) Vergleichen Sie in einer Tabelle beide Gärungsformen hinsichtlich Ausgangsstoff, Reaktionsweg, Zwischenprodukten, Endprodukt und Energieumsatz. Aus Biologie heute (3-507-10592-6) Alkohol - Dehydrogenase Lactat - Dehydrogenase 2. Neben Bakterien sind es vor allem Hefepilze, welche Gärungsarten zur Energiegewinnung nutzen. In einem Experiment hat man Glucoselösung mit Hefe beimpft und die Gärgefäße bei verschiedenen Tempe- raturen inkubiert. Nach einem bestimmten Zeitintervall konnte man unterschiedliche Mengen an CO2 in den © 1999 Schroedel Verlag GmbH, Hannover Gärgefäßen feststellen (siehe Abbildung). Interpretieren Sie die Ergebnisse dieser Untersuchung. CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 10 °C 20 °C 30 °C 40 °C 50 °C 10 592 Arbeitsheft 2.2.6 Gärung Stoffabbau unter Sauerstoffausschluss Durch Hefepilze und bestimmte Bakterien, z.B. Milchsäurebakterien, Essigsäurebakterien, Buttersäurebakterien Unvollständiger Stoffabbau, denn es entstehen organische Verbindungen Gerringer ATP - Gewinn Ablauf der Gärung Glykoslyse: Abbau von Glucose zu Pyruvat Bildung von 2 Molekülen ATP und 2 Molekülen NADH + H+ kein Citratzyklus NADH + H+ kann nicht oxidiert werden aber: NAD+ muss regeneriert werden, da sonst die Glykolyse zum Erliegen käme Lösung: NADH + H+ überträgt Wasserstoff auf bestimmte Verbindungen, z.B. auf Pyruvat oder Ethanol (Acetaldehyd) Bildung von Milchsäure (Lactat) bzw. Ethanol sowie NAD+ Milchsäuregärung enzymatischer Abbau von Zucker in Milchsäure (Lactat) durch Milchsäurebakterien Bedeutung der Milchsäure - hemmt Entwicklung von Mikroorganismen - wirkt konservierend (Fäulnisbakterien und Schimmelpilze wachsen nicht bei niedrigem pH - Wert) - verursacht säuerlichen Geschmack Anwendung - Bäckerei -> Sauerteig - Molkerei -> Quark, Joghurt - Landwirtschaft -> Gärfutter (Silage) - Nachrungsmittelindustrie -> saure Gurken, Sauerkraut 10 597 Löser ·FergiegewinnungSe Arbeits- Abbau von Fetten 63 Arbeits- Gärungen – Energiegewinn ohne Sauerstoff 64 blatt blatt 1 1. 2 a) A = alkoholische Gärung, B = Milchsäuregärung 3 4 b) 5 A B 6 7 Ausgangsstoff Glucose Glucose 8 Reaktionsweg – Glucose wird durch die Glykolyse zu – Glucose wird durch die Glykolyse zu 9 Brenztraubensäure abgebaut Brenztraubensäure abgebaut 10 11 – Brenztraubensäure wird zu Acet- – Brenztraubensäure wird zu Milch- 12 aldehyd decarboxyliert säure reduziert 13 – Acetaldehyd wird zu Ethanol 14 reduziert 15 Zwischenprodukt(e) Brenztraubensäure Brenztraubensäure 16 Acetaldehyd 17 18 Endprodukt Ethanol Milchsäure 19 Energieumsatz Bildung von 2 ATP Bildung von 2 ATP 20 21 22 2. 23 In den abgebildeten Gärgefäßen ist abhängig von der Temperatur eine unterschiedliche Menge an gebildetem 24 Kohlenstoffdioxid zu verzeichnen. Mit steigender Temperatur von 10 °C auf 40 °C findet man eine stetige Zu- 25 nahme des Kohlenstoffdioxidvolumens, bei einer Inkubationstemperatur von 50 °C jedoch wurde kaum noch 26 Kohlenstoffdioxid gebildet. 27 Die Menge an gebildetem Kohlenstoffdioxid ist ein Maß für die Gäraktivität. Mit steigender Temperatur findet 28 man auch einen Anstieg der Gäraktivität, was sich in den immer größer werdenden Kohlenstoffdioxidvolumina 29 ausdrückt. Wird jedoch eine bestimmte Temperatur (50 °C) überschritten, verlieren bereits einige Enzyme ihre 30 Wirksamkeit, ab 60 °C kommt die Gärung vollständig zum Erliegen. 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46  Fett 1 Glucose Ce Glycerin » Glykolyse 2ATP 2 NADH + H 6ATP 2 Brenztraubensäure 2C, · 2C, 2 NADH + H 6ATP 2 o Fettsäuren 2 aktivierte 6 NADH +H Essigsäure 2C 2C4 2C6 Protein rAL 4AIP Am Amino- Citronen. säuren säurezyklus 60, 12 H0 2 ATP 4C ⑭ 6H,0 c0 38 ATP Bisheriges vorläufiges Reaktionsschema: CoH 0 +60, » 6 Co + 6 H 0 Neues, erweitertes Reaktionsschema: CH +6 H 0 +6 0 6 co, + 12 H0 0 Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2012 Alkoholische Gärung enzymatischer Abbau von Zucker durch Hefepilze Bedeutung des Alkohols: - hemmt Entwicklung von Mikroorgasimen Anwendung - Brauerei -> Bier, Wein - Industrie -> Vergärung von Zucker zur Gewinnung von Treibstoff („Bio - Diesen“) - Bäckerei -> Gärprodukt CO2 lockert den Teig Arbeitsblatt Grundlagen > S. 101 (EF S. 113) Stoffwechselwege im Überblick ervollständigen Sie die Grafik unten. 0 Schreiben Sie sowohl neben die Zwischen- als ach neben die Endprodukte Zahlen, mit denen Sie 0ir Finden Sie zunächst die passenden Bezeichnungen die durch Linien abgetrennten Stoffiwechselab- angeben, wie viele Moleküle jeweils entstehen schnitte. 0 Die nach rechts zeigenden Pfeile sollen den Netto- energiegewinn angeben. Tragen Sie entsprechende 0 Tragen Sie in die eckigen Kästchen die Namen Zahlen ein. der Zwischenprodukte ein, die an die jeweilige Stelle gehören. In die runden Felder gehören die Bezeich 6 Kennzeichnen Sie die in verschiedenen Zellbe- nungen für Produkte, die an den jeweiligen Stellen reichen ablaufenden Stoffwechselschritte mit unter frei werden. schiedlichen Farben und ordnen Sie diese den Zell- bereichen zu. Stoffwechselabschnitt: kohlenhydmte elereIcn: ecdauungdn Aabilisereng Glycos 20 gloplan.NADH) +. Gliyalyse Pypevor |c, xidalive ikochondhium 2(WR) ecoloxyliero Acetyl-A.oe.( o ) Mahix.7.. , 6 ;0 Cihntryckus 0(NAOH)t.MO kochandiim (AP) ahix z(Tto 4(co. (NADH ).e Ahmungakekte innet 3 ARP) Mihochondnie Memkn (.. Zeilbiologie und Stoltwecnser Cornelsen Energiestoffwechsel  2.3 Verdauung als voraussetzung für den Stoff - und Energiewechsel bei Mensch und Tier Ernährung des Menschen Nährstoffe Ergänzungsstoffe bzw. Wirkstoffe Kohlenhydrate Wasser Eiweiße Vitamine Fette Mineralstoffe Ballaststoffe Die Kohlenhydrate -> Aufbau: versch. Zuckermoleküle Einfachzucker (Glucose, Fructose) Zweifachzucker (Saccharose, Maltose, Lactose) Vielfachzucker (Stärke, Gylkogen) Merke! Kohlenhydrate sind Betriebsstoffe und Baustoffe für den Körper des Menschen. -> Muskelarbeit -> Aufbau körpereigener Stoffe -> Arbeit an Nervenzellen Die Eiweiße Merke! Aus 20 verschieden Aminosäuren lange, kettenförmige Moleküle Essenzielle Aminosäuren: kann der Körper nicht selbst herstellen Merke! Eiweiße sind wichtige Baustoffe des Körpers. Aufbau und Erhaltung von Muskeln, Organen, Blut Tätigkeit des Nerven - und Immunsystem Tierische - und pflanzliche Eiweiße Fette (Lipide) Herkunft: tierrische und pflanzliche Essenzielle Fettsäuren Es gibt gesättigte und ungesättigte Fettsäuren Aufbau: G Eiweiße 1 L Y C Eiweiß 2 E R I N Eiweiß 3 Fette sind Betriebsstoffe, da sie Energie liefern Stoffaustausch zwischen Organismus und Umwelt – Schwerpunkt Verdauung Der Stoffaustausch erfolgt über Haut, Lunge, Dünndarm und Niere. Der Kreislauf verbindet alle Organe und hat eine Austausch-fläche von ca. 1000 m2, von denen allerdings nur ca. 300 m2 zeitgleich aktiv sind. © Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2023 | www.klett.de | Alle Rechte Illustratoren: vasp datatecture GmbH, Zürich; Descience, Andrea Ulrich, Luzern 1 vorbehalten. Von dieser Druckvorlage ist die Vervielfältigung für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet. Die Kopiergebühren sind abgegolten. Markl Biologie Oberstufe Gesamtband (978-3-12-150070-3) 2.3.1 Das Verdauungssystem Verdauungsorgane Tierische Einzeller: intrazelluläre Verdauung in Nahrungsvakuole und Lysosomen Vielzeller: extrazelluläre Verdauung durch spezialisierte Organe L & Darmrohr Darmanhangsdrüsen Vorteil bei extrazellulärer Verdauung: große innere Oberfläche für Stoffaustausch (Falten, Zotten und Mikrovilli) Transporteinrichtung wie Flimmerhärchen Schutz gegen Selbstverdauung (Glykokalyx der Darmschleimhaut) Ernährungsspezialisten: - Wiederkäuermagen (Rinder) - Blinddarm (Pflanzenfresser wie Reh, Kaninchen) - Gärkammer (Termiten) Mikroorganismen: können als Symbioten („Darmbakterien“) den Verdauungsprozess unterstützen Verdauung: (enzymatische) Zerlegung der Nährstoffe in ihre Grundbausteine Resorption: Aufnahme der Nährstoffbausteine ins Blut über Zellmembranen hinweg (Mensch: Dünndarmzotten) Verdauungsverlauf Mundhöhle: Mechanische zerkleinerung der aufgenommen Nahrung, Durchmischung mit Speichel dadurch vergrößerung der Oberfläche des Nahrungsbreis und Schaffen einer Angriffsfläche für enzymatische Verdauungsprozesse. Mundhöhle, Magen und 12 - Finger - Darm: Vorverdauung der Nahrung durch einweichen, Proteindenaturierung und Emolgierung der Fette Dünndarm: Endverdauung durch enzymatischen Abbau sowie Resobtion der Endprodukte in Blut (Monosaccharide Aminosäuren) und Lymphe (Glycerin Fettsäuren Dickdarm: Wasserresorbtion Mustdarm/ Enddarm: sammeln des Kotes und ausscheidung über den After 2.3.2 Das Wirken von Enzymen im Verdauungssystem Einteilung und Bildung von Verdauungsenzymen alle Verdauungsenzyme gehören zu den Hydrolasen (katalysieren enzymatische Spaltung durch Hydrolyse - Umsetzung eines Wassermoleküls je gespaltener bildung) Carbohydrasen (Abbau von Kohlenhydraten) Lipasen (Abbau von Fette) Protease (Abbau von Proteinen) Nucleasen (Abbau von Nukleinsäure) Bildung in Verdauungsdrüsen und Drüsenzellen der Darmwand 2.3.3 Bedeutung der Nährstoffe für den Aufbau körpereigener Stoffe Kohlenhydrate: sind Baustoffe, Reservestoffe und Grundlage des energie Stoffwechsels Grundlage des Energiestoffwechsels Baustoffe (für körpereigene Stoffe) Reservestoffe Überblick Verdauungsenzyme vgl. https://de.wikipedia.org/wiki/Verdauungsenzym#lVerdauungsenzyme_von_S%C3%A4ugetieren) Peptidasen (Enzyme, die Peptidbindungen in Proteinen oder Peptiden spalten Komen, 1onym Proteasen) Pepsin: Abbau von Proteinen im Magen, wird von der Magenschleimhaut gebildet; pH-Wert-0ptimum für Pepsin liegt bei pH 2 Trypsin: Abbau von Proteinen im Dünndarm und wird im Pankreas gebildet Chymotrypsin: Abbau von Proteinen im Dünndarm und wird im Pankreas gebildet, wirkt auch milchgerinnend Chymosin: im Magen vor allem von Säuglingen gebildet und spaltet die Peptidbindung vischen den beiden Aminosäuren Phenylalanin und Methionin, die im Milchprotein K- Casein vorkommt Aminopeptidase: im Dünndarm gebildet und baut Proteine ab Carbox peptidase: Proteine ab Glykosidasen (Enzyme, die Polysaccharide wie Stärke in Monosaccharide wie Glucose spalten) Speichel-Amylase (a-Amylase): in der Speicheldrüse gebildet, beginnt mit Abbau von Stärke im Mund Pankreas-Amylase (a-Amylase): führt den Abbau von Stärke fort, wodurch Maltose, Maltotriose und Dextrine entstehen Lactase: spaltet Lactose in Glucose und Galactose; vor allem von Säuglingen und Kleinkindern gebildet, während bei Erwachsenen geh eintoleranz auftritt ehäuft eine Laktosein Lipasen (Enzyme aus der Bauchspeicheldrüse, welche die Lipide im Dünndarm spalten) Gallensalz-aktivierte Lipase: bauen Cholesterinester ab Pankreaslipase: hydrolysiert Triglyceride zu Monoglyceriden Phospholipase: aus dem Pankreas, spaltet Phospholipide Nukleasen (Enzyme, die Nukleinsäuren in Nukleotide spalten) RNase: aus dem Pankreas, zerlegt RNA  Komplexität unterscheidet sich nach der Anzahl der C - Atome im Molekül Aufbau: - Monosaccharide - Disaccharide - Polysaccharide Aufbau von Glykogen - „tierische Stärke“ - Reservestoff in Leber und Muskeln - bestehen aus Glucose - Bausteinen, die über vielfältige α -1,4 - und α -1,6 - Bindungen stark verzweigt miteinander verbunden sind Proteine Baustoffe Reservestoffe an fast allen Lebensprozessen beteiligt Funktionsproteine: ermöglichen Prozessen im Körper - Membranproteine: Signalübermittlung und Stoffaustausch zwischen Zellen - Bewegung von Zellen und des Körpers - Hormone - Antikörper - Enzyme Strukturproteine: sorgen für Festigkeit und Elastizität des Körpers - z.B. Keratin in Haaren, Nägel Aufbau: durch Proteinbiosynthese Struktur: Verbindung von Aminosäuren über Peptidbindungen - Primärstruktur (Reihenfolge der Aminosäuren im Molekül) - Sekundärstruktur (räumliches Muster) - Tertiärstruktur (dreidimensionale Anordnung) - Quartärstruktur (Verknüpfung mehrerer Aminosäureketten)  Grafik: Markl, Prof. Dr. Jürgen, Gau-Bischofsheim; Datenquelle: www.wwpdb.org, ID: 1A3N, 1LFQ Die Einfachzucker α- und β-Glucose können sich über die Kettenform ineinander umwandeln. Bei den daraus gebildeten Zweifachzuckern Maltose und Cellobiose geht das wegen der unterschiedlichen 14- Bindung nicht mehr. Wegen der β-14-Bindung kann unsere Verdauung weder Cellulose noch Cellobiose spalten. Die Zerlegung der Nährstoffmoleküle in ihre Bausteine erfolgt schrittweise. Aminosäuren und Zucker werden direkt ins Blut aufgenommen. Lipide werden mit Proteinen zusammen zu Lipoproteinen verpackt, die zunächst in die Lymphe gelangen. © Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2023 | www.klett.de | Alle Rechte Illustratoren: vasp datatecture GmbH, Zürich; Descience, Andrea Ulrich, Luzern 2 vorbehalten. Von dieser Druckvorlage ist die Vervielfältigung für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet. Die Kopiergebühren sind abgegolten. Markl Biologie Oberstufe Gesamtband (978-3-12-150070-3) Die Energiespeicher des Menschen reichen unterschiedlich lange aus. Die Werte gelten für völlige körperliche Ruhe. Bei Insulin-abhängigen Zellen erhöht das aus der Bauchspeicheldrüse stammende Hormon Insulin die Glucose-Aufnahme erheblich und sorgt für die Anlage in Energiedepots. Die aufgenommene chemische Energie verlässt den Körper in drei Formen wieder. (Die Aufnahme von Wärmeenergie aus der Umgebung wurde in der Abbildung nicht berücksichtigt.) © Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2023 | www.klett.de | Alle Rechte Illustratoren: vasp datatecture GmbH, Zürich; Descience, Andrea Ulrich, Luzern 3 vorbehalten. Von dieser Druckvorlage ist die Vervielfältigung für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet. Die Kopiergebühren sind abgegolten. Markl Biologie Oberstufe Gesamtband (978-3-12-150070-3) Lipide Lipide = Sammelbezeichnung für Fette, Öle und Wachse schlecht oder nicht in Wasser lösbar Bedeutung: Energiespeicher Auch für Wärmeisolierung, Schutz vor Verletzung, Verdunstungsschutz durch Wachse (Cuticula); Vorkommen für wirtschaftliche Nutzung: Früchte und Samen der Ölpalme, Raps, Sonnenblumenkerne, Nüsse und Oliven, Schweine Fettmolekül: Verbindung aus dreiwertigem Alkohol (Glycerin) und Fettsäuren; Ersterbindung schwere kö. T. Leichte kö. T. ♂14 000 - 25 000kg 9500 KJ ♀13 000 - 21 000 kg 8700 KJ Grundumsatz: ♂7500 KJ 1 Kcal = 4,187 KJ ♀ 6500 KJ  Arbeits Wichtige Nährstoffnachweise und Versuche zur Verdauung|55 Führen Sie folgende Versuche durch: S v3. Nachweis von Fett S v 1. Nachweis von Stärke v2. Nachweis von Glucose A Fettfleckprobe Materialienunu. Geräte: | Materialien und Geräte: FEH- Materialien und Geräte: Löschpapier, LUGOLsche Lösung (lod- Kaliumiodidlösung), LINGsche Lösung (FEHLING I fetthaltige Nahrungsmittel (Nüsse, Son-— und FEHLING I), verschieder nenblumensamen, Ö ) Vw schiedene Lebensmittel Durchführung: Tropfen Sie Nahrungsmittel, Reagenzgläser Durchführung: Zerdrücken Sie auf dem| auf die Lebensmittel etwas| Durchführung:Mischen Sie Löschpapier etwas von den Samen ode LUGOLsche Lösung. Violett- gleiche Volumina von FEHLING geben Sie einen Tropfen Öl darauf. Ein bis Schwarzíärbung zeigt an, lund FEHLING II in einem Rea- durchscheinender, dauerhafterFleck dass Stärke vorhanden ist. genzglas und geben Sie dazu zeigt Fett an. etwas von der Lebensmittelpro be. Anschließend ist das Rea B Fettnachweis mit Sudan-|ll- V4. Nachwels von Eiweiß ganzglas men. Ein vorsichtig zu erwan roter Niederschlag| Lösung Materialien undGeräte:Sudan-||l- A Xanthoprotein-Reaktion | zeigt Glucose an. Lösung, Fett, ÖI, Reagenzgläser Materialien und Geräte: kon- Durchführung: Überschichten Sie Su- zentrierte Salpetersäure, Eiweißlösung dan-II-Lösung mit Öl und schütteln Sie iBe Vogelfeder, Hornspäne kurz. Der Farbstoff wird weitgehend in| Durchführung: Geben Sie je einen Trop- der Ölschicht gelöst. fen konz. Salpetersäure auf die zu unte suchenden Materialien. VORSICHT: Sal- petersäure iststarkätzend!Eine S Gelbfärbung zeigt das Vorhandens |v5. Stärkeabbau durch a-Amylase von Eiweiß an. Materialien und Geräte: 1%ige Stärkelösung, LUGOLsche Lösung, -Amylase (eventuell Mundspeichel), verdünnte B D uIe-hcaKion Salzsäure, Reagenzgläser, Bunsenbreni Materialien und Geräte: Eiweißlösung, Durchführung: Geben Sie in vier Reagenzgläser 10 ml Stär-— 10%ige Natronlauge (orsicht, stark | kelösung. In zwei der Reagenzgläser geben Sie etv ätzend!),10%ige Kupfersulfatlösung, Amylase. Eines davon kochen Sie kurz auf und lassen es wie- Reagenzgläser der abkühlen. Die dritte Probe wird mit einigen Millilitern HCI Durchführung: Versetzen Sie einige Mil- und dann ebenfalls mit a-Amylase versetzt. Prüfen sie nach liliter Eiweißlösung in einem Reagenz- einiger Zeit alle Proben mit LUGOLscher Lösung auf Stärke. glas mit dem gleichen Volumen Natron— Erklären Sie das Ergebnis. lauge und geben Sie dann einige Tropfen Kupfersulfatlösung dazu. Eine violette Hinweis: Die Versuche 5-7 sind im Wasserbad Färbung zeigt das Vorhandensein von | Eiweiß an. bei 37 °C durchzuführen. v6. Wirkung von Pepsin Materialien und Geråte: Pepsin oder Me— zym -Forte-Tabletten, hart gekochtes Eiklar, | V7. Demonstration der Fettverdauung erdünnte Salzsäure, Reagenzgläser Materialien und Geräte: Kondensmilch, Pankreatin oder Durchführung: Geben Sie in zwei Reagenz-— Mezym -Forte-Tabletten, Phen lphthalein (Farbumschlag äser je eiEiknlar.glBeieicdhe großes glgekochtes Gläser sinStück hart| d nun halb farblos-violett bei pH 8,2), 1%ige Natriumcarbonatlösung (oder stark verdünnte Natriumhydroxidlösung) mit verdünnter Salzsäure zu füllen. Geben Durchführung: Geben Sie in zwei Reagenzgläser je 10 ml Sie dann zu einem der Reagenzgliäser eine | Milch, je einige Tropfen Phenolphthalein und so lange Natri- Spatel assenspiSietzebeide n oder Mezym 24-Forte PepsiReagenzgläser und| Stunden umcarbonatlösung, bis eine leichte Rotfärbung erhalten bleibt. Die Milch ist jetzt leicht alkalisch. Fügen Sie dann stehen. Vergleichen Sie beide Reagenz- einem der Gläser etwas Pankreatin oder Mezym-Forte zu. gläser miteinander und erklären Sie Ihre | glà Notieren Sie lhre Beobachtung und erklären Sie diese. Beobachtung.