Stoffwechsel Grundlagen und Fotosynthese PDF

# Stoffwechsel: Grundlagen und Fotosynthese ## Stoffwechsel: Grundlagen * **Stoffwechsel:** Aufnahme, Umbau und Abbau von Stoffen im Organismus. Stoffwechselvorgänge sind chemische Reaktionen, die bei Zimmertemperatur extrem langsam ablaufen. Sie werden durch Enzyme (Katalysatoren von chemischen S...

# Stoffwechsel: Grundlagen und Fotosynthese ## Stoffwechsel: Grundlagen * **Stoffwechsel:** Aufnahme, Umbau und Abbau von Stoffen im Organismus. Stoffwechselvorgänge sind chemische Reaktionen, die bei Zimmertemperatur extrem langsam ablaufen. Sie werden durch Enzyme (Katalysatoren von chemischen Stoffwechselreaktionen) beschleunigt. * **Baustoffwechsel:** Gewinnung von Aufbaustoffen für Wachstum (Aufbau Biomasse, z. B. Proteine (Muskeln), Fette) Regeneration oder Vermehrung * **Betriebsstoffwechsel:** Gewinnung von Energie für z. B. Muskelbewegungen. * **Assimilation:** Umwandlung aufgenommener körperfremder Stoffe in körpereigene Stoffe. Assimilationsvorgänge sind aufbauende (anabolische) Reaktionen, welche Energie erfordern. Bsp. Fotosynthese. * **Dissimilation:** Abbau energiereicher, organischer Stoffe in energieärmere. Dissimilationsvorgänge sind abbauende (katabolische) Reaktionen, welche Energie frei setzen. Bsp. Zellatmung. * **Autotrophe Organismen:** Bsp. Pflanzen betreiben. Energiebereitstellung und -gewinnung Fotosynthese und Zellatmung. * **Heterotrophe Organismen:** Bsp. Tiere betreiben zur Energiegewinnung nur Zellatmung. **Auftrag:** Grenzen Sie im Schema folgende Begriffe ab: Assimilation, Dissimilation, autotrophe und heterotrophe Organismen. ## Grundlagen des Zellstoffwechsels **Experiment Zuckerverbrennung:** Zucker verbrennt bei Raumtemperatur nicht. Wird der Zucker mit einer Flamme erhitzt, beginnt der Würfelzucker zu brennen. Die Erhitzung führt dabei die notwendige Aktivierungsenergie (Erhöhung der Wärmebewegung der Teilchen) zu und die Bildung von Russ/Asche wirkt als Katalysator (Stoff, der die Geschwindigkeit einer Reaktion erhöht). **Auftrag:** Tragen Sie in der Abbildung rechts folgendes ein: Glucose; CO2 + H2O + Russ/Asche; Erhitzung mit Flamme ## In Organismen wirken Enzyme (spezielle Eiweisse) als Biokatalysatoren. Sie setzen die erforderliche Aktivierungsenergie von Stoffwechselreaktionen herab, damit die Reaktion unter den in der Zelle herrschenden Bedingungen ablaufen kann. Unter Energiefreisetzung ablaufende Reaktionen werden exergonisch genannt. Der Energieinhalt der Ausgangsstoffe ist höher als der Energieinhalt der Endstoffe. Der Betrag, der bei der Reaktion freigesetzten Energie bleibt mit oder ohne Enzyme als Katalysatoren gleich. Es gibt auch Stoffwechselreaktionen, bei denen der Energieinhalt der Endstoffe höher ist als der Energieinhalt der Ausgangsstoffe. Zu diesen endergonischen Reaktionen gehören viele Synthesereaktionen (z. B. Proteinherstellung im Körper). Solche Prozesse müssen im Stoffwechsel mit exergonischen Reaktionen gekoppelt sein. ## ATP als Energieträger Der Aufbau von Baustoffen z. B. eines Proteinmoleküls aus Aminosäuren benötigt Energie. Diese endergonische Reaktion wird dadurch ermöglicht, dass sie mit einer exergonischen Reaktion verknüpft wird, die mehr Energie liefert als die endergonische benötigt (vgl. Definitionen). Endergonische und exergonische Reaktionen laufen in einer Zelle oft an unterschiedlichen Orten ab. Zwischen dem exergonischen Glucose-Abbau und dem endergonischen Proteinaufbau besteht aber eine Verknüpfung. Dabei wird beim Abbau der Glucose ein Zwischenprodukt gebildet, das bei seiner Bildung Energie aufnimmt und diese an den Ort des Bedarfs transportiert. Dort kann die aufgenommene Energie durch Abbau des energiereichen Stoffes wieder freigesetzt werden. Für diese Kopplungsreaktion benutzt die Zelle meistens ATP (Adenosintriphosphat). ATP kommt in allen Zellen vor. Beispielsweise enthält das gesamte Muskelgewebe eines Menschen 60 g ATP. Dieses hat eine hohe Umsatzrate, denn die aus der täglichen Nahrung eines Erwachsenen freigesetzte Energie reicht für die Bildung von etwa 50 kg ATP. Da der menschliche Körper zu jedem Zeitpunkt aber nur etwa 135 g ATP enthält, müssen seine ATP-Moleküle täglich ca. 350-Mal aus ADP aufgebaut und wieder zu ADP abgebaut werden. Die Energie für den Aufbau von ATP stammt aus dem Abbau energiereicher Nährstoffmoleküle wie Kohlenhydrate und Fette. ATP liefert Energie für vielfältige Vorgänge: Transport von Molekülen durch die Zellmembran, Baustoffwechsel, Muskelkontraktion... Wie bei allen Energieumwandlungen wird bei der Spaltung von ATP zu ADP + P ein Teil der Energie als Wärme frei. Dies bewirkt z. B. die Körpertemperatur der Säugetiere und Vögel. Auch steigt bei körperlicher Tätigkeit die Körpertemperatur. **Auftrag:** * **Definieren Sie:** exergonische Reaktion, endergonische Reaktion. **Ist die Zuckerverbrennung eine exergonische oder eine endergonische Reaktion?** * **Was ist ATP? Wie ist ATP gebaut?** * **ATP <-> ADP + P:** Welche Reaktion ist endergonisch, welche exergonisch? * **Für welche Vorgänge wird ATP im Körper gebraucht?** ## Die Fotosynthese - ein Assimilationsprozess Mittels der Lichtenergie werden die anorganischen Stoffe Kohlenstoffdioxid und Wasser zu energiereicher Glukose und zu Sauerstoff umgebaut. Glukose ist der Ausgangsstoff für den Baustoffwechsel der Pflanze und für die Atmung zur Energiegewinnung (Betriebsstoffwechsel). Glukose wird meist in Stärke umgewandelt, da diese nur schwer löslich und osmotisch wenig wirksam ist. **Schema der Fotosynthese:** 6 CO2 + 6 H2O + Lichtenergie - C6 H2 06+6 O2 **Auftrag:** Folgende Kohlenhydrate sollen Sie bezüglich Vorkommen, grobem Aufbau / Abbau (Bsp. Saccharose besteht aus Fructose und Glucose (keine Summenformeln!) und Funktion kennen: Fructose, Glucose, Saccharose, Maltose, Stärke, Glykogen, Cellulose. Markieren Sie die geforderten Aspekte in der Abbildung auf der nächsten Seite. ## Absorptionsspektrum und Wirkungsspektrum: Welches Licht ist am wirkungsvollsten? * **Vergleichen Sie das Absorptions- und das Wirkungsspektrum. Welche Folgerung können Sie aus diesem Vergleich ziehen? Notieren Sie unten Ihre Folgerung.** * **Carotinoide können auch Licht absorbieren und übertragen die absorbierte Energie in der Folge auf die Chlorophylle. Welche Funktion erfüllen die Carotinoide in der Fotosynthese? Betrachten Sie dazu auch die Abb. Absorptionsspektrum unterschiedlicher Farbstoffe.** **Folgerung:** ## Biochemie der Fotosynthese **Auftrag:** Studieren Sie im Natura S. 229 den Abschnitt „Zweigeteilte Fotosynthese" und den nachfolgenden Text zur Primärreaktion. Lösen Sie die Kontrollaufgaben. **Kontrollaufgaben:** * **Abb. 1:** In welchem Bereich der Chloroplasten findet die Primärreaktion (Fotoreaktion) in welchem Bereich die Sekundärreaktion (Synthesereaktion) statt? * **Abb. 1, 2 u. 3:** Was passiert in der Primär- was in der Sekundärreaktion? Wie werden Chlorophyllmoleküle angeregt. Was geben angeregte Chlorophyllmoleküle ab? Wie „regenerieren" sich Chlorophyllmoleküle, die wieder in den Grundzustand zurückgekehrt sind? Zur Lösung dieser Aufgabenstellung fügen Sie die Nummern des Abbildungstextes auf der nächsten Seite in die Abb. 2 und 3 ein. **Text zu Abb. 2 und 3** * **Fotoreaktion (Primärreaktion):** Lichtenergie wird in chemische Energie umgewandelt. Chlorophyllmoleküle nehmen Lichtenergie auf und werden dadurch energiereicher (angeregter Zustand) (1), Chlorophyllmoleküle geben Elektronen (e) an NADP ab, welches in der Folge H* bindet und zu NADPH wird (2). Chlorophyllmoleküle erhalten die e aus Wasser zurück, dabei wird Wasser unter Freisetzung von O2 und H+ gespalten (3). Zusätzlich wird durch die angeregten Chlorophyllmoleküle ATP gebildet (4). * **Synthesereaktion (Sekundärreaktion):** Anorganische Stoffe werden in organische Stoffe umgewandelt. Mit Hilfe des Wasserstoffs des NADPH (5), des aufgenommenen CO2 (6) und mittels Verbrauch von ATP (7) wird Glucose (Traubenzucker) aufgebaut (8). (NADP ist ein Transportmolekül für H‐Atome) ## Licht: Licht besteht aus einzelnen Quanten (nicht weiter zerlegbare „Energieportionen"), deren Energie von der Wellenlänge abhängig ist: Blaues Licht ist kurzwelliger und somit energiereicher als rotes Licht. (vgl. Abb. unterschiedliche Wellenlängenbereiche). ## Farbe: Licht, das wie die Sonne aus allen Wellenlängen zusammengesetzt ist, empfinden wir als unbunt (Weiss). Weisses Licht kann durch Brechung, Übertritt von einem Medium in ein anderes Medium (z. B. Lichtbrechung an einem Prisma oder beim Übergang von Luft in Wasser (-> Regenbogen), in die einzelnen Wellenlängenbereiche zerlegt werden. Die Wahrnehmung eines einzelnen Wellenlängenbereiches wird in unserem Auge als Farbreiz (z. B. Blau) wahrgenommen. ## Farbe eines Gegenstandes: Ein Gegenstand erscheint uns farbig, wenn das Licht, das von ihm in unser Auge reflektiert wird, nicht alle Wellenlängen in gleichen Anteilen umfasst. Dann enthält er Farbstoffe oder Pigmente, die einzelne Wellenlängenbereiche „verschlucken" oder absorbieren. Die Energie des absorbierten Lichtes wird dabei in eine andere Energieform umgewandelt (bei der FS Anregung von Elektronen in Molekülen; bei einer schwarzen Fläche in Wärme). ## Die Wände der Schließzellen sind ungleichmässig dick. Aussen- und Innenwände sind ...dick...... die Wände zu den Nachbarzellen....dünn.... Bei Belichtung wird mittels Fotosynthese in den Schliesszellen ... ATP ... gebildet • ATP ....... Anstieg -> aktiver Transport von ...Ionen.... in die Schliesszellen (entgegen Konzentrationsgefälle) • die ... osmotischer Wert ... (Teilchenkonzentration) in den Schliesszellen steigt. - > H2O strömt in die Schliesszellen ... Druck ... in den Schliesszellen steigt -> dünne Zellwand wölbt sich -> Spaltöffnung offnet sich ## Experiment 1: Nachweis der Abhängigkeit der Stärkebildung vom Blattgrün Ein panaschiertes (weiss-grün geflecktes) Blatt wird über einige Stunden belichtet. Die Blattfarbstoffe werden anschliessend extrahiert und das Blatt wird mit Jod-Kalium-Jodid Lösung angefärbt. * Beobachtung: Anfärbung nur an grünen Stellen * Folgerung: Stärkebildung (Fotosynthese) abhängig vom Blattgrün ## Dünnschichtchromatographie Die Chromatographie ist eine Methode zur Trennung von gelösten Stoffgemischen. Sie wird heutzutage in fast allen Bereichen der biologischen Forschung eingesetzt. Hierzu trägt man das Gemisch auf einem Trägermaterial (z. B. Papier oder Kieselgel) auf. Anschließend läßt man ein Laufmittel durch das Trägermaterial fließen. Die einzelnen Bestandteile des Gemisches haften wegen ihrer verschiedenen Eigenschaften einerseits unterschiedlich fest am Trägermaterial, werden aber andererseits unterschiedlich gut mit dem Laufmittel transportiert. Dadurch legen sie unterschiedliche Strecken zurück (Laufstrecken), anhand derer sie identifiziert werden können. Als Maßzahl dient dabei der sogenannte r-Wert. Darunter versteht man den Quotienten aus der Laufstrecke und der Frontstrecke (Startlinie bis zur Lösungsmittelfront). ## Lichtabsorption in der Fotosynthese In Molekülen befinden sich die Elektronen wie in Atomen auf verschiedenen Energieniveaus. Durch Absorption eines Lichtquants gelangt ein Elektron vom Grundzustand auf ein höheres Energieniveau (angeregter Zustand). Die Energie des absorbierten Lichts entspricht genau der Differenz der beiden Energieniveaus (Grundzustand und angeregter Zustand). Daher können nur bestimmte Wellenlängen absorbiert werden. Die Chlorophylle absorbieren rotes und blaues Licht. Es existieren also zwei angeregte Zustände. Blaues Licht ist energiereicher als rotes. Der durch diese Lichtabsorption erreichte angeregte Zustand 2 befindet sich daher auf einem höheren Energieniveau. Die Rückkehr des Elektrons in den Grundzustand ist eine exergonische Reaktion, die bei der Fotosynthese mit einer endergonischen Reaktion, der Fotoreaktion gekoppelt ist. Ohne diese Kopplung wird die Energie als Wärme oder als Fluoreszenzlicht frei (Emission). Für die Fotoreaktion der Fotosynthese kann nur die Energiedifferenz zwischen dem Grundzustand und dem Anregungszustand 1 genutzt werden. Wird durch Absorption von Blaulicht der Anregungszustand 2 erreicht, gelangt das Elektron des Chlorophylls zuerst durch Abgabe von Wärme in den Anregungszustand 1.