Stoffwechsel

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max 100 Substrate pro Sekunde, dann verändert sich bei weiterer Erhöhung der Substratkonzentration, nichts an der Reaktionsgeschwindigkeit) • Enzym-Charakterisierung: Bestimmung der Substratkonzentration, bei der die Reaktion mit halbmaximaler Geschwindigkeit (z.B. 50) verläuft → Michaeles - Menten - Konstante (KM) (ist diese klein, ist die Affinität (Bindungsstärke) zwischen Enzym und Substrat groß) → Enzym-Substrat-komplex wird schnell gebildet Hemmungen kompetitive Hemmung → Hemmstoff (=Inhibitor) ähnelt Substrat und bindet im aktivem Zentrum (reversibel) Enzym I= Inhibitor | = Inhibitor nichtkompetitive Hemmung (allestorische Hemmung) → Hemmstoff bindet ans allosterische Zentrum, wodurch sich die Struktur des aktiven Zentrums ändert => Substrat kann nicht mehr binden (kann sich lösen!) (reversibel) Substat 1 En 1 Enzym S= Substrat S Substrat 2 negative Rückkopplung negativer Fletor Enem S= Substrat irreversible Hemmung → Enzymgift bindet im aktivem Zentrum/allosterischem Zentrum und ist irreversibel (nicht umkehrbar) → Enzym ist unbrauchbar (z. B. Schwermetalle, Blei) Enzem 2 Substrat ungehemmte Reaktion- Flym 3 Substral 4 ungehemmte Reaktion Enem 4 kompetitiv gehemmte Reaktion Subst allosterisch gehemmte Reaktion Produkt - negosive Eldor Enzym s Substrat durchläuft verschiedene Enzyme → wird durch Enzyme in seiner Struktur verändert End produkt am letzen Enzym entsteht und wandert zurück zum 1 Enzym bindet am allasterischen Zentrum → fungiert als Hemmstoff Grund dadurch sinkt die Enzymaktivität etwas (Regulation) zusätzliche chemische Reserven werden vergeudet Dissimilation ATP als Energieträger → Adenosin-Tri-Phosphat → wiederaufladbarer Energiespeicher / Akku Baustein ATP ++++ged O-P-O-P-O-P-O-CH₂ Phosphatsäurerest НО OH 0 reduzierter Justand → wird benötigt für: Muskelkontraktion, Denken, Stoffwechsel Elektronen donator Adenosin oxidierter Zustand Ribosomen Redoxreaktion → Oxidation Elektronenabgabe → Reduktion - Elektronenaufnahme => Redoxreaktion verknüpfung aus beidem Aufbau Mitochondrium oxidierter zustand reduzierter Zustand NH3 Elektronen akteptor → zentrales Zellorganell der Zellatmung → Kraftwerk der Zelle innere Membran Adenin äußere Membran Hydrolyse des ATP'S ATP (Adenosintriphosphat) NAD/NADP H₂O apny Meley wird zur Abspaltung des Phosphates benötigt → nach Energiefreisetzung bindet ATP (mit Phosphatrest) an anderes Molekül, wodurch dieses energiereicher wird => schnelle Reaktion →Nikotinamid-Adenin-Dinucleotid/- Phosphat Intermembranraum NAD* Oxidierter Zustand → Elektronentransporter => Elektronen werden von NAD zusammen mit Protonen aufgenommen, zwischengespeichert und auf ein anderes Molekül übertragen Reduktion ADP (Adenosindiphosphat) DNA +2H → -2H Oxidation Energie anorganisches Phosphat Ribosomen Mitochondrienmatrix NADH+H* reduzierter Zustand Zellatmung → , aerob" → energiereiche Stoffe werden in Energie dirmer umgewandelt (Dissimilation) Glykolyse → Im Cytoplasma Glucose oxidative Decarboxilierung → In der Mitochondrienmatrix Citratzyklus → Mitochondriummatrix FADH₂ mit Hilfe von FAO Fumarat I Glykolyse C6H12O6 NADH +H+ mit Hilfe von NAD oxidiert 2 NAOH+H+ (Oxidation) Succinat 2 NADH+H* Malta I oxidative Decarboxilierung → 6 H₂O +60₂6CO₂ + 12 H₂O + Energie (38 ATP) Glucose 2 Pyrowat 2 Accetyl-COA III IZ Citratzyklus Atmungskette/ Endoxidation wobei aus ADP+P Succinyl-COA ATP gebildet wird 2ATP 2002 (Decarboxilierung) Oxalacetat (4) → Citrat (C₂) & -ketogularat Ascor NAOH+H+ CO₂ NACH +H+ Stoffbilanz: C6H₁2O62C3 H₂O3 (Pyrowat) ATP Energiebilant: 2 NAD + 2 ADP+ 2P 2 (NADH+H*) + 2 ATP Stoffbilanz: 2 Pyrował + 6 H₂O → 6CO₂ oxidative Decarboxilierung 1) Energiebilanz: 8 NAD*+ 2 FAD +2 ADP+2P → 8 (NADH+H*) + 2 FADH₂ + 2 ATP Oxidative Decarboxilierung Atmungskete →innere Membran / Intermembranraum wasserstoff biw. Elektronenträger NADH+H* / FADH₂ gelangen in die innere Mitochondriummembran AUBEN MITOCHONDRIEN- MEMBRANEN INNEN • NADH + H* reduziert. • FADH₂ reduziert Glucose • ATP Pyrowat V Citratzyklus Atmungs- emym- komplexe Energie transport CO₂ 102} oxidative NADH+H* H NAD oxidiert- FAD oxidiert- H ADP+P Decarboxilierung Protonen Elektronentransportkette Elektronen H H H MITOCHONDRIUM m MATRIX FADH 2H₂0 Coenzyme → Moleküle, die für die Funktion von bestimmten Enzymen notwendig sind 4@ +4H+ + O₂ + H* ATP Synthose H+ ATP ADP+Ⓡ mm INTERMEMBRANRAUM, > Ziel: Verhinderung einer knallgasreaktion → Engie wird Schritt für Schritt freigegeben > Wärme wird frei > Energie größten Teils in Coenzymen ATP-Synthose: konzentrationsaustausch wobei Energie frei wird und diese zur Synthese von ATP aus ADP+P genutz wird = Chemiosmose wasserstoffträger übertragung von Elektronen - Energiereicher, weil sie Elektronenpaare haben, die unter Energiefreisetzung leicht auf Sauerstoff übertragen werden können Substrat 1 Enzym: 1 Produkt 2 Enzym 2 Coenzym Coenzym reagiert i Substrat t mit Produkte Substrat 2 Coenzym wird regeneriert Enzym I Enzym 2 Gärung → anaerobe Form der Energiegewinnung = unvollständige Oxidation eines Nährstoffes ohne Sauerstolf → weniger ATP als bei zellatmung Milchsäuregärung →im menschlichen Körper 2 NAD 2NADH+H+ Glucose 2 Pyrowat 2 NADH TH 2 NAD J 2 ADP + 2P 2 ATP 2ATP 2 Milchsäure/ Lactat - während dem anearoben Abbau von Glucase entsteht neben Lactat auch freie Protonen, die zu einer Erniedrigung des pH-werts führt → übersäuerung des Muskels /Blutes - Folge:. Sauerstoff kann nicht mehr gut binden → Atemnot • Enzyme des Glucaseabbaus werden gehemmt → ATP-Mangel (Erschwerung Muskelkontraktion) ASSimilation Bau des BlaHes Leitbündel Xylem Phloem Wasser + Mineralien Glucase Atemhöhle •Wurzeln 02 H₂O + CO₂ + Licht Licht Сог - M Spaltöffnung obere Cuticula Obere Epidermis -Palisadengewebe Chloroplast -Schwammgewebe 6CO₂ + 6H₂O → C6H 12 O6 + 60₂ Interzellularraum untere Epidemis untere Cuticula cuticulär Transpiration → Stomatar O₂ + Glucose Funktion des Blakes *Gasaustausch (O₂-Abgabe/CO₂-Aufnahme) Lichteinfang + Photosynthese • Transpiration /wasserabgabe → dadurch Aufnahme von Mineralien >errichten des Transpirationssogs > Kühlung des Blattes obere Cuticula → Transpirationsschutz (von Bakterien und Pilzbefall) Obere Epidermis → Schutz vor mechanischen Verletzungen → Photosynthese → Stofftransport versteifung des Blattes Palisadengewebe Leitbündel ·Xylem Phloem Schwammgewebe → Gasaustausch und Photosynthese untere Epidermis → Regulation des Gasaustausches (CO₂-Aufnahme/ H₂0-Abgabe) Schutz vor mechanischen Verletzungen untere Cuticula → Transpirationsschutz (vor Bakterien und Pilzbefall) Spaltöffnungen/ → Gasaustausch Stomata Bau/Funktion Stomata (Spaltöffnungen) Vakuole Schließ- zellen Neben- Zellen kalium- lonen H₂O Turgodruck Innendruck der St osmotischer Wert = Sauswert einer Lösung (H₂O) Schließzellen Öffnen sich: 1. Kaliumionen gelangen aktiv in die vakuole des Schließzellen (wegen Licht) 2. Osmotischer wert in Schließzelle steigt 3. H₂0 4. Turgodruck in Schließzelle steigt → dünne wände wolten sich, Spaltöffnung öffnet sich osmotisch in Schließzelle (Konzentrationsausgleich) Schließzeilen schließen sich: 1. Kaliumionen gelangen in Nebenzellen anhand Konzentrationsgefälle (wegen Dunkelheit) 2. asmotischer wert in Schließzelle sinkt 3. Ho strömt in Nebenzelle → Turgodruck /Innendruck sinkt 4. Spalt schließt sich wasserab9aье → Zulieferung von Wasser und Mineralien → Kühlung überhitzter Blätter Transpiration → Wasserabgabe der PHanzen in Form von wasserdampf Stomatar • Wasserdampfabgabe über Spaltöffnungen • 90% des Gesamttranspiration • regulierbar durch Schließzellen Cuticular • Wasserdampfabgabe der Epidermisaußenwände über Cuticula • 10% der Gesamttranspiration • nicht regulierbar UTT Transpirationssog H₂0 osmotisch Teilchen + wichtige Mineralien → essenziell für Pflanze (stirbt ab wenn nur eine Mineralie fehlt auch wenn alle anderen außreichend da sind) =>Liebig 'sche Gesetz des Minimums ← H₂0 strömt wegen Osmose in die Wurzeln (wasserdampf-Sättigung) Wurzeldruck entsteht A A A semipermeable Membran Wurzeldruck Guttation →wasserabgabe in flüssiger Form über Wasserspalte an Blättern Funktion: • Wassertranspiration bei wasserpflanzen Kohásitionskräfte - Transpiration .... Transpirationssog → Wasser- Mineral - Strom Stomatäre Transpiration => Mineralien -Stickstoff Calcium Fisen זיווד- Schwefel -Magnesium - Phosphor Pflanzenarten → Pflanzen passen sich dem Klima an Mesophyt (gemäßigt) THEEF Hygrophyt (feucht-warm) xerophyt (sonnig-trocken) → hoher konzentrationsunterschied 1 Cuticula - 2 Epidermis 3 Chloroplasten → Konzentrationsunterschied ist nicht groß <-4 Pallisadengewebe 5 Interzullularraum - 6 Schwammgewebe 7 Atemhöhe 8 U. Epidermis 9 Spaltöffnung Blatthaare Epidermis Interzullarräume Schwamm- gewebe Epidermis 5 Atemhöhle -6 emporgehobene Spaltöffnung →fördert Transpiration Cuticula Epidermis Pallisadengewebe eingesenkte Spaltöffnungen -Schwammgebe →nicht verlieren von wasser -U. Epidermis 7 tote Blatthaare Epidermis: -Schutz vor Beschädigung -Lichtdurchlässig (keine Chloroplasten) - Transpirationsschutz Palisadengewebe: - Fotosynthese Schwammgewebe: - optimale Lichtausnutzung durch langestreckte zellen Cuticula: -Transpirationsschutz Blatt haare : - Gasaustausch und Transpiration durch große Interzellularen - Fotosynthese (geringer) Epidermis mit vergrößerter Fläche Schwamgewebe : - geringe Photosyntheseleistung Spaltöffnungen: : - erhöhte cuticulare Transpiration Spaltöffnung in Einstülpung - aus dem Blatt diffundierender wasserdampf, ist dem wind Sofort ausgetragen wodurch mehr Transpiration erfolgt - erhöte Transpiration durch vergrößerle Fläche dicke Cuticula: erhöter Transpirationsschutz wegen hoher Temperatur dreischichtige erhöhter Transpirationsschutz Epidermis doppelschichtiges: erhöhte Fotosyntheseleistung Palisadengewebe - wasser vor Windeinflüssen geschützt wegen wasserdampfglocke →wasserdamptabgabe verringert tote Haare: -Luftzirkulation wird reduziert -wasser rückkondensiert an Haaren äußere Faktoren wasser/Luftfeuchte → bei trockener Umgebungsluft wird Stomata verschlossen => CO₂-Aufnahme sinkt / Photosyntheseaktivität sinkt Lichtstärke → Så Higungskurve > ab einem Optimum der Lichtitensität, brigt eine Erhöhung keine weitere Leistungssteigerung > Lichtkompensationspunkt - Verbrauch und Produktion ist identisch - Mindestlichtstärke ab wann die PHanze wachsen kann - Sonnenblätter produktiver bei höherer Lichtitensität als SB CO₂-Gehalt der Luft → Optimumskurve > bei überoptimalem CO₂-Angebot sinkt PS-Rate Alkalisierung des Nediums (Abnahme der Aktivität an Enzymen) • wird zu basisch > optimale CO₂-Anreichung der Umgebungsluft erzielt Wachstumssteigerung der Pflanze Temperatur → Optimumskurve > PS-Rate steigt mit höherer Temperaturen => Enzyme arbeiten Schneller > nach Erreichen des Temperaturoptimums sinkt PS-Rate => Entyme denatuieren 0₂- Produktion 0₂- Verbrauch v of 02- Produktion 0₂- verbrauch -10 O 0₂- Produktion Verbrauch 10 0₁1 Atmosphäre 10 Licht-Kompensationspunkt →> Verbraucht und Produziert gleich 30 40 20 Optimum 20 Sonnenblatt SchaHenblatt # 0,2 Beleuchtungsstärke (10³ lux)) Optimum 30 CO₂ Produziert mehr O2, als verbraucht Pflanze braucht Sauerstol → Zellatmung im Dunkeln Denatuierung der Enzyme RGT-Regel (Reaktions-Geschwindigkeit-Temperatur Regel) → Bei Temperaturerhöhung um 10°C verdoppelt sich die Reaktions-Geschwindigkeit 40 Temperatur Photosynthese Definition: Pflanzen bilden mithilfe des Chlorophylls (chloroplasten) und unter Nutzung von H₂0, Licht und CO₂ organische/energische Substanzen → Glucose + O₂ → Lichtenergie wird in chemische Energie umgewandelt Dissimilation →→ Zellatmung Assimilation Bedeutung: - Nahrung → Energieliferant, Baustoff, wachstum von Pflanzen Atmung (überleben des tierischen Organismus) - Papierindustrie / Möbelindustrie -Strom → Licht, warmes Wasser, digitale Ebene - Chloroplast →Ort der Photosynthese Granathylakoide Stärkekom →Glucose-Spacher Granum freie DNA Photosynthese Licht/Farbstoffe - bei Absorption von Licht wird die Energie des absorbierten Lichts von dem absorbierten Farbstoff aufgenommen (Blatt reflektiert die Farbe, die optisch gesehen wird) 400 Licht - Farbstoffe fangen Lichtenergie auf und wandeln sie in chemische Energie um - wichtiger Farbstoff chlorophll a/b Chlorophyll a 500 - Elektron im angeregtem Zustand →wellenlänge nimmt zu 600 -Doppelmembran 700 nm -Fetttröpfchen ·Stroma Ribosomen -Stromathylakoid 400 (Einstulpung aus Membran) Energie nimmt 20 4 Licht 500 Freisetzen chemischer Energ 600 H₂O → Absorptionsspektrum muss mit Wirkungsspektrum übereinstimmen • Absorptionsspektrum: Fähigkeit eines Pigments, Photonen (Licht) verschiedener Wellenlängen zu absorbieren (Chlorophyll absorbiert bei entsprechender wellenlänge besonders gut) • wirkungsspektrum: Funktion der wellenlänge für die Photosynthese (Bsp.: 0₂-Produktion) 0₂ NAOP ADP thes ATP NAOPH CO₂ Celvin- zyklus Zucker Lichtabhängigereaktion →an der Thylakoidenmembran Licht unabhängigereaktion →in der Stroma Reflektion = wenig wärme Absorption viel wärme zweigeteilte Photosynthese lichtabhängige Reaktion →liefert NADPH + H+ und ATP Ablauf: - Lichtstrahlen treffen auf Pflanzen -Absorption des Lichtes durch Farbstofie (unter anderem Chlorophyll) • Protonentransport • ATP-Synthase • ATP Bildung Elektronen- donator • Fotosystem II • Elektronentransportke He • Fotosystem I • Elektronentransportkete Fotosystem/Lichtsammelfalle Photon 7 →von Fotolyse des Wasser: H₂0 Energieübertragung 2H+ +1/202 2e- Protonentransport Stroma = 8pH Fotolyse des wassers Elektronen- transfer FS II P680 H₂O Innenraum Thylakoide = 5 PH Chlorophyll a (P680) (P700 I) -Antennen pigmente Abfallprodukt Primärer Elektronen- akzeptor Licht 2 H+ I 1/2₂ O₂ + 2 H+ H+ 2 H+ wenig III H+ Licht FSI P700 Ze Redoxpotenzial JUORURODD Elektronentransportkette +||||| Lichtenergie Fotolyse H₂0 2H+ 1065000 V $55 38 ** FSI P680 0₂ ze 680 ATP-Synthase Ze I ADP +P /Plastochinon Cytochrom komplex Lichtenergie Redoxpotenzial je negativer, desto höher Elektronenübertragungspotenzial Redoxsystem →viele Redoveaktionen hintereinander (eins wird oxidiert (-), wobei das andere returient (+)) H+ Plasiocyanin kommt von Chemieosmose NADP++ 2H+ H+ NADPH + H+ FSI Proo 2e Ferredoxin Ursache warum im Thylakoidinnenraum mehr H* sind - Fotolyse des Wassers (mehr Innen) - Protonen -Pumpe durch Redoxsystem I und II (mehr Innen) - Reduktion von NADP zu NADPH →an Außenseite werden H+ verbraucht NADP+ è è NADPH +H* wird für Calvinzyklus gebraucht lichtunabhängige Reaktion Ablauf: Calvin-Zyklus • Kohlenstoff - Fixierung (Carboxilierung) • Reduktion von PGS zu PGA •Synthese von Endprodukten (Glucose) • Regeneration des CO₂-Akzeptors calvin-Zyklus 6 Ribulose-1,5-biphosphat (CO₂-Akzeptor) 6 ADP+P. 6 ATP Umwandlung CO₂ 60 →über Stamata aufgenommen 1 Regeneration 10 000 3-PGA CO₂ wird an Ribulose-1,5-biphophat gebunden CO₂-Fixierung Calvin- 2ylos 1 Glucose Reduktion 20-0- 3-PGA ↓ 120-0-0 3-Phosphoglycerat (PGS) 22 Abladen der 12 NADPH +12 H+ 12 ATP 12 ADP 12 P 12 NADP+ 2 PGA werden zu Glucose zusammengesetzt 12 3- Phosphatglycerinaldehyd (PGA) Synthese Elektronen von Glucose Kohlenstofffixierung -CO₂ wird an Ribulose -1,5-biphosphat gebunden - entsteht instabiles C6-Molekül, welches sofort in 2 C3 PGS zerfällt Reduktion - PGS wird zu PGA reduziert (NADPH +H+ liefert Elektronen/ ATP liefert Energie) Synthese von Glucase -2 C3 PGA Moleküle setzen sich zu 1 C6 Glucose Molekül zusammen Regeneration des CO₂-Akzeptors - 10 PGA wird zu Ribulose-1,5-bisphosphat umgewandelt unter ATP-Verbrauch - Ribulose-1,5-biphosphat muss immer als CO₂- Akzeptor zu verfügung stehen Bilanzen Lichtabhängige Reaktion CO₂ Lichtunabhängige Reaktion BruHogleichung der Photosynthese CAM-PHanzen CO₂ → Kakteen/Dickblattgewächse Standort: Warm und trocken PEP 12 H₂O + 12 NADP+ 18 ADP + 18 P →12 NADPH + H+ + 18 ATP + 60₂ PEP ATP nstig! Pyruvat 12 NADPH+ H+ + 18 ATP + 6C0₂ → C6H₁₂O6 + 12 NADP+ 18 ADP + 18 P + 6H₂0 → Nachts: Spaltöffnung geöffnet (für Gasaustausch) →Tags: Spaltöffnung geschlossen (um austrocknen zu verhindern) Vakuole Apfelsäure (Malat) chloroplast Licht + Chlorophyll Apfelsäure (Malat) 6 COz + I2 H2O C6H12O6 pH 6 PH4 wert sinkt durch einlagerung von Apfelsäure Chloroplast Apfelsäure (Malat) CO₂ CALVIN- spaltung ↑zyklus Apfelsäure (Malat) Vakuole Glucose PHA PHÓ + 6 H₂0 + 60₂ Nacht Spaltöffnung geöffnet CO₂ wird durch Enzym PEP fixiert → Apfelsäure/Malat entsteht welches in Vakuole gespeichert wird 3 pH-Wert steigt Tag Spaltöffnung geschlossen Ⓒ Apfelsäure/ Malat wird über Cytoplasma in Chloroplasten transportiert Apfelsäure/Malat wird in Pyrowat und CO₂ gespalten 4 CO₂ durch Enzym RubisCo In Calvin-Zyklus 5 Pyrowat dient zur Regeneration des CO₂-Akzeptors PEP mit ATP 6 PH-Wert sinkt Vorteile der CAN-Pflanzen - leben in trockenen Standorten, ohne Gefahr zu vertrocknen -2 Moleküle ATP sind zusätzlich nötig um den CO₂-Akzeplor PEP zu regenerieren Autotroph/Heterotroph → Autotrophe Organismen (PHanzen): nehmen anorganische Moleküle auf → Energiearm → Heterotrophe Organismen (Tiere) nehmen organische Moleküle auf → Energiereich => entziehen Energie, die sie fürs Leben brauchen anorganische Moleküle (energiearm) CO2, H2O Vorgang bei autotrophen Organismen (Pflanzen) Licht-Chlorophyll entziehen Energie (Tieren) Vorgang bei heterotrophen Organismen Abfall produkt organische Moleküle (energiereich) Glucose (Col₂206)