Homoiotherme und Poikilotherme Tiere und Energiehaushalt

Gleichwarme Tiere $Homoiotherme$ und wechselwarme Tiere $Poikilotherme$ unterscheiden sich grundlegend in ihrer Temperaturregulation und ihrem Energiehaushalt:

Homoiotherme Tiere $Gleichwarme$:

• Halten ihre Körpertemperatur unabhängig von der Umgebungstemperatur konstant
• Gewinnen Energie hauptsächlich aus der Nahrung
• Haben eine hohe Stoffwechselrate und benötigen ständige Nahrungszufuhr
• Regulieren ihre Temperatur durch Schwitzen $Abkühlung$ und Muskelzittern $Aufwärmung$
• Nutzen Isolierungen wie Fettgewebe und Fell
• Beispiele sind Säugetiere und Vögel

Example: Ein Eisbär hält seine Körpertemperatur auch in der Arktis konstant, indem er Energie aus der Nahrung gewinnt und sein dickes Fell als Isolierung nutzt.

Poikilotherme Tiere $Wechselwarme$:

• Ihre Körpertemperatur ist abhängig von der Umgebungstemperatur
• Nehmen Energie größtenteils über Sonnenstrahlen $Wärmeenergie$ auf
• Haben eine niedrige Stoffwechselrate und benötigen weniger häufig Nahrung
• Regulieren ihre Temperatur durch Aufsuchen wärmerer oder kälterer Orte
• Können bei extremen Temperaturen in Wärme- oder Kältestarre verfallen
• Beispiele sind Reptilien, Insekten, Fische, Amphibien und wirbellose Tiere

Highlight: Wechselwarme Tiere wie Eidechsen sonnen sich, um ihre Körpertemperatur zu erhöhen und aktiv zu werden.

Der Energiehaushalt homoiothermer Tiere ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

• Hohe Sauerstoffaufnahme zur Oxidation von Nährstoffen
• Wärmeabgabe über die Körperoberfläche
• Kleinere Tiere haben einen höheren Stoffwechselverbrauch im Verhältnis zu ihrer Körpergröße
• Größere Tiere haben eine geringere Wärmeableitung und einen niedrigeren Energiebedarf im Verhältnis zum Körpervolumen

Vocabulary: Die Stoffwechselrate beschreibt die Geschwindigkeit, mit der ein Organismus Energie umsetzt. Sie ist bei kleinen homoiothermen Tieren besonders hoch.

Oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus

Die oxidative Decarboxylierung und der Citratzyklus sind zentrale Prozesse im Energiestoffwechsel:

Oxidative Decarboxylierung:

• Findet in der Mitochondrienmatrix statt
• Ein Multienzymkomplex spaltet CO₂ vom Pyruvatmolekül ab $Decarboxylierung$
• Der verbleibende C₂-Körper wird zu Acetat oxidiert und NAD+ zu NADH + H+ reduziert
• Es entsteht Acetyl-CoA, eine aktivierte Form der Essigsäure

Definition: Oxidative Decarboxylierung ist der Prozess, bei dem Pyruvat zu Acetyl-CoA umgewandelt wird, wobei CO₂ abgespalten und NAD+ reduziert wird.

Citratzyklus:

• Läuft bei Eukaryoten im Mitochondrium, bei Prokaryoten im Cytoplasma ab
• Beginnt mit der Bindung des C₂-Körpers $Acetyl-CoA$ an Oxalessigsäure
• Oxalacetat dient als Akzeptor für Acetyl-CoA
• C₂-Körper werden schrittweise als CO₂ abgebaut
• Sauerstoff für die CO₂-Bildung stammt aus H₂O
• Am Ende bleibt Oxalessigsäure übrig, wodurch der Zyklus von neuem beginnen kann

Highlight: Der Citratzyklus ist ein zentraler Stoffwechselweg, der Acetyl-CoA vollständig zu CO₂ oxidiert und dabei wichtige Reduktionsäquivalente für die Atmungskette liefert.

Vocabulary: Reduktionsäquivalente sind Moleküle wie NADH und FADH₂, die Elektronen für die Atmungskette bereitstellen und so zur ATP-Produktion beitragen.

Diese biochemischen Prozesse sind essentiell für die effiziente Energiegewinnung in der Zelle und bilden die Grundlage für den Energiestoffwechsel bei allen aeroben Organismen.

Oxidative Phosphorylierung

Die oxidative Phosphorylierung stellt den letzten Schritt der Zellatmung dar und ist für die ATP-Produktion essentiell.

Definition: Die oxidative Phosphorylierung ist die Überführung von Energie aus Nährstoffen in ATP durch schrittweise Elektronenabgabe.

Highlight: Dieser Prozess findet nur unter aeroben Bedingungen statt.

Example: Die Elektronen bewegen sich wie auf einer Treppe von einem hohen zu einem niedrigen Energieniveau.

Gesamtbilanz der Zellatmung

Die Zellatmung liefert eine beeindruckende Energieausbeute aus einem Glucose-Molekül.

Definition: Die Gesamtgleichung lautet: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 32-38 $ADP + Pi$ → 6CO₂ + 6H₂O + 32-38 ATP

Highlight: Die Zellatmung erzeugt insgesamt 32-38 ATP-Moleküle pro Glucose-Molekül.

Gärung und anaerober Stoffwechsel

Die Gärung ermöglicht die Energiegewinnung unter Sauerstoffmangel.

Definition: Die Milchsäuregärung produziert Lactat aus Pyruvat unter Regeneration von NAD⁺.

Example: Bei intensiver Muskelarbeit entsteht durch Milchsäuregärung das typische "Brennen" in der Muskulatur.

Energiebereitstellung und Aktivität

Der Grundumsatz und Leistungsumsatz bestimmen den Energiebedarf des Körpers.

Definition: Der Grundumsatz ist die Energiemenge, die in völliger Ruhe bei 25°C zur Aufrechterhaltung der Körperfunktionen benötigt wird.

Highlight: Muskelgewebe trägt mehr zum Grundumsatz bei als Fettgewebe.

Energiebereitstellung und Aktivität

Der Energiestoffwechsel des Körpers lässt sich in verschiedene Komponenten unterteilen:

Der Grundumsatz bezeichnet die Energiemenge, die der Körper in völliger Ruhe bei 25°C Umgebungstemperatur zur Aufrechterhaltung der lebenswichtigen Funktionen benötigt. Er hängt von Faktoren wie Geschlecht, Alter, Körpermasse und Gewebeart ab.

Highlight: Muskelgewebe trägt stärker zum Grundumsatz bei als Fettgewebe.

Der Leistungsumsatz umfasst die zusätzliche Energie, die bei körperlicher Aktivität über den Grundumsatz hinaus verbraucht wird. Dies beinhaltet Arbeit, Sport und allgemeine Bewegung.

Der Gesamtumsatz setzt sich aus Grundumsatz, nahrungsinduzierter Thermogenese, Leistungsumsatz und adaptiver Thermogenese zusammen.

Definition: Die nahrungsinduzierte Thermogenese macht 8-15% des Energieumsatzes aus und wird durch Mahlzeiten, scharfe Gewürze und erhöhte Wasserzufuhr beeinflusst.

Vocabulary: Die adaptive Thermogenese trägt etwa 8% zum Energieumsatz bei und wird durch extreme Bedingungen wie Eiswasserbaden oder Tiefseetauchen ausgelöst.

Der Brennwert gibt an, wie viel Energie durch den Abbau von Nährstoffen im Körper freigesetzt wird. Bei kurzer, intensiver Belastung wird hauptsächlich Glucose abgebaut, während bei Ausdauertraining die Fettverbrennung im Vordergrund steht.

Example: Beim Kraftsport oder Cardio-Training über längere Zeit wird vermehrt Fett als Energiequelle genutzt.

Das kalorische Äquivalent beschreibt die Energiemenge, die bei der Umsetzung von 1 l O₂ freigesetzt wird. Verschiedene Nährstoffe unterscheiden sich in ihrem Sauerstoffbedarf beim Abbau.