Zellatmung, Biomembranen, Fotosynthese

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Kohlenhydrate ein-/aufgelagert) Aufgaben: MW Bildung von Kompartimenten: Speicherung diverser Stoffe; ermöglicht Reaktionsabläufe; Energieumwandlung in Mitochondrien und Chloroplasten Stofftransport: innerhalb und außerhalb der jeweiligen Kompartimente erleichtere Kanalprotein Diffusion (immer offen) Aquaporine A einfache Diffusion regulierbares Kanal protein (ohne Transmemoranproteine) passiver Transport Kanal- protein ATP (Energie) Carrier Transport gegen das Konzentrations- gefäue Transportproteine autiver Transport 2 Diffusion durch Biomembranen mit Kanalproteinen: Kanalproteine erleichtern Diffusion von Wasser -> erleichterte Diffusion Kanalproteine sind stoffspezifisch Aquaporine: erleichtern Diffusion von Wasser ● Zellatmung - Grundlagen ● ● regulierbare Kanalproteine (Carrier): manche dauerhaft geöffnet, manche nur bei Bedarf passiver Transport Dissimilation/Katabolismus: = Alle chemischen Reaktionen in Organismen - Stoffwechsel (Metabolismus) abbauender Stoffwechsel: Dissimilation/Katabolismus komplexe organische Verbindungen (z.B. Lipide, Kohlenhydrate, Proteine) werden in einfachere Verbindungen zerlegt Zellatmung und Gärungstypen zählen dazu dabei wird Energie freigesetzt ● ● Transport gegen das Konzentrationsgefälle: wenn Stoff gegen Konzentrationsgefälle (von Seite mit weniger Konzentration zu mehr) transportiert wird, muss Energie aufgewendet werden -> aktiver Transport Energieformen und Energieumwandlung: Energie treibt chemische Reaktionen der Zellen an -> in 2 verschiedenen Grundformen auftretend: potenzielle Energie: besitzen Objekte aufgrund ihrer Lage, liegt z.B. vor wenn positive und negative lonen durch eine Membran getrennt werden; gespeicherte pot. Energie in Anordnung von Atomen in Molekül = chemische Energie kinetische Energie: Energie von sich bewegenden Atomen/Molekülen -> Wärme gennant, bzw. Licht Energie kann nicht vernichtet oder erzeugt werden -> nur umgewandelt werden von einer Energieform zur anderen Freie Energie G: Energie, die von Zellen benötigt: Transportproteine (funktionieren nur in eine Richtung) und Energie aus dem Stoffwechsel (ATP) genutzt wird, um Arbeit zu leisten Bei chemischer Reaktion: bei Abnahme der freien Energie -> exergone Reaktion -> Endstoffe haben weniger freie Energie als Ausgangsstoffe bei Energieaufwendung -> endergone Reaktion -> Endstoffe haben mehr freie Energie als Ausgangsstoffe freie Energie G [rel. I Energie der Ausgangsstoffe A Energie der Endstoffe freigesetzte Energie- menge AG<0 freie Energie G [rel. Einheit] Energie der Endstoffe Energie der Ausgangs- stoffe benötigte Energie- menge AG>0 Reaktionsverlauf B Reaktionsverlauf 3 Energiediagramm: A exergone Reaktion; B endergone Reaktion 3 • kataboler Stoffwechsel (Abbau von Nährstoffen) ● Bioenergetische Kopplung muss einen Phosphatrest binden für Umwandlung 4 Energie ADPP nötig Energie- aufbau (endergonisch) energiereich ATP 2 Phosphatreste nergie wird free energiearm Energie- abbou (exergonisch) • anaboler Stoffwechsel •Bewegung (Muskeltätigkeit) 3 Phosphat aktiver Membrantransport reste ATP-Zyklus: ADP kann wieder zu ATP regeneriert werden. Energie in biologischen Kontexten: ATP wird in ADP umgewandelt, indem eine Phosphatgruppe abgespalten wird. Diese Phosphatgruppe kann sich nun vorübergehend an ein anderes Molekül der Zelle koppeln. Das phosphorylisierte Molekül kann nun leichter reagieren, da mehr Energie zur Verfügung steht. Anschließend bindet sich die Phosphatgruppe wieder an das ADP-Molekül. Dieses ist nun wieder zu ATP regeneriert. ATP ist schlecht speicherbar, wird aber die ganze Zeit für Lebensprozesse benötigt. Somit läuft der Aufbau und Abbau gleichzeitig ab (gekoppelt). Betrachtet man biologische Vorgänge auf energetischer Ebene, sind vier Aspekte hervorzuheben: notwendige Energie stammt aus Abbau energiereicher Stoffe ATP wird gespalten und ADP gebildet 1. Energieübertragung: Verfügbare Energie kann innerhalb von Organismen übertragen werden (z. B. vom Reaktions-System Glucose/Sauerstoff auf ATP). Bei einer exergonischen Reaktion frei werdende Energie genutzt wird, um eine endergonische Reaktion anzutreiben. Sprich man koppelt eine energieverbrauchende mit einer energiebenötigenden Reaktion (- >Energiekopplung). 2. Energieumwandlung: Stoffwechselvorgänge gehen mit Energieumwandlungen einher. Chemische Energie (Glucose/Sauerstoff) kann z. B. in Wärme oder Bewegungsenergie umgewandelt werden. 3. Energieentwertung: Energieübertragungen führen immer zum Auftreten von Wärme. Dabei geht dem Organismus nutzbare Energie verloren. Biologen verstehen dies als Energieentwertung. Energie gent nie verloren 4. Energieerhaltung: Die Summe aus nutzbarer Energie und Wärme bleibt konstant. Koppling von einer exergonischen Reaution, bei der Energie frei wird, mit einer en dergonischen Realition, die Energie benötigt. Die frei werdende Energie der exerganischen Reaktion wird Zum Antrieb der endergo- nischen verwendet Energie- zufuhr energiereiche Bindung ●●● Triphosphat S ATP-Zyklus Zelle(n) Energiecentwerting Diphosphat als Wärme abgeführte Energie Ribose ATP ADP Adenin + H₂O Im Reaktionssystem Glucose/O, gespeicherte Energie (chemische Energie) Energioumwandlung J Phosphat Energie erhaltung Energie- freisetzung ATP (chemische Energie) nur kleines Teil wann im körper genutzt werden Energie übertragung in ATP gespeicherte Energie (ca. 1) 4 Orte der Zellatmung: -> Mitochondrien UND Cytoplasma Versuchsergebnisse: Je mehr Mitochondrienvolumen, desto mehr Sauerstoffverbrauch pro Gramm, Gewebe und Stunde Prognose für das Versuchsergebnis 0,-Gehalt Die Probelösung enthält gereinigtes Cytoplasma und Mitochondrien Glucosezugabe zum Zeitpunkt 0 V 0 5 Zeit (min) 10 15 0₂-Gehalt Glucosezugabe zum Zeitpunkt 0 0 Der Sauerstoffgenalt hann nur gesenut werden, wenn die Probelösung gereinigtes Cytoplasing & mitochondrien oder Leberzellen enthält. Samit ist die Zellatmung nur möglich, Sobald en Cytoplasma und mitochondrien vorhanden and Orie der Zellatmung: Cytoplasma & Mitochondrien Aufbau Mitochondrium: Das Mitochondrium - Aufbau Mitochondrien sind durch zwei Membranen begrenzt: eine äußere und eine innere Membran, die sich im Inneren mehrfach auffaltet. Die gefalteten Membranteile nennt man Cristae (=Ausstülpungen). Im Inneren eines Mitochondriums ergeben sich zwei voneinander getrennte Innenräume. a. Zwischen äußerer und innerer Membran liegt der Intermembranraum. b. Der Innenraum des Mitochondriums, d.h. der Raum, der von der inneren Membran umschlossen wird, wird als Matrix bezeichnet. 5 Zeit (min) 10 15 äußere Membran Substratsuonzentrationsabhängigkeit nachdem Glucose verbrowani 1st, kann keine chemische Reaktion ablaufen, Saverstoff wird aus Ungeloung diffundiert Gewalt steigt nach Senkung wieder Intermembranraum Cristae (Faltungen) Matrix (Flüssigkeit) innere Membran 5 Reduktionsäquivalente: Coenzyme, die sowohl in oxidierter Form, als auch in reduzierter Form vorkommen können sie ermöglichen den Ablauf von Redoxreaktionen in der Zelle (NAD+/FAD). die Reduktionsäquivalente NADH+H+ und FADH2 muss zuerst aufgebaut werden, damit die Zellatmung in der Zelle ablaufen kann. Redoxreaktionen: Oxidation: Elektronenabgabe, Sauerstoffaufnahme -> Reduktionsmittel/Elektronendonator, Stoff wird oxidiert und reduziert den anderen Stoff Reduktion: Elektronenaufnahme, Sauerstoffabgabe -> Oxidationsmittel/Elektronenakzeptor, Stoff wird reduziert und oxidiert den anderen Stoff => beides zusammen Redoxreaktion Elektronen-/Protonenshuttle: ● In Zellen häufig Elektronenübertragung mit Transfer von Wasserstoff-lonen (Protonen) wichtige Rolle als Elektronen-/ Protonenshuttle: NAD+/NADH+H+ NAD+ nimmt 2 e- und p+ auf -> wird reduziert e- und P+ vom entstandenen NADH+H+ werden auf andere Moleküle im Zellbetrieb übertragen => Redoxreaktionen lassen sich so in den Zellen miteinander koppeln Redoxpotential Redoxpotential = Bestreben, Elektronen aufzunehmen merusatz: Je höner das Redoxpotention, desto höher das Bestreben Elentronen aufzunehmen (desto eher will Stoff reduziert werden) e-- Übertragung => Elekitronen können nur von Stoffen mir niedrigerem Redox potenticu zu Stoffen mit höherem Redoxpotention übertragen werden. → Shala fur Redoxpotential ca von -3 bis +3 wird reduziert wird oxidiert 0,27V -2,35 V Redoxreaution 6 Zellatmung - Teilschritte 1. Glykolyse: kataboler (abbauender), energieliefernder Stoffwechselweg aus einem Molekül Glucose werden dabei zwei Moleküle Pyruvat es werden pro Molekül Glucose 2 ATP- und NADH+H+-Moleküle frei findet im Cytoplasma der Zellen statt kann in aeroben sowie anaeroben (ohne O2) Bedingungen ablaufen => aerobe Glykolyse: Pyruvat wird anschließend im Citratzyklus & Atmungskette zu CO2 abgebaut anaerobe Glykolyse: Pyruvat wird anschließend zu Lactat (Milchsäuregärung) oder Ethanol (alkoholische Gärung) reduziert . ● ● . ● Ablauf Glykolyse: 1. Aktivierung: Glucose-Molekül muss aktiviert werden, um reaktionsbereit zu werden... ATP wird in ADP gespalten, frei gewordene Phosphatgruppe wird auf Glucosemolekül übertragen Es entsteht ein phosphorylierter C6-Körper (Glucose-6-phosphat) dieser wird umgeladen zu Fructose-6-phosphat dieser wird mit weiterem ATP-Molekül und zweiter Phosphat-Gruppe beladen, es entsteht Fructose-1,6-biphosphat 2. Spaltung: Spaltung von Fructose-1,6-biphosphat in 2 verschiedene C3-Körper mit je einer Phosphatgruppe nicht reaktionsfähig: Dihydroxyacetonphosphat -> wird in Glycerinaldehyd-3-phosphat umgelagert reaktionsfähig: Glycerinaldehyd-3-phosphat -> reagiert nachfolgend weiter 3. Oxidation: Beladung von Glycerinaldehyd-3-phosphat mit zweiter Phosphatgruppe (aus dem Cytoplasma) es wird unter Anlagerung von einem Molekül Wasser oxidiert Elektronen und Wasserstoff werden auf Elektronenakzeptor NAD+ übertragen -> es entsteht NADH+H+ es entstehen 2 Moleküle 1,3-Bisphosphoglycerat 4. Umlagerungen: Abspaltung der Phosphatgruppe von dem jeweiligen Molekül -> werden auf ADP-Moleküle übertragen es entsteht 3-Phosphoglycerat Umlagerung von (2 mal) 3-Phosphoglycerat zu (2 mal) 2-Phosphoglycerat von diesen werden je ein Molekül Wasser abgespalten es entsteht (2 mal) Phosphoenolpyruvat 8 5. ATP-Gewinn: von den zwei Molekülen werden die beiden Phosphatgruppen abgespalten, diese werden auf ADP übertragen es entsteht das Endprodukt: Pyruvat Bilanz der Glykolyse: Glucose + 2 NAD+ + 2 ADP+2P -> 2 Pyruvat + 2 NADH+H+ + 2ATP + 2H2O Autivierung: Glucose 000000 ATP G ADP Glucose-6-phosphat 0000000 Umlagerung. Fructose-6-phosphat 0000000 Ⓡ ATP Spautung: Phosporylisierung AOP Fructose - 1,6-biphosphat 0000000 Dinydroxyaceton phosphat ooo® Oxidation: Umiagenngen: Phosporylisierung Glycerin aldehyd-3-phosphat ooo® -Umlageruing H₂0 ( NAD ATP ADP NAOH+H 2x 1,3 Biphosphogly cerat 8000€ ADP GATP ↓ 2x 3-Phosphogrycevat 000® ✓Umlagerung 2x 2-Phosphoglycerat 000 14₂0 · Wasser (H₂0) (liefert Protonen & Elektronen) aus Cytoplasma NAO+ NADH+ ++ Abspaltung ATP- Gowinn: 2x Pyruvat ooo ↑ ATP ↑ 2x Phosphoenolpyruvat ADP 2 werden ZUN Regeneration verbrauch brutto 4 ATP nemo 2 ATP 2x Energiestufendiagramm Glykolyse: Aufwendungs- und Freisetzungsphase Bei der Energieinvestitionsphase steigt der Energiegehalt der Stoffe, indem sie phosporyliert werden, Phosphatgruppen von ATP- Molekülen werden auf diese übertragen . Ab dann beginnt die Energiefreisetzungsphase, in der die Energie, welche in den Stoffen enthalten ist, sinkt. NADH+H+ und ATP wird gebildet -> haben einen hohen Energiegehalt Energiefreisetzungsphase dauert bis zum Ende der Glykolyse, wenn Pyruvat entstanden ist. -630 ● ● Energie muss also investiert werden Phase dauert solange, bis Glycerinaldehyd-3-phosphat entstanden ist ● -210 ● ● -420 Änderung der freien Energie AG (kJ/mol) Energieaufwendungs- phase (ATP Glucose ATP 2. oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus finden im Mitochondrium der Zelle statt (Mitochondrienmatrix) Energiefreisetzungs- phase Glycerinaldehyd 3-phosphat 2 NADH + 2H 2 ATP (2 ATP oxidative Decarboxylierung (in der Matrix): vom Pyruvat wird CO2 durch einen Multienzymkomplex abgespalten Blut über es entsteht Ethanal Energie wurde von Glucose auf die beiden Pyruvat Zeit Pyruvat gelangt in die Mitochondrien wenn Sauerstoff verfügbar ist müssen pro Glucose-Molekül 2 mal ablaufen, um Glucose vollständig abzubauen •übertragen -> geht ins dieses Molekül wird unter Beteiligung von Wasser oxidiert dabei kommt es zur Übertragung von 2 e- und 2 p+ auf NAD+ -> wird zu NADH+H+ reduziert aus Ethanal wird Acetaldehyd (Essigsäure/Ethansäure) Ethansäure-Molekül wird durch Coenzym A aktiviert, Wasser wird abgespalten es ensteht Acetyl-Coenzym A (aktivierte Essigsäure) -> reaktionsfreudiger Acetyl-CoA kann energiereiche Acetylgruppe in Citratzyklus einschleusen zur weiteren Oxidation 10 Citratzyklus: oxidative Decarboxylierung verbindet Glykolyse und Citratzyklus findet in Mitochondrienmatrix statt pro Glucose-Molekül läuft der Citratzyklus 2 mal ab, damit Glucose vollständig abgebaut ist -> alle sechs Kohlenstoffatome aus der Glucose sind nach dem Citratzyklus zu Kohlenstoffdioxid oxidiert -> Abfallprodukt an die Umwelt seine wichtigste Funktion: Bildung der Reduktionsäquivalente NADH und FADH2 und 1 ATP (2 ATP nach 2 mal Ablaufen) Acetyl-CoA wird in 8 aufeinanderfolgenden enzymatisch katalysierten Einzelreaktionen zu CO2 oxidiert -> dabei werden die Reduktionsäquivalente NADH und FADH2 gebildet, die ihre Elektronen an die verschiedenen Komplexe der Atmungskette im nächsten Schritt geben Oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus - Vertiefend betrachtet Kohlenstoffatome verlassen Zyklus als CO₂-molekül Glucose: C6 Oxidative Decarboxylierung: Läuft 2x ab Citratzy ulus: läuft 2x ab 2x C 4 xC die Vorgänge müssen. cuse pro Glucose-molenül 2x ablaufen, damit =C6 => Glucose vouständig abgebaut ist 11 Oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus - Schema Pyruvat gent ins Blut CO₂ NAD NADH+H H₂0 C-CH, S-CoA COOK HO-C-H CM₂ coow COOH COOH 8 C3 ů H3C-C-COO C2 reduzied H3C C2 H3C- COOM c-o CH₂ COOK 3 NADH-H COOH CH₂ CH₂ COOH ů Q (-Acetyl-CoA-) NAD C₂H₂O, Apfelsaure (- Malat-) но- Decarboxylierung Acetaldehyd (Ethanal -H Acetyl-Coenzym A C2 C,H,O-S-COA Aktivierte Essigsäure Oxidiert BUY Ethansäure (Essig- säure) -OH C wird durch aktiviert C.H.O. Fumarsaure (- Fumarat-) H₂0 FADH FAD C₂H₂O₂ Oxalessigsäure (-Oxalacetat-) C₂H₂O. Bernsteinsäure (- Succinat -) COA-SH Coenzym - A Сч Bilanz (pro molenül Glucose): 2 Pyruvat +2COA-SH+2NAD+ Bilanz Citratzyklus: 2Acetyl-COA+ (3 NAD+)+FAD + (ADP + Phosphat) + 2H2O2 CO2+ (3 NADH + Cantivierte Ethansäure) H+)+FADH2 +ATP +COA-SH Regeneration von Oxalacetat →2Acetyl-COA+ 2 NADH+H² + 200₂ (antivierte Essig säure) Oxidative Decarboxy lierung Сч Citrat zyulus HS COA Stoffabbau vom Citrat Aufbau von ATP und NADH GIP GOP HS-COA P Coo C%₂ NO-C-COOM ADP SAYUS CM₂ COOK HS COA Co C₂H₂O Zitronensäure (-Citrat -) NAD COOK C%₂ goom 34₂ p C-8-COA COOM NADH-H NAD the gentrein & wieder raus alles mal 2 Czyulus 4 1 NADH-H C6 läuft 2x po Glucosemolevl ad damit alje Cs zu CO₂ was den) C₂H₂O₂ Ketoglutarsäure (-Ketoglutarat-) C.H.O.-S-COAL Bernsteinsaure-CoA (-Succinyl-Co4-) Citrat: Anion der Citronen- soiure * In diesem Schema wi der Schritt vom Citrat zum Isocitrat weggelassen, welcher im Buch vermerkt ist. Im Buch sind fernerhin die deprotonierten Formen der Moleküle dargestellt: Beispiel: Citrat = C6H8O7; deprotoniertes Citrat = C6H507³- 12 3. Atmungskette letzter Schritt des aeroben Energiestoffwechsels schließt an Glykolyse, ox. Decarboxylierung und Citratzyklus an Coenzyme NADH und FAD haben beim Abbau verschiedener Nährstoffe Elektronen aufgenommen -> diese werden kontrolliert auf Sauerstoff übertragen findet an der inneren Mitochondrienmembran statt im Laufe der Atmungskette geben NADH+H+ und FADH2 ihre gespeicherten Elektronen nach und nach an vier Komplexe in der inneren Mitochondrienmembran ab Redoxpotential nimmt von links nach rechts von den Komplexen zu, Komplexe können Elektronen aufnehmen und wieder abgeben Ablauf: Komplex 1: NADH+H+ überträgt die gespeicherten e- auf Proteinkomplex I -> Elektronentransportkette wird initiiert (Elektronen bewegen sich von Proteinkomplex mit geringerem Redoxpotential zu höherem) Parallel werden H+-Ionen (Protonen) von NADH+H+ an Proteinkomplex I gegeben -> diese werden durch kanalartiges Protein hindurch in Intermembranraum transportiert Komplex 2: FADH2-Moleküle, die im Citratzyklus entstehen, schleusen ebenfalls Elektronen in die Elektronentransportkette ein die e-werden aber an den Proteinkomplex II abgegeben Wasserstoff-lonen werden auch abgegeben und durch Proteinkomplex hindurch in Intermembranraum befördert -> Intermembranraum enthält viele Protonen (saure Flüssigkeit) Intermembranraum ET ALAN NADH H Redoxpotenzial -0,32 V Matrix Intermembranraum HH NAD Matrix HH Intermembranraum. Matrix Titt FADH₂ Matrix Redoxpotenzial -0,22 V Redoxpotenzial -0.19 V nimmt e aut FAD III 111 Intermembranraum HH ||| IV ||| ATP. Synthase IV Redoxpotenzial -0,03 V i Redoxpotenzial e auf +0,12 V Zellplasma ATP- Synthase IV Zellplasma Zellplasma ATP. Synthase IV Redoxpotenzial +0,12 V Zellplasma Synthase 13 ● Komplex 3: bei Proteinkomplexen I und II werden Wasserstoff-lonen (Protonen) durch die Proteinkomplexe in den Intermembranraum transportiert (Osmose) es bildet sich somit ein Konzentrationsgefälle (Protonengradient) Wasserstoff-lonen-Konzentration in der Matrix nimmt ab, dafür steigt diese im Intermembranraum an Komplex 4: am Ende der Elektronentransportkette: e- aus Proteinkomplex IV und H+-lonen (p+) aus der Matrix werden auf Sauerstoff- Moleküle übertragen -> Endakzeptor es entsteht Wasser als Abfallprodukt des Glucoseabbaus (Kohlenstoffdioxid bei Citratzyklus und ox. Decarboxylierung) Proteinkomplex IV wird oxidiert, Sauerstoff wird reduziert Gesamtbilanz der Atmungskette: Osmose Intermembranraum H₂H+ Redoxpotenzial -0,19 V 8.8 HH₂ Matrix Redoxpotenzial -0,19 V Matrix Matrix 11 Intermembranraum. Matrix HHHH Intermembranraum HHHH Energie genutzt zum frei werdende Transpo II Intermembranraum 11 Redoxpotenzial +0,12 V HH Redoxpotenzial +0,12 V 111 HHHH übertragung Sauerstoff AL 0660 Redoxpotenzial +0,82 V 111 HHHH H₂O IV H₂O ATP. Synthase IV IV Redoxpotenzial +0,25 V ATP- Synthase Zellplasma IV 10 NADH + 2 FADH + 32 ADP + 32 P + 6.02 --> 12 H2O + 10 NAD + 2 FAD + 32 ATP Zellplasma gegen Konzen Redoxpotenzial trations +0,25 V gefane ATP. Synthase Redoxpotenzial +0,25 V Zellplasma ATP- Synthase Zellplasma 14 ● . ATP-Synthase: (gehört nicht mehr zur Atmungskette) es wurde während dem Elektronentransports ein Protonengradient aufgebaut (höhere Konzentration von H+-Ionen in Matrix als in Intermembranraum) durch Konzentrationsgefälle -> Ladungsungleichgewicht entstanden elektrochemischer Gradient liegt vor -> Tendenz zum Abbau des Gefälles besteht Kanalproteine, also die ATP-Synthasen (Enzyme), die an der inneren Mitochondrienmembran eingelagert sind, ermöglichen Rückstrom (Diffusion) von Protonen in die Matrix durch Protonenrückfluss freigesetzte Energie-> es kommt zu einer Verknüpfung der ADP- und P-Moleküle an der Innenseite der ATP-Synthase -> ATP entsteht oxidative Phosphorylierung: ADP wird durch die Oxidation von NADH+H+ und FADH2 phosphoryliert -> man spricht von oxidativer Phosphorylierung e- werden energetisch bergab transportiert, die dabei freigesetzte Energie für die Phosphorylierung von ADP genutzt -> freigesetzte Energie wird für einen anderen Prozess genutzt (Schaufelrad) liefert den größten Teil der entstehenden ATP- Menge bei der Zellatmung findet in allen aeroben Lebewesen statt Intermembranraum Matrix 11 Intermembranraum Matrix 11 HH ADP P ATP IV ATP- Synthase IV ATP Synthase Zellplasma Zellplasma }₁ Protonenvýchfluss Stellen, die den Protonengradienten verstärken: 1. Transport von H+ durch die Membranproteine, ermöglicht durch die freiwerdende Energie aus der Elektronentransportkette 2. Bei der Bildung von Wasser werden H+ in der Matrix gebunden. Warum gibt es mehrere Proteinkomplexe? schrittweise Weitergabe der Elektronen führt zu schrittweiser, kontrollierter Freisetzung der Energie -> Energiefreisetzung sonst zu heftig 15 Gesamtbilanz der Zellatmung (Dissimilation): Glykolyse: liefert pro Molekül Glucose 2 Moleküle NADH+H+, 2 ATP (durch Substratkettenphosphorylierung) oxidative Decarboxylierung: 2 Moleküle NADH+H+ Citratzyklus: 2 Moleküle FADH2, 2 ATP Atmungskette: 6 Moleküle NADH+H+, 34 ATP Glucose + 10 NAD+ + 2 FAD + 6 H2O + 2 ADP+P -> 6 CO2 + 10 NADH+H+ + 2 FADH2 + 2 ATP Der oxidative Abbau von Glucose in mehreren Teilschritten führt zur Bereitstellung von ATP. Zellbereich Stoffwechselabschnitt Verdauung Glykolyse Oxidative Decarboxy lierung Citratzy ulus Atmungsuette Kohlenhydrate 2 NADH + H+ 2 Pyruvat C₂ 2NADH TH Glucose C 60₂ 10 NADH +H* 2 FADH+H+ 2 aktivierte Essigsäure 2FADH₂ 6NADH+H+ ATP-Gewinn aus der Glykolyse: 2 ATP ATP-Gewinn aus dem Zitronensäurezyklus: 2 ATP 2 ATP -2 CO₂ 2 ATP L 4 CO₂ 34 ATP Cytoplasma Mitochondrien- matrix Mitochondrien- matrix innere Mitochondrien- membran, Intermembran raum, Matrix 6 H₂0 ATP-Gewinn aus der Endoxidation: 34 ATP Der Abbau von einem Glucose-Molekül liefert 38 ATP-Moleküle. 1 Die Dissimilation (schematisch) Manche Lehrbücher genen von 36 ATP-molemülen insgesamt aus, da zwei für den Stofftransport aufgewendet. rden müssen. 16 Regulation der Phosphofructokinase (allosterische Hemmung): Warum ist es wichtig die Zellatmung, unabhängig von ATP- und ADP-Gehalt, regulieren zu können? ● ● . muss reguliert werden können, damit es immer ausreichend Zwischenprodukte gibt, welche auch für andere Prozesse verwendet werden können wenn diese aufgebraucht wären, könnte die ATP-Produktion nicht schnell genug ablaufen somit kommt es zu keiner Überproduktion von ATP, da dieses nicht gespeichert werden kann ● dies geschieht mithilfe allosterischer Enzyme -> vor allem Phosphofructokinase dieses katalysiert zu Beginn der Glykolyse Fructose-6-phosphat zu Fructose-1,6- phosphat (geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Glykolyse) ab einer bestimmten Konzentration hemmt ATP die Phosphofructokinase allosterisch, indem es an das allosterische Zentrum dieses Enzyms bindet -> allosterische Regulation Fructose-6-phosphat kann nicht mehr in Fructose-1,6-biphosphat umgewandelt werden, Geschwindigkeit des Glucoseabbaus / der enzymatischen Reaktion sinkt daher liegen in der Zelle überwiegend Vorstufen des ATPs vor, wird das Enzym aktiviert, denn diese Moleküle binden nicht an das allosterische Zentrum des Enzyms -> negative Rückkopplung (je mehr, desto weniger) -> auch positive Rückkopplung an anderen Stellen des Glucoseabbaus durch ADP Gärung (unter anaeroben Bedingungen) Fructose-6-phosphat Fructose-1,6-biphosphat positiver Effektor ADP Phosphofructokinase oxidative Phosphorylierung Regulation der Zellatmung negativer Effektor ATP Regeneration der Reduktionsäquivalente: bestimmte Lebewesen (Bakterien, Pilze etc.) können Glucose o.ä. auch ohne Sauerstoff abbauen und so Energie gewinnen -> Gärungen jede Gärung beginnt mit Glykolyse -> es entstehen 2 ATP und 2 Moleküle NAD+ werden zu NADH+H+ reduziert unter anaeroben Bedingungen könnte NADH+H+ Elektronen nicht in Atmungskette einschleusen, da kein Sauerstoff als Endakzeptor besteht somit wird NAD+ regeneriert, um Elektronen von NADH+H+ in Atmungskette einschleusen zu können-> auf unterschiedliche Weisen (alkoholische Gärung vs. Milchsäuregärung) 17 Unterschied alkoholische Gärung vs. Milchsäuregärung alkoholische Gärung: findet z.B. in Hefepilzen statt (im Cytoplasma) nach der Glykolyse werden 2 Pyruvat-Moleküle nach Abspaltung je eines CO2-Moleküls zu 2 Ethanal-Molekülen. diese werden jeweils mit NADH+H+ zu Ethanol reduziert ● Bilanz: Glucose + 2ADP +2P -> 2 Ethanol + 2 ATP + 2 CO2 Milchsäuregärung: findet in allen Lebewesen statt (im Cytoplasma) die 2 Pyruvat-Moleküle werden nach der Glykolyse durch NADH+H+ zu 2 Lactat- Molekülen (dem Anion der Milchsäure) reduziert Bilanz: Glucose + 2ADP + 2P -> 2 Lactat + 2 ATP • M2 Stoffwechselschritte der alkoholischen Gärung . 2 ADP + P₁ 2 ATP oooooo Glucose C=O CH3 *alkoholische Gärung: Ethanal überträgt e- auf Ethanol Milchsäuregärung: Pyruvat überträgt e- auf Lactat ADP+ P₁ ATP ooo 2 Pyruvat- Glucose L Y K S NAD ooo C=0 2 Pyruvat CH₂ NADH+H* M2 Stoffwechselschritte der Milchsäuregärung 2 CO₂ 2 NAD H H-C-OH CH3 NADH+H 2 Ethanol 2 Ethanal Sinn des letzten Gärungsschritts: um NADH+H+ wieder zu NAD+ zu regenerieren, muss NADH+H+ seine e- und H+ (Protonen) auf einen anderen Stoff* übertragen, sodass es wieder als NAD+ vorliegt. Die Glykolyse kann nur mit NAD+ ablaufen! CH₂ 0 H-C-OH CH₂ ooo 2 Lactat 18 Thermogenese: Bei Thermogenese wird Protonengradient nicht durch ATP-Synthase sondern durch Thermogenin abgebaut und statt ATP entsteht Wärme. Bei der ATP-Synthase wird nur ein kleiner Teil der Energie in Wärme umgewandelt (Energieentwertung), bei Thermogenin die gesamte Energie. funktionale und kausale Erklärung, warum Neugeborene besonders viel Wärme freisetzen: funktionale Erklärung: Durch die geringe Muskelmasse und die große Oberfläche im Verhältnis zum Volumen müssen Neugeborene besonders viel Wärme freisetzen, um nicht zu unterkühlen. Dies wird durch die braunen Fettzellen ermöglicht. kausale Erklärung: Bei Kälte wird ein bestimmtes kanalförmiges Protein in der Mitochondrienmembran geöffnet, welches den Protonengradienten abbaut und die enthaltene Energie in Wärme umwandelt. ● Fotosynthese Fotosynthese allgemein: findet in Chloroplasten der Pflanzenzellen statt Pflanzen nehmen CO2 und Wasser auf und können mithilfe von Lichteinstrahlung Sauerstoff und Glucose herstellen -> Glucose Nahrung der Pflanze ; Sauerstoff = = = Abfallprodukt sie absorbieren das Licht mithilfe von Chlorophyll und wandeln die Strahlungsenergie in chemische Energie um, welche als ATP gespeichert wird somit werden CO2 und H20 zu Glucose und Sauerstoff umgewandelt CO₂ H₂O. Kausale und funktionale Ansätze lieftern in der Biologie häufig Antworten auf scheinbar dieselbe Frage, auf die Frage nach dem, „Warum". Die Biologie unterscheidet sich auch in dieser Hinsicht deutlich von den an- deren Naturwissenschaften, denn in Physik und Chemie kann die Frage nach dem ,,War- um" nur kausal beantwortet werden. Eine funktionale Antwort hingegen ist hier nicht sinnvoll möglich. endotherme Reaktion. ↑↑ Licht →0₂ Black Box C6H1202. Nehmt kritisch Stellung: auto koph (ernähren sich sellost) (Glucose) CO₂ Zell- 0₂ atmung Pflanzen betreiben auch Zallatmung -hefero- troph 19 Aufbau eines Laubblattes: Kutikula Blattstruktur Epidermis Chloroplast Palisadengewebe Schwammngewebe Spaltöffnung Leitbündel Kutikula Epidermis Chloroplasten Palisadengewerbe Interzellularsystem schwammgewebe • Spalt öffnungen (Stomata) Eigenschaft wachsartige Schicht, die die Außenwände der Epidermis umschliebt Abschlussgewebe/Zellen mit ver- dickter Außenwand enthält chlorophyll besteht aus einer oder mehreren Zellschianten → langgestreckte, senkrecht zur Blatto berseite stehende Zellen Gewebe mit wenig Chloroplasten; ,,Durchlüftungsgewebe" gebidet aus zwei Schließzellen Funktion verhindert Durchfritt von Stoffen (wasser) / unkontrollier- ten Wasserverlust => Sanutz as hommen keine Chloroplasten vov →Schutzfunktion vor Umwell- einflüssen zuständig für Fotosynthese, wandelt Licht energie in chemische Energie um hoher Lichteinfang, Ort mit der höchsten Fotosyntheserate enthält 80%. aller Chloroplasien bildet Interzellularsystem → Transport von wasser und Sauerstoff → Austausch von CO₂ & 0₂ Regulierung der Menge der Wasserabgabe d Austausch von CO₂ und O₂ mauroshopisch sichtbare Blattadern, die im Palisaden- Transport von Wasser und Nährstoffen ins Blatt/Transport und Schwammngewebe enden von Fotosyntheseprodukten aus dem Blatt 20 Aufbau der Chloroplasten Der Aufbau der Chloroplasten ähnelt dem der Mito- chondrien. Beide Zellorganellen besitzen eine Hülle aus einer äußeren und einer inneren Membran. Der Innenraum der Chloroplasten wird Stroma genannt. Das Stroma enthält, wie auch die Zelle als Ganzes, Ribosomen und DNA. Außerdem enthält das Stroma Fetttröpfchen und Stärkekörner. Palisaden- gewebe Das Stroma ist von Ausstülpungen der inneren Membran, sogenannten Membransäckchen (Thy- lakoiden) durchzogen. Die Thylakoide können schei- benförmig oder länglich sein. Die scheibenförmigen Thylakoide sind zu sogenannten Grana aufgestapelt. äußere Membran innere Membran Fettröpfchen Stroma Sonnen- vs. Schattenblätter: Querschnitt von 2 Buchen blättern (angefärbt): Schattenblatt: Sonnenblatt: gewebe pete Stundenfrage: Wie unterscheiden sich Sonnen- und Schattenblätter voneinander (Struktur und Funktion)? in Sonnenblatt mehr Chloroplasten (+ Chlorophyu) → grüner 1um Epidermis Man bezeichnet sie daher als Grana-Thylakoide. Die länglichen Thylakoide, die das Stroma durchziehen, werden als Stroma-Thylakoide bezeichnet. Sie ver- binden die Grana miteinander. Epidermis Die Thylakoide bestehen wie alle Membranen aus einer Lipid-Doppelschicht. In die Lipid-Doppelschicht der Thylakoide sind die Blattfarbstoffe (z. B. Chloro- phyll) eingelagert. Worterklärungen Grana: Sing. Granum, lat. für „Korn" 13 Grana-Thylahoiden Grana Stroma - Thylanoide Stärhetörner ONA Ribosomen Sonnenblätter haben im Vergleich dickere Abschlussgewebe, um die Gefahr vor ungewollter Verdunstung bzw. ungewolltem Wasserverlust aufgrund der höheren Temperaturen zu minimieren! ↳dichere Kutikula und auch mehr Schutz durch dichere Epidermis. Schattenblätter erreichen Lichtkompensationspunkt bei geringeren Lichtmengen -> schneller als Sonnenblätter sie haben weniger Blattgewebe Sonnenblätter fotosyntesisch leistungsfähiger, da beim Erreichen des Wertes Fotosyntheserate nicht mehr erhöht wird (Bei Schattenblatt passiert dies früher) Lichtkompensationspunkt: Punkt, an dem genauso viel CO2 aufgenommen wie abgegeben wird (Fotosynthese = Zellatmung) Schattenblatt hat weniger Zellen, die versorgt werden müssen (= weniger Energie und somit weniger Zellatmung nötig) 21 Engelmann grundlegend: Einfluss des sichtbaren Lichtes Engelmann hat mithilfe seines Experimentes dargeselt, dass die Fotosynthese fund Sauerstoffproduktion) abhängig von der Wellenlänge des Lichtes sind. Im Rahmen seines Experiments hat er weißes Licht mit einem Prisma in die verschiedenen Wellenlängen geteilt. Das gespaltene Lichtspektrum wurde dann auf den Faden einer Grünalge weitergeleitet, die Fotosynthese betreibt. Aus dem Experiment resultiert die Erkenntnis, dass die roten sowie auch blauen Wellenlängen am optimalsten für die Fotosynthese sind. Im Bereich der gelben und grünen Wellenlängen findet kaum Fotosynthese statt. Daraus lasst sich schließen, dass nur bestimmte Wellenlängen des Lichtes von dem Chlorophyll absorbiert werden und somit Fotosynthese ablauft Wenn Licht grüner Wellentänge auf das Blatt trifft • wird das Licht grüner Welleriänge reflektiert und kann nicht zur Fotosynthese genutzt werden, alle anderen 12 des sichtbaren Lichts werden absorblert. Methodik Diagrammbeschreibung: Struktur der Beschreibung: A. einleitend Angabe zum Inhalt des Diagramms inklusive der angegebenen Einheiten; z.B.: Das Diagramm zeigt die... (Größe auf der y-Achse) ... in Abhängigkeit von/ im Ver- lauf von/ in der Zeit von ... (Größe auf der x-Achse) B. systematische Erfassung des wesentlichen Verlaufs/ der Entwicklung der betrachteten biologischen Größe: Beginn am Anfang der x-Achsenwerte und dieser folgend; Angabe wichtiger Punkte als konkrete Werte (z.B. Anfangspunkt, Maximum, Minimum, Sätti- gungswert, Endwert); Formulierung evtl. gemäß ,,Grundtypen" von Diagrammen (s.u.) C. evtl. abschließende Zusammenfassung unter Wiederholung auffälliger Tendenzen Allgemein Beachtenswertes: konkreter Bezug zu der erfassten biologischen Größe (keine formal-mathematische Erfassung!) → nicht die Linie/der Graph wird beschrieben! kein Einbringen von Deutungsansätzen (reine Beschreibung); Deutung erfolgt später ein Leser/ Hörer sollte in der Lage sein, mit Hilfe der Beschreibung eine Skizze des Di- agramms zu entwerfen ■ 22 ,,Grundtypen" von Diagrammen: 1. 2. 3. 5. NO Operator ..bleibt ... gleich/ konstant ...steigt ... linear an ... ...steigt ... exponentiell an ... W . steigt zunächst ... an und nähert sich anschließend ... einem Sätti- gungswert (Wachstum) ... oszilliert. Erläutern einen Sachverhalt durch zusätzliche Informationen veranschaulichen und verständlich machen. Anmerkung: Soll man also eine Beobachtung/Diagramm erläutern, so muss man den entsprechenden Sachverhalt kurz beschreiben und dann passend erklären. Inhaltsbezogene Kompetenz Basiskonzept: Steuerung und Regelung Lebewesen stehen als offene Systeme in einer geregelten, selbsterhaltenden Beziehung zum System ihrer Umwelt. Die stabilisierende Regulation der internen Bedingungen gegenüber äußeren Einflüssen (Homöostase) war eine Voraussetzung für die Entstehung des Lebens und ist auch heute noch eine Bedingung für seinen Bestand. Auf allen Organisationsebenen sind Wirkung und Rückwirkung zwischen den Elementen lebender Systeme zu beobachten. Stoff- und Energieumwandlung Das Basiskonzept Stoff- und Energieumwandlung be- schreibt den Sachverhalt, dass biologische Systeme offene, sich selbst organisierende Systeme sind, die im ständigen Austausch mit der Umwelt stehen. Alle Le- bensprozesse benötigen Energie und laufen unter Energieumwandlungen ab. Lebewesen nehmen Stoffe auf, wandeln sie um und scheiden Stoffe wieder aus. Struktur und Funktion Das Basiskonzept Struktur und Funktion beschreibt den Sachverhalt, dass es zwischen einer biologischen Struktur und deren Funktion oft einen Zusammenhang gibt. Dieser Zusammenhang von Struktur und Funktion ist auf verschiedenen Systemebenen, von den Molekü- len bis zur Biosphäre, relevant und gilt für Lebewesen und Lebensvorgänge. Innerhalb dieses Basiskonzep- tes gibt es wesentliche Prinzipien,beispielsweise die Kompartimentierung und das Schlüssel-Schloss- Prinzip. 23