Zusammenfassung Schuljahr Klasse 11 Biologie

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DNA-Moleküle = Plasmide Strukturierung beschränkt auf Membraneinstülpungen & Lamellen Proteinbiosynthese erfolgt frei im Plasma an 70 S-Ribosomen Fortbewegung meist durch rotierende Flagellen (Bakteriengeiseln) Fortpflanzung einzelner Organismen ungeschlechtlich durch Teilung nach vorheriger Replika- tion Erbsubstanz Stoffwechsel sehr vielseitig & ermöglicht Besiedlung von Extremstandorten Auch Eukaryoten In Kompartimente (membranumschlossene Reaktionsräume/ Zellorganellen) mit unterschied- licher Funktion aufgeteilt Erbmaterial im Zellkern in linearen DNA-Molekülen der Chromosomen Proteinbiosynthese erfolgt in räumlicher Trennung von Transkription (an 80 S-Ribosomen ge- bunden) Zellaufbau typisch für Tieren, Pflanzen, Pilze und Protozoen Fortpflanzung einzelliger Eukaryoten durch Mitose Fortpflanzung mehrzelliger Organismen produzieren Fortpflanzungszellen (Grameten Wichtige Zellorganelle in Eukaryoten Zellorganellen Aufgaben Zellmembran Zellwand Cytoplasma Cytoskelett Ribosomen Vesikel Plasmodesmen Desmosomen Vakuole Plastiden Mikrovilli Schicht zur Abgrenzung des Zellinneren vom Außenraum Hülle in Pflanzenzellen für die Stabilität der Zelle Organische Substanz in Zelle sorgt für Stabilität Kleine Teilchen zur Translation Kleine Bläschen für den Stofftransport Zell-Zell-Verbindungen in Pflanzenzellen Zell-Zell-Verbindungen in Tierzellen Hohlraum in Pflanzenzellen für den Zellinnendruck Endosymbiontisch entstandene Organellen in Pflanzenzellen (→Chloroplast) Ausstülpungen in tierischen Epithelzellen zur Oberflächenvergrößerung 3 Biologie Klasse 11 Endosymbiontentheorie Besagt, dass eukaryotische Zellen aus unspezifischen ,,Urkaryoten" hervorgegangen sind Haben durch Endozytose andere freilebende Protozyten aufgenommen → in Inneren dann zu Plastiden (z. B. Chloroplasten)/ Mitochondrien entwickelt Vorläufer Chloroplasten der pflanzlichen Zelle ursprünglich Cyanobakterien → autotropher Stoffwechsel Cyanobakterium für heterotroph lebende Wirtszelle als Vorteil für Energiegewinnung & Wachstum Durch Fotosynthese produzierte Sauerstoff war Problem für anaerob existierende hetero- phobe Organismen (anaerob = ohne Luftsauerstoff zu nutzen) Aeroben Protozyte könnten in Plasma Urkaryoten aufgenommen worden sein & dort zu heu- tigen Mitochondrien entwickelt haben → Zellen mit eigener Zellmembran aufgenommen, wobei Zellmembran Euzyt um Zelle schloss (Doppel-Zellmembran) Belege für die Endosymbiontentheorie Auch heutige lebende Organismen können andere Zellen durch Endozytose aufnehmen Zusammensetzung inneren Membran von Chloroplasten/ Mitochondrien stimmt mit der von Protozyten überein (äußere von Euzyten) Beide Zellorganellen besitzen eigenes Genom In Chloroplasten enthaltene ringförmige DNA nahezu identisch mit heute lebender Cyanobak- terien & DNA Mitochondrien stimmt mit aeroben Bakterienformen überein Ribosomen Chloroplasten/ Mitochondiren von prokaryotischen 70 S-Typ Biomoleküle - Moleküle des Lebens Wasser Polares Lösungsmittel für anorganische lonen & Vielzahl organischer Moleküle (= ideales Transportmittel) Relativ kleines Molekül, dass Biomembran (auch über spezifische Tunnelprotein) fast wider- standslos durchdringen kann Einer der Ausgangsstoffe der autotrophen Assimilation (Fotosynthese) Wichtige ökologische Bedeutung →wichtiger Lebensraum → im Wasser wahrscheinlich Leben entstanden → größte Dichte bei 4°C (damit Gewässer nicht bis zum Grund gefrieren) 4 Biologie Klasse 11 Proteine (Eiweiße) Bestehen aus 20 verschiedenen (proteinoge- nen) Aminosäuren (AS) → durch Peptidbindungen miteinander ver- knüpft Jede AS besitzt eine Carboxyl- und Aminogruppe (daran durch Wasserabspaltung Peptidbindung entstehen kann) unpolar Alanin (Ala) Glycin (Gly) Leucin (Leu) Isoleucin (Iso) Methionin (Met) Phenylalanin (Phe) Prolin (Pro) Tryptophan (Trp) Valin (Val) → Dipeptide (2 AS) → Oligopeptide (< 10 AS) → Polypeptide (> 10 AS) →Proteine (> 100 AS) polar Asparagin (Asn) Cystein (Cys) Glutamin (Gln) Serin (Ser) Threonin (Thr) Tyrosin (Tyr) Unterschiede in spezifischen Kohlenwasserstoffresten Je nach Beschaffenheit der Seitenketten (variable Reste) in vier Gruppen einteilbar Seitenkette HC 0 H-N-C-C-OH HH Carboxyl gruppe Alanin H₂C H-N-C HH Alanylserin Peptidbindung zweier Aminosäuren Kohlenhydrate sauer 5 Amino- O grupper Ti H-N-C-C- - OH H CH₂OH basisch Asparaginsäure (Asp) Glutaminsäure Lysin (Lys) Arginin (Arg) Histidin (His) (Glu) Sequenz (Abfolge) der AS in Protein in DNA codiert und währen Proteinbiosynthese realisiert Je nach Anzahl AS durch Peptidbindungen verknüpft unterscheidbar in vier Gruppen: Bei komplexen Aufbau vier verschiedene Strukturebenen erkennbar: → Primärstruktur: Reihenfolge der AS im Molekül (AS- Sequenz) i -N -C-C-OH + H₂O H CH₂OH Transportproteine bewirken Transport über Biomembran Selten dienen als Reservestoffe Serin → Sekundärstruktur: räumliche Anordnung der AS- Kette als Spirale oder gefaltete Struktur → Tertiärstruktur: räumliche Anordnung der Sekun- därstruktur in verschiedenen Formen (stabilisiert durch Interaktion der Seitenketten der AS) → Quartärstruktur: Struktur aus verschiedenen terti- ären Untereinheiten (teilweise mit Nicht-Eiweiß-Komponenten) Proteine bestimmen durch Zytoskelett Struktur von Zellen & in Funktion des Enzyms Ablauf des Stoffwechsels B-Faltblatt B-Faltblatt- und a-Helix-Struktur Wasserstoff brückenbindungen a-Helix Biologie Klasse 11 Verbindung Monosaccharide, z. B.: D-Glucose OH OH CH₂OH H OH OH Umfasst vor allem Zucker & zuckerähnliche Verbindungen Zucker nach Anzahl ihrer Einzelbausteine in Mono-, Di-, Oligo- & Polysaccharide eingeteilt Sind Bestandteile der Zellwand/ Biomembran & dienen als Reserve- und Speicherstoffe H OH Disaccharide, z. B.: Saccharose CH₂OH Lo. OH Lipide H a.ß -0- Formel Nukleotide C6H₁2O6 он Ca CB CH₂OH,O C12H22011 OH Biomembran OH CH₂OH Vorkommen/Funktion a-Glucose: Primärprodukt der Fotosynthese, zentrales Stoff- wechselmolekül, Monomer der Maltose, der Saccharose und der Stärke Zellbestandteile B-Glucose: Monomer der Cellulose Dimer aus a-D-Glucose und B-D- Fructose Polysaccharide, z. B.: Stärke CH,OH 0. OH 4 unyon CH,OH 6 OH CH₂OH Umfasst Gruppe der Fette (Triglyceride) & fettähnliche Substanzen Fette = Ester aus Glycerin & drei meist unterschiedlichen Fettsäuren Fettsäuren der tierischen/ pflanzlichen Fette zw. 10-20 C-Atome OH CH₂ OH OH CH,OH Bik OH OH Beispiele für Mono-, Di- und Polysaccharide Bei Veresterung von vorwiegend gesättigten Fettsäuren bilden sich feste Fette Wenn ungesättigte Fettsäuren eingebaut werden, entstehen fette Öle Dienen als Reserve- und Speicherstoffe sowie Wärmeisolation o Lo Esterbindung pflanzlicher Reservestoff, aufgebaut aus • 15-25% Amylose: lineare, schraubenförmige Verknüpfung von <500 a-D-Glucose- Molekülen • 75-85 % Amylopektin: regelmäßig (an ca. jedem 25. Glucoserest) am 6. Kohlenstoff- atom verzweigte Kette aus > 2000 α-D-Glucose-Molekülen Aus Base, Zucker und Phosphatrest aufgebaut In Form von Adenosintriphosphat (ATP), Nicotinamidadenindinukleotid (NADH + H*) oder Fla- vibadenindinukleotid (FADH₂) Glycerin unpolare Fettsäurereste → universale Energie- und Wasserstoffüberträger im Stoffwechsel Nukleotide zu langen ketten verknüpft = Nukleinsäuren (Träger der Erbinformation) → in DNA bzw. RNA durch Abfolge der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin codiert gesättigte Fettsäure ungesättigte Fettsäure Lipiddoppelschichten/ Doppellipidschichten bilden Grenzfläche Zellen & enthaltene Kompar- timente Bildung und Anordnung durch unterschiedliche Polarität in Fettmolekülen erklärbar Triglycerid Biologie Klasse 11 → Unpolare Kohlenstoffketten sind hydrophob (,,Wasser abstoßend") & lagern sich im Zentrum einer Biomembran → Polare Kohlenstoffketten sind hydrophil (,,Wasser liebend") & Bereich zeigt nach au- Ben In und auf Membran befinden sich Proteinmoleküle mit unterschiedlicher Struktur & Funktion Biomembran bilden nach Flüssig-Mosaik-Modell (Singer und Nicolson) zähflüssige Struktur (ständig veränderbar & darin scheinen Proteine zu schwimmen) Auf Außenseite Zellmembran (auch Plasmalemma) befinden sich Glykokalyx → aus Kohlenhydratketten, die an Membranlipide (Glykolipide) & Membranproteine (Glykoproteine) gebunden sind Glykokalyx bestimmt Oberflächenstruktur von Zellen Zytoplasma Auch Zellplasma Zentrale Kompartiment einer Zelle & wird von Zellmembran begrenzt Besteht aus ca. zwei Dritteln aus Wasser Ribosomen Membran außenseite Membran innenseite Sehr kleine komplexe Moleküle ohne Membranstruktur Aus ca. 80 Proteinmolekülen & bis zu vier r(ibosomalen)RNA-Molekülen (in großen & kleinen Untereinheit strukturiert) Zellkern Ribosomen Pro- und Eukaryoten unterscheidbar in Größe In Zelle mehrere Zehntausend Ribosomen (frei in Plasma & bei Euzyten an rauen ER gebunden) An Ribosomen findet Proteinbiosynthese statt Proteine mit ca. 20% (in Form Zytoskelett & Enzyme) vertreten Rest besteht aus unterschiedlichen Kohlenhydraten, Fetten, anorganischen lonen und wasser- löslichen organischen Molekülen Darin laufen Vielzahl an Synthesen (Proteinbiosynthese) ab Transport von Stoffen/ Informationen meist an Zytoplasma gebunden Ausgangspunkt der Genexpression Kernkörperchen (Nukleolus) Syntheseort für Ribosomenbausteine Kohlenhydratkette-2 Glykoprotein 7 peripheres Protein P-Stelle integrales Protein Glykolipid kleine Untereinheit große Untereinheit Phospholipid- doppelschicht Von doppelter Membran umgeben (äußere Membran & Membranzwischenraum gehen flie- Bend in ER über) A-Stelle Zahlreiche Kernporen in Kernhülle stellen Verbindung zu Zytoplasma her Zellkern enthält in Chromosomen gesamte Erbinformation für Bau & Funktion Zelle (außer für Plastiden und Mitochondrien) Biologie Klasse 11 Endoplasmatische Retikulum (ER) System von miteinander verbundenen Kanälen & flachen Räumen (Zisternen) → durchzieht äußere Kernmembran und gesamtes Zytoplasma Zwei ineinanderfließende Formen: Vesikel → Raues ER: auf Plasmaseite dicht mit Ribosomen besetzt → Glattes ER: keine Ribosome auf der Oberfläche Syntheseort für Proteine (Exportproteine & Membran- proteine) & bei tierischen Zellen auch für Membranlipide Weitverzweigtes Transportsystem der Zelle (teilweise auch zw. Zellen) Golgi-Apparat Stapel von abgeflachten, nicht miteinander verbundenen Zisternen als Dictyosom Gesamtheit aller Dictyosome einer Zelle = Golgi-Apparat Ist eine Art Verarbeitungs- und Umschlagszentrale für Stoffe Transportvesikel sichern Verbindung zw. Dictyosom & ER sowie zw. Zellinneren & Umgebung In Dictyosom von ER in Vesikeln angelieferte Stoffe (Proteine/ Polysaccharide) gespeichert & chemisch verändert A LA Mitochondrien Lysosomen: Vesikel in tierischen Zellen, die Verdauungsenzyme enthalten & in denen intrazel- luläre Verdauung abläuft In Inneren Membran (Matrix) liegt mitochondriale DNA (ringför- mige mtDNA) & Proteinbiosynthese-Apparat In Mitochondrien wichtige Schritte der Zellatmung Peroxisomen & Glyoxysomen: kleine membranbegrenzte Kompartimente & an Fettsäureab- bau beteiligt 8 Golgi-Vesikel Zisternen Kernhülle Kernpore Kernplasma mit Chromo- somen Nukleolus raues ER glattes ER Besitzen Doppelmembran mit zahlreichen Einstülpungen (Cristae/ Tubuli) In Inneren Membran durch Faltungen stark vergrößerte Oberfläche befinden sich Enzymkom- plexe der Atmungskette Zw. Membranen ist Intermembranraum/ perimitochondrialer Raum äußere Membran Intermembranraum Einstülpungen mtDNA Matrix (Cristae/Tubuli) 18.88 Ribosom innere Membran Biologie Klasse 11 Chloroplasten Eigene spezifische plastidäre (pt) DNA & komplexen Proteinbiosynthese-Apparat im Matrixbe- reich (Stroma) In Inneren Membran (Doppelmembran) abgeflachte, ins Stroma hineinreichende Bläschen = Thylakoide → Granathylakoide (Thylakoidenstapel): dicht übereinanderliegende, geldrollenartige Membranbläschen → Stromathylakoiden: einlagige Membran- bläschen In Chloroplasten findet Fotosynthese statt Andere Plastidenformen mit unterschiedli- chen Funktionen: Vakuolen Zellwand Ribosomen Stärkekorn Stroma- thylakoid Granum- thylakoid Teil aufgenommenen Stoffe durch lytische Enzyme der Vakuole ,,verdaut" Reguliert osmotisch erzeugte Innenspannung (Turgor) → nimmt manchmal bis zu 90% des Zellvolumes ein Mirkotubuli → Amyloplasten: Stärkespeicher → Chromoplasten: Blattfärbung → Leukoplasten: farblose Plastiden fotosynthetisch inaktiver Gewebe (in Speicherplas- tide umgewandelt) → Proplastiden: alle Plastidenarten gehen aus ihnen hervor In Pflanzenzelle große zentrale Vakuole umgeben von Tonoplasten (besondere Membran) Inhalt hauptsächlich aus Wasser mit unterschiedlich gelösten Stoffen → Reservestoffe: teilweise temporär vorhanden (wie Saccharose & Speicherproteine) → Sekundäre Pflanzenstoffe: Ständig genutzt zum Speichern (wie Farbstoffe, Stoffwech- selprodukte & Vitamine) 9 Plastiden-DNA (ptDNA) äußere Membran innere Membran Stroma (Matrix) -Doppel- membran Stützende und strukturbildende Element in pflanzlichen Zellen Hauptbestandteil ist Cellulose (Polysaccharide) in Schichten übereinander gelagert ist (sorgt für Festigkeit) Kontakt zu benachbarten Zelle über Plasmodesmen hergestellt → Plasmafäden des ER durch Öffnungen Zellwand (Tüpfel) Verbindung & Stoffaustausch zw. Zellen ermöglicht Stellen ohne unmittelbaren Kontakt entstehen Interzellularem (Hohlräume mit Transportauf- gaben) Röhrenförmige Proteinstrukturen in allen eukaryotischen Zellen Biologie Klasse 11 An Aufbau Zytoskelett & Ausbildung Spindelfaserapparat für Zell- teilung beteiligt Zentriolen aus 27 Mikrotubuli, in neun Dreierpaketen zylinderför- mig angeordnet Bei Tierzellen bilden zwei Zentriolen in rechten Winkel zugeordne- tes Paar (in Zentrum Spindelpols) Zentriolen stellen Basis Geiseln dar (z.B. als eukaryotischen Einzel- lern, Spermazellen für Fortbewegung) Zellteilungen Vermehrung von einzelligen Lebewesen, Wachstumsprozesse & Ersatz Zellen in mehrzelligen Organismen über Zellteilung Durch identische Wiedergabe des Erbguts der Mutterzelle an Tochterzelle Zellteilung bei Eukaryoten (Erbgut in Chromosomen) über Mitose Bildung Geschlechtszellen (Gameten) bei sexuellen Fortpflanzung Eukaryoten durch Meiose → Chromosomensatz Zelle halbiert & homologen Chromosomen zufällig auf Tochterzelle auf- geteilt Mitose und Interphase bilden zusammen Zellzyklus → Prophase: Chromosomen verdicken sich (Spiralisierung), Kernhülle/ Kernkörnchen lösen sich auf; Zw. Zentrosomen (Spindelpole) mit je einem Zentriolenpaar bildet Spindelfaserapparat → Metaphase: maximale spiralisierten Chromosoemn durch Spindelfasern in Äquatori- alebene ausgerichtet →Anaphase: Chromosomen an Zentro- meren in Schwesterchromatiden ge- trennt (Einchromatid-Chromosomen) & durch Spindelfasern zu Spindelpolen gezogen → Telophase: Spindelapparat wieder ab- gebaut, Zellen schnüren sich ab & bil- den neue Kernhülle/ Nulkeoli; Chromo- somen entspiralisieren sich → G₁-Phase: Generxpression → S-Phase: Entstehung Zweichromatid- Chromosoemn durch identische Repli- kation DNA → G₂-Phase: weitere Genexpression; Vor- bereitung neuen Mitose Transportvorgänge Diffusion und Osmose G₂-Phase S-Phase 10 Interphase G₁-Phase Zellzyklus einer tierischen Zelle Prophase Mitose Plasmamembran Kernmembran Chromosom Mikro- tubulus Chro- matid Telophase Metaphase Diffusion: irreversible Vermischung von Molekülen in Flüssigkeiten/ Gas entlang des Konzent- rationsgefälle (Gradienten) für Konzentrationsausgleich Anaphase → Grundlage für Vermischung ist Brownsche Molekularbewegung (stetige ungerichtete Wär- mebewegung aller Teilchen) Spindel- pol Zentro- mer Spindel- faser Biologie Klasse 11 Kein Aufwand von Energie → passive Transportform Geschwindigkeit Diffusion von Molekülgröße/ -masse, Löslichkeit, Konzentrationsgradienten des Stoffes & Temperatur abhängig Diffusionsvorgänge sorgen für Versorgung Enzyme mit Substraten & Verteilung Produkte Osmose: durch Biomembran eingeschränkte einseitige Diffusion Biomembranen sind semipermeable (halbdurchlässig) & lassen wenige unpolare/ kleine polare Moleküle (wie Wasser) relativ frei passieren Andere Moleküle aufgrund Größe/ Ladung Membran nicht ohne Weiteres durchdringen Plasmolyse und Deplasmolyse Osmotisch wirksam: Wasserlösliche Moleküle (lonen & Monosaccharide) von semipermeablen Membran zurückgehalten Wasser strömt in Richtung Konzentrationsgradienten von Membranseite mit geringeren Anteil an osmotisch wirksamen Molekülen (hypotonische Lösung) Aufbau Gegendruck (Turgor: Zellinnendruck), stoppt Wasseraufnahme & hält Spannung in pflanzlichen Ge- webe aufrecht semipermeable Wassermolekül gelöstes Teilchen Membran → strömt auf Membranseite mit größeren Anteil osmotisch wirksamer Stoffe & weniger Was- sermolekülen (hypertonische Lösung) Isotonische Lösung: Ausgeglichenes Konzentrationsverhältnis Tierische Zellen ohne Zellwand können bei massiver Wasseraufnahme hypotonischen Lösung platzen 1°°° hypotonisch hypertonisch Proteingebundene Transportformen Schema zur Osmose In Vakuole Pflanzenzelle Wasser aufgenommen, übt zunehmend Druck auf wenig elastische Cellulosefasern der Zellwand aus 11 Zellwand Zellmembran Tonoplast Zytoplasma Zellkem Vakuole isotonisch 0.... hoch konzentrierte Glucoselösung Plasmolyse Diffusion von Wasser und Glucose durch die Zellwand osmotischer Wasserausstrom Große/ elektrisch geladene Moleküle/ lonen nicht durch Lipiddoppelschicht Auch Wasser/ kleine Hydrophile Moleküle nur relativ langsam durch Doppelschicht → Fast alle Hydrophile Moleküle mithilfe spezieller integralen Proteine aufgenommen → Meist substratspezifisch bestimmten Stoff transportieren Auch gleichzeitigen/ gekoppelter Transport mehrerer Substrate → Symport: zwei Moleküle in Richtung wie Konzentrationsgradienten → Antiport: ein Molekül durch ein anderes/ mehrere anderes ausgetauscht Transport durch Tunnelproteine passiv in Richtung eines Konzentrationsgefälle (= kataly- sierte/ erleichterte Diffusion) Manche Tunnelproteine über elektrische/ chemische Signale gesteuert Carrierproteine (Transporter) nehmen transportierenden Stoff an Membranseite auf & durch Änderung Konformation zur Gegenseite transportiert Biologie Klasse 11 → sowohl passiv (mit Konzentrationsge- fälle) als auch aktiv (unter Energiever- brauch) → bei aktiven Transport werden Carrier als Pumpe bezeichnet (z.B. Natrium-Kalium-lo- nenpunpe) Für aktiven Transport gegen Konzentrati- onsgefälle Aufwendung von ATP Aktiver und passiver Transport Arten von Stoffen Hydrophobe Stoffe-fettliebende Stoffe Hydrophile Stoffe - wasserliebende Stoffe Können Zellmembran problemlos passieren Durch Konzentrationsgradient (Triebkraft) Diffundieren von hypertonischen zu hypotonischen Lösung Benötigen Proteine, um Zellmembran zu passieren Durch passiven/ aktiven Transport (Triebkraft) Passiver Transport Carrier-Proteine Stofftransport entlang Konzentrationsgefälles ohne Energiezufuhr Kann über Kanal- oder Carrier-Proteine stattfinden erleichterte Diffusion (mit Konzentrationsgefälle) Kanalproteine Tunnel- protein Aquaporine Carrier auf spezifische Moleküle spezialisiert Moleküle von einer Seite zu anderen Seite Membran transportiert Transport Aminosäure- und Zuckermoleküle an zu bindende Molekül Ändern Struktur und entlässt Molekül auf anderen Seite (→ Carriertransport) 12 aktiver Transport (entgegen Konz.) Carrier proteine Art Tunnel Transportierende Stoffe strömen entlang Konzentrationsgradient durch Transportkanal ATP Stofftrans- port durch integrale Proteine Biologie Klasse 11 lonenkanäle Schneller Wassertransport bis zu 3 Milliarden Wassermoleküle pro Sekunden Aktiver Transport Für jeweils eine lonenart spezifisch Geöffnet/geschlossen durch chemisches Signalmoleküle/ elektrische Erregung Wichtig für Erregungsleitung im Nervensystem u. Gasaustausch Pflanzen Primär-aktiver Transport Außenmedium Für Transport entgegen Konzentrationsgradient Energie aufgewandt werden Zytoplasma Natrium-Kalium-Puppe Energie stammt vom ATP lonen mithilfe Transport-ATPasen durch Cytoplasmamembran gepumpt → Gelangen so von hypotonischen zur hypertonischen Konzentration Sekundär-aktiver Transport Unter Verbrauch ATP 3 positiv geladene Natrium-Ionen aus Zelle und 2 positiv geladene Kalium-Ionen in Zelle ge- pumpt Wichtig für Aufrechterhaltung Ruhepotential in Nervenzellen Energie aus bestehender elektrochemischen Konzentrationsgradient Transport in selbe Richtung bezeichnet man Symport Transport Entgegengesetzte Richtung bezeichnet man Antiport Transport einzelnen Molekül bezeichnet man Uniport oo einfache Diffusion Kanal- protein Aquaporin 0.00 13 passiver Transport gesteuerter O lonenkanal Signal- molekül erleichterte Diffusion 0 Carrier- protein Energie O aktiver Transport Biologie Klasse 11 Membrangebundene Transportformen Innerhalb & zwischen Zellen und Umgebung Transport Mithilfe Membranbläschen (Vesikeln) möglich) Transportierende Material in sich abschnürenden Teil Biomembran eingeschlossen Bei Endozytose feste Partikel/ Flüssigkeiten durch Vesi- kelbildung der Zellaußenmembran in Zelle aufgenom- men Bei Exozytose verschmilzt von Golgi-Apparat abge- schnürtes Membranbläschen mit Zellmembran & gibt Inhalt ab Dient hauptsächlich Nahrungsbeschaffung & interzellu- lären Verdauung STOFF- UND ENERGIEWECHSEL Lebende Organismen als energetische Systeme Thermodynamische Grundlagen P6 1 Aufnahme der Partikel durch Phagozytose 2 Synthese von Lysozym u. a Verdauungsenzymen am rauen ER 3 Transport der Enzyme in Vesikeln zum Golg-Apparat 14 4 Umbau der Enzyme im Dictyosom 5 Abschnüren von Golgi-Vesikel mit Verdauungsenzymen ("Lysosom) 6 Verschmelzen des Nahrungs- vesikels mit dem Lysosom Verdauung der Partikel im Nahrungsvesikel Abgabe der Reste durch Exorytose 1. Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltungssatz): Energie in einem abgeschlossenen System kann nicht geschaffen/ vernichtet, nur umgewandelt werden 2. Hauptsatz der Thermodynamik: in geschlossenen System mit konstanter Energieinhalt die Entropie Maß für ,,thermodynamische Unordnung" stetig zunimmt Entropie verringert sich durch (z.B.) Einbau zellfremder Stoffe in höher geordnete Strukturen des Organismus → daher verbrauchen lebende Systeme kontinuierlich Energie Durch Zu- und Abfuhr von Energie/ Stoffen aus offenen System entsteht Fließgleichgewicht → gewährleitet, dass reversible biochemische Reaktionen in bestimmte Richtung ablaufen Reaktionsprodukte & darin enthaltene Energie in Kette gekoppelter biochemischer Reaktionen verbraucht & ausgeschieden → nur dadurch vollständige Umwandlung von Stoffen & ihrer Arbeitsleistung eines Organis- mus möglich Für biochemische Reaktion muss anfangs ,,energische Hemmschwelle" durch Zufuhr Aktivie- rungsenergie überwunden werden Freie Energie AG entscheidet, ob Reaktion spontan ablaufen oder nicht → AG > 0 ist Reaktion endergonisch (läuft nicht freiwillig, sondern unter Energiezufuhr ab) → AG < 0 ist Reaktion exergonisch (bei Ablauf Energie freigesetzt & läuft freiwillig ab) Intrazel- luläre Ver- dauung Biologie Klasse 11 Energische Kopplung AG a Bau und Funktion Edukt A Stoff B Biokatalyse durch Enzyme * Stoff A -AG exergonisch Produkt b Viele endergonische Reaktionen laufen nur durch energische Kopplung mit Energie liefernden exergonischen Vorgang ab Edukt Wichtigste frei transportierbare & universelle Energieüberträger ist ATP (Adenosintriphosphat) In Stoffwechsel bei exergonischen Reaktionen freiwerdende Energie für Aufbau ADP (Adeno- sindiphosphat) & P; (Phosphat) zu ATP Energie für endergonische Reaktion benötigt, so Spaltung von ATP in ADP & Pi ATP endergonisch ca. +30 kJ/mol 4 Produkt +AG energie exergonisch ca.-30 kJ/mol, ADP +P Aktivierungs- 15 Exergoni- sche (a) und endergoni- sche (b) Reaktion Stoff D endergonisch Stoff C Reaktionsablauf Meisten biochemischen Reaktionen unter in Zellen herrschenden Bedingungen ohne Biokata- lyse zu langsam ablaufen Für Beschleunigung werden Reaktionen durch Enzyme katalysiert → mit Enzymen weniger Aktivierungsenergie gebraucht (wegen reversiblen Bindung des Ausgangsstoffes an En- zym) Enzyme unverändert aus Reaktion hervor & nur in weni- gen Mengen benötigt Energie- übertragung Energiegehalt Substrat Aktivierungsenergie der nicht katalysierten Reaktion Aktivierungsenergie der enzymkatalysierten Reaktion Produkt(e) Zeit Alle Enzyme Substrate (Edukte) nach Schlüsse-Schloss-Prinzip reversible binden Durch bestimmte Ladungsstruktur aktiven Zentrum sind Enzyme substratspezifisch (lagern nur bestimmten Stoff oder ähnliche Stoffe) Biokatalyse am Beispiel einer exer- gonischen Reaktion Biologie Klasse 11 Können auch reaktions- bzw. wirkungsspezifisch sein (katalysieren nur bestimmte Reaktion der Substrate zu einem/ mehreren Produkten) Über aktive Zentrum verbindet Enzym mit Sub- strat zu Enzym-Substrat-Komplex Entstehenden Produkte lösen sich vom Enzym Enzym kehrt in Ausgangszustand zurück & kann neues Substrat aufnehmen Enzymkinetik 1. Temperatur: 2. pH-Wert: 3. Substratkonzentration: Enzymhemmung Definition Reversible Hemmung Substrat Reaktionsgeschwindigkeit (Enzymaktivität) von Geschwindigkeit der Bildung/ Lösung Enzym- Substrat-Komplex abhängig, die von Faktoren beeinflusst werden aktives Zentrum Enzym + Substrat Enzym-Substrat Komplex Schema einer Enzymreaktion auch durch pH-Wert des umgebe- nen Mediums beeinflusst Reaktionsgeschwindigkeit-Tem- peratur-Regel (RGT-Regel) gilt →Bei einem Temperatur- anstieg um 10°C verdop- pelt bis verdreifacht sich die Reaktionsgeschwin- digkeit. Gilt nur in bestimmten Temperaturbereich, da Terti- ärstruktur bei hohen Temperaturen denaturiert pH-Wert-Optimum hängt von in Umgebung herrschender Bedin- gung ab Meist leichte Einflussnahme auf Enzym Kann Rückgängig gemacht werden →wieder inaktive Form und Funktion Wirksam ausüben 16 desto effektiver bindet Enzym das Substrat Produkte Anstieg nach RGT-Regel Enzym Produkt(e) Wenn noch nicht alle Enzyme mit Substrate besetzt, kann Reaktionsgeschwindigkeit erhöht werden → Durch Erhöhung der Substratkonzentration Jedes Enzym hat charakteristische Affinität zu Substrat →Durch Michaelis-Konstante KM ausgedrückt →Desto kleiner Konstante A Reaktionsgeschwindigkeit Denatu rierung 10 20 30 40 50 60 °C Pepsin Amylase Trypsin (Magen) (Speichel) (Dünndarm) M pH 2 4 6 8 10 12 Км Substratkonzentration Biologie Klasse 11 Definition Irreversible Hemmung Meist gravierende Einflussnahme auf Enzym Kann nicht rückgängig gemacht werden → Veränderung Form Enzym und aktives Zentrum Kompetitive Hemmung Hemmstoffe (Inhibitoren) führen zu Blockade des aktiven Zentrums (sind reversible) Enzyminhibitoren ähneln Substrat & können nicht von Enzym umgesetzt werden → Konkurrenz zw. Inhibitoren & Substraten um aktives Zentrum Durch Erhöhung Substratkonzentration wird Hemmstoff verdrängt & Wirkung aufgehoben Nicht-kompetitive Hemmung Anlagerung von Hemmstoffen an Enzym an allosterischen Zentrum → Kontakt führt durch Konformationsänderung des Enzyms zu Strukturveränderung des akti- ven Zentrums (also zur Blockade) Wirkung kann nicht durch Erhöhung Substratkonzentration aufgehoben werden (= allosteri- sche Hemmung) Schwermetalle können irreversible an Enzyme binden Durch Denaturierung der Proteinstruktur dauerhaft unwirksam (Enzymgifte) Enzyme im Alltag kompetitive Hemmung Hemmstoff nicht-kompetitive Hemmung irreversible Hemmung durch Schwermetalle Substrat Enzymhemmung Hemmstoff Substrat alloste- risches- Zentrum Produkte allosterische Hemmung 17 Enzyme können Reaktionen sehr spezifisch katalysieren Wirken in kleinen Mengen bei verringertem Energieeinsatz Eigenschaften nutzen Handwerk und Industrie Substrat Aallosterischer Hemmstoff Biologie Klasse 11 Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten für Industrie, Handwerk und Privathaushalte Anwendungsbereiche in: Lebensmittel- und Getränkeindustrie Wasch- und Reinigungsmittel Textilindustrie Feinchemikalien, Pharmazeutika Papierindustrie Lederindustrie Umwelttechnologie Kraftstoff (-Herstellung) Medizin Vorteile von Enzymen im Alltag Gezielter Enzymeinsatz für bestimmte Effekte bei Produktionsprozessen Geringe Enzymmenge für relativ hohen Produktionsertrag Energie Einsparung (E-Reaktionen bei niedrigen Temperaturen) Herstellung größer Enzymmengen durch Bakterien Maßgeschneiderte Enzyme durch Protein-Engineering → Suche nach Bakterien mit ,,brauchbaren" Enzymen/ Mutationsformen Wiederholung Enzyme - Experimentelle Beispiele Experiment - Wasserstoffperoxid + Braunstein Beobachtung: Gasblasen steigen auf; Glimmspan flammt auf Auswertung: Katalysator (Braunstein) beschleunigt Zersetzung von H₂O₂ (2 H₂O2 → 2 H₂O + O₂); aufflammen Glimmspan Nachweis für Sauerstoff Experiment - Wasserstoffperoxid + Katalase Beobachtung: Gasblasen steigen auf; Glimmspan flammt auf Auswertung: Katalase beschleunigt Zersetzung Wasserstoffperoxid, da es Enzym ist; aufflammen Glimspan Nachweis für Sauerstoff STOFFWECHSEL UND ENERGIEFLUSS Stoffwechselformen 18 Biologie Klasse 11 Assimilation (aufbauender Stoffwechsel): Dissimilation (abbauender Stoffwechsel): Sonne Licht Fotosynthese Autotrophe Assimilation: Assimilation bei grünen Pflanzen Bedingung: Endprodukte: Aufbau körpereigener organischer Verbindungen aus körperfremden an- / organischen Stoffen Autotrophe Assimilation: Aufbau energiereicher Moleküle aus anorgani- schen Molekülen (Energie stammt aus Sonnenenergie →→ Fotosynthese) Heterotrophe Assimilation: heterotrophe Organismen nehmen aus au- totrophen Organismen gebildete organische Bausteine & strukturieren um (Energie aus Dissimilationsvorgängen → Ernährung, Verdauung) Bruttogleichung der Fotosynthese: Abbauwege organischer Stoffe zur Energiegewinnung Unterscheidet zwischen aerobe & anaerobe Dissimilation → Aerobe Dissimilation: mit Sauerstoff (für Atmung) → Anaerobe Dissimilation: ohne Sauerstoff (für Gärung) anorganische Verbindungen organische Verbindungen Licht- energie Assimilation foto- autotroph Stoff- und Energiewechsel in einer Zelle zelleigene Strukturen Zellstoffwechsel organischer Abfall Glucose heterotrophaerob anaerob Chemische Energie H₂O + CO₂C6H12O6 + 0₂ Licht & Chlorophyll Glucose & Sauerstoff 19 Dissimilation Energie Wärme Wachstum, Bewegung, Körpertem- peratur, ... ATP Elk. Energie Kinetische Energie Wärmeenergie → Pflanzen sind unabhängig von anderen Lebewesen, weil sie selbst CO₂ produzieren können 6 CO₂ + 12 H₂O →C6H12O6 +60₂ + 6H₂O Biologie Klasse 11 Nettogleichung der Fotosynthese: Vorrausetzung für die Fotosynthese Wasser und Mineralsalze CO₂ Grundvorrausetzung Fotosynthese ausreichende Versorgung mit Wasser & Mineralien Wasser & darin gelöste lonen über Wurzelhaare auf- genommen & diffundieren in Interzellulare bis En- dodermis Kompen sations- punkt 6 CO₂ + 6H₂O →C6H12O6 +60₂ Endodermis regelt aktiv weitere Aufnahme von Was- ser & lonen, & bauen nach oben gerichteten Wurzel- Spross-(links) und Wurzelquerschnitt (rechts) druck auf CO₂-Gehalt der Atmosphäre. 0 0.01 0,03 0,05 Temperatur Anschließende Transport über Leitbündel der Sprossachse →→in Xylem wird Wasser in Röhrenzellen von Wurzel zu Blättern transportiert →im Phloem werden Produkte der Fotosynthese durch Siebzellen auf Pflanzenorgane verteilt Treibende Kraft aufwärts gerichteten Wasser- und lonentransport als Transpiratin bezeichnet →d.h. Wasserverdunstung an Spaltöffnungen (Sto- mata) der Blätter DICTU Samenpflanzen durch Öffnungsweite Schließzellen von Außentemperatur, Wasser- und CO₂-Gehahlt abhängig CO₂-Konzentration [%] Starklicht A Schwachlicht 10 20 30 40 50 Temperatur [C] மஜாய் Cuticula obere Epidermis Chloroplast 20 Wurzelhaar- Epidermis Rinde Endodermis Markstrahl Mark(höhle) Kambrium- Leitbündel Interzellulare Schließzelle Spaltöffnung untere Epidermis Xylem Phloem- Sonnenpflanze Kompen sations- punkt Schattenpflanze 38-39 0 5 10 15 20 25 30 Lichtintensität [kLux] An Stomata auch CO₂ für Fotosynthese aufgenommen CO₂-Konzentration der Luft ca. 0,03%→ unter Optimum für Fotosynthese (ca. 0,1%) → also Fotosyntheseleistung durch Erhöhung CO₂-Gehalts bis zu gewissen Punkt gesteigert werden Unter bestimmten CO₂-Konzentration (ca. 0,005%) von Pflanzen mehr Sauerstoff verbraucht als produziert wird → Punkt an dem Sauerstoffproduktion den Sauerstoffverbrauch überzeigt als CO₂-Kompensa- tionspunkt bezeichnet Palisadengewebe Bündelscheidenzelle Schwammgewebe -Xylem Leitbündel Phloem Biologie Klasse 11 Aktivität Enzyme der Fotosynthese wie alle Enzyme temperaturabhängig (RGT-Regel gilt) Innerhalb engen Bereich wirkt sich Temperaturerhöhung positiv auf Fotosynthese aus (bei aus- reichend Licht) Aber Transpirationsrate steigt mit zunehmender Temperatur → Stomata schließen sich & Fotosyntheseleistung sinkt wegen mangelnder CO₂-Zufuhr Lichtintensität (Beleuchtungsstärke) Mit zunehmender Lichtintensität nimmt Fotosyntheseleistung zu (bis zu Sättigung) Unterscheidung in Lichtbedarf der Sonnen- und Schattenpflanzen Auch hier Kondensationspunkt zu erkennen Kompensations-Punkt: Lichtstärke, bei der Fotosynthese & Atmung sich ausgleichen Fotosynthesepigmente Chlorophyll: Carotinoide: Zentrale Pigmente der Fotosynthese Mehrere Formen (Chlorophyll a und b) Von blaugrüne bis gelbgrüne Färbung Carotine & Xanthophylle Gelborange Färbung Ablauf der Fotosynthese Ort: Aufgabe: Absorption der Lichtenergie im Spektralbereich des sichtbaren Lichtes Durch Lichtenergie Elektronen der Farbstoffmoleküle an- geregt & gehen in höheren Energiezustand (angeregter Zustand) über Nicht absorbierte Wellenlängen reflektiert & daher Ei- genfärbung der Pigmente Chlorophylle Absorptionlücke zw. 500 & 600 nm (im grünen bis gelben Spektralbereich) Chlorophylle mengenmäßig mehr vertreten als Carotinoide → daher Pflanzen meist grün Bedingungen: Ausgangsstoffe: Fotosynthese findet in zwei voneinander abhängigen Phasen statt reaktion) Thylakoidmembran Licht & Chlorophyll Absorption (X) Wasser + ADP + NADP Chlorophyll b Chlorophyll a 21 Lichtreaktion (Fotoreaktion/Primär- Dunkelreaktion (Synthesereaktion/ Caroti- noide 340 420 500 580 660 740 Wellenlänge (nm) Sekundärreaktion) Stroma 100 € Temperatur CO₂ + ATP + NADPH2 Lichtabsorption verschiedener Pigmente Biologie Klasse 11 Endprodukte: Lichtabhängige Reaktion - Lichtreaktion 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Energieniveau 120₂ In Grana-Thylakoid membran der Chloroplasten → dort Chlorophylle & Carotinoide zu Fotosystem zusammengefasst Besitzen Lichtsammelfalle, die Lichtenergie absorbiert & Energie zu Reaktionszentrum weiter- leitet 2H* Sauerstoff + ATP + NADPH₂ Fotolyse des Wassers (Wasser durch Lichtenergie in Sauerstoff, Elektronen & Protonen (Wasserstoff) zerlegt) Anregung des Reaktionszentrums im Chlorophyll im Fotosystem II durch Lichtenergie & Elektronen aus Fotolyse (Elektronenlücke) Angeregten Elektronen werden auf die Redoxsysteme (Elektronen Aufnahme & Abgabe) übertragen Bildung von ATP H₂O2 e In Thylakoidinnenraum ist Protonenkonzentration hoch → Entstehung Protonengradient zw. Innen- und Außenseite des Thylakoid Protonen strömen durch Tunnelproteine in Membran (ATP-asen) nach Außen → energiefreisetzende Prozess durch Tunnelprotein wird ein Phosphat an ADP an- gelagert → Entstehung ATP Anregung des Reaktionszentrums im Fotosystem I durch Lichtenergie Angeregten Elektronen werden auf die Redoxsysteme (Elektronen Aufnahme & Abgabe) übertragen Übertragung der Protonen (Wasserstoffionen) auf NADP→ Entstehung von NADPH₂ Elektronentransportkette P680* Sun P680 Fotosystem II Energieschema der Lichtreaktion 2 e ATP 2e™ ADP + P Licht P700* A 2 e P700 Fotosystem I NADPH + H* NADP 2H* Licht 22 Glucose H₂O Licht P680) 4H* 8888 Licht NADP 2 H- Bildung von NADPH+H* und ATP NADPH+H* Stroma 88888888 Thylakoidlumen. 10₂ linearer Elektronentransport 2H* 4H* ---- zyklischer Elektronentransport ADP +℗ ATP ATP-Synthase Biologie Klasse 11 Lichtunabhängige Reaktion - Dunkelreaktion Lichtreaktion schließt sich unmittelbar im Stroma der Chloroplasten ablaufender lichtunab- hängigen Phase an 1. Fixierungs- phase: 2. Reduktions- phase: 3. Regenerations- phase: 6 ADP 6 ATP 6 C5 Kohlenstoffdioxid (mithilfe Enzym Ribisco) an CO2-Akzeptor-Mole- kül Ribulose-1,5-bisphosphat (Monosaccharid mit fünf Kohlen- stoffatomen (Cs-Körper)) gebunden Entstehende C6-Körper instabil & zerfällt in 2 C3-Körper (3-Phos- phoglycerinsäure (PGS)) Regeneration PGS unter Verbrauch NADPH₂ & ATP (aus Lichtreaktion) zu 3-Phos- phoglycerinaldehyd (PGA) reduziert Zwei dieser PGA können zu Glucose (C6-Körper) umgewandelt werden 5 von 6 PGA-Molekülen über verschiedene Zwischenstufen & Ver- brauch ATP wieder zum CO₂-Akzeptor umgewandelt & stehen Kohlenstoffdioxidfixierung zur Verfügung 6 C1 CO₂-Fixierung CO₂ [6 C6] Ribulose-1,5-bisphosphat 10 C3 Bedeutung der Glucose für die Pflanze 12 C3 3-Phosphoglycerinsäure -12 ATP ► 12 ADP +12Ⓡ Reduktion 12 C3 3-Phosphoglycerinaldehyd 1 C6 Glucose -2 C3- 12 NADPH + H* 12 NADP+ Als Grundlage für Baustoffe der Pflanze wie Kohlenhydrate, Fette und Proteine dienen Unter Energiegewinnung abgebaut werden In Form von Stärke als Reservestoff gespeichert werden Als Grundlage für Farb- und Giftstoffe dienen Unterschiedliche Pflanzentypen und ihre Fotosynthese Man unterschiedet in C3-, C4- und CAM-Pflanzen Am meisten vertreten: C3-Pflanzen 23 Schema des CALVIN-Zyklus Biologie Klasse 11 → Calvin-Zyklus in 3 Phasen (erstes stabiles Produkt Molekül mit 3 Kohlenstoffatomen → Be- zeichnung C3-Pflanzen) Fotosyntheseleistung von Pflanzenart abhängig → unterscheiden zwischen Licht- und Schattenpflanzen → untersch. Syntheseleistung beruht auf untersch. Dicke Palisadengewebes Fotosynthesespezialisten Fotosynthesespezialisten: C4- und CAM-Pflanzen unter extremen Umweltbedingungen (starker Lichteinfluss, Trockenheit, ...) effektiv Fotosyn- these betreiben C4-Pflanzen Kohlenstoffdioxid räumlich getrennt in anderer Zelle CAM-Pflanzen speichern Kohlenstoffdioxid bis in Nacht (zeitlich getrennt) → C4-und CAM-Pflanzen unterschieden sich physiologisch & morphologisch von C3-Pflanzen Fotosynthese bei C4-Pflanzen Kohlenstoffdioxid an Akzeptor Phosphoenolpyruvat- Verbindung (PEP) fixiert Entstehende instabile Verbindung zerfällt in Oxales- sigsäure-Verbindung (C4-Körper) Fotosynthese kann bei Kohlenstoffdioxid-Gehalt in Luft von 0,001% ablaufen → weil PEP CO₂ stärker/effektiver bindet → C3-Pflanzen erst ab 0,005% CO₂-Gehalt Fotosynthesemechanismus, um Wasserverlust durch Umgebungstemperatur zu minimieren Fotosynthese bei CAM-Pflanzen Spaltöffnungen tagsüber geschlossen & öffnen nur nachts → schützt Pflanze vor Wasserverlust durch Trans- piration Kohlenstofffixierung zeitlich getrennt Physiologische Unterschiede zwischen C3- und C4-Pflanzen C3-Pflanzen 24 PEP UT M Malat PHÚ PHÁ Vakuole PEP. Carboxylase Oxalacetat (4) PEP (30 Majat (40) scheiden Meso- phyllzelle Bündel. scheidenzelle Leitbündel C4-Pflanzen 40 Pyruvat (30 Zyklus Zucker PEP Leitbündel gefäße NAOPH+H Malat phím số CALVIN Vakuole Biologie Klasse 11 Transpiration (g H₂0. dm-².h-¹) CO2-Kompensations- punkt Lichtsättigung der Foto- synthese Temperaturoptimum der Fotosynthese Affinität des Akzeptors zur CO2-Fixierung Erstes stabiles Produkt der CO2-Fixierung Gemeinsamkeiten 6,6 Hoch & meist temperaturabhängig Unterschiede Etwa bei ½ bis ½ des vollen Son- nenlichtes 10°C bis 25°C Gering C3-Verbindung Zusammenfassung 2,5 Niedrig Auch bei vollem Sonnenlicht kaum → Kompensationspunkt: Lichtstärke, bei der Photosynthese & Atmung der Pflanze sich genau ausgleichen erreicht 30°C bis 45°C Vergleich Fotosynthese mit Chemosynthese als autotrophen Assimilation Sehr hoch 25 C4-Verbindung Stoffwechselprozess zur Herstellung energiereicher, organischer Stoffe (Glucose) Bildung von ATP & NADPH2 CO2-Fixierung & Glucose-Bildung im Calvin-Zyklus Organismen: Pflanzen/ Cyano-Bakterien betreiben Fotosynthese & Bakterien (außer Cyano-Bak- terien) betreiben Chemosynthese Energiequellen: Fotosynthese → Licht & Chemosynthese → Che. Reaktion mithilfe anorgani- scher Stoffe Die Chemosynthese ist eine Form der Energiegewinnung, die nur bei wenigen Baktereienarten auftritt (Schwefelbakterien & nitrifizierende Bakterien). Diese Leben häufig im Boden oder im Wasser. Wie bei der Fotosynthese wird auch bei der Chemosynthese Kohlenstoffdioxid reduziert. Dadurch können organische Kohlenstoffverbindungen aufgebaut werden. Chemo-autotrophe Organismen besitzen jedoch keine lichtabsorbierenden Pigmente, sie gewinnen die erforderliche Energie aus lichtunabhängigen, chemischen Synthesen. Wegen der Abhängigkeit von Sauerstoff kann sich die Chemosynthese bzw. Die Energiegwinnungsform erst nach dem Auftreten der ersten fotosynthese- betreibenden Organismen entwickelt haben. Biologie Klasse 11 Heterotrophe Assimilation Aufnahme organischer Verbindung → Aufbau Körpersubstanzen Dadurch Wachstum & Entwicklung möglich Bereitstellung von Stoffen aus der Nahrung durch den Prozesss Verdauung Verdauung gilt nicht als Stoffwechselprozesse Verdauung = Vorleistung für heterotrophe Assimilation Zusammensetzung der Nahrung Kohlen- Vorrangig Energielieferant (z.B. Nu- Vita- hydrate deln, Kartoffeln, Reis) mine Nährstoffe Proteine Vorrangig Baustoffe (z.B. Sojapro- dukte, Hülsenfrüchte, Fisch, Fleisch) Energielieferant, Baustoff (z.B. Öle, Fleisch, Schokolade) Fette = Begriffserklärung Verdauung Ballast- stoffe Mineral- salze Wasser Interzelluläre Verdauung Enzymatische Spaltung von Nahrungsmitteln innerhalb/ außerhalb der Zelle in resorbierbare Grundbausteine Hydrolasen Enzyme, die dabei wirksam sind Verdauung ist die stufenweisen Aufspaltung der Nährstoffe (Eiweise, Kohlenhydrate, Fette) im Verdauungskanal. Dabei werden die wasserunlöslichen, großen Nährstoffmoleküle in Glucose, Fettsäuren/ Glycerin & Aminosäuren zerlegt. Verdauungsprozesse in der Zelle Makromolekulare Stoffe durch Endozytose aufge- nommen → Fusion mit Lysosomen → Bildung ,,Verdauungsvakuolen" (sekundäre Lyso- somen) Unterscheidet Verdauungsvesikel → Phagozytose bei Feststoffen → Pinozytose bei flüssigen Stoffen Ergänzungstoffe Baustoffe, Coenzyme (z.B. Milchpro- dukte (Vitamin A), Fisch (Vitamin D), Citrusfrüchte) Füllstoffe für Aktivierung Darmtätig- keit (z. B. Cellulose in Gemüse) Baustoffe (z.B. Knochen) Transport-, Lösungs-, Reaktionsmit- tel,... 26 Pinocytose (19) rezeptorvermittelte Endocytose. coated vesicle Lysosom Phagocytose Vakuole Biologie Klasse 11 Extrazelluläre Verdauung Verdauungsfunktion durch Sekretion von Enzymen in Hohlräumen (Magen, Darmrohre, ...) → spezialisierte Form außerhalb der Zelle Verdauungsschritte zeitlich & räumlich getrennt Bindung an bestimmte Darmabschnitte, in welche von ,,Hilfsorganen" Verdauung (Leber, Pan- creas,...) sezerniert werden Erfolgt stufenweise & räumlich/ zeitliche Trennung der Abläufe Wichtig, da Verdauung enzymatischer Prozess ist → verschiedene Enzyme beteiligt mit verschiedenen Wirkungsspektren (pH-Wert) Die menschliche Verdauung Verdauungsabschnitt Mundhöhle Magen Zwölffingerdarm & Dünndarm Die Verdauung von Stärke und Eiweiß Funktion/ Aufbau Beginn der Kohlenhydratverdauung (durch Amylase im Spei- chel) → Polysaccharide in Disaccaride Beginn der Eiweißverdauung (durch Pepsin) → Eiweiße in Polypeptidketten (kurze Eiweißketten) Abtöten von Keimen durch Magensäure Beginn der Fettverdauung (durch Lipase) → Zerlegung Fette in Fett-Tröpfchen durch Galle aus Le- ber (= Emulgierung) (weil das Fett zu langkettig für Lipase ist) → Lipasen spalten kleine Fett-Tröpfchen in Glycerin & drei Fettsäuren → Beenden der Fettverdauung Beenden der Kohlenhydratverdauung (durch Amylase & Maltase) → Maltase zerlegt Disaccharide in Polysaccharide Beenden der Eiweißverdauung (durch Trypsin & Erepsin) → Polypeptidketten in Aminosäuren 27 Die Verdauung von Stärke und Eiweiß XXX Stärke (Vielfachzucker) Amylasen (Speichel) Malzzucker (Zweifachzucker) Maltase (Dünndarm) Traubenzucker (Einfachzucker) Energiegewinnung in den Zellen Eiweiß (Protein) Pepsin (Magen) ↓ Polypeptide Peptidasen (Dünndarm) Aminosäuren Bausteine für Zellen Biologie Klasse 11 Das menschliche Verdauungssystem 1. Mund- höhle 2. Speichel- drüsen 3. Speise- röhre 4. Magen 5. Zwölffin- gerdarm 6. Leber 7. Gallen- blase 8. Bauch- speichel- drüse (Pan- creas) 9. Dünn- darm 10. Dick- darm 11. Blind- darm 12. End- darm Dient Zerkleinerung der Nahrung & Nahrungsaufnahme Spaltet Stärke/ Proteine in der Nahrung für Weiterverarbeitung im Magen Transport der zerkleinerten/ angedau- ten Nahrung in den Magen Durchmischen &zersetzten von Speise- röhre kommenden angedauten Nah- rung im Anschluss in kleinen Portionen an den 12 Fingerdarm weitergegeben Fortsetzung des begonnenen Verdau- ungsvorganges Beginn Produktion von Hormonen für Fettverdauung Dient Speicherung von Nährstoffen, die aus Darm in Blutbahn gelangen, um so- fort zu verwenden/ einzuspeichern Gibt Gallenflüssigkeit in Zwölffinger- darm für Zerlegung von Fetten Produziert Verdauungssäfte zur Zerklei- nerung Nahrung im Darm & zur Auf- schlüsselung Nahrung Dünndarm Enzyme dienen zur Zerle- gung von Kohlenhydraten, Eiweiß & Fette in Einzelteile (Zucker, Aminosäu- ren & Fettsäuren) Entzieht Speisebrei Salze/ Flüssigkeit & gibt parallel Schleim hinzu, um ihn als Kot anzudicken und Gleitfähig zu ma- chen Schleim von Becherzellen gebildet (überall im Magendarmtrakt) Vermittlung von Immunitätsvorgängen durch Aufnahme von Antigenen durch Verdauungstrakt Sammlung unverdaulicher Nah- rungsteile bis zur Darmentleerung 28 Biologie Klasse 11 Wie gelangen die Grundbausteine der Nahrung in die Zelle Prozess der Resorption Aufnahme gelöster Stoffe in Zellinneres Resorption bei Tieren/ Mensch → aktive/ passive Aufnahme der Nahrungsstoffe aus Lumen des Verdauungstrakts in Körper- flüssigkeiten (Blut, Lymphe, ...) Passiver Transport durch resorbierende Epithel durch Diffusion Aktive Transport durch Endozytose/ spezielle Transportmechanismen Resorption im Dünndarm Fette Dünndarm enorm vergrößert Aufnahme Stoffe an Membran der Darmepithelzellen Transport gelöster Stoffe über Blut, Lymphe zu Orten des Verbrauchs Nährstoffbausteine in der Zelle Kohlen- hydrate Eiweiße Hauptsächlich Energielieferanten Als Glykogen in Leber/ Muskeln gespeichert Baustoff für Nukleinsäuren, Glykokalyx, Glykolipide & -proteine Hauptsächlich Baustoff für Muskeln, Sehnen, Haare & Nägel, Enzyme, Rezepto- ren, ... Nur in Notzeiten zur Energiegewinnung genutzt Inergielieferanten (Speicher/ Reserven) & Baustoffe Für Biomembran, Hormone & ,,Füllfett" (zum Schutz von Organen) Aerobe Dissimilation Äußere Atmung Zellatmung/ Gärung sind Energielieferanten Stoffwechselprozesse Zellatmung verläuft in 3 Reaktionskomplexen: Glykolyse (Zellplasma), oxidative Decarboxylie- rung, Citratzyklus & Atmungskette (Mitochondrien) Mitochondrien Orte der Zellatmung & Kraftwerke in Zelle Citratzyklus über Matrix Atmungskette in Inneren Mitochondrienmembran Lunge Kiemen 29 Säugetiere Fische Biologie Klasse 11 Hautatmung Innere Atmung Vergleich Fotosynthese und Atmung Kriterien Tracheen Reaktionsort Ausgangsstoffe Reaktionsprodukt Energieumwand- lung Wesentliche Re- aktionsschritte Glykolyse Lichtabhängige In Grana-Thylakoid- membran der Chloro- plasten H₂O, Licht 0₂, ATP Fotosynthese NADP zu NADPH+H Ablauf der Zellatmung Fotolyse des Wassers, Phosphorylierung C6H12O6 + 02 →CO₂ + H₂O Quallen, Korallen Citrat-Zyklus - Zitronensäurezyklus lichtunabhängige im Stroma der Chloro- plasten Insekten CO₂ C6H12O6 NADPH+H zu NADP CO₂-Fixierung, Reduk- tion, Regeneration Atmung Zellatmung Alle zu veratmenden Substrate (Kohlenhydrate, Fette Eiweiße) in Glucose/ in Zellatmung vor- kommenden Teilprodukt ab-/ umgewandelt werden 30 Mitochondrium (von Zell- plasma, in Mitochondri- enmatrix, zu Mitochondri- enmembran) C6H1206,02 CO2,H,O 36 ATP (s. Unter Tabelle) → Energie (ATP) = kinetische Energie, Wärmeenergie, chemische Energie & elektrische Energie Vorrausetzung: Vorhandensein von Sauerstoff → dadurch Glucose vollständig zu CO₂ und Wasser oxidiert/ abgebaut werden Glykolyse, oxidative De- carboxylierung, Citratzyk- lus & Atmungskette In Matrix der Mitochondrien Aus BTS ein CO₂-Molekül abgespalten → Entstehung C2-Körper In Zytoplasma jeder Zelle ohne Sauerstoffverbrauch C6-Körper (Glucose) aktiviert & gespalten → pro Glucose entsteht 2 Brenztraubensäure (BTS, Pyruvat) & 2 ATP und NADH+H* Biologie Klasse 11 C2 Körper an Akzeptor in Citrat-Zyklus eingeschleust → Abspaltung 2 weiterer CO₂-Moleküle Durch CO₂-Abspaltungen aus NAD* zu NADH+H* Bei regeneration Akzeptors kommt zu weiteren NADH+H* & FADH₂ → Entstehung 1 ATP Bei Abbau von 2 BTS insgesamt 6 CO₂, 2 ATP, 8 NADH+H* & 2 FADH2 produziert Atmungskette - Endoxidation Reduktionsmittel NADH+H* & FADH₂ mithilfe Sauerstoff oxidiert → Entstehung Wa ATP Zusammenfassung der Zellatmung Ausgangsstoffe Endprodukte Energie Ort Glykolyse Glucose von Kohlenhydraten (in 2 Pyruvat) Pyruvat (Brenztrauben- säure (BTS)) 2 ATP & NADH Ablauf der Gärung Zellplasma Anaerobe Dissimilation Oxidative Decarboxilierung Pyruvat Acetat (aktivierte Essigsäure) & CO₂ NADH Übergang von Zellplasma in Mitochondrien Citratsäure- Zyklus 2 Acetat Glykolyse: Reduktion BTS mithilfe NADH+H* aus NAD+ → dabei kein ATP gebildet Pro Glucose bei Gärung nur 2 ATP (2% Wirkungsgrad) 31 CO₂ 2 ATP & NADH & FADH Mitochondrium- matrix Zellatmung NADH & FADH & O₂ H₂O & NAD & FAD Bei der alkoholischen Gärung wird Glucose unter anaeroben Bedingungen, d. h. ohne Anwesenheit von Sauerstoff, zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid abgebaut. Hefen nutzen diesen Prozess zur Energie- gewinnung. 34 ATP Innere Mitochondrien- membran Biologie Klasse 11 Milchsäuregärung Ausgangsprodukt: Glucose Bei Glykolyse aus Glucose mithilfe NAD* (zu NADH+H*) zu 2 BTS → dabei 2 ATP BTS durch NADH+H* (zu NAD*) in 2 Milchsäure (C3H603) Alkoholische Gärung Ausgangsprodukt: Glucose Bei Glykolyse aus Glucose mithilfe NAD* (zu NADH+H*) zu 2 BTS → dabei 2 ATP von BTS wird CO, abgespalten & wird zu 2 Acetaldehyd → Acetaldehyd durch NADH+H* (zu NAD*) zu 2 Ethanol Vergleich Gärung und Atmung Kriterien Reaktionsort Ausgangsstoffe Reaktionsprodukt Energieumwand- lung Wesentliche Re- aktionsschritte Milchsäuregärung Cytoplasma C6H12O6 Milchsäure Gärung NADP zu NADPH+H (& rückwärts) 2 ADP+P zu 2 ATP Glykolyse Alkoholische Gärung Cytoplasma C6H12O6 CO₂, Ethanol NADP zu NADPH+H (& rückwärts) 2 ADP+P zu 2 ATP Glykolyse, Abspalten von CO₂ 32 Atmung Zellatmung Mitochondrium (von Zell- plasma, in Mitochondri- enmatrix, zu Mitochond- rienmembran) C6H12O6, 02 CO2,H,O 34 ATP Glykolyse, oxidative De- carboxylierung, Citratzyk- lus & Atmungskette