Biologie von Kapitel 4 bis Kapitel 7

4. Stoffwechsel der Zelle im Überblick

Zellstoffwechsel

• schafft die Voraussetzung für alle anderen Lebensäusserungen

• Er liefert die nötigen Bau- und Reservestoffe und die Energie für alle Aktivitäten

Der Zellstoffwechsel umfasst folgende Vorgänge

• Stoffaufnahme in die Zelle

• Stofftransport in der Zelle

• Aufbau körpereigener Stoffe (Assimilation)

• Bereitstellung von Energie in Form von ATP durch den Abbau energiereicher organischer Verbindungen (Dissimilation)

• Abgabe der Abfallstoffe

4.1. Stoffwechsel eines autotrophen Einzellers

Autotroph

• Lebewesen oder Zellen

• Stellen ihre organischen Stoffe selbst her

• Meist durch Fotosynthese

Stoffaufnahme

• Da ein autotropher Einzeller seine organischen Stoffe selbst aufbauen kann, muss er nur anorganische Stoffe wie Kohlenstoffdioxid, Wasser und Mineralstoffe aufnehmen

• Diese Stoffe kommen im Wasser gelöst vor

• Ein wasserbewohnender Einzeller kann ihre kleinen Teilchen leicht durch die Zellmembran in die Zelle aufnehmen

Assimilation

• Nach der Aufnahme ins Plasma werden die Stoffe verarbeitet

• Die Zelle baut aus ihnen die körpereigenen organischen Stoffe auf

Jede Zelle muss…

• für ihr Wachstum

• für die bei der Entwicklung nötigen Umbauten

• für die permanente Erneuerung ihrer Teile

… laufend Stoffe assimilieren

Autotrophe Zellen

• stellen bei der Assimilation aus anorganischen Stoffen organische her

• Der zentrale Vorgang ist dabei der Aufbau von Glucose und Sauerstoff aus Kohlenstoffdioxid und Wasser

Kohlenstoffdioxid und Wasser → Glucose und Sauerstoff

• Die Energie dafür bezieht die Zelle bei der Fotosynthese mit den Chloroplasten aus dem Licht

• Aus der Glucose stellt die Zelle alle anderen organischen Stoffe her

Besondere Leistungen autotropher Zellen

• die Fähigkeit, alle Aminosäuren und alle Fettsäuren selbst aufzubauen

Dissimilation

• Einen Teil der aufgebauten energiereichen organischen Stoffe nutzt die Zelle als Betriebsstoffe

• Die in ihnen gespeicherte Energie wird durch den Abbau zu energiearmen Produkten wie Kohlenstoffdioxid und Wasser freigesetzt

• Abbau von organischen Molekülen zur Energiegewinnung, z.B. durch Zellatmung

• Die freigesetzte Energie dient zur Herstellung von ATP aus ADP + P

Stoffabgabe

• Beim Um- und Abbau der Stoffe in der Zelle entstehen schliesslich auch Abfallstoffe, die aus dem Plasma ausgeschieden werden

• Der Stoffwechsel endet mit der Stoffabgabe

4.2. Stoffwechsel eines heterotrophen Einzellers

Stoffaufnahme und Assimilation

• Auch ein heterotropher Einzeller nimmt anorganische Stoffe auf

• Er kann diese nicht in organische Stoffe umwandeln

• Er muss darum hauptsächlich organische Moleküle wie Monosaccharide, Aminosäuren aufnehmen

• Diese kommen in der Natur kaum frei vor

• Sie sind meist in den Makromolekülen der Polysaccharide, Proteine und Fette gebunden

• Die Makromoleküle sind zu gross und körperfremd

• Sie können und dürfen nicht ins Plasma aufgenommen werden

• Die Zelle nimmt sie durch Endocytose in eine Nahrungsvakuole auf und zerlegt sie hier durch Enzyme in ihre Bausteine

• Proteine → gespalten → Aminosäuren

• Polysaccharide → gespalten → Monosaccharide

• Fette → gespalten → Fettsäuren und Glycerin

• Diese Bausteine werden ins Plasma aufgenommen und wie bei der autotrophen Zelle zur Herstellung der körpereigenen Stoffe verwendet

• Heterotrophe Zellen assimilieren → sie verwandeln körperfremde Stoffe in körpereigene

• Ihre Assimilation geht von organischen Stoffen aus

Dissimilation

• Ein Teil der aufgenommenen organischen Stoffe dient der Zelle als Treibstoff

• Es wird wie in der autotrophen Zelle zur Herstellung von ATP dissimiliert

• Weil die heterotrophen bei der Assimilation keinen Sauerstoff bilden, müssen sie den Sauerstoff, den sie für die Zellatmung benötigen, aus der Umgebung beziehen

• Sie übernehmen von den autotrophen neben den organischen Stoffen und der darin enthaltenen Energie indirekt auch den bei der Fotosynthese produzierten Sauerstoff

Stoffabgabe

• Heterotrophe Zellen geben neben den Produkten ihres Stoffwechsels auch die Stoffe ab, die sie nicht berdauen konnten

• Diese kommen in der Nahrungsvakuole zur Membran und gelangen durch Exocytose nach aussen

5. Stoffaustausch der Zelle

• Der Stoffaustausch kann auff unterschiedlichen Wegen und durch verschiedene Mechanismen geschehen

5.1. Überblick über den Stoffaustausch der Zelle

• Der Stoffwechsel beginnt mit der Stoffaufnahme und endet mit der Stoffabgabe

• Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Wege für diesen Stoffaustausch:

• 1. Kleine Teilchen gelangen direkt durch die Membran ins Plasma und umgekehrt

• 2. Nahrungsteilchen und Makromoleküle können die Membran nicht durchqueren

• Sie werden vom Cytoplasma umflossen und so in eine Vakuole eingeschlossen (Endocytose)

• Die Stoffe bleiben in der Nahrungsvakuole durch eine Membran vom Plasma getrennt

• Sie werden hier in kleine Moleküle zerlegt, die dann durch die Membran ins Plasma gelangen

• Die Reste bleiben in der Nahrungsvakuole und werden durch Exocytose ausgeschieden

5.2. Endocytose und Exocytose

Endocytose

• Zellen ohne Zellwand können Nahrungsteilchen mit körperfremden Stoffen durch Endocytose in Vakuolen aufnehmen

• Sie umschliessen die Teilchen an der Zelloberfläche mit ihrem Cytoplasma und nehmen sie dadurch in ein Membranbläschen auf

• Man bezeichnet das als Nahrungsvakuole

Zerlegung

• In der Nahrungsvakuole ist die körperfremde Nahrung durch die Membran vom Plasma getrennt

• Die Zelle zerlegt die Makromoleküle der Nahrung mit Verdauungsenzymen aus den Lysosomen und nimmt dann die Bausteine durch die Membran ins Plasma auf

Exocytose

• Stoffe, die von den Enzymen nicht zerlegt werden können, bleiben in der Nahrungsvakuole zurück und werden durch Exocytose ausgeschieden

• Dabei kommt das Bläschen von innen zur Zellmembran und öffnet sich an der Kontaktstelle

• Der Inhalt der Nahrungsvakuole gelangt nach aussen

• Ihre Membran fügt sich in die Zellmembran ein

5.3. Diffusion

• Ein Stoff verteilt sich beim Lösen mit der Zeit gleichmässig im Lösungsmittel

• Ein passiver Transportvorgang

• Durch die ständige Bewegung der Teilchen verursacht

• Durchmischung von Stoffen durch die Bewegung der Teilchen

• Die Bewegung der Teilchen wird durch die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen beschränkt

• In Gasen und Flüssigkeiten sind die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen so schwach, dass sich ihre Teilchen sehr gut bewegen können

• Auch Teilchen von gelösten Stoffe können sich gut durch Gase oder Flüssigkeiten bewegen

• Ihre Eigenbewegung führt dazu,dass sie sich gleichmässig verteilen

• (Siehe Experiment auf Seiten 61/62)

Diffusionsgeschwindigkeit und Konzentrationsunterschied

• Die Diffusionsgeschwindigkeit ist vom Konzentrationsunterschied des diffundierenden Stoffs abhängig

• Die Diffusionsgeschwindigkeit nimmt mit der Zeit ab

• Der Grund dafür ist die Abnahme des Konzentrationsunterschieds

• Ähnlich wie ein Bach → umso langsamer fliesst es, je kleiner sein Gefälle ist

• Ein Stoff diffundiert umso langsamer, je kleiner sein Konzentrationsgefälle ist

• Darum spielt z.B. die Sauerstoffkonzentration in der Luft für uns eine entscheidende Rolle

• Der Sauerstoff diffundiert nämlich in unseren Lungen umso schneller ins Blut, je höher der Konzentrationsunterschied zwischen der Luft in der Lunge und dem Blut ist

• Die Diffusionsgeschwindigkeit eines Stoffes ist nur von seinem Konzentrationsgefälle abhängig

• Andere Stoffe haben keinen Einfluss

Diffusionsgeschwindigkeit und Temperatur

• Die Geschwindigkeit der Diffusion nimmt mit der Temperatur zu

• Die Teilchen mit steigender Temperatur bewegen sich immer schneller

• Wärmebewegung

Bewegung des Mediums

• Die Diffusion ist ein sehr langsamer Vorgang

• Es wird oft durch die Durchmischung mit Schütteln oder Rühren beschleunigt

• In der Natur wird die Verteilung von Stoffen meist durch Bewegung des Mediums beschleunigt

5.4. Osmose

5.4.1. Grundlagen

Selektiv permeable Membran

• Die Diffusion spielt beim Stoffaustausch der Zellen eine zentrale Rolle

• Die Zellmembran ist aber im Unterschied zur Trennwand, die wir bei den Beispielen zur Diffusion verwendet haben, nicht für alle Teilchen durchlässig

• Sie ist selektiv permeabel

Resultat

• Bei der Osmose verhindert eine selektiv permeable Membran die Diffusion der gelösten Teilchen

• Darum diffundieren Wasser-Moleküle von der Seite, wo ihre Konzentration höher ist, zur Lösung, wo die Konzentration des gelösten Stoffs höher ist

• In dieser steigt dadurch der Druck

• Der osmotische Druck, den eine Lösung erreicht, ist zur Konzentration der gelösten Teilchen proportional

Isotonisch

• Zwischen zwei Lösungen mit der gleichen Gesamtkonzentration an gelösten Teilchen diffundieren Wasser-Moleküle in beide Richtungen gleich schnell

• Es findet kein Nettotransport von Wasser statt

• Der Druck bleibt in beiden Lösungen gleich

Hypertonisch und hypotonisch

• Bei Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen diffundiert Wasser von der Lösung mit der tieferen Konzentration gelöster Teilchen zur Lösung mit der höheren Konzentration

• In dieser steigt darum der Druck

• Man nennt sie hypertonisch

• In der Lösung mit der tieferen Konzentration sinkt der Druck

• Man nennt sie hypotonisch

Osmotischer Druck

• kann im Osmometer gemessen werden

• Je höher die Konzentration gelöster Teilchen in der Lösung, umso mehr Wasser nimmt sie auf und umso höher steigt das Wasser im Steigrohr

5.4.2. Osmose bei Zellen ohne Zellwand

In isotonischer Umgebung

• Am einfachsten haben es Zellen in isotonischer Umgebung (z.B. im Meer oder im Blut)

• Die Konzentration in den Zellen ist gleich gross wie in der Umgebung

• Es findet keine Nettodiffusion von Wasser statt

• Zwar diffundieren ständig Wasser-Moleküle in die Zelle hinein und aus ihr heraus, aber diese Diffusion läuft in beide Richtungen gleich schnell

• Zellen in isotonischer Umgebung haben also keine osmotischen Probleme

In hypotonischer Umgebung

• Einzeller, die im Süsswasser leben, haben eine höhere Konzentration an gelösten Teilchen als das Wasser, das sie umgibt

• Die Umgebung ist hypotonisch

• Darum diffundiert Wasser schneller in die Zelle als hinaus

• Zellen ohne feste Wand schwellen durch die Wasseraufnahme an und können schliesslich platzen

• Um dies zu verhindern, beeinflussen wandlose Einzeller im Süsswasser ihren Wasserhaushalt aktiv

• z. B. mit einer pulsierenden Vakuole, die das eingedrungene Wasser sammelt und nach aussen pumpt

• Man nennt das Osmoregulation

In hypertonischer Umgebung

• Befindet sich die Zelle in einer hypertonischen Lösung, diffundiert Wasser aus der Zelle

• Der Wasserverlust lässt die Zelle schrumpfen und kann zu ihrem Tod führen

• Darum gefährdet z.B. die Zufuhr von Salzen in Flüsse und Seen die dort lebenden, auf Süsswasser eingerichteten Tiere

• Lebewesen, die dem Leben im Salzwasser angepasst sind, können entweder den Wasserverlust vermeiden, indem sie sich durch eine hohe Innenkonzentration mit der Umgebung isotonisch machen oder sie nehmen ständig aktiv Wasser auf

• Diese Osmoregulation verbraucht Energie, weil Wasser aktiv transportiert wird

5.4.3. Osmose bei Zellen mit Zellwand

Wirkung der Wand

• Die Zellen von Prokaryoten, Pflanzen und Pilzen besitzen eine feste Zellwand

• Diese ist zwar für Wasser durchlässig, wenn sie nicht durch spezielle Einlagerungen abgedichtet ist, ihre Festigkeit verhindert aber eine übermässige Dehnung der Zelle und damit auch die Wasseraufnahme

Saugkraft, Turgor und Wanddruck

• Auch in eine Zelle mit Zellwand dringt im Süsswasser Wasser ein, weil die Wasserkonzentration ausserhalb grösser ist Als in der Zelle

• Der Zellinhalt schwillt an und drückt zunehmend von inner auf die Zellwand

• Man nennt diesen Innendruck der Zelle Turgor

• Die Zellwand wird durch den Turgor etwas gedehnt (wie die Lederhülle eines Fussballs beim Aufpumpen des Balls)

• Die zunehmende Dehnung führt zu einem wachsenden Gegendruck der Hülle

• Dieser Wanddruck behindert die weitere Wasseraufnahme und bringt die Osmose schliesslich zum Stillstand

• Die Zelle ist prall gefüllt (turgszent)

Osmoregulation

• Wenn Pflanzenzellen durch Fotosynthese Glucose herstellen, steigt ihre Saugkraft an

• Um eine übermässige Wasseraufnahme zu vermeiden, wird die hergestellte Glucose in Stärke umgewandelt

• Weil dabei Tausende von Zucker-Molekülen zu einem Stärke-Molekül verknüpft werden, vermindert sich die Zahl der Teilchen durch diese Umwandlung drastisch

• Mit der Konzentration der Teilchen sinkt der osmotische Wert der Lösung

• Stärke ist osmotisch unwirksam

• Deshalb wird Glucose zur langfristigen Speicherung von den Leukoplasten in Stärke umgewandelt

Bewegung durch Turgoränderung

• Zellen können ihren Turgor durch gezielte Veränderungen der Innenkonzentration ändern

• Manche Pflanzen nutzen das, um Teile zu bewegen

• So stellen Bohnen tagsüber bei Besonung die Blätter waagrecht und senken sie in der Nacht

• Das Gelenk für diese Bewegung liegt am Übergang von der Blattfläche zum Blattstiel

• Am Morgen nehmen die Zellen an der Unterseite des Gelenks aktiv Ionen auf

• Durch Osmose strömt dann Wasser nach und erhöht den Turgor

• Die Zellen dehnen sich und das Blatt wird angehoben

• Am Abend geschieht das Umgekehrte

• Die Zellen auf der Unterseite geben Ionen aktiv ab, was zur osmotischen Wasserabgabe führt

• Ihr Turgor sind und das Blatt senkt sich

Plasmolyse

• Der Turgor einer Zelle sinkt, wenn die Zelle z.B. bei grosser Trockenheit oder durch Osmose Wasser verliert

• Letzteres geschieht, wenn die Zelle von einer Lösung mit höherer Konzentration gelöster Stoffe umgeben ist

• Die Zelle verliert Wasser

• Der Druck im Inneren sinkt

• Die Spannung der Zellwand lässt nach

• Die Zelle verliert ihre Turgeszenz

• Bei weiterer Wasserabgabe schrumpft der Protoplast und löst sich zuerst stellenweise und schliesslich ganz von der Zellwand

• Man spricht von Plasmolyse

• Die selektiv permeable Barrier für die Osmose ist nicht die Zellwand, sondern die Zellmembran

• Zwischen Zellmembran und Zellwand befindet sich darum nach der Plasmolyse die Salzlösung aus der Umgebung

Deplasmolyse

• Bringt man plasmolysierte Zellen ins Waser, bevor sie geschädigt sind, erholen sie sich wieder

• Sie nehmen Wasser auf und der Protoplast legt sich wieder an die Zellwand

• Der Turgor steigt

• Die Zellwand wird gespannt

• Man bezeichnet dies als Deplasmolyse

Welken

• Krautige Pflanzen und Pflanzenteile mit unverholzten Zellwänden werden durch den Turgor und die Spannung der Wand aufrecht gehalten

• Bei Wassermangel lässt sich der Turgor nach

• Die Zellwände entspannen sich

• Die Gewebe werden schlaff

• Die Pflanzen welken

• Man kann das z.B. an einem Salatblatt beobachten

• Wenn man es für einige Zeit ins Wasser legt, wird es schön knakig → das Wasser dringt in die Zellen ein und erhöht den Turgor

• Die Zellen werden prall gefüllt

• Wenn man das Blatt ins Salzwasser bringt → die Zellen verlieren Wasser, ihr Turgor sinkt und die Spannung der Zellwände verschwindet

• Die Gewebe erschlaffen und vorbei ist es mit der Knackigkeit

• Das Blatt wird welk

Überdüngung

• Bei Nutzpflanzen kann starke Düngung Probleme mit dem Wasserhaushalt verursachen

• Normalerweise nimmt die Wurzel mit feinen Wurzelhaaren Wasser für die Versorgungen ganzen Pflanze aus dem Boden auf

• Weil normalerweise der Zellinhalt der Wurzelhaare die höhere Konzentration hat als das Bodenwasser, dringt Wasser aus dem Boden in die Wurzel

• Wenn aber durch übermässige Düngung die Konzentration gelöster Teilchen im Bodenwasser höher wird als in den Zellen der Wurzel, diffundiert mehr Wasser aus den Zellen hinaus als hinein

• Die Wurzel verliert Wasser und die Pflanze kann eingehen

5.5. Stofftransport durch die Membran

5.5.1. Übersicht

Selektiv permeabel

• Die Biomembran lässt nur bestimmte Teilchen durchtreten

• Sie ist selektiv permeabel

• Zudem kann sie bestimmte Teilchen aktiv transportieren

Drei Wege

• Es gibt drei verschiedene Wege durch die Membran:

• Durch die Lipidschicht: Ganz kleine Moleküle wie Wasser- oder Sauerstoff-Moleküle durchqueren die Lipid-Doppelschicht, indem sie zwischen den Lipid-Molekülen hindurchschlüpfen

• Durch Proteintunnel: Ionen und grössere hydrophile Moleküle passieren die Membran durch Proteintunnel mit hydrophilen Wänden

• Durch Carrier: Grosse und kleine Teilchen können von spezifischen Transportproteinen, sogenannten Carriern, durch die Membran bewegt werden. Carrier können Stoffe auch gegen das Kon-zentrationsgefalle transportieren

5.5.2. Passiv: einfache Diffusion und erleichterte Diffusion

Diffusion

• Der passive Transport geschieht durch Diffusion und setzt ein Konzentrationsgefälle voraus

• Die Teilchen wandern durch die Membran. Auf die Seite, wo ihre Konzentration tiefer ist

• Wir unterscheiden zwischen der einfachen Diffusion durch die Lipid-Doppelschicht und der erleichterten Diffusion durch Proteintunnel oder Carrier

• Beide laufen umso schneller, je höher der Konzentrationsunterschied des betreffenden Stoffs ist

• Diffusion und erleichterte Diffusion unterscheiden sich in der Selektivität

Einfache Diffusion

• Für die einfache Diffusion ist neben der Grösse der Teilchen auch entscheidend, ob sie lipophil oder hydrophil sind

• Ganz kleine Moleküle wie Wasser-Moleküle schlüpfen zwischen den Lipid-Molekülen hindurch

• Von den grösseren Teilchen können das nur die lipophilen

• Das zeigt, dass die lipophile Innenschicht der Membran die entscheidende Barriere darstellt

Erleichterte Diffusion

• Durch die Proteintunnel können vor allem Ionen und hydrophile Teilchen die Membran passieren

• Die Tunnel sind mit hydrophilen Protein-Molekülen ausgekleidet

• Viele können sich öffnen und schliessen, indem die Moleküle der Kanalproteine ihre räumliche Struktur ändern

• Die erleichterte Diffusion durch die Proteintunnel ist also regelbar und wesentlich selektiver als die einfache Diffusion

5.5.3. Carrier

Carrierproteine

• Beim Transport durch Carrier wird das Teilchen, das transportiert werden soll, auf der einen Seite der Membran vom Carrier-Molekül gebunden und durch die Membran transportiert

• Carrier sind Protein-Moleküle, die meist durch die ganze Membran durchreichen

• Sie binden ein Teilchen an eine spezifische Bindungsstelle und befördern es durch eine Änderung ihrer Molekülstruktur auf die andere Membranseite

• Das Carrier-Molekül ist kein kompaktes Klümpchen

• Es besteht aus Atomen und innere Hohlräume

• Es kann den Passagier in seinem Inneren auf die andere Seite bringen

Selektiv

• Ein Carrier befördert nur eine Art von Teilchen, weil nur diese in der Form genau an seine Bindungsstelle passen

• Carrier arbeiten darum ebenso selektiv wie Enzyme

Aktiv oder Passiv

• Der Transport durch Carrier kann passiv oder aktiv sein

• Beim passiven Transport wird das Teilchen wie bei jeder Diffusion auf die Seite befördert, wo seine Konzentration tiefer ist

• Der aktive Transport erfolgt gegen das Konzentrationsgefälle auf die Seite mit der höheren Konzentration des Teilchens

• Dieser Transport «bergauf» braucht Energie in Form von ATP

6. Assimilationsvorgänge

• Auf die Stoffaufnahme folgen die chemischen Umsetzungen in der Zelle

• Sie dienen zur Herstellung von Baustoffen und zur Freisetzung der nötigen Energie

6.1. Übersicht

Definition

• Assimilation ist der Aufbau körpereigener Stoffe

Die Assimilate dienen als

• Baustoffe: ermöglichen Wachstum, Erneuerung und Fortpflanzung der Zelle

• Betriebsstoffe: liefern die für die Aktivitäten der Zelle nötige Energie

• Reservestoffe: dienen als Vorräte

• Wirkstoffe: katalysieren den Stoffwechsel (Enzyme) und steuern Lebensvorgänge (Hormone)

• Informationsträger: speichern und übertragen Erbinformation

• Bei der Assimilation bestehen grosse Unterschiede zwischen autotrophen und heterotrophen Zellen

6.1.1. Assimilation der Autotrophen

Was assimilieren die Autotrophen?

• Autotrophe Zellen bzw. Lebewesen können alle organischen Stoffe, die sie brauchen, aus anorganischen Stoffen aufbauen

• Dabei müssen grundsätzlich alle Elemente, die in den organischen Stoffen vorkommen, aus anorganischen Stoffen assimiliert werden

• Die Assimilation der vier mengenmässig dominierenden Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff (C,H,O,N)

C-Assimilation

• Bekannteste Assimilation: Fotosynthese

• Fotosynthese: Kohlenstoffdioxid und Wasser → Lichtenergie → Glucose und Sauerstoff

• Weil die Glucose als Ausgangsstoff zur Herstellung anderer Verbindungen dient, ist ihre Synthese die Basis aller autotrophen Assimilationen

• Formel Glucose: C6H12O6

• Fotosynthese: C, H, O → assimiliert

• Bezeichnung: Kohlenstoff-Assimilation oder C-Assimilation

Chemosynthese

• Seltenere Form der C-Assimilation → Chemosynthes gewisser Bakterien

• Nutzen zum Aufbau von Glucose anstelle von Lichtenergie Energie aus chemischen Vorgängen

N-Assimilation

• Moleküle von Aminosäuren und Nucleotiden enthalten neben C-, H und O-Atomen auch Stickstoff-Atome (N-Atome)

• Diese werden bei der Stickstoff-Assimilation eingebaut

• Die Luft besteht zu 80% aus Stickstoff → scheint die Beschaffung kein Problem

• Das täuscht

• Nur wenige Bakterien sind nähmlich fähig, den Stickstoff, der in der Luft in Form von N2-Molekülen vorkommt, zu assimilieren

• Die autotrophen Pflanzen verwenden anorganische Stickstoffverbindungen (Ammoniumsalze und Nitrate) aus dem Wasser oder aus dem Boden als Stickstoffquelle

6.1.2. Assimilation der Heterotrophen

In allen Zellen

• Auf die Beschaffung der Bausteine, die bei autotrophen und heterotrophen Zellen unterschiedlich verläuft, folgen Assimilationsvorgänge, die in allen Zellen gleich ablaufen

• So bauen alle Zellen an den Ribosomen Proteine und im glatten ER Lipide auf

• Auch der Aufbau der Nucleinsäuren im Kern bei der Verdoppelung des Erbguts und bei der Bildung von Boten-RNA findet in allen Zellen statt

6.2. Fotosynthese

6.2.1. Summengleichung

In Chloroplasten

• Die fotosynthetisch autotrophen Zellen benutzen zur C-Assimilation Lichtenergie

• Sie verfügen über Chloroplasten, die mit dem Chlorophyll Lichtenergie auffangen und für die endothermen Reaktionen der Fotosynthese nutzen

• Die Fotosynthese besteht aus einer grossen Zahl von Reaktionen, von denen jede ein Enzym braucht

• Diese Enzyme befinden sich wie das Chlorophyll auf der inneren Membran der Chloroplasten

Summengleichung

• Das Resultat der ganzen Reaktionskette lässt sich durch die folgende Summengleichung zusammenfassen:

6 CO2 + 6 H20 → +Lichtenergie → C6H1206 + 602

• In Worten: Aus 6 Molekülen Kohlenstoffdioxid und 6 Molekülen Wasser werden mithilfe von Lichtenergie 1 Molekül Glucose und 6 Moleküle Sauerstoff hergestellt

Energieaufwand

• Zur Herstellung von 100g Glucose werden 1570 kJ Energie benötigt

Produkte

Die Glucose bildet die Grundlage des Bau- und des Betriebsstoffwechsels. Wir fassen ihre Verwendung kurz zusammen:

• Glucose wird als Ausgangsstoff zur Herstellung von anderen Zuckern wie Rohrzucker und von Polysacchariden wie Cellulose verwendet

• Glucose ist Ausgangsstoff zur Herstellung anderer Verbindungen wie z. B. Aminosäuren und Fettsäuren

• Glucose wird in Form von Stärke gespeichert

• Glucose wird als Betriebsstoff zur Herstellung von ATP dissimiliert

• Der Sauerstoff, der als zweites Produkt entsteht, ist ein Gas, auf das die meisten Lebewesen angewiesen sind

• Er wird in den Mitochondrien für die Zellatmung gebraucht

• Die Fotosynthese liefert also neben dem Energieträger Glucose auch den Sauerstoff, der zu dessen Oxidation benötigt wird

• Zur Oxidation der Glucose, die durch Fotosynthese hergestellt wurde, wird insgesamt gleich viel Sauerstoff verbraucht, wie bei ihrer Bildung durch die Fotosynthese hergestellt wurde

6.2.2. Bedeutung der Fotosynthese

• Fotosynthese → die wichtigste chemische Reaktionskette der Erde

• Sie liefert die Nahrung und den Sauerstoff für fast alle Lebewesen

• In der Fotosynthese wird die Energie, die für die biologischen Aktivitäten der Lebewesen erforderlich ist, von der Sonne bezogen

• Der von den Pflanzen bei der Fotosynthese bewerkstelligte Energieumsatz ist 20-mal höher als der vom Menschen organisierte Energieumsatz in allen Kraftwerken, Heizungen und Motoren zusammen, der ja auch schon gigantisch ist

• Bei der Belastung der Umwelt durch Lärm, Abgase und Strahlung «leisten» wir allerdings wesentlich mehr als die Pflanzen

6.2.3. Ablauf der Fotosynthese

• Im Ablauf der Fotosynthese lassen sich zwei Phasen unterscheiden → Lichtreaktionen (benötigen Licht), lichtunabhängigen Reaktionen (benötigen kein Licht)

Lichtreaktionen

Wasserspaltung

• Der zentrale Vorgang der Lichtreaktionen ist die Spaltung des Wassers mithilfe von Lichtenergie

• Mann nennt eine solche Zersetzung durch Licht Fotolyse

• Bei der Fotolyse eines Wasser-Moleküls entstehen zwei Wasserstoff-Atome und ein Sauerstoff-Atom

• Die Wasserstoff-Atome, werden zur Übertragung auf die folgenden Reaktionen an ein Träger-molekül gebunden

• Das Sauerstoff-Atom, bildet mit einem Artgenossen ein O2-Molekül

• So entsteht der gasförmige Sauerstoff, der als Endprodukt abgegeben wird