24StoffwechselErnergie

SEKUNDARSTUFEN

24StoffwechselEnergie

Mensch: Stoffwechsel
Energiegewinnung und Energiefreisetzung in der Zelle

Experimente: Glucose Energiefreisetzung

Modellvorstellung Atmungskette und Theorie, Regelung Gleichgewichte Fließgleichgewicht, Versuch mit Cystein-Modellversuch

Regelungen im Körper

Glycose und Glycolyse Die Glycose ist das zentrale Molekül im Stoffwechsel Die Glykolyse ist der erste Teil (Glykolyse = Abbau des Zuckers im Zellstoffwechsel (aus dem Griechischen glykys = süß und lysis = auflösen). Insgesamt versteht man heute unter Glycolyse den Abbau von Zucker zu Brenztraubensäure unter aeroben Bedingungen (Gegenwart von Sauerstoff, - Stoffwechselvorgänge ohne Sauerstoff werden als Gärungen bezeichnet (vgl. Informationen Internet und Lehrbücher). Im Citronensäurecylus wird aller Kohlenstoff als Kohlenstoffdioxid in die Luft abgegeben. Übrig bleiben die „Reduktionsäquivalente“ NADH H^+.Diese Substanz (Nikotin-Adenin-Dinukleotid) überträgt die Protonen und Elektronen in die Atmungskette und wird selbst wieder oxidiert. Die umfassende Energiegewinnung für die Zelle geschieht in der „Atmungskette“. Hier ist eine Reihe von Enzymen an den Membranen der Mitochondrien zusammengefasst. Sie vermitteln die „Verbrennung“ des Wasserstoffs zu Wasser, unter Gewinnung von chemisch gebundener Energie in Form des ATP. (Durch die stufenweise Abgabe der Energie wird gewährleistet, dass die Zelle durch die heftige Wärmefreisetzung nicht verdampft. Diese chemisch nutzbare Energie wird meist als Anzahl der ATP Moleküle / abgebautem Zuckermolekül angegeben. Schema der inneren Atmung: Die Energiegewinnung verläuft in drei Stufen: Glycolyse im Plasma, Citronensäurecylus im Plasma der Mitochondrien und Atmungskette (an den Membranen der Mitochondrien). Dabei wird etwa nur 38 % der freiwerdenden Energie als chemische Energie (ATP) gebunden. Die dabei freiwerdende Wärmeenergie dient bei den gleichwarmen Tieren dazu, die Körpertemperatur auf 38 Grad zu halten. Lit: Im Internet finden sich didaktisch sehr unterschiedlich aufgearbeitete Erklärungen für die Zellatmung https://de.wikipedia.org/wiki/Zellatmung https://www.pflanzenforschung.de/de/pflanzenwissen/lexikon-a-z/atmungskette-238 https://www.planet-schule.de/sf/multimedia-interaktive-animationen-detail.php?projekt=zellatmung https://www.oliverkohlhaas.de/zellbiologie/zellatmung/ https://www.chemie.de/lexikon/Zellatmung.html ausführlich bei: Weiler, E. u. L.Nover (2008): Allgemeine Botanik, Thieme, S. 207ff;

Versuch 1

Energiefreisetzung durch die Innere Atmung

Demonstrationsversuch

sehr eindrucksvoll!

Nur durch die Lehrperson, Sicherheitswanne unbedingt erforderlich!

Versuchsaufbau

Aufgaben:

1.    Fertigen Sie eine Zeichnung vom Versuchsaufbau an.
2.    Malen sie die Reaktionsflüssigkeiten farbig aus. Halten Sie die Farbveränderungen fest!
3.    Stellen Sie die Temperatur durch vorsichtiges Anfassen des Reagenzglases vor Beginn und nach Ablauf des Versuchs fest.
4.    Saugen Sie die ausströmende Luft ab und testen Sie auf Kohlenstoffdioxid!
5.    Stellen Sie Analogien zu einem Lebewesen her!

Test: Vorsichtiges Berühren des dickwandigen Reagenzglases: Vorsicht, sehr heiß!!

Versuch 2

Modellversuch zur Atmungskette

Die eigentliche Energiegewinnung geschieht in der „Atmungskette“. Hier sind eine Reihe von Enzymen an den Membranen der Mitochondrien zusammengefasst. Sie vermitteln letztlich die „Verbrennung“ des Wasserstoffs (Protonen und Elektronen) zu Wasser, unter Gewinnung von chemisch gebundener Energie im ATP. Durch die stufenweise Abgabe der Energie wird gewährleistet, dass die Zelle nicht verdampft.

Modellversuch zur stufenweisen Energiefreisetzung in der Atmungskette:

Modellversuch:

1: Man bastelt sich eine kleine Stufenleiter aus Holz mit Trittstufen aus Glas (Diarähmchen), vgl. Abbildung.
2: Dann lässt man eine entsprechend schwere Keramikkugel jeweils nach links und rechts auf je ein Diarähmchen oder Objektträger herunterfallen (vorher ausprobieren, ob das Glas auch zerspringt).

Ergebnis: Der stufenweise Sturz verursacht keine Schäden, obwohl die kinetische Energie bei beiden Versuchen die Gleiche ist.

Erklärung?

Wo liegen die Analogien zu den Vorgängen in der Zelle?

Information

Zum neuen Verständnis der Atmungskette

Die innere Atmung findet in kleinen „Organen“ innerhalb einer jeden lebenden Zelle statt, die wir Mitochondrien nennen. Viel Forschungsarbeit wurde darauf verwendet, die Mechanismen zu verstehen, mit denen es möglich wäre, den Übertrag von Elektronen und Protonen (aus dem Zucker) auf den Sauerstoff der Luft zu übertragen. Dabei wird viel Energie frei, denn im Grunde läuft dabei die Knallgasreaktion ab, die die Zelle selbst zerreißen würde. Die Glucolyse und der Zitronensäurezyklus laufen als ganz normale Enzymreaktionen im Zellplasma ab. In diesen ungeordnet laufenden Rektionen werden insgesamt Elektronen aus einem Kohlenstoff des Zuckers auf NADH übertragen. Von dort aus werden die Elektronen auf ein erstes Enzym der Atmungskette weitergereicht (Und meist nicht auf Sauerstoff, der auch im Zellsaft gelöst ist). Heute versucht man den nun folgenden, zentralen Teil der inneren Atmung mit Hilfe der Quantentheorie zu verstehen.

„Die wichtigsten Ereignisse der Zellatmung … bestehen aus der geordneten Elektronenübergabe durch eine Staffel von Atmungsenzymen…. Jede Elektronenübertragung zwischen einem Enzym und dem nächsten in der Staffel spielt sich aber über einen Zwischenraum hinweg ab, der mehrerer Dutzend Anström lang ist. Ein solcher Abstand entspricht der Größe mehrere Atome und ist damit weit größer, als man für es bei herkömmlichen Elektronensprüngen für möglich gehalten hatte. … Der Mechanismus war daher lange Zeit ein Rätsel. ----

„Heute geht man davon aus, dass der Quantentunneleffekt die entscheidende Rolle spielt. Den Tunneleffekt kann man sich als ein Mittel vorstellen, mit dem Teilchen auf einem neuen Weg von einer Seite der Barriere auf die andere Seite gelangt. Unter Barriere versteht man einen Bereich, der aus physikalischen Gründen unüberwindbar ist. Wenn es sich um ein Elektron handelt, besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass das Elektron die Barriere als Welle durchdringt und damit einen anderen als den herkömmlichen Weg (in der Vorstellung als Teilchen) beschreitet. Genau das ist der Tunneleffekt. … Dieser Effekt kommt bei sehr leichten Teilchen vor, und das Elektron ist ein sehr leichtes Teilchen. …………

Nach den Maßstäben der Quantenwelt ist eine lebende Zelle ein riesengroßes Objekt, in dem sich die Moleküle zufällig bewegen, wie in einer chaotischen Party. Je höher die Temperatur, umso leichter werden Barrieren überwunden. Übertragen auf die Ebene der Elektronen müsste eine Überwindung umso schwieriger werden, je geringer die Temperatur ist. Dies ist aber nicht so, wie experimentell bewiesen werden konnte: Auch bei sehr tiefen Temperaturen finden Elektronenübertragungen in der Atmungskette statt. Es war daher insgesamt plausibel, dass bei Temperaturen, bei denen Leben möglich ist, der Tunneleffekt entscheidet. Heute wird nicht mehr daran gezweifelt, dass bei der Atmungskette die Elektronen durch den Tunneleffekt an der Atmungskette entlangwandern (und nicht einzelne Elektronenübertragungen von Enzym zu Enzym stattfinden)“. (nach Al-Kahlili u. J.McFadden: Der Quantenbeat des Lebens, S..108ff)

Innere Atmung: Energiefreisetzung

Warum Lebewesen nicht verbrennen!

Info: In den Lehrbüchern der Biologie werden solche Regelungen in den verschiedensten Modellen dem Verständnis angeboten. Hier folgen wir dem „Badewannenmodell“. Es erscheint recht anschaulich und kann alle Möglichkeiten der biologischen Regelungen darstellen.

Man unterscheidet drei Arten von „Gleichgewichten“:

Das statische Gleichgewicht. Darunter versteht man einen Zustand, in dem sich zwei Substanzen in ihren Gewichten ausgleichen (die Waage halten).

Das chemische Gleichgewicht: Darunter versteht man einen Verlauf der Hin- und der Rückreaktion, bei dem sich Reaktionsteilnehmer bei Ende der Reaktion in Bezug auf ihre Teilchen und Gewichte nicht verändern, obwohl sie sehr dynamisch miteinander reagieren. Dieses Gleichgewicht ist für viele chemische Prozesse ausschlaggebend und für Reaktionen ein entscheidender Vorgang. (Massenwirkungsgesetz, Gleichgewichtskonstante, Michalis-Menten Konstante).

Das biologische Gleichgewicht

Einfaches Schema eines Fließgleichgewichts:

die zulaufende Menge ist gleich der ablaufenden Menge.

Das biologische Gleichgewicht. Darunter versteht man das Phänomen, dass eine Substanz in einer ablaufenden Kette von Reaktionen meist die gleiche Konzentration hat, obwohl sie ständig ausgetauscht wird.

Schema eines vollständigen einfachen Regelsystems, das für die Einhaltung eines biologischen Gleichgewichts notwendig ist.

Man benötigt einen Messfühler (Sinneszellen), zwei Stellglieder, die aktiviert oder passiviert werden (meist Enzyme oder Hormone), einen Regler (oft das Gehirn), der einen Sollwert festlegt und den ankommenden Messwert mit dem Sollwert vergleicht. Steuerungsleitungen an die ausführenden Organe (Stellglieder), sind meist Nervenbahnen, immer aber auch Hormone die über die Blutbahn ihre Zielorgane erreichen und innerhalb der Zellen die entsprechenden Enzyme.

Die Regelsysteme können mit entsprechenden Mechanismen die zu regelnden Mengen Größe in etwa (mit geringen Schwankungen) konstant halten, so dass der Stoffwechsel nach dem Massenwirkungsgesetz ablaufen kann.

Die Begriffe stammen auch der Technik und erscheinen leicht irreführend, als günstiger werden die folgenden Begriffe vorgeschlagen:

Regler: ZNS; Zu regende Größe: zu regelnde Menge oder zu regelnder Zustand; Fühler: Sinneszellen; Stellglied: Organ / Hormon / Zellhormon; Sollwert: eingestellte Menge; Störgrösse: einwirkende Menge von außen.

Diese Regelungssysteme sind sehr komplex aufgebaut, sie erlauben jedoch eine sehr differenzierte Reaktion von sogenannten Störgrößen, die auf außen auf das System einwirken. Solche Regelsysteme sind oft vielfach hintereinander geschachtelt. Die Gesamtheit dieser Systeme steuert den Stoffwechsel, z. B auch den Blutdruck, die Hauttemperatur, das Training, das Wachstum und auch das menschliche Verhalten kann als komplexes „biologisches Gleichgewicht“ verstanden werden.

Versuch 3

Veranschaulichung eines Fließgleichgewichts

Demonstrationsversuch

vgl. Schlüter, K. u. B. Kremer (2015): Modelle und Modellversuche im Biologieunterricht, SchneiderVerlag

Man benötigt:

0,5 g Zystein in 100 ml o,1 molarer Natriumacetat- Lösung, pH 7,0 (jeweils frisch ansetzen!),

EisenIIsulfat FeSO4 x 7 H20

Geräte: 1 Liter Erlenmeyerkolben (oder eine entsprechend große Flasche mit großer Fläche zwischen der Lösung und dem Luftraum).

Die Reaktion:

Versuch:

1: In der fertigen Cysteinlösung werden 0,2 g FeSO4 gelöst. Die entstandene rotviolette Färbung verschwindet nach etwas 2 min wieder. Die Färbung beruht auf einem Komplex zwischen Cystein und dreiwertigem Eisen.
2: Bei erneutem Schütteln tritt wieder die rotviolette Färbung auf.
3: Man kann diese Farbverschiebung durch Schütteln mehrmals wiederholen. Schütteln bringt frischen Sauerstoff in die Lösung.

Fragen: Welche Substanz wird oxidiert, welche reduziert? Welche Rolle spielen die Eisenionen?

Wann kommen die Reaktionen des Fließgleichgewichts zum Stillstand, d.h. wann wird das chemische Gleichgewicht erreicht?

Erklären Sie an Hand des Reaktionsbildes den gesamten Reaktionsverlauf!

Aufgabe: Stellen Sie Analogien her!

Beispiele für Regelung:

Kniesehnen-Reflex.

Störgröße wäre der Schlag auf die Kniesehne. Dadurch erfolgt eine Dehnung des Muskels (Veränderung der zuvor geregelten Größe). Die Muskelspindeln (Messfühler) melden die Dehnung an das ZNS (Regler). Dieses löst ein Zusammenziehen des Muskels (Stellglied) aus. Dadurch schnellt der Unterschenkel hoch.

Blutzuckerregelung:

Der durch die Verdauung in die Blutbahn gelangende Zucker (Störgröße) stört den eingestellten Zuckergehalt im Blut (Sollwert). Die Bauchspeicheldrüse schüttet Insulin (Stellglied) aus, dass Rezeptoren zum Beispiel auf den Leberzellen (Stellglied 1) aktiviert, die den Zucker aufnehmen, d. h. aus dem Blut entfernen. Damit die Reaktion immer wieder stattfinden kann, wird das Insulin selbst rasch abgebaut durch Enzyme im Blut (Stellglied 2 wäre also das Insulin abbauende Enzym).

Arbeitsaufgabe:

Aufgabe1 Geben Sie die Glieder der Regelung für den Blutzuckergehalt an!

Genauere Darstellungen im Internet oder in Lehrbüchern der Biochemie

Körpertemperatur: Bei Muskelarbeit wird in den Muskelzellen Energie freigesetzt (Störgröße). Das Blut verteilt die Wärme gleichmäßig im Körper. Diese Wärmeenergie würde zu einer Überhitzung des Körpers ustre. Der Sollwert ist jedoch 38 Grad Celsius. Das Temperaturregelungssystem im Gehirn (Regler) vergleicht diesen Wert mit den Werten, die von den Sinneszellen der Haut (Kälte und Wärmerezeptoren, Messrezeptoren) gemeldet werden. Steigt die Messwerte, werden die Hautkapillaren (Stellglied1) geöffnet: man wird „rot“. Gleichzeitig werden die Schweißdrüsen (Stellglied 2) angeregt, zu produzieren. Der ustretendes warme Schweiß verdunstet an der Oberfläche und entfernt so die überschüssige Wärmeenergie. Dieser Prozess wird mit einem Wärmegefühl begleitet.

Fieber: Bei Fieber wird der Sollwert der Körpertemperatur höhergestellt. Dieser wird durch bestimmte fieberfordernde Stoffe verursacht. Das Temperaturzentrum selbst ist also beeinflussbar. Bei Krankheitsbeginn fröstelt man folgerichtig (Wärme muss im Körper gehalten werden, um die höhere Temperatur zu erhalten). Ist das Fieber vorbei, gibt der Körper die überschüssige Wärme als “Schwitzen” wieder ab.

Aufgaben 2: Entwicklung von Badewannenmodellen für einige Stoffwechselvorgänge:

Entwickeln Sie jeweils ein „Badenwannenmodell“ für biologischen Vorgänge Ihrer Wahl.

Legen Sie dabei Wert auf die beteiligten Sinnesorgane bzw. Sinneszellen und die beteiligten Organe!

Legen Sie dabei Wert auf die beteiligten Sinnesorgane bzw. Sinneszellen und die beteiligten Organe!

Aufgaben 2: Entwicklung von Badewannenmodellen für einige Stoffwechselvorgänge: