23Stoffwechsel

SEKUNDARSTUFEN

23Stoffwechsel

Stoffwechsel innere Atmung

Stoffwechsel der einzelnen Zellen

Experimente: Sauerstoffnachweis Sauerstoffverbrauch Mensch, Sauerstoff Maus Eidechse (Modellversuch: Verhalten von gleichwarmen und wechselwarmen Tieren), Kohlenstoffdioxidabgabe bei Erbsen, beim Mensch, Einfluss Temperatur, Respiratorischer Quotient

vgl auch

https://www.christian-schweda.de/

Chridtian Schweda: https://www.christian-schweda.de/folge-001-podcast-vorstellung-biologie-passion-podcast/

Folge 042 - Einführung in den Stoffwechsel (Metabolismus) | SW Teil 1 (christian-schweda.de)

vgl. im Gegensatz dazu: äußere Atmung

ergänzend Ernährung

ergänzend Enzyme

Stoffwechsel der Zelle Sachliche Grundlage Unter Stoffwechsel versteht man im weitesten Sinne den Austausch und die Umwandlung der verschiedensten Substanzen im Körper und zwischen Körper und Umgebung. Die Nutzung des Sauerstoffs und die Produktion von Kohlenstoffdioxids innerhalb der lebenden Zellen wird als „innere Atmung“ oder Zellstoffwechsel bezeichnet. Man nennt die Wege, die die Luft im Körper bis zu den Zellen nimmt, als “äußere Atmung“: „Herz-Lunge Herz-Organkomplex“ oder einfach „Kreislauf“. Die äußere Atmung beschreibt also alle Transportvorgänge der Gase im Körper bis zur einzelnen lebenden Zelle und zurück. vgl äußere Atmung Diese entscheidenden Stoffwechselumsetzungen der Inneren Atmung finden in jeder Zelle sozusagen einzeln, gesondert und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten statt. Bei vielzelligen Lebewesen übernehmen Hormone, andere Botenstoffe oder das Nervensystem die Koordination einzelner Zellen und Gewebe im Sinne eines funktionierenden Gesamt-Organismus. Zur Didaktik: Im Schulbereich kann man experimentell nur wenige Aspekte behandeln. Trotzdem sollte man immer im Hintergrund als Lernziel ein Verständnis der Grundlagen und des Zusammenwirkens vieler Zellen in einem Organismus haben. Ein Staunen über die Komplexheit der lebenden Systeme und ein sorgsamer Umgang mit dem eigenen Körper sind ein durchaus erstrebenswertes Lernziel. Dazu sollen die Versuche einen Beitrag leisten. Die Experimente beziehen sich auf den Sauerstoffverbrauch und die Kohlenstoffdioxidabgabe beim Stoffwechsel. Die Energiegewinnung wird in einem Anschlusskapitel behandelt. Weiterführende Literatur: Internet: Stichwort Zellstoffwechsel; tps://de.wikipedia.org/wiki/Stoffwechsel; https://www.spektrum.de/lexikon/biologie-kompakt/stoffwechsel/11335 Weiler, E. u. L. Nover: Allgemeine und molekulare Botanik Thieme

Verbrauch von Luftsauerstoff im Stoffwechsel

Versuch 1

Nachweis von Sauerstoff in Luft oder in Wasser

Info: Sauerstoff reagiert mit Mangan II - Chlorid: In alkalischer Lösung entsteht ManganIV-Chlorid, das als feste Substanz (Braunstein) aus der Lösung ausfällt. An dieser Reaktion kann man den Sauerstoffgehalt in Luft oder in einer Lösung nachweisen.

Mit dieser Reaktion lässt sich der Sauerstoffgehalt sowohl in Luft als auch in Wasser nachweisen.

Vgl. Philipp, E. (1981): Experimente zur Untersuchung der Umwelt, BSV, München

Versuch 1:

Sauerstoffgehalt in Luft

Lösungen:

1: Verdünnte Natronlauge (Vorsicht! Ätzend!!)
2: 40g MnCl₂ in 100ml Wasser lösen.
3: Aufgekochtes und unter Luftabschluss abgekühltes Wasser

Versuch:

1: Baue eine Apparatur nach der Zeichnung zusammen.
2: Entferne den gelösten Sauerstoff aus 500ml Wasser, indem Du das Wasser aufkochst, dicht verschließt und abkühlen lässt.
3: Gib 100ml vom abgekochten und abgekühlten Wasser in den Erlenmeyer.
4: Gieße das Wasser wieder aus und fülle 100ml neues sauerstofffreies Wasser ein.
5: Pipettiere etwa 2ml NaOH (halbkonzentriert) und 1ml MnCl₂ Lösung ein.
5: Schließe den Erlenmeyerkolben an die Apparatur an.
6: Öffne den Hahn und lasse einen Druckausgleich im Manometer zu. Dann wird der Hahn verschlossen.
6: Schüttle den Erlenmeyer mit der Hand am Rand vorsichtig um. Es entsteht ein grauer Niederschlag. Gleichzeitig wird das Luftvolumen im Erlenmeyerkolben geringer.

Beobachtung:

Rechne aus: Wie viel Sauerstoff enthält die Luft? _________________________

Info: Der Volumenverlust geht auf die Bindung des Sauerstoffs an ManganClorid zurück. Die Entstehung von Braunstein zeigt ebenfalls Sauerstoff an. Dieser Versuch ist nicht quantitativ, da durch das Einfüllen von sauerstofffreiem Wasser immer auch etwas Sauerstoff aus der Luft in die Lösung diffundiert. Trotzdem kann eine ungefähre Mengenangabe gemacht werden.

Versuch 2

Sauerstoffverbrauch Mensch

Scharpf, Christine, und D. Schmutz

Frage: Hat die menschliche Lungen-Atmung mit dem Zellstoffwechsel zu tun?

Material: Milchflasche mit großer Öffnung, Teelicht, Streichhölzer

Ablauf:

1: Man füllt eine Flasche von etwa 1 Liter Inhalt mit Luft (inneres trocken halten), und dreht stellt sie rasch über eine brennende Kerze,
so dass keine weitere Luft hineingelangen kann.
2: Man stoppt die Zeit, die vergeht, bis die Kerze erlischt.
3: Dann nutzt man dieselbe Flasche und atmet zweimal so vollständig wie es geht Ausatemluft in sie hinein, hält mit einem Pappdeckel zu
und stülpt sie wieder über eine brennende Kerze, dass keine Luft hineinkommen kann.
4: Man stoppt die Zeit, die vergeht, bis die Kerze erlischt.

Rechnung: Die Brenndauer der Kerze mit Luft entspricht 16% Sauerstoff (Die normale Luft enthält 16% Sauerstoff). Die Brenndauer der Kerze mit Ausatemluft entspricht der verbrauchten Menge Sauerstoff.

Bitte den Versuch 3-mal durchführen, die Mittelwerte bilden und den Sauerstoffverbrauch beim Menschen halbquantitativ angeben!

Info: Wenn die Saftflaschen innen nass sind, verfälschen sich die Daten. Die normale Luft (Einatemluft) enthält 21 % Sauerstoff, die Ausatemluft enthält nur noch 15-16% Sauerstoff.

Abwandlungen des Versuchs:

Messung in Ruhe, Messung nach 10 Kniebeugen, Große – kleine Personen.

Aufgabe: Schildere genau wie möglich, wieso bei der Atmung „Stoffwechsel“ (Ein Verbrauch von Sauerstoff) stattfindet!

Wischeropp, L. (2001): Die Zellatmung, Internet Ein Lernprogramm

Zellatmung: https://de.wikipedia.org/wiki/Aerobe_Atmung

Versuch 3

Abgabe von Kohlenstoffdioxid durch den Menschen

Material: Glasflasche von 1 Liter Inhalt

Ablauf:

1: Man füllt eine Flasche von etwa 1 Liter Inhalt mit Luft (inneres trocken halten), und dreht stellt sie rasch über eine brennende Kerze,
so dass keine weitere Luft hineingelangen kann.

2: Man stoppt die Zeit, die vergeht, bis die Kerze erlischt.
3: Dann nutzt man dieselbe Flasche und atmet zweimal, so vollständig wie es geht, Ausatemluft in sie hinein, hält mit einem Pappdeckel
zu und stülpt sie wieder über eine brennende Kerze, dass keine Luft hineinkommen kann.
4: Man stoppt die Zeit, die vergeht, bis die Kerze erlischt.

Den Versuch 3-mal durchführen, die Mittelwerte bilden und den Sauerstoffverbrauch beim Menschen halbquantitativ angeben!

Info: Wenn die Saftflaschen innen nass sind, verfälschen sich die Daten. Die normale Luft (Einatemluft) enthält 21 % Sauerstoff, die Ausatemluft enthält nur noch 15-16% Sauerstoff.

Abwandlungen des Versuchs:

Messung in Ruhe, Messung nach 10 Kniebeugen, Große – kleine Personen.

Aufgabe: Schildere genau wie möglich, wieso bei der Atmung „Stoffwechsel“ stattfindet!

Wischeropp, L. (2001): Die Zellatmung, Internet Ein Lernprogramm

Zellatmung: https://de.wikipedia.org/wiki/Aerobe_Atmung

Versuch 4

Sauerstoffverbrauch bei Maus oder Eidechse

Projekt

Info: der Versuch dient zur Unterscheidung der inneren Atmung bei gleichwarmen Tieren (Maus) und wechselwarmen Tieren (Eidechse)

Um vergleichen zu können, wählt man Tiere, die ungefähr gleich schwer sind. Es zeigen sich erhebliche Unterschiede: Gleichwarme Tiere haben einen wesentlichen höheren Energieumsatz und damit einen wesentlich größeren Sauerstoffverbrauch.

Material:

Große Dose für Nahrungsmittel aus Plastik mit Deckel, Stopfen, Dreiweghahn, Gummischläuche, 10ml Pipette,

evtl. Tageslichtschreiber, Zeituhr oder Stoppuhr

Becher mit Wasser. Man bohrt in den Deckel ein Loch, in das der Stopfen luftdicht hineinpasst. Abdichtung mit Dauerplastischer Bastelmasse.

Durchführung:

Man stellt sich eine Versuchsapparatur nach der Abb. zusammen.
Unter den Fliegendraht wird ein Gefäß mir NaOH geschoben. NaOH nimmt das CO₂ aus dem Messraum auf. Vorsicht: NAOH ist ätzend!!
Dann setzt man eine Maus in die Plastikdose auf den Fliegengitter.
Um die Tiere nicht zu gefährden, sollte man das Versuchsgefäß möglichst groß wählen und nicht länger als 10 min messen.
Man schließt den Deckel und sorgt mit Hilfe des Dreiweghahns für den Druckausgleich.
Man legt die Spitze der Pipette in Wasser und beobachtet das Aufsteigen des Wassers für eine Zeit von etwa 15 min.

Sauerstoffverbrauch bei Maus oder Eidechse

Protokoll:

Man trägt die gefundenen Werte in einen Graphen ein: Legende für die Zeichnung nicht vergessen!

Interpretation?

Erweiterung: Man kann denselben Versuchsansatz für des Gasaustausch einer entsprechend kleinen Eidechse wählen. – Sehr überzeugende Unterschiede zwischen Maus (gleichwarmes Tier) und Eidechse (wechselwarmes Tier) ergeben sich (bei ungefähr gleichen Körpergewichten), wenn man den Gasaustausch bei 5 Grad, 10 Grad und 20 Grad in einer Zeit zwischen 5 und 10 Minuten misst und in Bezug auf gleiche Körpergewichte umrechnet. Dazu stellt man vorteilhaft das Messgefäß in ein Gefäß mit entsprechend temperiertem Wasser und prüft mit dem Thermometer die Temperatur während der Messung.

Abgabe von Kohlenstoffdioxid

Versuch 4

Abgabe von Khlenstoffdioxid bei der Innere Atmung von Erbsen

Objekt: keimfähige Erbsen (Samenhandlung)

Material: Gemüsedose aus Plastik mit dicht schließendem Deckel, passende Stopfen, Kunststoffröhren (Zahnarzt), Gummischläuche, Erlenmayerkolben, Wasserstrahlpumpe

Chemikalien: NaOH fest (Vorsicht), sehr stark verdünnte NaOH-Lösung, Nachweislösung Bromthymolblau, Leitungswasser

Versuchsaufbau:

Prinzip: Man saugt frische Luft durch ein Plastikgefäß (Haushaltsgeschäft), in dem man auf einem Fliegendraht eine genau gewogene Menge Erbsen (etwa 300g) aufbringt. Da das abgegebene Kohlenstoffdioxid schwerer als Luft ist, muss man die „Ausatemluft“ von unten absaugen.

Ablauf:

1: Man saugt die abgegebene Luft mit Hilfe einer Wasserstrahlpumpe durch das Plastikgefäß in eine Nachweislösung (verdünnte NaOH mit dem Farbindikator Bromthymolblau und misst die Zeit, die vergeht, bis ein Farbumschlag von blau nach gelb-grün zu beobachten ist.

Achtung: man muss die Menge des NaOH so gering wählen, dass ein Farbumschlag zwischen 5 und 10 min zu beobachten ist.

Protokoll

Variationen des Versuchs:

Man untersucht die Abhängigkeit von der Menge der Erbsen, von der Keimdauer, oder man untersucht die CO2 Abgabe von 200g Blattmaterial oder Möhren.

Versuch 5

CO₂ Abgabe Mensch

Info: Der Nachweis der inneren Atmung über den Sauerstoffverbrauch ist recht ungenau, da sich die Einatmungsluft mit der Ausatmungsluft in der Lunge zum Teil vermischt. Wesentlich günstiger lässt sich die innere Atmung als Entwicklung von Kohlenstoffdioxid (C0₂) nachweisen.

Versuch: CO₂ Abgabe in der Atemluft des Menschen

Material: Sprudelflasche, Testlösungen Wasser, NaOH und Bromthymolblau-Lösungen, Bechergläser oder saubere Joghurtbecher

Kontrollversuch

Vergleich Außenluft - Mensch

Vorbereitung: 100ml Wasser, sehr wenig Bromthymolblau Lösung, verdünnte NaOH-Lösung: Mit einem Spatel tropft man so viel verdünnte Natronlauge in die Lösung, bis die Lösung eine blaue Farbe annimmt.

Versuchsdurchführung:

Man füllt ein Becherglas mit 20ml Testlösung (blau).

Kontrollversuch: Mit einer Schlauchverbindung leitet man das Sprudelgas in ein Becherglas mit Testlösung (Farbumschlag von blau nach rot).

Test Luft: Nun bläst man mit einer Aquarienpumpe Außenluft in eine frische Testlösung und notiert, wie lange es bis zum Farbumschlag kommt.

Test Versuchsperson: Man bläst möglichst tief Ausatemluft einer Versuchsperson in ein drittes Becherglas und notiert die Zeit bis zum Farbumschlag.

Aus dem Zeitvergleich ergibt sich mit gewisser Annäherung an die Mengen des abgegebenen Kohlenstoffdioxids.

Protokoll:

Versuch 6

Abhängigkeit der inneren Atmung von der Temperatur

Gilt die RGT-Regel?

Die RGR Regel besagt, dass die Atmungsintensität sich bei einer Temperaturerhöhung von 10 Grad verdoppelt.

Material:

Große Dose für Nahrungsmittel aus Plastik mit Deckel ca. 20x30 cm, Gummischläuche, 3 große Reagenzgläser mit Stopfen (2mal durchbohrt)

Einhängethermostat, 8 cm langes Plexiglasrohr (6cm Durchmesser mit Stopfen 1mal durchbohrt), Thermometer, Uhr mit Minuteneinteilung.

Kohlenstoffdioxidnachweis: Kalziumkarbonat Lösung (von klar nachTrübung) oder Bromthymolblaulösung (von gelb nach blau)

Objekte: Mehlwürmer (Aquarienhandel) oder keimfähige Erbsen

Versuchsaufbau für die Bestimmung der RGT Regel

Durchführung:

1: Zusammenbau der Versuchseinrichtung (Abb.) – Die Zu- und Ableitungen werden mit dauerplastischer Masse (Bastelgeschäft) sicher abgeschlossen.
2: Während 30min: Luft lässt langsam durchsaugen, bis sich die gewünschte Temperatur eingestellt hat.
3: Beschickung des Testgefäßes mit 200g Mehlwürmern oder mit 400 g keimenden Erbsen (die Würzelchen sollten gerade sichtbar sein).
4: Etwa 10 min weiter Luft durch saugen, bis sich die gewünschte Temperatur eingestellt hat. Temperatur notieren.
5: bei konstanter Temperatur misst man 3mal für 10 min den Kohlenstoffdioxidausstoß hintereinander.
Das Testreagenzglas jeweils 3 mal mit frischer Nachweislösung beschicken.

Messungen bei 4 Grad (Eiswasser), bei 15 Grad, bei 25 Grad

Protokoll: gewählte Variante: _________________________

CO₂ Abgabe Zeitbedarf: ___________ ___________ __________

Auswertung: Die Werte werden in einen Grafen eingetragen, z.B.:

Legende:

Versuch 7

Bestimmung des Respiratorischen Quotienten

vgl. Penzlin, H. (1981): Lehrbuch der Tierphysiologie, Fischer;

Jaenicke, J (Hrsg.) (1992): Handbuch Kursunterricht Biologie, Aulis

Vorbemerkung: Wenn nur Zucker veratmet wird, sollte man keine Veränderung des Gasvolumens erwarten, da die Volumina des Sauerstoffverbrauchs und die der Kohlenstoffentstehung gleich sind. Dies ist aber in Wirklichkeit selten der Fall. In Wirklichkeit wird auch Eiweiß und Fett „veratmet“; d.h. letztlich zu Wasser und CO₂ abgebaut. Diese Berechnungen sind für die Tierzucht wichtig in Bezug auf die optimale Zusammensetzung des Futters.

Versuch: Überprüfung, welche Ausgangsstoffe bei der Maus veratmet werden.

Material:

Große Dosen für Nahrungsmittel aus Plastik mit Deckel, Stopfen, Dreiweghähne, Gummischläuche, Manometer (gebogenes Glasrohr), Stoppuhr, Maus

Durchführung:

Man stellt sich eine Versuchsapparatur nach Abb. zusammen und prüft auf Dichtigkeit.
Dann setzt man eine Maus in die Plastikdose.
Der Kolbenprober wird möglichst weit ausgezogen.
Man schließt den Deckel und sorgt mit Hilfe der Dreiweghähne für den Druckausgleich zwischen beiden Gefäßen.
Man lässt einige Minuten ausgleichen.
Messung mit NaOH: 10min.
Messung ohne NaOH: 10min.

Apparatur: Durch Verschieben des Kolbenprobers werden Veränderungen der Gasmenge festgestellt. Dabei muss die Flüssigkeit in beiden Schenkeln des Manometers gleich hochstehen. Das zweite Gefäß mit einem der Maus vergleichbaren Volumen dient dazu, Luftdruckänderungen und Temperaturschwankungen hinreichend genau aus zu gleichen.

Protokoll: Gasverbrauch (V_gas1) mit NaOH: ___________________________

Gasverbrauch (V_gas2) ohne NaOH (mit C0₂): ______________________-

Rechnung:

( V_gas1) – (V_gas2)

Respiratorischer Quotient: RQ = ___________________ Maus: _____________________

(V_gas1)

Aufgabe: Welchen Sinn hat die Messung des Respiratorischen Quotienten?

Info: Man findet: Katze (Fleischfresser):0,7; Rind (Gasfresser) 0,95; Fliege (nur Zucker) 1.0; Schwein (Mischfutter): 0,8