Lernkarten Biologie - Kapitel 3: Stoffwechsel

Autotrophe vs. Heterotrophe Lebewesen

• Autotrophe Lebewesen:
  • "Selbsternährend" (z.B. Pflanzen, Algen, einige Bakterien).
  • Stellen energiereiche organische Stoffe (z.B. Glucose) aus einfachen anorganischen Stoffen (wie CO₂ und H₂O) selbst her.
  • Die Energiequelle dafür ist meist Lichtenergie (Fotosynthese), seltener chemische Energie (Chemosynthese).
• Heterotrophe Lebewesen:
  • "Fremdernährend" (z.B. Tiere, Pilze, die meisten Bakterien).
  • Nehmen energiereiche organische Stoffe über die Nahrung auf, die von autotrophen Organismen produziert wurden oder von anderen heterotrophen Organismen stammen.

Zellstoffwechsel – Hauptvorgänge

Der Zellstoffwechsel umfasst alle chemischen Umsetzungen in einer Zelle und lässt sich in vier Hauptvorgänge gliedern:

1. Stoffaufnahme in die Zelle und Stofftransport in der Zelle.
2. Assimilation (Aufbau):
   • Aufbau körpereigener, energiereicher organischer Stoffe aus einfacheren Bausteinen.
   • Dieser Prozess ist energieverbrauchend.
   • Beispiel: Fotosynthese bei Pflanzen (Aufbau von Glucose aus CO₂ und H₂O unter Energieeinsatz). Lat. "assimilare" = zusammenbauen, eingliedern.
3. Dissimilation (Abbau):
   • Abbau energiereicher organischer Stoffe zur Energiegewinnung.
   • Die freigesetzte Energie wird meist in Form von ATP (Adenosintriphosphat) gespeichert und für Lebensvorgänge genutzt.
   • Beispiel: Zellatmung (Abbau von Glucose mit Sauerstoff zu CO₂ und H₂O unter ATP-Gewinn). Lat. "dissimilare" = entzwei teilen.
4. Abgabe von Abfallstoffen.

In allen Zellen laufen ständig Assimilations- und Dissimilationsprozesse ab.

Stoffwechsel bei Pflanzen (Autotrophie)

• Fotosynthese (Assimilation): Findet in den Chloroplasten statt.
  • Reaktionsgleichung:
    6 CO₂ + 6 H₂O + Lichtenergie → C₆H₁₂O₆ (Glucose) + 6 O₂
  • Pflanzen nehmen CO₂ aus der Luft (über Spaltöffnungen) und H₂O aus dem Boden (über Wurzeln) auf.
• Zellatmung (Dissimilation): Findet in den Mitochondrien statt (Tag und Nacht).
  • Reaktionsgleichung:
    C₆H₁₂O₆ (Glucose) + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + Energie (ATP)
  • Pflanzen verbrauchen einen Teil der selbst hergestellten Glucose für ihren eigenen Energiebedarf.

Zusammenhang Fotosynthese und Zellatmung: Es besteht ein Kreislauf der Stoffe CO₂, H₂O, O₂ und Glucose zwischen diesen beiden Prozessen. Sonnenlicht ist die primäre Energiequelle.

Stoffwechsel bei Tieren (Heterotrophie)

• Nahrungsaufnahme und Verdauung: Aufnahme organischer Stoffe (Kohlenhydrate, Fette, Proteine). Zerlegung in kleinere Bausteine (z.B. Einfachzucker, Fettsäuren, Glycerin, Aminosäuren).
  • Bei Einzellern oft durch Endocytose (Nahrungsvakuolenbildung) und intrazelluläre Verdauung (Lysosomen), gefolgt von Exocytose unverdaulicher Reste.
• Assimilation: Aufbau körpereigener organischer Stoffe aus den aufgenommenen und verdauten Nahrungsbausteinen (energieverbrauchend).
• Zellatmung (Dissimilation): Abbau von z.B. Glucose (aus der Nahrung oder körpereigenen Speichern) in den Mitochondrien zur ATP-Gewinnung.
  • Reaktionsgleichung:
    C₆H₁₂O₆ (Glucose) + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + Energie (ATP)

Chloroplasten (Ort der Fotosynthese)

• Funktion: Assimilationsprozess – Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie (gespeichert in Glucose).
• Bau:
  • Doppelmembran (äußere und innere Membran).
  • Stroma: Flüssiges Inneres, enthält Enzyme für die Dunkelreaktion.
  • Thylakoide: Membransäckchen im Stroma, oft zu Stapeln (Grana, Sg. Granum) angeordnet. Enthalten Chlorophyll und andere Pigmente für die Lichtreaktion.
  • Die Stapelung der Thylakoide dient der Oberflächenvergrößerung für eine effiziente Lichtabsorption.
• Reaktionsgleichung der Fotosynthese:
  6 CO₂ + 6 H₂O + Lichtenergie → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
• Gasaustausch (CO₂-Aufnahme, O₂-Abgabe) erfolgt bei Landpflanzen hauptsächlich über Spaltöffnungen (Stomata) der Blätter.

Mitochondrien (Ort der Zellatmung)

• Funktion: Dissimilationsprozess – Energiefreisetzung aus organischen Molekülen (v.a. Glucose) und Produktion von ATP, der universellen Energiewährung der Zelle.
• Bau:
  • Doppelmembran (äußere glatt, innere stark gefaltet).
  • Innere Membran: Bildet Falten (Cristae), die die Oberfläche stark vergrößern. Hier finden wichtige Schritte der Zellatmung (Atmungskette, ATP-Synthase) statt.
  • Matrix: Flüssiges Inneres, enthält Enzyme für den Citratzyklus.
• Reaktionsgleichung der Zellatmung:
  C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + Energie (ca. 38 ATP pro Glucosemolekül)
• Alle Lebewesen (Pflanzen, Tiere, Pilze, viele Einzeller) mit Sauerstoffbedarf betreiben Zellatmung.

ATP (Adenosintriphosphat) als Energieüberträger

• Funktion: ATP ist die universelle Energiewährung der Zelle. Es speichert chemische Energie in energiereichen Phosphatbindungen und gibt sie bei Bedarf für zelluläre Prozesse ab.
• Zyklus: ATP → ADP (Adenosindiphosphat) + P (Phosphat) + Energie (für Zellarbeit)
  ADP + P + Energie (aus Zellatmung/Fotosynthese) → ATP
• Warum ATP und nicht direkt Glucose?
  • Energie aus ATP ist schnell freisetzbar (Spaltung einer Bindung).
  • ATP ist universell einsetzbar für verschiedenste energieverbrauchende Prozesse (Bewegung, Transport, Synthesen).
  • Die Energie ist in kleinen, handhabbaren Portionen "verpackt" (ca. 38 ATP-Moleküle pro Glucosemolekül), was eine feinere Regulation ermöglicht und Energieverschwendung reduziert (vergleichbar mit Kleingeld statt großem Schein).

Enzyme (Biokatalysatoren)

• Definition: Enzyme sind meist Proteine, die als Katalysatoren biochemische Reaktionen beschleunigen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen.
• Sie werden bei der Reaktion nicht verbraucht und gehen unverändert aus ihr hervor.
• Eigenschaften:
  • Substratspezifität: Jedes Enzym bindet nur an ein bestimmtes Substrat (oder eine Gruppe sehr ähnlicher Substrate) – nach dem Schloss-Schlüssel-Prinzip. Die Bindungsstelle am Enzym heißt aktives Zentrum.
  • Wirkungsspezifität: Jedes Enzym katalysiert nur eine bestimmte Reaktion seines Substrats.
  • Werden selbst bei der Reaktion nicht verändert.
• Abhängigkeit von äußeren Faktoren:
  • Temperatur: Jedes Enzym hat ein Temperaturoptimum. Bei zu hohen Temperaturen denaturieren Proteine (irreversible Strukturveränderung, Verlust der Funktion). RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel): Erhöhung der Temperatur um 10°C verdoppelt etwa die Reaktionsgeschwindigkeit (bis zum Optimum).
  • pH-Wert: Jedes Enzym hat ein pH-Optimum. Extreme pH-Werte führen ebenfalls zur Denaturierung.
• Fast alle Stoffwechselprozesse im Körper sind enzymkatalysiert. Der Mensch besitzt tausende verschiedene Enzyme.