Stoffwechsel

Kohlenstoffdioxid + Wasser -> (durch Lichtenergie) Glucose + Sauerstoff

1. Lichtenergie wird in chemische Energie (Glucose) umgewandelt

2. Prozess ist anabol (Aufbauender Stoffwechselprozess)

3. Entropie nimmt ab

Primärreaktion der Photosynthese, findet in der Thylakloidmembran statt

1. Lichtabsorbation durch Chlorophyll (Photosystem ll & l)

2. Photolyse von Wasser:

   2 Wasser -> 4 H+-Ionen + 4 Elektronen + O2

3. Elektronentransportkette:

   Elektronen werden weitergeleitet

   Protonengradient entsteht

4. 2NADP+ + 4 Elektronen + 2H+-Ionen wird reduziert zu NADPH (Energiespeicherung)

5. ATP Synthese

   Die ATP-Synthase nutzt den Protonengradienten zur ATP Synthese

Lichtreaktion der Photosynthese

1. Innenraum der Thylakoide (Lumen)

2. Wasser (H2O)

3. Sauerstoff (O2)

4. Elektron (e-)

5. Licht

6. Fotosystem ll

7. Membranproteine

8. Elektronenfluss

9. Fotosystem l

10. NADP+

11. NADPH

12. Thylakloidmembran

13. Stroma

14. ATP-Synthase

15. ADP

16. Phosphat (P)

17. ATP

Sekundärreaktion der Fotosynthese findet im Stroma des Chloroplasten statt

Funktion: Aufbau von Glucose aus CO2 und Wasser

Voraussetzung: ATP und NADPH aus der Lichtreaktion

Calvin-Zyklus im C-Körper-Modell:

1. CO2-Fixierung

2. 6 x 5C-2P-Körper

3. 6 x 1C-Körper (CO2)

4. 6 x 6C-2P-Körper (sehr instabil)

5. 12 x 3C-1P-Körper (nach Zerfall)

6. Reduktionsphase

7. 12 ATP

8. 12 ADP + 10P

9. 12 NADPH + 12 H+

10. 12 NADP+

11. 12 x 3C-2P-Körper

12. Abspaltung von 2 x 3C-2P-Körper

13. Glucose (C6 H12 O6)

14. 10 x 3C-2P-Körper

15. Regenerationsphase

16. 6 ATP

17. 6 ADP + 8P

Glucose + Sauerstoff -> Kohlenstoffdioxid + Wasser + Energie

1. Energiegewinnung durch den Abbau von Glukose

2. Prozess ist katabol (abbauender Stoffwechselprozess)

3. Entropie nimmt zu

1. Glycolyse

   findet im Cytoplasma statt

   aus Glucose wir unter Energiegewinn (2 ATP + 2 NADH+H+) 2 x Pyrovat (3C-Körper)

2. oxidative Decarboxilierung

   findet in der Mitochondrienmatrix statt

   aus 2 Pyrovat wird unter Energiegewinn (2 NADH+H+) 2 Acetyl-CoA (2C-Körper) + 2 CO2

3. Cytratzyklus

   findet in der Mitochondrienmatrix statt

   aus 2 Acetyl-CoA wird unter Energiegewinn (2 ATP + 6 NADH+H+ + 2FADH2 ) 4 CO2 + Wasser

4. Atmungskette

   findet in der Mitochondrienmembran statt

   Ist eine Elektronentransportkette die aus NADH+H+ und FADH2, ATP gewinnt

5. Insgesamt können aus einem Glucosemolekül 32 ATP gewonnen werden

Aufbau komplexer Moleküle unter Energieverbrauch

z.B Fotosynthese, Proteinsynthese

Abbau komplexer Moleküle zur Energie gewinnung

z.B Zellatmung, Glykolyse

Räumliche und funktionelle Trennung von biologischen Prozessen in abgegrenzte Bereiche um die Effizienz und Spezifität zellulärer Prozesse zu steigern

Beispiel:

Chloroplast: Lichtreaktion im Thylakoid und Dunkelreaktion im Stroma

1. Allosterische Regulationm:

   Enzymaktivität wird durch Effektoren verändert (aktiviert oder gehemmt)

2. Kovalente Modifikation:

   z.B: Phosphorylierung (Anhängen einer Phosphatgruppe an das Enzym) -> Enzym kann schnell ein-/ausgeschaltet werden

3. Substratkonzentration:

   steigende Substratkonzentration -> Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit

   ! nur bis Sättigung erreicht ist !

4. Produktkonzentration:

   viele Stoffwechselwege nutzen produktabhängige Rückkopplung

   Eine hohe Konzentration der Produktes können das Enzym hemmen um überproduktion zu vermeiden

Elektronenübertragung zwischen Molekühlen

Oxidation = Elektronenabgabe

Reduktion = Elektronenaufnahme

Bedeutung:

1. Katabolismus: Energiegewinn durch Oxidation

2. Anabolismus: Energieverbrauch durch Reduktion

3. Elektronentransportketten: NAD+/NADH, FAD/FADH2 als Redoxträger (Elektronenträger)

1. ATP (Adenosintriphosphat) ist ein universeller Energieträger in Zellen

2. Energie liegt in der Phosphatbindung

3. Die spaltung von ATP in ADP und P ist eine exergone Reaktion die Energie für endergone Reaktionen bereit stellt

4. Das ADP und P können in der ATP-Synthese recycelt werden

Die Tracer-Methode ist ein experimentelles Verfahren, bei dem markierte Atome (sogenannte Tracer) verwendet werden, um den Weg von Stoffen in biologischen Systemen nachzuverfolgen.

Ein Molekül wird mit so einem markierten Atom versehen und in einen Organismus oder ein System gegebn, wo verfolgt wird, wo das markierte Atim im Verlauf des Stoffwechsels auftaucht.

1. (obere) Kutikula (Wachsschicht)

   verringerung der Verdunstung

2. (obere) Epidermis

   Schutz vor mechanischen Schäden

   Lichtdurchlässig

3. Palisadengewebe

   Hauptort der Fotosynthese

4. Schwammgewebe

   Gasaustausch innerhalb des Blattes durch effizienten Stofftransport und Verbindung zu den Stomata

5. (untere) Epidermis

6. (untere) Kutikula

7. Stoma (Spaltöffnung)

   Regulation des Gasaustauschs

8. einzelne Pflanzenzelle

Bau und Funktion des Laubblattes

1. große, flache Oberfläche -> maximale Lichtaufnahme

   dünn -> kurze Diffusionswege für CO2

2. Palisadengewebe (oben)

   viele Chloroplasten, Hauptort der Fotosynthese -> optimale Lichtausnutzung

3. Schwammgewebe (unten)

   große Interzellularräume -> erleichtert CO2-Diffusion

4. Stomata (Spaltöffnungen)

   Regulation des Gasaustauschs -> CO2 rein, O2 und H2O raus

   Anpassung an Umweltbedingungen (z.B. Trockenheit) gut möglich

Aufbau und Funktion des Chloroplast

1. Thylakoidmembran (Ort der Lichtreaktion)

   große Oberfläche durch viele Thlakoide in Stapeln

   -> maximale Lichtabsorption

2. Stroma (Ort des Calvin-Zyklus)

   enthält Enzyme für CO2-Fixierung

3. Nutzung von Kompartimentierung (Trennung von Licht- und Dunkelreaktion) für effiziente Energieumwandlung

1. CO2 wird direkt im Calvin-Zyklus fixiert

   erstes stabilisiertes Produkt nach der Co2 fixierung ist ein 3C-Körper

   CO2 + 5C-Körper -> 2 x 3C-Körper

2. Wenn bei hohen Temperaturen die Stomata geschlossen werden müssen um Wasserverlust zu minimieren kann die Pflanze kein CO2 mehr aufnehmen

   -> geringe Fotosyntheseleiste

   -> Photorespiration steigt

Beispielpflanzen: Weizen, Reis, Kartoffeln

1. Hauptmerkmal ist die räumliche Trennung der CO2-Fixierung und des Calvin-Zyklus

2. CO2 wird zuerst in Mesophyllzellen (Zellen im Blattinneren) gebunden, dann in andere Zellen transportiert

   1. CO2 + 3C-Körper -> 4C-Körper (Erste stabilisierte Form nach der CO2 fixierung ist ein 4C-Körper)

   2. Transport in Bündelscheidenzellen

   3. CO2 wird vom C4-Körper abgespalten und gelangt in den Calvin-Zyklus

-> kaum Photorespiration

-> Effizienter bei hohen Temperaturen und starker Sonneneinstrahlung

-> höherer ATP-Verbrauch

1. Hauptsächlich Sukolenten

2. Hauptmerkmal: Zeitliche Trennung von CO2-Fixierung und Calvin-Zyklus

   • Nachts sind Stomata offen und CO2 wird als 4C-Körper fixiert

   • Tagsüber sind Stomata geschlossen und CO2 wird aus den 4C-Körpern freigesetzt und im Calvin-Zyklus genutzt

-> Anpassung an Wüstenregionen da sehr Wassersparend

-> geringere Fotosyntheserate

-> geringe Photorespiration

Rubisco bindet Sauerstoff statt Kohlenstoffdioxid

-> Es wird keine Glucose Produziert

-> “fehlerhaftes Produkt” muss unter ATP-Verbrauch wieder abgebaut werden

Trennverfahren bei dem Stoffgemische aufgrund ihrer unterschiedlichen Verteilung zwischen einer stationären Phase (Papier, Dünnschichtplatte, Gel) und einer mobilen Phase (Lösungsmittel) getrennt werden

1. Fotosynthese nutzt verscgiedene Pigmente, um möglichst viel Licht aufzunehmen (Chlorophyll als Hauptpigment)

2. Lichtsammelkomplex: viele verschiedene Pigmente die in der Thylakoidmembran organisiert sind

3. Vorteile:

   • größeres Absorptionsspektrum durch mehrere Pigmente

   • effizientere Nutzung von Sonnenlicht

   • Anpassung an unterschiedliche Lichtverhältnisse

1. Absorptionsspektrum von Pigmenten:

   Gibt an, welche Wellenlängen des Lichts von verschiedenen Pigmenten aufgenommen werden

2. Wirkungsspektrum der Fotosynthese:

   Gibt an, welche Wellenlängen des Lichts tatsächlich Fotosyntheseleistung erzeugen

3. Zusammenhang:

   Lichtenergie muss von Pigmenten absorbiert werden, dadurch werden Elektronen angeregt und nur dann kann die Lichtreaktion ablaufen

1. Ausgangspunkt: Lichtenergie

   • Sonnenlicht trifft auf Pigment im Photosystem ll

   • Licht wird von Pigmenten absorbiert

   • Elektronen werden angeregt

2. Elektronenanregung

   • Elektronen aus Chlorophyll-Molekül wird auf ein höheres Energienivau gehoben -> angeregtes Elektron

   • Elektron wird an Primärakzeptor übertragen

   • Chemische Energie entsteht durch Elektronentransfer

3. Elektronentransportkette:

   • Elektronen wandern durch Proteinkomplex in der Thylakoidmembran

   • Energie des Elektrons wird genutzt, um Protonen (H+) in das Innere des Thylakoids zu pumpen

     -> Protonengradient (potentielle chemische Energie)

4. ATP-Synthese

   • Protonengradient treibt ATP-Synthase an

   • aus ADP und P wird ATP

5. NADPH-Bildung

   • Elektronen werden nach dem Photosysthem l weiter angeregt

     -> Übertragung auf NADP+ +H+

     -> NADPH entsteht

1. Lichtintensitäg

   höhere Lichtintensität -> höhere Fotosyntheserate

   ab Sättigungspunkt -> Fotosyntheseplateau

2. CO2-Konzentration

   höhere CO2-Konzentration -> höhere Fotosyntheserate

   ab Sättigung, es kann nicht mehr mehr CO2 gebunden werden -> Plateau

3. Temperatur

   beeinflusst Enzymaktivität

4. Wasserverfügbarkeit

   Wasser = Elektronendonor

   bei Wassermangel schließen Stomata und es herscht weniger CO2 Eintritt

Mechanismus zur ATP-Synthese mithilfe eines Protonengradienten (H+-Gradient) über eine Membran

1. Elektronentransportkette pumpt H+-Ionenüber eine Membran

2. Ein elektrochemischer Gradient wird aufgebaut

3. H+ strömen durch ATP-Synthase (Synthese Protein das wie eine Turbiene funktioniert) zurück

4. Energie treibt ATP-Bildung an

1. Energiequelle:

   Chloroplast -> Licht

   Mitochondrium-> chemische Energie

2. Elektronenquelle:

   Chloroplast -> Wasser

   Mitochondrium -> NADH/FADH2

3. Membran:

   Chloroplast -> Thylakoidmembran

   Mitochondrium -> innere Mitochondrienmembran (Christae)

4. Protonentransport (wärend der Elektronentransportkette):

   Chloroplast -> vom Stroma ins innere der Thylakoide (Lumen)

   Mitochondrium-> von der Matrix in den Intermembranraum

5. ATP-Bildung:

   Chloroplast -> im Stroma

   Mitochondrium-> in der Matrix

6. Prozess:

   Chloroplast -> Photophosphorylierung

   Mitochondrium -> oxidative Phosphorilierung

1. Elektronentransportkette erzeugt Protonengradient

2. ATP-Synthase nutzt Protonenrückfluss

3. ATP entsteht durch chemiosmotische Kopplung

4. Trennung von zwei Bereichen durch eine Membran an der der Protonengradient vorliegt -> Kompartimentierung

Zellatmung

1. Eduktue: Glukose und Sauerstoff

2. Produkte: Kohlenstoffdioxid und Wasser

-> vollständiger Abbau der Glukose

1. Energiebilanz: gewinn von 32 ATP

2. Endelektronenakzeptor: Sauerstoff

Gärung = enzymatischer Abbau von organischen Stoffen (wie Glukose) unter ausschluss von Sauerstoff im Cytoplasma

-> Organismen (wie z.B. Hefen) nutzen es zur Energiegewinnung

1. Milchsäuregärung

   Aus Glukose entsteht in der Glykolyse Milchsäure

2. Alkoholische Gärung

   Aus Glukose entsteht in der Glykolyse Ethanol und CO2

-> unvollständiger Abbau

-> geringer Energiegewinn (2 ATP)

-> Regeneration von NAD+

1. Endprodukt:

   Milchsäuregärung -> Lactat (Milchsäure)

   alkoholische Gärung -> Ethanol + CO2

2. CO2-Bildung

   Milchsäuregärung -> nein

   alkoholische Gärung -> ja

3. C-Körper-Veränderung:

   Milchsäuregärung -> aus 6C-Körper (Glukose) werden 2 x 3C-Körper (Lactat)

   alkoholische Gärung -> aus 6C-Körper (Glukose) werden 2 x 2C-Körper (Ethanol) + CO2

4. Ablauf:

   Milchsäuregärung -> einstufig

   alkoholische Gärung -> zweistufig

5. Vorkommen:

   Milchsäuregärung -> Muskelzellen, Bakterien

   alkoholische Gärung -> Hefen

1. anaerober Glukoseabbau

2. starten mit der Glykolyse und liefern dabei 2 ATP

3. Dienen der Regeneration von NAD+

4. Laufen im Cytoplasma ab

5. Kein Sauerstoff notwendig

6. Unvollständiger Abbau