Biologie Leistungskurs 2.Semester Klasse 12: Stoffwechselphysiologie

ab Februar 2001

Stoffwechselphysiologie

Stoffliche Zusammensetzung der Zellen (Linder Seite 127)

Wiederholung:

Name

Verbindungsklasse

Hydroxylgruppe (-OH)

Alkanole (Alkohole)

Carboxylgruppe (-COOH)

Carbonsäuren

Carbonylgruppe (C=O)

Alkanale (Aldehyde), Alkanone (Ketone)

Aminogruppe

Amine, Aminoverbindungen

Phosphatgruppe (-PO4²¯ )

Phosphatester

(Kurzsymbol: P)

Methylgruppe (-CH3)

Methylverbindungen z.B. in Lipiden

Begriffe:

Protonen =

-positiv geladene Wasserstoff-Ionen (H+)

-Hat negative Ladung der Hülle abgegeben

-besteht nur noch aus Proton im Kern

polares Molekül = ein neg. und ein pos. Polende (z.B.Wasser)

unpolares Molekül = ausgeglichene Ladungsverhältnisse

Wasser:

Molekülbau

-besteht aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffmolekülen

-polare Atombindung (deshalb ist Wasser ein Dipolmolekül)

-Wasserstoffmoleküle im Winkel von 105° zueinander

-am Sauerstoffmolekül zwei freie Elektronenpaare

-untereinander bilden Wassermoleküle mehrere Wasserstoffbrückenbindungen

aus

daher Bindung aneinander ziemlich fest (Aggregate können entstehen)

-Wassermolekül hat negativen und positiven Ladungsschwerpunkt

-ziehen Ionen anderer polar gebauter Stoffe an und bilden Hydrathüllen um

die Ionen (darauf beruht Wirkung des Wassers als Lösungs- und Quellmittel)

Eigenschaften -Wassermoleküle können sich in Lösungen frei bewegen

-Lösung leitet den elektrischen Strom

-hat höheren Schmelz und Siedepunkt als andere Stoffe

-große Oberflächenspannung

-hohe Schmelzwärme, hohe Wärmekapazität

-nicht-polare Stoffe z.B. Fette sind nicht in Wasser löslich

Bedeutung

-erste Lebewesen entstanden im Wasser

-jede Zelle und der gesamte Organismus ist auf Wasser angewiesen

-dient als Lösungsmittel für Stoffumsetzungen in Zelle und als

Transportmittel für gelöste Stoffe

-Mittel zur Regelung der Temperatur

-Reaktionspartner bei biochemischen Prozessen

Stoffwechselvorgänge:

Assimilation

Dissimilation

Autotrophe A.

heterotrophe A.

Atmung

Gärung

Photosynthese

Chemosynthese

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Assimilation

: aufbauende Vorgänge

Dissimilation : abbauende Vorgänge

Energiewechsel:

Alle Stoffwechselvorgänge sind immer mit Energieumsatz verbunden.

Es gibt:

-chemische Energie (für Stoffaufbau in Zellen)

-thermische Energie (Aufrechterhaltung der Körpertemperatur)

-elektrische Energie (in Nervenzellen)

-mechanische Energie (Muskelzellen)

Die Zelle ist ein offenes System, das bedeutet das mit der Umgebung ein Stoff- und

Energieaustausch statt findet.

Beispiel:

Zellatmung

C H O + 6O 6CO + 6H O ; H= -2820 kJ/mol exotherm

1.Hauptsatz der Thermodynamik

Bei einem Prozess kann Energie weder erschaffen noch vernichtet werden.
Energie kann nur aus einer anderen Energieform umgewandelt werden.

H = Enthalpieänderung

Enthalpie ist die Differenz zwischen Energie der Ausgangsstoffe und der Energie der

Reaktionsprodukte.

Exotherme Reaktion

Endotherme Reaktion

Ausgangsstoffe haben mehr Energie als

Es muß ständig Energie zugeführt werden

Reaktionsprodukte

sonst läuft die Reaktion nicht ab

H= -n kJ/mol

H= +n kJ/mol

Beispiel: Atmung

Beispiel: Photosynthese

2.Hauptsatz der Thermodynamik

Bei Vorgängen in einem abgeschlossenen System bleibt die Entropie bei umkehrbarem
Verlauf konstant S=0, beim tatsächlichen Verlauf in Natur und Technik nimmt die Entropie
stets zu

das heißt S>0

Es gibt kein Perpetuum mobile zweiter Art, das bedeutet 100% Wärme können nicht in !00%
Arbeit umgewandelt werden.(es geht also immer Energie verloren).

S Entropieänderung

-Entropie ist der Ordnungszustand der Teilchen

- S positiv

Zunahme der Unordnung(Entropie)

-Entropieänderung ist ausschlaggebend für freiwilligen Ablauf

einer Reaktion

G maximale Nutzbarkeit

kann unter tatsächlichen Bedingungen nicht erreicht werden

H= G + T· S

(T-Temperatur)

Lebewesen bauen ihre Ordnung auf indem sie die Entropie in ihrer Umgebung vermehren.

ATP als Energieüberträger

-da Reaktionen in Zellen exergonisch und endergonisch sind, wäre eine Möglichkeit der

Energieversorgung die Kopplung von exergonischen und endergonischen Reaktionen. (denn

endergonische Reaktionen laufen durch Energie der exergonische Reaktionen ab!)

-Das ist nicht immer möglich denn 2 Reaktionen können an unterschiedlichen Orten oder zu

unterschiedlichen Zeiten stattfinden.

-Also wird eine Speicher- und Transportform für Energie benötigt: ATP!

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-ATP ist ein Energie-Speicher und bewegliches Zwischenprodukt.

-ATP wird gebildet durch Anlagerung eines Phosphatmoleküls an ADP

-dabei wird Energie gebraucht, die ATP aufnimmt

-wenn ATP wieder zerfällt wird diese Energie wieder frei

ADP + P ATP

G= + 30 kJ/mol

ATP ADP + P

G= - 30 kJ/mol

ATP ist in allen lebenden Zellen vorhanden. Pro ml Gewebe befinden sich 0,5 ­ 2,5 mg ATP.

Aufbau von ATP:

(Adenin + Ribose + 3Phosphate)

AMP

Adenosinmonophosphat

ADP

Adenosindiphosphat

ATP

Adenosintriphosphat

Phosphorylierung: Veresterung mit Phosphorsäure, entstehende Verbindung ist energiereich

und reaktionsbereit

Proteine

Grundbausteine sind Aminosäuren!

Die bestehen aus einem zentral gelegenen Kohlenstoffatom ( C ) , einem Rest R (der kann

alles mögliche sein) und einer Carboxylgruppe (COOH, sauer) sowie einer Aminogruppe

(NH², basisch). Aminosäuren unterscheiden sich nur in dem Rest R.

Aminosäuren liegen größtenteils als Zwitter-Ionen vor. Dabei geht das Wasserstoffatom von

COOH zur Aminogruppe über.

Weil AS einen sauren und einen basischen Teil haben könne sie mit Säuren und mit basen

reagieren.

Isoelektrischer Punkt: Aminosäuren liegen bei einem bestimmten pH-Wert vollständig als

Zwitter-Ionen vor.Würde man dann eine Spannung anlegen würden die Ionen im elektrischen

Feld nicht wandern.

Aminosäuren zeigen optische Aktivität. Dieses wird verursacht durch das asymetrische

Kohlenstoffatom. Die Aminosäuren existieren in 2 Spiegelbildlichen Formen.

Optische Aktivität bedeutet die Schwingungsebene des polarisierten Lichtes wird nach links

bzw. nach rechts gedreht. L-Form

links ; D-Form

rechts Als Bausteine von Proteinen

findet man nur L-As!

Beispiele für Aminosäuren: Alanin, Glycin, Serin, Glutamin, Phenylalanin...

Es gibt neutrale AS: haben eine Carboxylgruppe und eine Aminogruppe

Es gibt saure AS: enthalten noch eine weitere Carboxylgruppe

Es gibt basische AS: enthakten eine weitere Aminogruppe

Dipeptide: entstehen bei Verknüpfung von 2 AS

Dabei reagiert die Carboxylgruppe der einen mit der Aminogruppe der anderen AS.

Polypeptide entstehen wenn viele AS miteinander verknüpft werden.

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Wenn eine Peptidkette eine bestimmte Länge hat, kommt es zwischen den AS zu schwachen

Bindungen und die Kette nimmt räumliche Gestalt an

Dann spricht man von einem Protein!

Primärstruktur: =Reihenfolge der AS (oder auch Aminosäuresequenz)

-ist festgelegt durch Peptidbindungen (Atombindung)

Sekundärstruktur: =räumliche Gestalt eines Proteins:

-Helix-Struktur = ein Stück der Polypeptidkette wird schraubig angeordnet

-Faltblatt-Struktur = ein Stück der Polypeptidkette tritt mit einem anderen Teilstück über

Wasserstoffbrückenbindungen in Wechselwirkung und bildet zick-zack verlaufendes Band

Tertiärstruktur: -Raumgestalt der Polypeptidkette ; hier herrschen van-der-Waals-Kräfte

Quartärstruktur: - mehrere Polypeptidketten verbinden sich zu einer Einheit, z.B. Hämoglobin

Kohlenhydrate

:

Monosaccharide

Oligosaccharide

Polysaccharide

(einfache Kohlenhydrate)

(2-10 Monosaccharide)

(10 und mehr )

Bsp: Glucose &

Bsp: Maltose

Bsp: Stärke &

Fructose

Cellulose

Allgemeine Summenformel: Cn(H²O)m

Monosaccharide

Eigenschaften und Molekülbau vom Monosaccharid Glucose:

-gehört zu Aldohexosen (6 C Atome und Aldehydgruppe)

-Glucose gibt es in Kettenform (Hydroxylgruppe + Aldehydgruppe enthalten und

Ringform (nur Hydroxylgruppen)

-spielt eine ganz zentrale Rolle im Stoffwechsel

-direktes Vorkommen in Honig, Früchten und im Blut

-süß, energiereich, weiss, kristallin, fest, gut löslich in Wasser

-Glucose ist ein entscheidendes Produkt der Photosynthese

-wird von grünen Pflanzen hergestellt

-vom Mensch über Nahrung aufgenommen

-Mitochondrien bauen Glucose ab bei Atmung

Nachweis:

Fehlingsche Lösung 1 (=Kupfersulfat) und 2 mischen und mit Glucoselösung

erhitzen

Ziegelroter Niederschlag

Weitere Monosaccharide...

Name

Bedeutung/ Vorkommen

Fructose

-Im Stoffwechsel erst nach Umbau in Glucose verwertbar

-in Früchten

Galactose

-Im Stoffwechsel erst nach Umbau in Glucose verwertbar

-Bestandteil von Milchzucker (Lactose)

-Vorkommen in Milch

Ribose

-Bestandteil der RNA

-im Stoffwechsel aus Glucose gebildet

Desoxiribose

-Bestandteil der DNA

-aus Glucose gebildet

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Disaccharide

Bestehen aus 2 Monosacchariden und können durch Hydrolyse in 2 Monosaccharid-moleküle

gespalten werden.

Maltose:

-besteht aus 2 Glucosemolekülen

-ist der Grundbaustein von Stärke und Glycogen

-Ausgangsprodukt zur Bierherstellung

-auch Malzzucker genannt

Saccharose:

-besteht aus 1 Glucose- und ein Fructosemolekül

-in Rüben oder Zuckerrohr

-kann vom tierischen Organismus nicht synthetisiert werden

-Nahrungsmittel und zur Konservierung

Lactose:

Polysaccharide

(Mehrfachzucker)

-kommen besonders als Speicherstoffe in Zellen vor

-z.B. Glycogen, Stärke, Cellulose, Chitin

Stärke:

-viele Glucosemoleküle sind miteinander verknüpft, dabei entsteht

Makromolekül

-Wichtigster pflanzlicher Reservestoff

-Stärke hat 2 Bestandteile: Amylose und Amylopektin

-in Getreidekörnern und Kartoffelknollen

-Nachweisbar mit Iodkaliumiodidlösung (gelb)

blauschwarze Färbung

-Stärke quillt auf mit wasser, löst sich aber nicht

Lipide

-sind fettartige Stoffe

-Fette sind Ester des dreiwertigen Alkohols Glycerin

Ester werden gebildet aus Alkohol und Carbonsäuren

-Fette können gesättigte (nur Einfachbindungen z.B. Palmitinsäure) oder ungesättigte (

Doppelbindungen, z.B. Ölsäure oder Linolsäure) Fettsäuren enthalten

-Fette können durch Enzyme im Verdauungssystem durch Gallensaft abgebaut werden

-Bedeutung: Energiespeicher/ Reservestoff

-wichtige Lipide sind Neutralfette, Steroide und Phosphorlipide

-unlöslich in Wasser

Nachweis : Fettfleckprobe

Polare Lipide: haben einen wasserfreundlichen Teil und einem Wasserfeindlichen teil

Nucleinsäuren

-deren Bausteine sind Nucleotide (1 Phosphorsäuremolekül + 1 Zucker + 1 der4 organ.Basen)

-Nucleinsäuren sind Polynucleotidketten, in denen durch festgelegte Aufeinanderfolge von

Purin- und Pyrimidinbasen Erbinfos verschlüsselt sind.

Es gibt 2 Hauptgruppen: DNS und RNS (unterscheiden sich in Zuckeranteil und Funktion)

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Porphyrine

=Farbstoffe, deren Moleküle 4-Pyrrolringe enthalten

-z.B. Hämoglobin und Chlorophyll und Cytochrome

-haben hohe biologische Aktivität

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