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Stoffwechselphysiologie - [Einführung / Zusammenfassung, 1/3] - Abitur [Biologie, Oberstufe]
Das Wichtigste aus dem Video
Tipp auf eine Zeit – das Video springt genau dorthin.
Transkriptautomatisch erstellt · 168 Zeilen
- [musik] In diesem und in den nächsten zwei Videos geht es um das Inhaltsfeld
- Stoffwechselphysiologie, das im Fach Biologie thematisiert wird und ebenso Abiturrelevant ist. Bei Bedarf kommen
- gerne noch Videos mit konkreten Klausuraufgaben zu diesem Inhaltswert. Diese drei Videos dienen lediglich als
- Grundlagenvideos. Sie sollen sowohl als Einführung als auch Zusammenfassung wesentlicher Inhalte des Themengebietes
- dienen und relevante Fachbegriffe erläutern. Komplexere Sachzusammenhänge zu einzelnen Inhalten werden in weiteren
- Videos behandelt. Auch ein Blick auf die inhaltlichen Schwerpunkte hier. Der Auszug aus dem Kernlehrplan für das
- Bundesland NRW offenbart die enorme Vielzahl an Themen innerhalb dieses Inhaltsweldes. Im Allgemeinen gibt es
- drei inhaltliche Schwerpunktsetzungen. Einerseits sollen die grundlegenden Zusammenhänge bei Stoffwechselwegen
- gelernt werden. Die zweite Schwerpunktsetzung thematisiert den aufbauenden Stoffwechsel und zwar am
- Beispiel der Fotosynthese, deren Grundlagen sowie ihr Prozess im Einzelnen äußerst detailliert gelernt
- werden müssen. Der abbauende Stoffwechsel wird thematisiert am Beispiel des vollständigen
- Glucoseabbaus, auch Zellatmung genannt. Die entscheidende Frage, der hier nachgegangen wird, ist wie können wir
- die in den chemischen Verbindungen der Glucose steckende Energie, die wir über unsere Nahrung aufnehmen, nutzen? Drei
- Stoffwechselprozesse spielen für das Einfangen der Energie aus der Glucose eine entscheidende Rolle. Die Glykolyse,
- die Zellatmung und die Gehrung. In diesem Video konzentrieren wir uns auf die grundlegenden Zusammenhänge bei
- Stoffwechselwegen, während in den nächsten Videos die Stoffwechselprozesse der Fotosynthese und der Zellatmung im
- Fokus stehen. Altstoffwechsel. Auch Metabolismus genannt bezeichnet man die Gesamtheit aller in einem Organismus zu
- einem bestimmten Zeitpunkt ablaufenden chemischen Reaktionen. Und das sind so einige, wie auch dieses Bild hier
- verrätt. Stoffwechselreaktionen finden dauernd in unserem Körper statt und sind auch immer mit Energieumwandlung
- verknüpft. Auf molekularer Ebene gehen Energieumwandlung immer mit chemischen Veränderungen einher, wobei Energie
- entweder durch das Verknüpfen chemischer Bindungen gespeichert wird oder durch ihre Spaltung freigesetzt wird. Hier
- kommen die zentralen Begriffe Anabolismus und Katabolismus ins Spiel. Anabolismus ist der aufbauende
- Stoffwechsel. Hierbei werden kleinere Moleküle miteinander verknüpft, sodass größere Moleküle entstehen. Ganz
- wichtig, anabolische Reaktionen benötigen Energie, um ablaufen zu können. Wenn sie Energie benötigen, um
- ablaufen zu können, dann heißt es nichts anderes als dass sie Energie verbrauchen, wenn sie ablaufen.
- Anabolische Reaktionen, die freie Energie verbrauchen, bezeichnet man auch als endagonisch. Ein Begriff, den ich im
- hier oben rechts verlinkten Video genauer thematisiert habe. Die Ausgangsstoffe, die sogenannten
- Reaktanten oder auch Edukte werden im Laufe ihrer Reaktion verbraucht und in ein Produkt bzw. Produkte umgewandelt,
- die energiereicher sind. Und damit das Produkt sein entsprechend hohes Energieniveau erreicht, muss Energie
- zugeführt werden. Man kann sich anabole Reaktionen bildlich wie das hinauf befördern eines Balls auf einen Berg
- vorstellen. Ähnlich wie ein Ball nicht von Selbstberg aufrollen kann und man dafür Energie aufbringen muss, wird auch
- die Zufuhr von Energie benötigt, um anabole Prozesse anzutreiben. Sie laufen nicht freiwillig ab. Ein solches
- Beispiel für einen anabolen Stoffwechselweg ist z.B. wie die Photosynthese, die später in ihren
- Grundzügen dargestellt wird. Katabolle Reaktionen hingegen bauen größere komplexe Moleküle zu kleineren Molekülen
- ab. Im Gegensatz zu den anabolen Reaktionen wird hier also die in den chemischen Verbindungen gespeicherte
- Energie freigesetzt. Reaktionen, bei denen Energie freigesetzt wird, bezeichnet man auch
- als hexagonische Reaktion. Ein Teil der freigesetzten Energie steht dem Organismus nicht für weitere
- Stoffwechselreaktion zur Verfügung, weil diese in Wärmeenergie umgewandelt wird. In diesem Kontext spricht man von einer
- Energieentwertung. Der vollständige schrittweise Abbau von Glucose, den man Zellatmung schreibt,
- gibt es ein solcher kataboler Stoffwechselweg. Die bei diesen Reaktionen frei gewordene Energie kann
- wiederum dazu genutzt werden, um neue chemische Verbindungen zu bilden. Der universelle Energieträger ATP Adenosphat
- fungiert dabei als Art Energiewährung. Energie, die im Katabolismus frei wird, wird in ATP gespeichert und kann im
- Anabolismus wieder genutzt werden. Es wird also deutlich, dass anabole und katabole Reaktionen meist miteinander
- verknüpft sind. beispielsweise wird die Energie, die über den Katabolismus beim Abbau von Glucose freigesetzt wird, dazu
- verwendet, anabolische Reaktionen, wie z.B. die Synthese von Fetten anzutreiben. Das ist übrigens auch der
- Grund, warum man beginnt Fett einzulagern, wenn die Menge der mit dem Essen aufgenommenen chemischen Energie
- den Energiebedarf übersteigt. Erinnern wir uns an das Beispiel mit dem Ball. Eine hexagonische katabolische
- Reaktion kann man sich bildlich mit einem Ball vergleichen, der einen Hang herunterrollt. Ebenso wie der Ball
- hinunter rollt und dabei Energie freigesetzt wird, wird bei einer hexagonischen Reaktion, die freiwillig
- und spontan ablaufen kann, Energie freigesetzt. Das liegt daran, dass die Reaktanten Produkte bilden, die weniger
- freie Energie besitzen. Wir haben bis hierhin so viel über Energie geredet, dass wir uns zurecht die Frage stellen
- können, woher stammt die Energie eigentlich, die es gewährleistet, sämtliche Stoffwechselreaktionen
- voranzutreiben und auch aufrecht zuerhalten? Alle lebenden Systeme benötigen externe
- Energiequellen. Die primäre Energiequelle der Pflanzen, um körpereigene Stoffe aufzubauen, ist die
- Solarstrahlung der Sonne. Autotrophe Organismen wie Pflanzen sind in der Lage, alle lebensnotwendigen organischen
- Stoffe selbst herzustellen. Und Pflanzen, die dazu die Sonnenenergie nutzen, bezeichnet man als
- Fotoautotroph. Im Gegensatz dazu ernähren sich alle Tiere und damit auch wir Menschen
- heterotrophen. Wir benötigen organische Stoffe, um Stoffwechselergie und Biomasse aufbauen zu können. Wir
- Menschen gewinnen unsere Energie aus der in unserer Nahrung steckenden chemischen Energie. Sowohl die in unserer Nahrung
- enthaltene Energie als auch die Energie von der Solarstrahlung der Sonne muss umgewandelt werden, damit sie für die
- Zellen von Pflanzen und Tieren nutzbar wird. Im Gegensatz zu der Frage, woher die
- Energie stammt, ist die im unterrichtlichen Kontext viel relevantere Frage, jedoch, wie wird
- diese Energie in eine für die Pflanze bzw. für die Tiere nutzbare Energieform umgewandelt?
- Wie wird die Energie freigesetzt, bevor sie in ATP gespeichert wird? Eine zentrale Rolle spielen hierbei
- Redox Reaktionen. Einerseits kann Energie durch die schrittweise Oxidation von
- energiereichen organischen Molekülen entlang von Stoffwechselwegen etwa beim Glucoseabbau in der Zellatmung
- freigesetzt werden. Dabei entstehen mit Kohlenstoffdioxid und Wasser Nprodukte, die deutlich Energieärmer sind als
- Glucose als Ausgangsstoff. Im Laufe des Abbaus wird also ein Großteil der in Glucose steckenden Energiemenge
- freigesetzt. Die Energiefreisetzung beruht darauf, dass Glucose im Verlauf des Abbaus durch
- verschiedene Redoxreaktionen oxidiert wird und dabei seine Elektronen und damit ein Teil seiner Energie auf andere
- Moleküle überträgt. Andererseits kann Energie aus Konzentrations und Ladungsunterschieden
- von Substanzen an Membranen stammen. Solche elektroschemischen Gradienten entstehen nicht spontan, sondern werden
- durch Redox Reaktion aufgebaut. Bei einer Reduktionsoxidationsreaktion oder kurz einfach nur Redoxreaktion
- werden, wie schon eben angedeutet Elektronen von einem Molekül auf ein anderes übertragen und dabei auch
- Energie. Die Reduktion ist die Aufnahme von Elektronen durch ein Atom, Ion oder Molekül. Die Oxidation ist die Abgabe
- von Elektronen. Beide Prozesse sind miteinander gekoppelt als Redoxpar. Wird eine Substanz oxidiert, werden ihre
- Elektronen auf eine andere Substanz übertragen, die dadurch reduziert wird. Auch wenn die Oxidation im engeren
- chemischen Sinne die Abgabe von Elektronen bezeichnet, in der Biologie kann man den Begriff hingegen auch für
- die Abgabe von Wasserstoffatomen verwenden, weil die Abgabe von Wasserstoffatomen auch stets mit einer
- Elektronenübertragung einhergeht. Glucose gibt während seiner Oxidation also Wasserstoffatome und damit
- Elektronen ab. Durch die Abgabe von Wasserstoffatomen wird es oxidiert, wohingegen Moleküle, die
- Wasserstoffatome aufnehmen, reduziert werden. Mit der Abgabe dieser Wasserstoffatome sinkt das Energieniveau
- des Moleküls, da die Elektronen aus Vergleichsweise energiereichen Bindungen entfernt und auf andere Moleküle
- übertragen werden. Mit jeder während der Zellatmung stattfindenden Redoxreaktionen wird Glucose
- schrittweise oxidiert, indem es Elektronen abgibt und Energieärmer wird. Die freigesetzte Energie kann auf zwei
- unterschiedliche Weisen genutzt werden. Einerseits kann sie direkt zur Bildung von ATP genutzt werden. Andererseits und
- weitaus häufiger wird sie in Form von reduzierten Elektronenträgern gespeichert und später über den Aufbau
- eines elektroschemischen Gradienten zur Bildung von ATP verwendet. Fassen wir das bis hierin kurz zusammen. Der
- Stoffwechsel bezeichnet die Gesamtheit aller in einem Organismus zu einem bestimmten Zeitpunkt ablaufenden
- chemischen Reaktion. Dabei kann es sich entweder um anabolische Reaktionen handeln, die Energie benötigen oder um
- katabolische Reaktionen, die Energie freisetzen. Ein Beispiel für einen anabolen Stoffwechselweg ist die
- Fotosynthese. Hier wird Energie benötigt und zwar die Energie der Solarstrahlung der Sonne, die gespeichert wird in den
- chemischen Verbindungen der Glucose. Ein Beispiel für einen Katabulenstoffwechselweg ist die
- Zellatmung, bei der Glucose abgebaut wird. Es handelt sich also um den umgekehrten Prozess. Hier wird Glucose
- nicht gebildet, sondern wird abgebaut, indem Glucose oxidiert wird. Es wird keine Energie benötigt, sondern welche
- freigesetzt. Egal, ob es sich um die Fotosynthese als Anabolen oder die Zellatmung als
- Katabolen Stoffwechselweg handelt, im unterrichtlichen Kontext spielt dabei ein und dieselbe Frage eine zentrale
- Rolle. Wie wird die Energie, die Pflanzen und Tiere aufnehmen, in eine für sie nutzbare Energieform
- umgewandelt? Die Antwort auf diese Frage erfordert eine detaillierte Betrachtung der molekularen Vorgänge bei der
- Fotosynthese und der Zellatmung, die in den nächsten Videos folgen. Ihr werdet in diesen Videos immer wieder sehen,
- dass die Umwandlung in eine für die Zelle nutzbare Energieform durch folgende Grundprinzipien erfolgt.
- Stoffwechselreaktionen sind an Energieumwandlung geknüpft und Redoxreaktionen spielen dabei eine
- wesentliche Rolle, weil diese Elektronen und damit Energie übertragen. Energie, die entweder für die Synthese
- von ATP genutzt wird oder in Form von reduzierten Elektronenträgern gespeichert und später über den Aufbau
- eines elektroschemischen Gradienten zur Bildung von ATP verwendet werden. Wie bereits erwähnt sind Reduktion und
- Oxidation miteinander gekoppelt. Wenn ein Molekül wie Glucose also Elektronen, im biologischen Sinne Wasserstoffatome
- abgibt, dann muss es auch ein Molekül geben, dass diese Elektronen aufnimmt. In diesem Kontext kann Molekül
- Nikotinamid Adenin Dinukleotid oder kurz NAD+ eine große Bedeutung beigemessen werden. Dieses Molekül fungiert in
- Redoxreaktion nämlich als Elektronenüberträger und auch als Transportmolekül.
- ND liegt in zwei chemisch verschiedenen Formenformen. Einmal als oxidiertes Molekül NAD+ und einmal in reduzierter
- Form als NADH. [musik] Beide Formen nehmen an biologischen Redoxreaktionen teil. Wenn ein Molekül
- oxidiert wird und seine Wasserstoffatome und damit seine Elektronen abgibt, hier gekennzeichnet durch den blauen Pfeil,
- dann kann ein Proton, also ein positiv geladenes Wasserstoffatom und zwei Elektronen auf NAD+ übertragen werden,
- [musik] welches dadurch zu NADH reduziert wird. Ein Proton und zwei Elektronen werden
- auf die Ringstruktur von ND+ übertragen. Indem NRDH später wieder zu ND+ oxidiert wird, transferiert es die beiden
- Elektronen auf ein anderes Molekül, das auf diese Weise reduziert wird. Zwar sind das Reduktionsmittel zwei einzelne
- Wasserstoffatome, aber weil nur eins chemisch gebunden wird und ein weiteres freigesetzt wird, findet ihr häufig auch
- die Schreibweise NADH + H+. NDH ist ein häufiger, aber nicht der einzige Elektronüberträger in der Zelle. Auch
- Flavinadeninukleotid Fald wird euch als solches Molekül während der Zellatmung begegnen.
- Erinnert euch daran, dass wir immer noch bei der Frage sind, wie die extern aufgenommene Energie in eine für die
- Zelle nutzbare Energieform umgewandelt wird. Wir wissen, dass ein Teil der bei der während der Oxidation
- freiwererdenden Energie direkt für die Synthese von ATP genutzt wird und der weitaus größere Teil der Energie in Form
- von reduzierten Elektronenträgern wie NADH und FADH2 gespeichert wird. Diese in den Elektronenträgern
- gespeicherte Energie muss also auf irgendeine Art und Weise wieder freigesetzt werden, um anschließend auf
- ATP transferiert werden zu können. Die Oxidation von NDH zu ND+ ist starkonisch.
- Der Lehrbuchklassiker PVS schreibt: "Sie in einem Schritt ablaufen zu lassen wäre vergleichbar mit der Zündung einer
- Sprengladung in der Zelle. Dieses Problem wird gelöst durch eine Vielzahl hintereinander geschalteter
- Proteine, sogenannter Proteinkomplexe, die als Elektronencarrier fungieren und diese aufnehmen und reduziert und
- abschließend wieder abgeben und dadurch oxidiert werden. So wird ein kleiner Teil der in den Elektronespeicherten
- Energiemenge in jeder Einzelreaktion freigesetzt, was eine schrittweise und kontrollierte Energiefreisetzung
- gewährleistet. Sowohl bei der Fotosynthese als auch bei der Zellatmung läuft dieser Mechanismus
- ab. Einmal in Form der Elektronentransportkette und einmal als Atmungskette. Wie in den
- nächsten Videos deutlich wird, die Energie, die freigesetzt wird durch einen solchen Elektronenfluss, kann
- genutzt werden für die Synthese von ATP. ATP wird dabei auch nicht direkt gebildet, sondern indirekt über den
- Offbau eines elektroschemischen Gradienten. Elektrochemische Gradienten bilden sich
- entlang von Membranen aus und zwar an Biomembranen derjenigen Zellorganellen, die für die Energiegewinnung der Zelle
- zuständig sind. Bei tierischen Zellen sind das die Mitochondrien bei den pflanzlichen Zellen Mitochondrien und
- Chloroplasten. Die durch den Elektronenfluss freigesetzte Energie kann den Transport
- einer Substanz vorantreiben, die gegen ihr Konzentrationsgefälle vom Ort der niedrigeren Konzentration
- zum Ort, wo sie höher konzentriert vorliegt, transportiert wird. Diese Form des aktiven Transports ist
- energieauffwendig und damit ergonisch und diese Energie stammt aus dem Elektronfluss. Beispielsweise baut sich
- ein solcher elektroschemischer Gradient bei der Zellatmung an der inneren Mitochondrienmembranen aus. Protonen,
- das heißt positiv geladene Wasserstoffionen werden aktiv aus der Mitochondrien Matrix durch die Membran
- in den Intermembranraum gepumpt. Immer mehr Wasserstoffprotonen gelangen so durch die Membran und reichern sich
- im Intermembranraum an. Weil sich dort nun deutlich mehr Protonen befinden als auf der anderen Seite, spricht man von
- einem Konzentrationsgradient oder Protongradient. Gradient als Synonym für Unterschied. Aufgrund der positiven
- Ladung der Protonen führt der Protonentransport nicht nur zu einem Konzentrationsgradienten auf beiden
- Seiten der Membran, sondern auch zu einer Änderung der elektrischen Ladung und damit zum Aufbau einer elektrischen
- Spannung. Durch die positive Ladung der Wasserstoffatome ist der Intermembranraum positiver geladen als
- die Mitochondrienmatrix. Konzentrationsgradient und elektrischer Gradient werden zusammengefasst als
- elektremischer Gradient und dieser bietet eine mengefreie Energie, die man auch als Protonmotorische Kraft
- bezeichnet. Weil die hydrophobe Lipid Doppelschicht der Membran für Protonen nicht durchlässig ist, kann sich die
- Energie der protonmotorischen Kraft nicht einfach entladen, indem die Protonen durch diese
- hindurchdeffundieren. Diese Möglichkeit schafft das Enzym ATP Syntase, durch die Protonen mit bzw.
- entlang ihres elektroschemischen Gradienten diffundieren können. Gleichzeitig koppelt das Enzym den
- Protonenrückfluss an die Synthese von ATP. Genauer erklärt im hier oben rechts verlinkten Video. Dieser
- Kopplungsmechanismus von Protonmotorischer Kraft und ATP-Synthese bezeichnet man auch als Chemiosmose. Zu
- guter Letzt sei noch erwähnt, dass an den einzelnen Stoffwechselreaktionen Enzyme beteiligt sind und diese können
- regulatorisch auf die Geschwindigkeit der einzelnen Reaktionen wirken. Wenn ein bestimmter Stoff in ausreichender
- Konzentration verfügbar ist in der Zelle, dann wäre es für die Zelle energetisch äußerst ineffizient,
- weiterhin diesen Stoff zu synthetisieren, den sie nicht braucht. Es stehen zahlreiche Mechanismen zur
- Verfügung, wie regulatorisch in Stoffwechselprozesse eingegriffen werden kann. Beispielsweise kann die Menge des
- aktiven Enzyms verändert werden oder die Synthese eines Produktes führt dazu, dass es denselben Stoffwechselweg hämmt.
- Ein Prozess, [musik] den man als Endprodukthem bezeichnet. An dieser Stelle seht ihr einmal grundlegende
- Zusammenhänge bei Stoffwechselwegen zusammengefasst. Ihr werdet in den nächsten Videos, in denen vor allem die
- Zellatmung als auch die Fotosynthese als zwei Stoffwechselprozesse vorgestellt werden, sehen, dass sämtliche dieser
- Zusammenhänge sich dort wiederfinden lassen. Die Kenntnis dieser bis hierhin besprochenen Grundlagen vereinfacht das
- Verständnis für die Fotosynthese und für die Zellatmung also ungemein. He.
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