Stoffwechselphysiologie - [Einführung / Zusammenfassung, 1/3] - Abitur [Biologie, Oberstufe]
TeacherToby
https://www.youtube.com/watch?v=-JADQn30hCg

Transkript (automatisch erstellt)

0:01 [musik] In diesem und in den nächsten zwei Videos geht es um das Inhaltsfeld
0:11 Stoffwechselphysiologie, das im Fach Biologie thematisiert wird und ebenso Abiturrelevant ist. Bei Bedarf kommen
0:18 gerne noch Videos mit konkreten Klausuraufgaben zu diesem Inhaltswert. Diese drei Videos dienen lediglich als
0:24 Grundlagenvideos. Sie sollen sowohl als Einführung als auch Zusammenfassung wesentlicher Inhalte des Themengebietes
0:31 dienen und relevante Fachbegriffe erläutern. Komplexere Sachzusammenhänge zu einzelnen Inhalten werden in weiteren
0:38 Videos behandelt. Auch ein Blick auf die inhaltlichen Schwerpunkte hier. Der Auszug aus dem Kernlehrplan für das
0:45 Bundesland NRW offenbart die enorme Vielzahl an Themen innerhalb dieses Inhaltsweldes. Im Allgemeinen gibt es
0:53 drei inhaltliche Schwerpunktsetzungen. Einerseits sollen die grundlegenden Zusammenhänge bei Stoffwechselwegen
0:58 gelernt werden. Die zweite Schwerpunktsetzung thematisiert den aufbauenden Stoffwechsel und zwar am
1:04 Beispiel der Fotosynthese, deren Grundlagen sowie ihr Prozess im Einzelnen äußerst detailliert gelernt
1:10 werden müssen. Der abbauende Stoffwechsel wird thematisiert am Beispiel des vollständigen
1:16 Glucoseabbaus, auch Zellatmung genannt. Die entscheidende Frage, der hier nachgegangen wird, ist wie können wir
1:22 die in den chemischen Verbindungen der Glucose steckende Energie, die wir über unsere Nahrung aufnehmen, nutzen? Drei
1:29 Stoffwechselprozesse spielen für das Einfangen der Energie aus der Glucose eine entscheidende Rolle. Die Glykolyse,
1:36 die Zellatmung und die Gehrung. In diesem Video konzentrieren wir uns auf die grundlegenden Zusammenhänge bei
1:43 Stoffwechselwegen, während in den nächsten Videos die Stoffwechselprozesse der Fotosynthese und der Zellatmung im
1:49 Fokus stehen. Altstoffwechsel. Auch Metabolismus genannt bezeichnet man die Gesamtheit aller in einem Organismus zu
1:57 einem bestimmten Zeitpunkt ablaufenden chemischen Reaktionen. Und das sind so einige, wie auch dieses Bild hier
2:04 verrätt. Stoffwechselreaktionen finden dauernd in unserem Körper statt und sind auch immer mit Energieumwandlung
2:11 verknüpft. Auf molekularer Ebene gehen Energieumwandlung immer mit chemischen Veränderungen einher, wobei Energie
2:19 entweder durch das Verknüpfen chemischer Bindungen gespeichert wird oder durch ihre Spaltung freigesetzt wird. Hier
2:26 kommen die zentralen Begriffe Anabolismus und Katabolismus ins Spiel. Anabolismus ist der aufbauende
2:32 Stoffwechsel. Hierbei werden kleinere Moleküle miteinander verknüpft, sodass größere Moleküle entstehen. Ganz
2:38 wichtig, anabolische Reaktionen benötigen Energie, um ablaufen zu können. Wenn sie Energie benötigen, um
2:44 ablaufen zu können, dann heißt es nichts anderes als dass sie Energie verbrauchen, wenn sie ablaufen.
2:50 Anabolische Reaktionen, die freie Energie verbrauchen, bezeichnet man auch als endagonisch. Ein Begriff, den ich im
2:57 hier oben rechts verlinkten Video genauer thematisiert habe. Die Ausgangsstoffe, die sogenannten
3:02 Reaktanten oder auch Edukte werden im Laufe ihrer Reaktion verbraucht und in ein Produkt bzw. Produkte umgewandelt,
3:09 die energiereicher sind. Und damit das Produkt sein entsprechend hohes Energieniveau erreicht, muss Energie
3:16 zugeführt werden. Man kann sich anabole Reaktionen bildlich wie das hinauf befördern eines Balls auf einen Berg
3:22 vorstellen. Ähnlich wie ein Ball nicht von Selbstberg aufrollen kann und man dafür Energie aufbringen muss, wird auch
3:29 die Zufuhr von Energie benötigt, um anabole Prozesse anzutreiben. Sie laufen nicht freiwillig ab. Ein solches
3:36 Beispiel für einen anabolen Stoffwechselweg ist z.B. wie die Photosynthese, die später in ihren
3:42 Grundzügen dargestellt wird. Katabolle Reaktionen hingegen bauen größere komplexe Moleküle zu kleineren Molekülen
3:49 ab. Im Gegensatz zu den anabolen Reaktionen wird hier also die in den chemischen Verbindungen gespeicherte
3:56 Energie freigesetzt. Reaktionen, bei denen Energie freigesetzt wird, bezeichnet man auch
4:01 als hexagonische Reaktion. Ein Teil der freigesetzten Energie steht dem Organismus nicht für weitere
4:08 Stoffwechselreaktion zur Verfügung, weil diese in Wärmeenergie umgewandelt wird. In diesem Kontext spricht man von einer
4:14 Energieentwertung. Der vollständige schrittweise Abbau von Glucose, den man Zellatmung schreibt,
4:21 gibt es ein solcher kataboler Stoffwechselweg. Die bei diesen Reaktionen frei gewordene Energie kann
4:28 wiederum dazu genutzt werden, um neue chemische Verbindungen zu bilden. Der universelle Energieträger ATP Adenosphat
4:37 fungiert dabei als Art Energiewährung. Energie, die im Katabolismus frei wird, wird in ATP gespeichert und kann im
4:45 Anabolismus wieder genutzt werden. Es wird also deutlich, dass anabole und katabole Reaktionen meist miteinander
4:53 verknüpft sind. beispielsweise wird die Energie, die über den Katabolismus beim Abbau von Glucose freigesetzt wird, dazu
4:59 verwendet, anabolische Reaktionen, wie z.B. die Synthese von Fetten anzutreiben. Das ist übrigens auch der
5:05 Grund, warum man beginnt Fett einzulagern, wenn die Menge der mit dem Essen aufgenommenen chemischen Energie
5:12 den Energiebedarf übersteigt. Erinnern wir uns an das Beispiel mit dem Ball. Eine hexagonische katabolische
5:19 Reaktion kann man sich bildlich mit einem Ball vergleichen, der einen Hang herunterrollt. Ebenso wie der Ball
5:27 hinunter rollt und dabei Energie freigesetzt wird, wird bei einer hexagonischen Reaktion, die freiwillig
5:32 und spontan ablaufen kann, Energie freigesetzt. Das liegt daran, dass die Reaktanten Produkte bilden, die weniger
5:39 freie Energie besitzen. Wir haben bis hierhin so viel über Energie geredet, dass wir uns zurecht die Frage stellen
5:45 können, woher stammt die Energie eigentlich, die es gewährleistet, sämtliche Stoffwechselreaktionen
5:51 voranzutreiben und auch aufrecht zuerhalten? Alle lebenden Systeme benötigen externe
5:57 Energiequellen. Die primäre Energiequelle der Pflanzen, um körpereigene Stoffe aufzubauen, ist die
6:02 Solarstrahlung der Sonne. Autotrophe Organismen wie Pflanzen sind in der Lage, alle lebensnotwendigen organischen
6:09 Stoffe selbst herzustellen. Und Pflanzen, die dazu die Sonnenenergie nutzen, bezeichnet man als
6:15 Fotoautotroph. Im Gegensatz dazu ernähren sich alle Tiere und damit auch wir Menschen
6:20 heterotrophen. Wir benötigen organische Stoffe, um Stoffwechselergie und Biomasse aufbauen zu können. Wir
6:27 Menschen gewinnen unsere Energie aus der in unserer Nahrung steckenden chemischen Energie. Sowohl die in unserer Nahrung
6:35 enthaltene Energie als auch die Energie von der Solarstrahlung der Sonne muss umgewandelt werden, damit sie für die
6:42 Zellen von Pflanzen und Tieren nutzbar wird. Im Gegensatz zu der Frage, woher die
6:49 Energie stammt, ist die im unterrichtlichen Kontext viel relevantere Frage, jedoch, wie wird
6:54 diese Energie in eine für die Pflanze bzw. für die Tiere nutzbare Energieform umgewandelt?
7:02 Wie wird die Energie freigesetzt, bevor sie in ATP gespeichert wird? Eine zentrale Rolle spielen hierbei
7:09 Redox Reaktionen. Einerseits kann Energie durch die schrittweise Oxidation von
7:14 energiereichen organischen Molekülen entlang von Stoffwechselwegen etwa beim Glucoseabbau in der Zellatmung
7:21 freigesetzt werden. Dabei entstehen mit Kohlenstoffdioxid und Wasser Nprodukte, die deutlich Energieärmer sind als
7:29 Glucose als Ausgangsstoff. Im Laufe des Abbaus wird also ein Großteil der in Glucose steckenden Energiemenge
7:36 freigesetzt. Die Energiefreisetzung beruht darauf, dass Glucose im Verlauf des Abbaus durch
7:43 verschiedene Redoxreaktionen oxidiert wird und dabei seine Elektronen und damit ein Teil seiner Energie auf andere
7:50 Moleküle überträgt. Andererseits kann Energie aus Konzentrations und Ladungsunterschieden
7:58 von Substanzen an Membranen stammen. Solche elektroschemischen Gradienten entstehen nicht spontan, sondern werden
8:05 durch Redox Reaktion aufgebaut. Bei einer Reduktionsoxidationsreaktion oder kurz einfach nur Redoxreaktion
8:13 werden, wie schon eben angedeutet Elektronen von einem Molekül auf ein anderes übertragen und dabei auch
8:20 Energie. Die Reduktion ist die Aufnahme von Elektronen durch ein Atom, Ion oder Molekül. Die Oxidation ist die Abgabe
8:29 von Elektronen. Beide Prozesse sind miteinander gekoppelt als Redoxpar. Wird eine Substanz oxidiert, werden ihre
8:36 Elektronen auf eine andere Substanz übertragen, die dadurch reduziert wird. Auch wenn die Oxidation im engeren
8:44 chemischen Sinne die Abgabe von Elektronen bezeichnet, in der Biologie kann man den Begriff hingegen auch für
8:50 die Abgabe von Wasserstoffatomen verwenden, weil die Abgabe von Wasserstoffatomen auch stets mit einer
8:57 Elektronenübertragung einhergeht. Glucose gibt während seiner Oxidation also Wasserstoffatome und damit
9:05 Elektronen ab. Durch die Abgabe von Wasserstoffatomen wird es oxidiert, wohingegen Moleküle, die
9:11 Wasserstoffatome aufnehmen, reduziert werden. Mit der Abgabe dieser Wasserstoffatome sinkt das Energieniveau
9:18 des Moleküls, da die Elektronen aus Vergleichsweise energiereichen Bindungen entfernt und auf andere Moleküle
9:25 übertragen werden. Mit jeder während der Zellatmung stattfindenden Redoxreaktionen wird Glucose
9:32 schrittweise oxidiert, indem es Elektronen abgibt und Energieärmer wird. Die freigesetzte Energie kann auf zwei
9:41 unterschiedliche Weisen genutzt werden. Einerseits kann sie direkt zur Bildung von ATP genutzt werden. Andererseits und
9:49 weitaus häufiger wird sie in Form von reduzierten Elektronenträgern gespeichert und später über den Aufbau
9:56 eines elektroschemischen Gradienten zur Bildung von ATP verwendet. Fassen wir das bis hierin kurz zusammen. Der
10:04 Stoffwechsel bezeichnet die Gesamtheit aller in einem Organismus zu einem bestimmten Zeitpunkt ablaufenden
10:09 chemischen Reaktion. Dabei kann es sich entweder um anabolische Reaktionen handeln, die Energie benötigen oder um
10:15 katabolische Reaktionen, die Energie freisetzen. Ein Beispiel für einen anabolen Stoffwechselweg ist die
10:20 Fotosynthese. Hier wird Energie benötigt und zwar die Energie der Solarstrahlung der Sonne, die gespeichert wird in den
10:28 chemischen Verbindungen der Glucose. Ein Beispiel für einen Katabulenstoffwechselweg ist die
10:33 Zellatmung, bei der Glucose abgebaut wird. Es handelt sich also um den umgekehrten Prozess. Hier wird Glucose
10:40 nicht gebildet, sondern wird abgebaut, indem Glucose oxidiert wird. Es wird keine Energie benötigt, sondern welche
10:48 freigesetzt. Egal, ob es sich um die Fotosynthese als Anabolen oder die Zellatmung als
10:53 Katabolen Stoffwechselweg handelt, im unterrichtlichen Kontext spielt dabei ein und dieselbe Frage eine zentrale
10:59 Rolle. Wie wird die Energie, die Pflanzen und Tiere aufnehmen, in eine für sie nutzbare Energieform
11:05 umgewandelt? Die Antwort auf diese Frage erfordert eine detaillierte Betrachtung der molekularen Vorgänge bei der
11:11 Fotosynthese und der Zellatmung, die in den nächsten Videos folgen. Ihr werdet in diesen Videos immer wieder sehen,
11:17 dass die Umwandlung in eine für die Zelle nutzbare Energieform durch folgende Grundprinzipien erfolgt.
11:24 Stoffwechselreaktionen sind an Energieumwandlung geknüpft und Redoxreaktionen spielen dabei eine
11:30 wesentliche Rolle, weil diese Elektronen und damit Energie übertragen. Energie, die entweder für die Synthese
11:38 von ATP genutzt wird oder in Form von reduzierten Elektronenträgern gespeichert und später über den Aufbau
11:45 eines elektroschemischen Gradienten zur Bildung von ATP verwendet werden. Wie bereits erwähnt sind Reduktion und
11:51 Oxidation miteinander gekoppelt. Wenn ein Molekül wie Glucose also Elektronen, im biologischen Sinne Wasserstoffatome
11:58 abgibt, dann muss es auch ein Molekül geben, dass diese Elektronen aufnimmt. In diesem Kontext kann Molekül
12:06 Nikotinamid Adenin Dinukleotid oder kurz NAD+ eine große Bedeutung beigemessen werden. Dieses Molekül fungiert in
12:15 Redoxreaktion nämlich als Elektronenüberträger und auch als Transportmolekül.
12:21 ND liegt in zwei chemisch verschiedenen Formenformen. Einmal als oxidiertes Molekül NAD+ und einmal in reduzierter
12:30 Form als NADH. [musik] Beide Formen nehmen an biologischen Redoxreaktionen teil. Wenn ein Molekül
12:37 oxidiert wird und seine Wasserstoffatome und damit seine Elektronen abgibt, hier gekennzeichnet durch den blauen Pfeil,
12:44 dann kann ein Proton, also ein positiv geladenes Wasserstoffatom und zwei Elektronen auf NAD+ übertragen werden,
12:52 [musik] welches dadurch zu NADH reduziert wird. Ein Proton und zwei Elektronen werden
12:59 auf die Ringstruktur von ND+ übertragen. Indem NRDH später wieder zu ND+ oxidiert wird, transferiert es die beiden
13:09 Elektronen auf ein anderes Molekül, das auf diese Weise reduziert wird. Zwar sind das Reduktionsmittel zwei einzelne
13:16 Wasserstoffatome, aber weil nur eins chemisch gebunden wird und ein weiteres freigesetzt wird, findet ihr häufig auch
13:24 die Schreibweise NADH + H+. NDH ist ein häufiger, aber nicht der einzige Elektronüberträger in der Zelle. Auch
13:33 Flavinadeninukleotid Fald wird euch als solches Molekül während der Zellatmung begegnen.
13:42 Erinnert euch daran, dass wir immer noch bei der Frage sind, wie die extern aufgenommene Energie in eine für die
13:48 Zelle nutzbare Energieform umgewandelt wird. Wir wissen, dass ein Teil der bei der während der Oxidation
13:54 freiwererdenden Energie direkt für die Synthese von ATP genutzt wird und der weitaus größere Teil der Energie in Form
14:00 von reduzierten Elektronenträgern wie NADH und FADH2 gespeichert wird. Diese in den Elektronenträgern
14:09 gespeicherte Energie muss also auf irgendeine Art und Weise wieder freigesetzt werden, um anschließend auf
14:15 ATP transferiert werden zu können. Die Oxidation von NDH zu ND+ ist starkonisch.
14:23 Der Lehrbuchklassiker PVS schreibt: "Sie in einem Schritt ablaufen zu lassen wäre vergleichbar mit der Zündung einer
14:30 Sprengladung in der Zelle. Dieses Problem wird gelöst durch eine Vielzahl hintereinander geschalteter
14:36 Proteine, sogenannter Proteinkomplexe, die als Elektronencarrier fungieren und diese aufnehmen und reduziert und
14:44 abschließend wieder abgeben und dadurch oxidiert werden. So wird ein kleiner Teil der in den Elektronespeicherten
14:52 Energiemenge in jeder Einzelreaktion freigesetzt, was eine schrittweise und kontrollierte Energiefreisetzung
15:00 gewährleistet. Sowohl bei der Fotosynthese als auch bei der Zellatmung läuft dieser Mechanismus
15:06 ab. Einmal in Form der Elektronentransportkette und einmal als Atmungskette. Wie in den
15:12 nächsten Videos deutlich wird, die Energie, die freigesetzt wird durch einen solchen Elektronenfluss, kann
15:18 genutzt werden für die Synthese von ATP. ATP wird dabei auch nicht direkt gebildet, sondern indirekt über den
15:26 Offbau eines elektroschemischen Gradienten. Elektrochemische Gradienten bilden sich
15:31 entlang von Membranen aus und zwar an Biomembranen derjenigen Zellorganellen, die für die Energiegewinnung der Zelle
15:38 zuständig sind. Bei tierischen Zellen sind das die Mitochondrien bei den pflanzlichen Zellen Mitochondrien und
15:44 Chloroplasten. Die durch den Elektronenfluss freigesetzte Energie kann den Transport
15:49 einer Substanz vorantreiben, die gegen ihr Konzentrationsgefälle vom Ort der niedrigeren Konzentration
15:55 zum Ort, wo sie höher konzentriert vorliegt, transportiert wird. Diese Form des aktiven Transports ist
16:03 energieauffwendig und damit ergonisch und diese Energie stammt aus dem Elektronfluss. Beispielsweise baut sich
16:11 ein solcher elektroschemischer Gradient bei der Zellatmung an der inneren Mitochondrienmembranen aus. Protonen,
16:18 das heißt positiv geladene Wasserstoffionen werden aktiv aus der Mitochondrien Matrix durch die Membran
16:24 in den Intermembranraum gepumpt. Immer mehr Wasserstoffprotonen gelangen so durch die Membran und reichern sich
16:32 im Intermembranraum an. Weil sich dort nun deutlich mehr Protonen befinden als auf der anderen Seite, spricht man von
16:39 einem Konzentrationsgradient oder Protongradient. Gradient als Synonym für Unterschied. Aufgrund der positiven
16:46 Ladung der Protonen führt der Protonentransport nicht nur zu einem Konzentrationsgradienten auf beiden
16:52 Seiten der Membran, sondern auch zu einer Änderung der elektrischen Ladung und damit zum Aufbau einer elektrischen
16:58 Spannung. Durch die positive Ladung der Wasserstoffatome ist der Intermembranraum positiver geladen als
17:05 die Mitochondrienmatrix. Konzentrationsgradient und elektrischer Gradient werden zusammengefasst als
17:12 elektremischer Gradient und dieser bietet eine mengefreie Energie, die man auch als Protonmotorische Kraft
17:19 bezeichnet. Weil die hydrophobe Lipid Doppelschicht der Membran für Protonen nicht durchlässig ist, kann sich die
17:26 Energie der protonmotorischen Kraft nicht einfach entladen, indem die Protonen durch diese
17:31 hindurchdeffundieren. Diese Möglichkeit schafft das Enzym ATP Syntase, durch die Protonen mit bzw.
17:39 entlang ihres elektroschemischen Gradienten diffundieren können. Gleichzeitig koppelt das Enzym den
17:46 Protonenrückfluss an die Synthese von ATP. Genauer erklärt im hier oben rechts verlinkten Video. Dieser
17:54 Kopplungsmechanismus von Protonmotorischer Kraft und ATP-Synthese bezeichnet man auch als Chemiosmose. Zu
18:00 guter Letzt sei noch erwähnt, dass an den einzelnen Stoffwechselreaktionen Enzyme beteiligt sind und diese können
18:06 regulatorisch auf die Geschwindigkeit der einzelnen Reaktionen wirken. Wenn ein bestimmter Stoff in ausreichender
18:13 Konzentration verfügbar ist in der Zelle, dann wäre es für die Zelle energetisch äußerst ineffizient,
18:20 weiterhin diesen Stoff zu synthetisieren, den sie nicht braucht. Es stehen zahlreiche Mechanismen zur
18:26 Verfügung, wie regulatorisch in Stoffwechselprozesse eingegriffen werden kann. Beispielsweise kann die Menge des
18:32 aktiven Enzyms verändert werden oder die Synthese eines Produktes führt dazu, dass es denselben Stoffwechselweg hämmt.
18:40 Ein Prozess, [musik] den man als Endprodukthem bezeichnet. An dieser Stelle seht ihr einmal grundlegende
18:45 Zusammenhänge bei Stoffwechselwegen zusammengefasst. Ihr werdet in den nächsten Videos, in denen vor allem die
18:52 Zellatmung als auch die Fotosynthese als zwei Stoffwechselprozesse vorgestellt werden, sehen, dass sämtliche dieser
18:58 Zusammenhänge sich dort wiederfinden lassen. Die Kenntnis dieser bis hierhin besprochenen Grundlagen vereinfacht das
19:05 Verständnis für die Fotosynthese und für die Zellatmung also ungemein. He.