Biologie-1-Stoffwechsel des Menschen.pdf - Kaaas54.kilu.de

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Stoffwechsel des Menschen

1. RRL-Baustein: Zellatmung und Gärung

Bau und Funktion von Mitochondrien

EM-Bild Mitochondrium

Schematisches Bild Mitochondrium

Funktion

kommen gehäuft in Zellen mit hohem Energiebedarf vor, z.B. in Muskelzellen

sind Orte der Zellatmung

„Kraftwerke“ der Zelle

Kompartimentierung: Schaffung von Reaktionsräumen innerhalb einer Zellorganelle durch

Membranen. Mitochondrien besitzen zwei Membranen, somit zwei Kompartimente. Das

innere Kompartiment heißt Matrix

Struktur-Funktionsbeziehung: Die innere Membran ist gefaltet. Somit entsteht eine größere

Oberfläche auf kleinem Raum und es kann seine Funktion besser erfüllen, indem mehr ATP-

Synthasen Platz haben.

Die Endosymbiontenhypothese

Die Endosymbiontentheorie besagt, dass in einer frühen Phase der Evolution der

Eukaryoten (also aller höheren Organismen) prokaryotische Zellen (d.h. Bakterien und

mikroskopische Algen) durch Endozytose in voreukaryotische Urzellen aufgenommen

wurden und in diesen den Status von Organellen erlangt haben.

Belege für die Endosymbiontentheorie am Beispiel von Mitochondrien und Plastiden

Mitochondrien und Plastide

...mit 2-8μm in etwa gleiche Größe wie Prokaryoten (1-10 μm)

...von zwei Biomembranen umgeben, wobei die äußere weist Merkmale einer

Eukaryotenmembran und die innere einer Prokaryotenmembran auf.

…besitzen eine eigene ringförmige und „nackte“ DANN (prokaryotentypisch)

… besitzen eigene, prokaryotentypische Ribosomen (70S)

… vermehren sich eigenständig durch Querteilung

…haben haploide Erbinformationen, die der Wirtszelle sind diploid


- Wirtszellen nutzen Stoffwechselprodukte der Mitochondrien und Plastiden, letztere Nutzen

den konkurrenzärmeren, nährstoffreicheren und insgesamt günstigeren Lebensraum.

- Proteinbiosynthese der Mitochondrien und Plastiden wird durch gleiche Antibiotika

verhindert wie bei Prokaryoten.

- In Chloroplasten befinden sich die gleichen Chlorophyll-Moleküle wie in Cyano-Bakterien.

- Rezente Endosymbiosen sind häufig (z.B. Steinkorallen.

Aerober Abbau von Glucose


Anm.: Da 2 mol Pyruvat entstehen, muss der Citratzyklus bei der quantitativen Betrachtung zweimal

durchlaufen werden.

Die lilanen Punkte sind Enzyme, die im nachfolgenden bei der Regulation erwähnt werden.

Die grünen Reaktionen sind endergonische Reaktionen, bei denen energiereiche Stoffe aufgebaut

wurden.

Die roten Reaktionen sind exergonische Reaktionen, bei denen energiereiche Stoffe abgebaut

wurden.


- Redoxsysteme übertragen Elektronen aufeinander und schließlich auf Sauerstoff

- Dieser Elektronentransport ist immer mit H + -Ionentransport in den Intermembran

raum gekoppelt (dadurch sinkt dort der pH-Wert

- Redoxreaktionen zwischen NADH+H + und Sauerstoff setzen Energie frei, die die

Bildung von 3 mol ATP ermöglichen, die zwischen FADH2 und Sauerstoff 2 mol ATP

Wie wird aus der freigewordenen Energie

ATP synthetisiert?

Durch ATP-Synthase, die den Protonenstrom

ausnutzt. Nach jedem Schritt dreht sich der

Komplex um 120° (durch den Protonenstrom)

1. Eine Bindungstelle nimmt ADP und Pi auf.

2. Anlagerung der Protonen bewirkt

Verformung→ ADP und Pi rücken so eng

aneinander, das sie sich zu ATP verbinden.

3. Weitere Drehung bewirkt Freisetzung des

ATP

Den Vorgang nennt man chemiosmotische

Phosphorylierung

Anaerober Abbau von Glucose

Die Glukolyse kommt zum erliegen, wenn alle NAD + -Ionen reduziert worden sind. Daher ist

in der Gärung eine Oxidation der NADH+H + -Ionen erforderlich.

Milchsäuregärung: Joghurt, Dickmilch, Sauerrahmkäse

Alkoholische Gärung: Hefeteig, Bier- bzw. Weinherstellung


Regulation der Stoffwechselprozesse

Um die Stoffwechselprozesse dem Sauerstoffangebot anzupassen sind zunächst zwei

Vorgänge nötig:

1. Glucose-Verbrauch muss dem ATP-Bedarf angepasst werden (Pasteur-Effekt)

2. Folgereaktion von Pyruvat muss geändert werden.

1. Glucose-Verbrauch Regulation durch Phosphorfuctokinase (PFK)

- PFK hat allosterische Zentren für Citrat, ADP/AMP und ATP

- Läuft Gärung ab: wenig ATP wird produziert, also viel ADP, ADP regt PFK an

→ Glukoseabbau wird gefördert

- Läuft Endoxidation ab: viel ATP wird produziert, ATP hemmt PFK

→ Glukoseabbau wird gehemmt

2. Anpassung an Sauerstoffangebot durch NADH+H +

- Pyruvat-Dehydrogenase hat allosterisches Zentrum für NAD + und NADH+H +

- Sauerstoffmangel: NADH+H + kann nicht in der Endoxidation reduziert werden

- NADH+H + - Überschuss → Hemmt Pyruvat-Dehydrogenase, stoppt Citratzyklus

- Pyruvat-Decarboxylase (Gärung) braucht für eine signifikante Enzymaktivität eine hohe

NADH+H + - Konzentration

Stoff- und Energiebilanz

C6H12O6 + 2 NAD + + 2 ADP + 2 Pi → 2 Pyruvat + 2 NADH+2H + + 2 ATP

2 Pyruvat + 2 NAD + + 2 CoA-SH + 2 H + → 2 Acetyl-CoA + 2 NADH+2H + + 2 CO2

2 Acetyl-CoA + 6 NAD + + 2FAD + 6 H2O + 2 GDP+2Pi + 2H + → 4 CO2 + 6 NADH + 6H + + 2

FADH2 + 2 CoA-SH+ 2 H + + 2 GTP

10 NADH + 10H + + 2 FADH2 + 6 O2 + 34 ADP + 34Pi → 10 NAD + + 2 FAD + 34 ATP + 12 H2O

C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O → 6 CO2 + 12 H2O (Gesamtbilanz)


Glykolyse

Ox. Decarboxylierung

Citratzyklus

Gesamt

Wirkungsgrad =

2 NADH+2H +

2 ATP

2 NADH+2H +

6 NADH+2H +

2 FADH2

2 GTP

chemisch gebundene Energie

frei gewordene Energie

=

Beim Transport der, bei der Glykolyse

entstandenen elektronen von Cytoplasma in

Mitochondirenmatrix: -2 ATP

Verbleibend: 36 ATP

Bei der reinen Oxidation von Glykolyse wird 2870

kJ/mol frei.

36 mol ATP

kJ

∙ 30,5

1 mol Glucose mol

2870 kJ

mol

= 38%

2. RRL-Baustein: Spezielle Aspekte des Energieumsatzes

Energetische Koppelung

3. RRL-Baustein: Sportbiologie

6 ATP

2 ATP

6 ATP

18 ATP

4 ATP

2 ATP

38 ATP

Sauerstoff

Sauerstoffaufnahme, -transport und -abgabe

- O2 wird eingeatmet und gelangt in die Lungenalveolen

- O2 diffundiert passiv durch die Wand der Lungenalveolen ins Blut und wird dort an

das Hämoglobin der Erythrozyten gebunden, da O2 im Blut nicht löslich ist

- O2-reiche Blut vom Herz weiter gepumpt und ermöglicht so weitere Diffusion

- Abgabe des Sauerstoffs: im Gewebe herrscht ein geringer Sauerstoffpartialdruck,

dort wird O2 vom Hämoglobin gelöst und diffundiert in die Zellen (Zellatmung); Hier

wird CO2 ins Blut aufgenommen

Sauerstoffbindungskurven

Myoglobin kann ebenso wie Hämoglobin Sauerstoff binden, kommt aber hauptsächlich im

(Muskel-)Gewebe vor und hat eine höhere Sauerstoffaffinität.

Zur Abb.: An den Kurven erkennt man, das Hämoglobin eine niedrigere

Sauerstoffkonzentration braucht um es zu

binden. Ist das Hämoglobin in den

Kapillaren angekommen, löst es sich (durch

das Konzentrationsgefälle) und diffundiert

in das Gewebe. Dort wird es nun an

Myoglobin gebunden. Da Sauerstoff stärker

an Myoglobin gebunden wird, kommt es

nicht zur Rückdiffusion und das

Konzentrationsgefälle bleibt aufrecht

erhalten.


Muskelaufbau

Muskelkontraktion

Sarkomer sind kontraktile Einheiten des

Muskels

- Troponin: bindet Calcium-Ionen

- Tropomyosin: bindet Myosin

- Actinmonomer: bindet Actin

Funktion des quergestreiften Muskels:

können lange in kontrahierter Fform

bleiben und ermöglichen so eine aufrechte

Körperhaltung

Zur Muskelkontraktion (siehe Bild unten):

Die Kontraktion erfolgt, indem die

Filamente durch reversible Bindung des

Myosins mit dem Aktin aneinander

vorbeigleiten und dabei die Sarkomere

verkürzen


Phasen der Energiebereitstellung

1) ATP aus dem Muskel (geringe

Konzentration, 2s)

2) Kreatinphosphat + ADP = ATP + Kreatin,

für 25s, sofort verfügbar, reicht ca. für 25s; im

Ruhezustand wird Kreatin wieder zu Kreatinphosphat

Glykogen wird durch Enzyme zu Glykose

gespalten, Steigerung von Atemtiefe und Puls

3) ATP wird anaerob durch Milchsäuregärung

gewonnen, bis genügend O2 (durch erh.

Puls) da ist 4) ATP wird aerob gewonnen

Nach Belastung noch längeres Atmen wegen

Sauerstoffschuld

Temperaturregulation beim Menschen, Kybernetik

Den Raum, indem ein Zustand einer

Größe konstant gehalten werden soll,

nennt man Regelstrecke

(Körperkern). Die konstant zu

haltende Größe bezeichnet man als

Regelgröße (Temperatur).

Die Information über den konstant zu

haltenden Wert der Regelgröße nennt

man Sollwert (37°). Die Instanz, die

den Sollwert ausgibt, heißt

Führungsglied (Tagesrythmus,

Emotion, Fieber, Menstruation). Ein

Meßglied (Thermorezeptoren)

registriert laufend den vorliegenden

Wert der Regelgröße in der

Regelstrecke und gibt ihn als Istwert

(Nervenerregung bestimmter Stärke)

verschlüsselt an das Regelglied

(Hypothamalus) weiter. Dort erfolgt

ein Vergleich von Ist und Sollwert.

Hat dagegen eine Störgröße (äußere:

Hitze, Kälte; innere: Arbeit, Sport),

die Regelgröße vom Sollwert

entfernt, liefert das Regelglied eine Meldung an die Stellglieder (Leber, Muskeln,

Schweißdrüsen), die dann anfangen zu arbeiten (bei Hitze: Hautgefäße öffnen sich,

Durchblutung steigt, dadurch Wärme vom Hautinneren an die Haut; dadurch Schweiß, der auf

Haut verdunstet; Kälte: Hautgefäße verengen sich; Blut ins Körperinnere geleitet;

Muskelzittern steigert Wärmeproduktion). Damit die Stellglieder arbeiten können, ist Energie

nötig.