Stoffwechsel (Metabolismus) - Biologie online lernen

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Grundbegriffe Stoffwechsel/Metabolismus Aufnahme, Umbau und Abbau von Stoffen im Organismus liefert Bestandteile zum Aufbau körpereigener Stoffe und stellt die Grundlage zur Energiegewinnung der Zelle dar
Grundbegriffe autotrophe Organismen heterotrophe Organismen autotroph = »selbst ernährend« nehmen anorganische, energiearme Stoffe auf und wandeln sie organische, energiereiche Verbindungen um Unterscheidung: Phototrophe: z.B. Pflanzen benutzen Lichtenergie in Kombination mit Kohlendioxid und Wasser, um daraus organische Stoffe herzustellen = Fotosynthese Chemolithotrophe: chemische Energie wird verwendet = Chemolithotrophe heterotroph = »fremd ernährend« organische, energiereiche Stoffe werden aufgenommen → z.B. Tiere, Pilze, Mensch
Grundbegriffe: Stoffwechselvorgänge Assimilation Dissimilation Ernährung Atmung Stofftransport Ausscheidung Aufbau körpereigener Stoffe unter Energieverbrauch Assimilationsvorgänge = anabolische (aufbauende) Reaktionen z.B. Fotosynthese, Chemosynthese Abbau energiereicher Nährstoffe zur Energiegewinnung Dissimilationsvorgänge = katabolische (abbauende) Reaktionen → freigesetzte Energie z.B. Atmung, Gärung Nahrungsaufnahme: Aufnahme der Grundnährstoffe (Kohlenhydrate, Eiweiße, Fette), Mineralstoffe, Vitamine, Wasser Verdauung: Zerlegung der Grundnährstoffe in ihre Bausteine Resorption: Übernahme der aufgenommenen und verdauten Stoffe ins Blut bzw. in die Lymphe Aufnahme von Sauerstoff Transport der aufgenommenen Stoffe ins Körpergewebe Stoffe, die der Körper nicht benötigt/ihm schaden würden, werden aus dem System geschafft
Grundbegriffe Baustoffwechsel Betriebsstoffwechsel Neuaufbau von Zellsubstanz → Wachstum und Erneuerung des Organismus Erhaltung der Lebensfunktionen (bei allen Stoffwechselvorgängen geht ein Teil der Energie als Wärme »verloren«)
Grundbegriffe Katalysatoren Stoffwechselvorgänge laufen sehr langsam ab → Enzyme wirken als Katalysatoren, um sie zu beschleunigen
Proteine und Enzyme: Aminosäuren Bausteine der Eiweiße → können sich zu Ketten verbinden (Peptidbindung) → gefaltete Kette aus Polypeptiden = Eiweiß 20 verschiedene Aminosäuren → unendlich viele Möglichkeiten in der Kombination → zahlreiche verschiedene Proteine 12 Aminosäuren kann der menschliche Körper selbst aufbauen 8 Aminosäuren sind essentiell, sie müssen mit der Nahrung aufgenommen werden gleiche Grundstuktur bei allen Aminosäuren, unterscheiden sich am Rest funktionelle Gruppen: Carboxylgruppe (-COOH) und Aminogruppe (-NH2) Peptidbindung: Carboxylgruppe einer Aminosäure bindet an die Aminogruppe einer anderen Aminosäure
Proteine und Enzyme: Proteinstruktur bei Verknüpfung mit anderen Molekülen Ausdruck durch Vorsilbe (z.B. Lipid = Lipoprotein) Primärstruktur: Abfolge der Aminosäuren (Aminosäurensequenz) → entscheidend für Form & Funktion des Proteins Sekundärstruktur: durch Wasserstoffbrückenbindungen – Fallblattstruktur (Wechselwirkung zwischen zwei Teilstücken → Zickzack-Struktur durch Wasserstoffbrücken, z.B. Seidenproteine von Spinnennetzen) oder Alpha-Helix (Stück der Polypeptidkette durch Wasserstoffbrücken schraubenförmig angeordnet, z.B. Keratin im Haar) Tertiärstruktur: Raumstruktur – entsteht durch hydrophobe Wechselwirkungen und Wasserstoffbrücken Quartärstruktur – Funktionseinheiten mehrerer Proteine (z.B. Hämoglobin, Collagen)
Proteine und Enzyme: Aufgabe der Proteine Strukturproteine: Haut, Bindegewebe und Knochen (z.B. Collagen), bestimmen den Aufbau von Zellen und damit die Beschaffenheit und Funktion des Gewebes Transportproteine: übernehmen den Transport wichtiger Stoffe im Körper, z.B. Hämoglobin transportiert Sauerstoff im Blut, Transferrin Eisen Funktionsproteine = Enzyme: Biokatalysefunktion, ermöglichen und kontrollieren spezifische (bio)chemische Reaktionen in Lebewesen
Proteine und Enzyme: Enzymwirkung Biokatalysatoren, d.h. sie beschleunigen chemische Reaktionen durch Senkung der Aktivierungsenergie Substratspezifität: werden nicht bei jedem beliebigen Substrat wirksam, sondern nur nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip Wirkungsspezifität: können bei einem bestimmten Substrat nur eine bestimmte Art Reaktion katalysieren
Proteine und Enzyme: Hemmung von Enzymen erfolgt durch Inhibitoren (= Hemmstoffe) reversible Hemmung (kompetitive Hemmung): Inhibitoren weisen ähnliche chemische Struktur wie das Substrat auf → kompetitiver Hemmstoff wird an aktiver Stelle des Enzyms festgehalten, wodurch dieses inaktiv wird irreversible Hemmung (allosterische Hemmung): Anheftung des Inhibitors an einem anderen Punkt als der aktiven Stelle → Gestaltänderung (Konformation) des Enzyms ändert sich, sodass es inaktiv wird
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Stoffwechselvorgänge der Pflanzen: Fotosynthese Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie, die zum Aufbau organischer Stoffe genutzt wird Erzeugung von Biomasse als Grundlage des Lebens über Nahrungsaufnahme gelangt sie zum Konsumenten Mensch
Stoffwechselvorgänge der Pflanzen: Fotosyntheseprodukte & chemische Reaktion Biomasse von Produzenten gebildet = Bruttoprimärproduktion (BPP) (1-3% des Sonnenlichts werden hierfür aufgewendet) Teil der Produkte von Pflanzen veratmet → Pflanze benötigt freiwerdende Energie (R) für Lebensvorgänge verbleibende Produkte dienen Zuwachs der Pflanze/werden gespeichert verbleibende Biomasse = Nettoprimärproduktion (NPP) → Nahrungsquelle für Konsumenten NPP = BPP - R 6H2O + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2 Endprodukt der Fotosynthese ist Glucose (C6H12O6) Nebenprodukt Sauerstoff, der in die Luft abgegeben wird
Stoffwechselvorgänge der Pflanzen: Sauerstoff/Kohlendioxid-Haushalt des Blatts Wasserbestandteil der Fotosynthesereaktion, Glucose-Speicherung Stomata an Blattunterseiten dienen dem Gasaustausch und der Regulation der Transpiration bestehen aus Schließzellen: unter Verwendung von ATP kann K+-Konzentration innerhalb und außerhalb der Zelle reguliert werden → osmotischer Druck in den Zellen steigt oder sinkt → Öffnen bzw. Schließen des Spalts tagsüber sind Stomata offen (Fotosynthese), nachts geschlossen (Vermeidung von Wasserverlust) benötigtes Wasser über die Leitgefäße von den Wurzeln in die Blätter befördert (im Xylem) neu gebildeter Zucke übers Phloem zur Speicherung nach unten in die Wurzeln befördert (im Phloem)
Stoffwechselvorgänge der Pflanzen: Blatt, Organ der Fotosynthese Absorption des Lichts in den Chloroplasten 2-8µm lange Zellorganellen, Doppelmembran, Thylakoide = innere Schicht bildet lamellenartige Einfaltung aus, in denen sich Chlorophyll befindet, Grana = Stapel von Thylakoiden zwei Formen: Chlorophyll a + Chlorophyll b = Fotosystem (eine Reaktionseinheit) Chlorophylle absorbieren im blauen und roten Bereich, reflektieren grünes Licht (Pflanzen erscheinen Grün)
Stoffwechselvorgänge von Pflanzen: Variablen Licht, Temperatur, Kohlenstoffdioxid und Wasser Fotosynthesevorgang ist stark von der Lichtintensität und Temperatur abhängig die Auswirkungen der Temperatur steigen mit der Lichtintensität → Fotosyntheserate steigt bei höherer Temperatur Lichtkompensationspunkt (Pflanze verbraucht genauso viel CO2, wie sie bei der Atmung bildet) bei Sonnenpflanzen höher als bei Schattenpflanzen → Schattenpflanzen schon bei geringerer Lichtintensität höhere Nettoproduktion als Sonnenpflanzen Stoffwechselvorgänge nach der Fotosynthese temperaturabhängig → setzten bei Mindestemperatur ein und steigen an, bis das Optimum erreicht ist → bei maximaler Temperatur hört die Fotosynthese ganz auf → unterhalb der Mindesttemperatur können frostharte Pflanzen ohne Fotosynthese vorübergehend überleben je höher der CO2-Gehalt der Luft, desto besser die Fotosyntheserate Trockenheit sorgt für Absinken der Fotosyntheseleistung → um Austrocknung zu verhindern, wird die Transpiration durch Schließen der Spaltöffnungen unterbunden
Stoffwechselvorgänge der Pflanzen: Fotosyntheseschritte Lichtreaktion Sonnenenergie wird unter Spaltung von Wasser (= Fotolyse) in ATP und NADPH umgewandelt Lichtenergie wird vom Chlorophyll absorbiert → Verwendung: aus ADP + Phosphat wird das energiereiche ATP aufgebaut sowie Spaltung von H2O in 2O und 1H → 2O verbindet sich zu O2 und wird abgegeben, das H wird verwendet, um aus NADP NADPH zu bilden Calvin-Zyklus = Dunkelreaktion Energie von NADPH und ATP wird verwendet, um CO2 in Glucose umzubauen (Fixierung von CO2) → Abfallprodukt des Calvin-Zyklus ist Wasser
Stoffwechselvorgänge der Pflanzen: Fotosynthese-Formen als Standordanpassungen C4-Pflanzen CAM-Pflanzen
Stoffwechselvorgänge der Pflanzen: Fotosynthese-Formen als Standortanpassungen C4-Pflanzen Namen: erstes stabiles Produkt der Kohlenstofffixierung ist C4-Verbindung Oxalacetat führen im Gegensatz zu C3-Pflanzen schnellere Fotosynthese bei mehr Wärme und Licht aus → ein weiterer Weg der Kohlenstoffdioxidfixierung gefunden Anpassungsgrund: bei hohen Temperaturen Schließung der Spaltöffnungen, um Wasserverlust zu konzentrieren → erschwert Aufnahme von CO2 durch Enzym PEP-Carboxylase (Phosphoenolpyruvat-Carboxylase) können selbst geringe CO2-Konzentrationen genutzt werden im Gegensatz dazu RubisCO (Ribulose-1,5-biphosphat-Carboxylase/Oygenase) der C3-Pflanzen etwa 5% der Bedecktsamer betreiben C4-Fotosynthese Beispiele: Amarant, Hirse, Mais, Zuckerrohr, Chinaschilf (meistens Gräser und Seggen an sonnigen/trockenen Standorten) hohe Stoffproduktion, schnelles Wachstum (dadurch viel Biomasse)
Stoffwechselvorgänge der Pflanzen: Fotosynthese-Formen als Standortanpassungen CAM-Pflanzen Crassulaceen-Säurestoffwechsel (engl. crassulacean acid metabolism) Sukkulenz = CAM-Pflanzen durch Speicherung von Wasser an trockene Bedingungen angepasst, Vermeidung der Öffnung der Stomata tagsüber → CO2 muss nachts aufgenommen und fixiert werden Enzym PEP-Carboxylase fixiert CO2 in Form von HCO3 und Oxalacetat, welches wiederum zu Malat (Apfelsäure) reduziert wird tagsüber umgekehrter Prozess → CO2 diffundiert in die Chloroplasten, wo es im Calvin-Zyklus fixiert wird (durch geschlossene Stomata entweicht das CO2 nicht aus den Blättern) im Unterschied zu den C4-Pflanzen zeitliche Trennung von primärer CO2-Fixierung und Calvin-Zyklus Beispiele: sukkulente Dickblattgewächse (Crassulaceae), viele Arten der Kakteen, Agaven, Wolfsmilchgewächse, Ananas Umstellung der Eispflanze bei Wassermangel vom C3-Weg zum CAM-Weg
Stoffwechselvorgänge der Pflanzen: biologische Oxidation Abbau energiereicher organischer Verbindung (z.B. Kohlenhydrate) zu energieärmeren Verbindungen (= kataboler Stoffwechsel)
Stoffwechselvorgänge der Pflanzen: Zellatmung = Innere Atmung aerobe Atmung Glykolyse Zitronensäurezyklus Atmungskette (Endoxidation) anaerobe Atmung
Biologische Oxidation: Zellatmung = Innere Atmung aerobe Atmung: allgemein Zucker wird in mehreren Schritten zu CO2 und H2O oxidiert Ort: Mitochondrien – C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O → Zellatmung findet in Organen, die nicht fotosynthetisch sind, rund um die Uhr statt (Sauerstoff muss aus der Umgebung aufgenommen werden) Produkte: energiearme Stoffe → Energiegewinn allerdings sehr hoch
Biologische Oxidation: Zellatmung = Innere Atmung aerobe Atmung: Ablauf → Glykolyse → Zitronensäurezyklus → Endoxidation (Atmungskette) Spaltung von Zucker beginnt im Zellplasma (noch keine Mitwirkung von Sauerstoff) wird in zwei Moleküle Pyruvat umgewandelt → Energie in Form von ATP wird frei (Pyruvat: Eukaryoten in Mitochondrien, Prokaryoten im Zellplasma) Pyruvat bei Eintritt ins Mitochondrium in Acetyl-CoA (Acetyl-Coenzym A) umgewandelt wird in Zitronensäurezyklus eingeschleust → Acetyl-CoA überträgt Kohlenstoffatome auf Oxalacetat, wodurch Citrat (= Zitronensäure) entsteht Citrat wieder zu Oxalacetat abgeaut, welches erneut für den Zitronensäurezyklus zur Verfügung steht im Verlauf werden NADH, FADH, CO2 und H gebildet/abgeben CO2 in Umwelt abgegeben, andere Produkte in den nächsten Teilschritt übernommen NADH + FADH übertragen Elektronen in die Elektronentransportkette in der Mitochondrienmembran → Entstehung von Wasser Konzentrations- und Ladungsdifferenz entsteht an der Mitochondrienmembran → wird von der ATP-Synthase genutzt, um aus ADP + Phosphat ATP herzustellen pro veratmetem Molekül Glucose liefern Glycolyse und Zitronensäurezyklus je 2 ATP, die Endoxidation hingegen 26-28 ATP
Biologische Oxidation: Zellatmung = Innere Atmung anaerobe Atmung Elektronentransportkette kommt ohne O2 aus, anaerobe Organismen benützen z.B. Sulfat als Elektronenakzeptor, wodurch H2S (Schwefelwasserstoff) statt H2O entsteht
Biologische Oxidation: Gärung allgemein chemische Energiegewinnung ohne Verbrauch von O2 und ohne Elektronentransportkette allerdings nur unvollständiger Abbau → Produkte enthalten noch relativ viel Energie → Energiegewinn viel geringer als bei Atmung alkoholische Gärung Milchsäuregärung
Biologische Oxidation: Gärung alkoholische Gärung C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + Energie Abbau von Kohlenhydraten (v.a. Glucose) unter anaeroben Bedingungen zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid (z.B. Herstellung alkoholischer Getränke) die meisten Organismen, die die Fähigkeit zur alkoholischen Gärung besitzen (z.B. Hefepilze) verwenden sie nur dann, wenn kein Sauerstoff zur Zellatmung zur Verfügung steht → Energiegewinn geringer
Biologische Oxidation: Gärung Milchsäuregärung C6H12O6 → 2C3H6O3 (Milchsäure) + Energie Abbau von Kohlehydraten zu Milchsäure unter anaeroben Bedingungen Energiequelle für Mikroorganismen Säuerungsprozesse bei Milch, Teig, Käse etc. oder Konservieren von Silofutter (Mensch) Milchsäurentstehung bei Sauerstoffmangel in den Muskelzellen
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Äußere Atmung physikalische Grundlagen Gasaustausch an dünnen Membranen mit großer Oberfläche (respiratorische Oberflächen): je größer die Oberflächer, desto intensiver der Gasaustausch; je dünner (Abstand zwischen Außen- und Transportmedium), desto besser die Diffusion Bewegung der Atemluft bzw. des -wassers, Bewegung (Zirkulation/Strömung) des Transportmediums + Verbrauch von Sauerstoff im Körper, um großes Konzentrationsgefälle aufrechtzuerhalten Gase bewegen sich entsprechend des Konzentrationsgefälles → Sauerstoffgehalt außen höher als im Transportmedium – Diffusion nach innen → CO2-Gehalt im Transportmedium höher als außen – Diffusion nach außen
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Äußere Atmung Phasen der Atmung Äußere Atmung: Gasaustausch zwischen Körper und Wasser/Luft: O2 wird aufgenommen und CO2 abgegeben Transport: Gastransport über das Blutgefäßsystem (Erythrozyten transportieren Sauerstoff) Innere Atmung: Gasaufnahme in die Zellen → Energiestoffwechsel der Mitochondrien
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Äußere Atmung Atmungssysteme Lungenatmung Kiemenatmung Hautatmung Tracheenatmung
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Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Äußere Atmung Hautatmung Funktionsweise funktioniert nur effizient, wenn Volumen im Vergleich zur Körperfläche sehr niedrig (ergo bei kleinen Tieren) bei größeren Tieren nur unterstützend (z.B. Amphibien) Beispiele: Einzeller, Larvenstadien von Insekten, Schwämme, Hohltiere, Plattwürmer, Fadenwürmer, Regenwürmer direkt unter Haut Netzwerk aus Kapillaren → ermöglichen Gasaustausch zwischen Umwelt und Kreislaufsystem Diffusion nur möglich, wenn respiratorische Oberfläche feucht: Organismen mit Hautatmung an feuchte Lebensräume gebunden
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Äußere Atmung Tracheenatmung: Bau röhrenförmige Einstülpungen der Haut, die sich im ganzen Körper fein verzweigen Atemöffnungen nach außen = Stigmen (Sg. Stigma) Atemgase durch Tracheen bis direkt an die Organe befördert Gasaustausch durch aktive Pumpbewegungen (Muskelkontraktionen) des Körpers und Diffusion z.B. Tausendfüßer, Insekten Fluginsekten: einzelne Röhrenabschnitte zu Luftsäcken umgebildet Wasserinsekten: Atemröhren (Schnorchel) ausgebildet, nehmen Luftblase mit ins Wasser – z.B. Wasserspinne, Gelbrandkäfer
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Äußere Atmung Kiemenatmung dünnhautige, stark durchblutete Ausstülpungen der Körperoberfläche, liegen geschützt in Körperhohlräumen (z.B. Kiemendeckel der Fische, Mantelhöhle der Muscheln) Sauerstoffgehalt des Wassers etwa 3% (Luft 21%) → Vergößerung der Körperfläche wichtig Gasaustausch nach dem Gegenstromprinzip: Wasser und Blut fließen in entgegengesetzt Richtungen → ~80% des Sauerstoffs aus dem Wasser kann genutzt werden beim höheren Sauerstoffgehalt der Luft können Kiemenatmer nicht leben → Kiemen verkleben & respiratorische Fläche wird so klein, dass Diffusion nicht mehr funktioniert Lungenfische: leben in zeitweise austrocknenden Gewässern und besitzen zusätzlich zu den Kiemen eine Schwimmblase mit Lungenfunktion
Stoffwechselvorgänge der Tiere: Äußere Atmung Lungenatmung Lungen = Einstülpungen der Körperöffnungen oder Ausstülpungen des Vorderdarms Größenzunahme des Tieres → Größenzunahme des respiratorischen Fläche (durch Falten und Lamellen!) Amphibien: einfache Lunge mit nicht/kaum gefalteter Oberfläche Reptilien: Lunge mit stark gefalteter Oberfläche Vögel: Lunge ist unbeweglich → ständiger Luftstrom von Luftsäcken gewährleistet Säuger: Lunge aus zwei beweglichen Lungenflügeln und großer respiratorischer Oberfläche durch Lungenbläschen
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Äußere Atmung Aufbau der menschlichen Lunge rechter und linker Lungenflügel (rechter dreilappig, linker zweilappig (Raum fürs Herz) von einer feuchten Haut (Lungenfell) überzogen bzw. zu den Rippen durchs Rippenfell abgegrenzt Spaltraum zwischen Brust- und Lungenfell = Pleuraspalt (luftdicht, vorherrschender Unterdruck ermöglicht die passive Bewegung der Lunge (Lunge besitzt selbst keine Muskulatur) Luftröhre (Trachea) verzweigt sich in Bronchien → Bronchiolen (noch feineres Netz) und Lungenbläschen (Alveolen) an deren Enden, feine Verästelungen dienen der Oberflächenvergrößerung
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Äußere Atmung Lungenatmung des Menschen: Pneumothorax Luftansammlung in der Pleurahöhle → Unterdruck geht verloren, elastisches Lungengewebe zieht sich zusammen, Ventilation der Lunge unterbleibt Atemstillstand
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Äußere Atmung Lungenatmung des Menschen: Funktionsweise (1) Unterscheidung von Brust- und Zwerchfell- bzw. Bauchatmung Luftaustausch wird durch Unterdruckatmung gewährleistet Brustatmung: Kontraktion der Zwischenrippenmuskulatur → Brustkorb erweitert, Lunge dehnt sich passiv mit, Druck sinkt und Luft strömt durch den Mund und die Nase über die Luftröhre in die Lungenflügel und von dort bis in die Alveolen → beim Ausatmen werden die Zwischenrippenmuskeln wieder entspannt, der Brustkorb zieht sich zusammen, die Luft wird über die Luftröhre wieder aus dem Körper gedrückt Bauchatmung: gleiches Prinzip, allerdings wird die Lunge durch Kontraktion des Zwerchfells erweitert
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Äußere Atmung Funktionsweise der Lungenatmung beim Menschen Gasaustauisch durch Unterdruckatmung Unterscheidung von Brustatmung und Bauchatmung (bzw. Zwerchfellatmung) Brustatmung: Zwischenrippenmuskulatur kontrahiert und erweitert den Brustkorb → Lunge wird passiv mitgedehnt → durch Unterdruck wird Luft durch Nase und Mund über die Luftröhre in die Lungenflügel bis in die Alveolen gesogen → beim Ausatmen entspannt sich der Brustkorb, die Lunge wird zusammengezogen, die Luft wird aus dem Körper gedrückt Bauchatmung: selbes Prinzip, anstatt der Zwischenrippenmuskulatur wird das Zwerchfell angespannt und so Unterdruck erzeugen zwischen den Lungenbläschen und Lungenkapillaren findet der Gasaustausch statt Sauerstoff wird chemisch ans Hämoglobin der Erythrozyten gebunden und so durch den Körper transportiert in den Muskeln wird er als Myoglobin abgegeben zur Aufrechterhaltung des Atemmechanismus muss das Transportmedium dauerhaft bewegt werden vier Pumpen: Zwerchfell, Brustkorb mit Rippenmuskulatur, rechter und linker Herzteil rhythmische Kontraktion der Atmungsmuskeln läuft autonom ab und wird von den Nervenzellen des Rückenmarks gesteuert
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Äußere Atmung Regelung der Atmung (3 Möglichkeiten) durch Kohlenstoffdioxidgehalt des Blutplasmas: wenn dieser ansteigt, wird die Atemfrequenz und der Gasaustausch erhöht – zu schnelles Atmen aka Hyperventilieren lähmt die Lunge → Atemstillstand kann auch durch Sauerstoffgehalt geschehen Atmung in großer Höhe: Luftdruck und Sauerstoffmenge geringer → Hämoglobin nicht mehr vollständig beladen → Zellen erhalten zu wenig Sauerstoff → Kompensation des Mangels durch verstärkte Atmung, Beschleunigung des Herzschlags, langsamere Stoffwechselvorgänge und Vermehrung der Erythrozyten Höhenkrankheit: Schwindel, Müdigkeit, Bewusstseinsstörungen, ab 7000m künstliche Sauerstoffzufuhr notwendig Atmung im Wasser (Tauchen): Tauchgeräte passen Druck des Atemgases dem Umgebungsdruck an → Gase unter erhöhtem Druck leichter löslich → Stickstoff diffundiert aus Lunge ins Blut → beim Auftauchen Druckverminderung und Abgabe des Stickstoffs (langsames Auftauchen notwendig, da der Stickstoff sonst im Blut Gasbläschen bildet!) → Taucherkrankheit: Schmerzen in den Gelenken, Juckreiz, Stickstoffbläschen können Gasembolien verursachen (schwere Schädigungen z.B. des Gehirns durch Sauerstoffunterversorgung) – Behandlungsmaßnahmen: Überdruckkammer, durch Erhöhung des Umgebungsdruck wird Gas wieder löslich und kann abgeatmet werden
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Verdauung und Resorption Verdauung Resorption enzymatische Aufspaltung Nahrung wird mithilfe von in Drüsen produzierten Verdauungsenzymen hydrolytisch (unter Wasseraufnahme) in ihre molekularen Bestandteile gespalten Drüsen: Speicheldrüsen, Magenschleimhaut, Dünndarmschleimhaut, Bauchspeicheldrüse aufgespaltene Nahrungsbestandteile werden von Darmzellen aufgenommen und gelangen zum Weitertransport in Blut und Lymphe Proteine → Aminosäuren Fette → Fettsäuren Kohlenhydrate → Monosaccharide Nukleinsäuren → Nukleotide
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Verdauung und Resorption Verdauungsorgane Mund Speichel Speiseröhre Magen Dünndarm Dickdarm After
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Verdauung und Resorption – Verdauungsorgane Mund Speichel Speiseröhre Magen Dünndarm Dickdarm After physikalische Zerkleinerung (Zähne) produziert in Ohr-, Unterkiefer- und Unterzungenspeicheldrüse Enzyme starten chemische Verdauung, z.B. Enzym Amylase spaltet Amylose (Stärke) reine Transportfunktion (peristaltische Bewegungen durch Kontraktion der Ringmuskeln) Verdauung durch Magensaft (ca. 30% der Gesamtverdauung) Salzsäure (HCl, pH = 2) denaturiert Proteine, tötet Bakterien Enzym Pepsin spaltet Proteine in Polypeptide, Enzym Lipase spaltet Fette in Fettsäuren und Glycerin drei Abschnitte: Zwölffingerdarm, Leerdarm, Krummdarm Darmepithel zur Oberflächenvergrößerung stark gefaltet → Zellen nehmen Monosaccharide, Aminosäuren, Stickstoffbasen, Phosphate, Glycerin und Fettsäuren auf und geben sie aktiv o. passiv an Kapillaren in Darmzotten weiter (Resorption) Hauptteil der enzymatischen Hydrolyse (Verdauung) findet hier statt Zwölffingerdarm → Speisebrei mischt sich mit Verdauungssäften aus Pankreas (neutralisieren sauren Speisebrei, enthalten Proteasten, Nucleasen, Amylasen), Leber (Gallenbildung), Gallenblase (Gallenspeicherung, Galle enthält Salze, die mit den Lipasen für die Verdauung von Fetten verantwortlich sind) und Darmsekreten Leerdarm, Krummdarm → weitere Aufspaltung der Nahrungsbestandteile und deren Resorption zwei Abschnitte: Grimmdarm, Mastdarm (Rektum) + Blinddarm + Wurmfortsatz (Appendix) Grimmdarm: Resorption von Wasser und Salzen, Abwehr von Krankheitserregern, Bildung essentieller Aminosäuren und Vitamine durch Bakterien der Darmflora Mastdarm: Speicherung der Exkremente Blinddarm: vergären pflanzlicher Nahrung Appendix: bis heute unbekannt (rudimentäres Organ?) Ausscheidung
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Verdauung und Resorption – weitere Verdauungsorgane Pankreas (Bauchspeicheldrüse) Leber Verdauungsdrüse und Hormondrüse synthetisiert Hormone wie Insulin und Glukagon in den Langerhansschen Inselzellen größte Drüse des menschlichen Körpers und seine »chemische Zentrale« Zufuhr von Blut (und damit Nährstoffen) über Verzweigungen der Leberpfortader, Versorgung mit Sauerstoff über die Leberarterie Bildung von Gallenflüssigkeit (Sammlung in der Gallenblase) → dient dem Zerteilen von Fetten (emulgieren) wodurch sich die Oberflächenvergröße und damit der Ansatzpunkt für Enzyme vergrößert Aufbau von Glykogen aus Glucose durch den Einfluss des Hormons Insulin, Abbau von Glykogen zu Glucose unter Einfluss des Hormons Glucagon Speicherung von Fetten und fettlöslichen Vitaminen (ADEK) Synthese und Abbau von Aminosäuren Synthese von Cholesterin Neutralisierung und Ausscheidung giftiger Stoffwechselprodukte (beim Proteinstoffwechsel entstehen Harnstoff und Harnsäure als Abfallprodukte; auch Medikamente und Alkohol in Leber abgebaut)
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Ernährung Definition acht wichtige Bestandteile Nahrungsbeschaffung, Nahrungsaufnahme, Verdauung und Resorption → um gesunde Ernährung definieren zu können, muss Gesundheit definiert werden (siehe Gesundheitslehre) Wasser Kohlenhydrate, Fette → Energielieferanten Proteine, Vitamine → Regulation des Stoffwechsels Mineralstoffe, Spurenelemente → Wachstum, Entwicklung Ballaststoffe
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Ernährung Kohlenhydrate Fette schnell verfügbare Energiequelle Einfachzucker (Monosaccharide, z.B. Glucose (Traubenzucker), Fructose (Fruchtzucker), Zweifachzucker (Disaccharide, z.B. Maltose (Malzzucker), Lactose (Milchzucker), Vielfachzucker (Polysaccharide, z.B. Stärke) energiereiche, aber nur langsam verfügbare Energiequelle tierische und pflanzliche Fette aus Fettsäuren aufgebaut → gesättigte Fettsäuren (keine Doppelbindungen), ungesättigte (mindestens eine), mehrfach ungesättigte (zwei oder mehr) → Körper kann ungesättigte nicht selbst synthetisieren → essentielle Fettsäuren, z.B. aus kaltgepressten Pflanzenölen Funktionen: Energiereserve, Bausteine im Nervensystem, Zellmembranbestandteile, Träger fettlöslicher Vitamine (ADEK) Cholesterin: gehört zu den wasserunlöslichen Lipiden → in allen tierischen Zellen als Bestandteil von Membranen und Vorstufe von Gallensäure und Steroidhormonen – zum Transport im Blut an Proteine gebunden (Lipoproteine), eingeteilt in HDL (high density lipoproteine), LDL (low density lipoproteine) → Auswirkungen von Zuvielaufnahme von Cholesterin sollen bei LDL ein erhöhtes Risiko für Atherosklerose sein, HDL gegenteilige Wirkung
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Ernährung Eiweiße/Proteine Vitamine Vorkommen in Fisch, Fleisch, Getreide Bausteine für die Synthese körpereigener Proteine → acht der zwanzig benötigten Aminosäuren sind essentiell, müssen also über die Nahrung aufgenommen werden, da der Körper sie nicht selbst herstellen kann (Problem bei Vegetarismus: pflanzliche Produkte besitzen nicht alle essentiellen Aminosäuren, diverse Ernährung notwendig, um Proteinmangel zu verhindern) ausreichende Synthese im Körper nicht möglich → Aufnahme zumindest der Provitamine (Vorstufen der Vitamine) notwendig fettlösliche Vitamine (ADEK) → A = Sehen, D = Knochenaufbau, E = Durchblutung, Wundheilung, K = Blutgerinnung wasserlösliche Vitamine (CBH) können nicht gespeichert werden (tägliche Aufnahme nötig!) → C = Immunsystem, H = Nägel, Haare Mangelerkrankungen: C-Mangel → Skorbut, D-Mangel → Rachitis
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Ernährung Mineralstoffe und Spurenelemente Ballaststoffe anorganische Bestandteile der Nahrung → liefern keine Energie, aber wesentliche Bestandteile von Hormonen und Enzymen z.B. Natrium, Kalium, Magnesium für Menschen unverdauliche Kohlenhydrate pflanzlichen Ursprungs (z.B. Zellulose) → beschleunigen Transport des Nahrungsbreis durch den Magen-Darm-Trakt & wirken stoffwechselfördernd
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Ernährung Ernährungsformen Vegetarismus bzw. Veganismus Slow Food Fast Food Krafttraining und Nehrstoffzufuhr Makrobiotik Trennkost
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Ernährung – Ernährungsformen Vegetarismus bzw. Veganismus Fast Food Slow Food Krafttraining und Nährstoffzufuhr Trennkost Makrobiotik Vegetarier: essen keinen Fleisch und keinen Fisch Veganer: auch Produkte, die nur von Tieren stammen (Milch, Eier, Honig) werden gemieden → besonders schwer, alle essentiellen Amino- und Fettsäuren aufzunehme Speisen, die zum schnellen Verzehr produziert sind – meistens erhöhter Salz- und Fettgehalt, weswegen sie nur sporadisch konsumiert werden sollten Gegentrend zum Fast Food → es geht ums Genießen, ums Wiederentdecken von Geschmack ohne Geschmacksverstärker, um Qualität ausgewogene Ernährung, die an die Mehrbelastung angepasst ist, für Sportler wichtig, um keine Ausdauer einzubüßen → beim Bodybuilding dauerhafter Vorrat an Kohlenhydrate, mehr Vitamine und Spurenelemente, Eiweiße zum Aufbau von Muskelmasse Theorie: Übersäuerung des Körpers ist Grund für Zivilisationskrankheiten; eiweißhaltige und kohlenhydrathaltige Lebensmittel nicht gleichzeitig aufgenommen (zeitliche Trennung) → Einteilung in saure (Fisch, Fleisch), neutrale (Vollkornprodukte, brauner Zucker) und basische (Obst, Gemüse) Lebensmitte, Einnahme von basischen und sauren Lebensmitteln im 80% zu 20% Verboten: Weißmehl, raffinierte Öle, weißer Zucker beruht auf Zen-Buddhismus (OHSAWA) Einteilung der Lebensmittel in gegensätzliche Kräfte: Yin (ausdehnend) und Yang (zusammenziehend) → in bestem Verhältnis aufgenommen mehrstufiger Ernährungsplan: auf höchster Stufe nur noch Vollkornprodukte mit geringer Flüssigkeitsaufnahme Folgen: Entwicklungsverzögerungen, Mangel-Erscheinungen heute unbedenklichere Variante davon
Stoffwechselvorgänge bei Tieren: Krankheiten durch falsche Ernährung Diabetes/Zuckerkrankheit Gicht Fettleibigkeit/Adipositas