S Energie - Experimente Biologie

Direkt zum Seiteninhalt

Hauptmenü:

S Energie

SEKUNDARSTUFE > S STOFFWECHSEL
Energiegewinnung für die Zelle                                      
nach Cihlar, Zellatmung und Energiemsatz, LEU 1984,17 verändert;  
Weiler/Nover (2008): Allgemeine und molekulare  Botanik, Thieme
 Wischeropp, L. (2001): Die Zellatmung, Internet Ein Lernprogramm   https://www.google.de/search?
Zellatmung: https://de.wikipedia.org/wiki/Aerobe_Atmung
 
Info: Die drei Stoffwechselprozesse Glycolyse, Citronensäurecylus und Atmungskette laufen in allen Zellen in gleicher Weise ab. Sie sind die „Zentrale“ des Stoffwechsels bei allen Zellen. Weil alle Zellen diesen Weg beschreiten, nimmt man an, dass diese Reaktionsweise etwa 3,5 Milliarden Jahre alt ist.
Die Glykolyse ist der erste Teil (Glykolyse = Abbau des Zuckers im Zellstoffwechsel (aus dem Griechischen glykys = süß und lysis = auflösen). Insgesamt versteht man heute unter Glycolyse den Abbau von Zucker zu Brenztraubensäure unter aeroben Bedingungen (Gegenwart von Sauerstoff, - Stoffwechselvorgänge ohne Sauerstoff werden als Gärungen bezeichnet  (vgl. Informationen Internet und Lehrbücher).
Im Citronensäurezyclus wird aller Kohlenstoff als Kohlenstoffdioxid in die Luft abgegeben. Übrig bleiben die „Reduktionsäquivalente“ NADH H+ . Diese Substanz (Nikotin-Adenin-DiNukleotid) überträgt die Protonen und Elektronen in die Atmungskette und wird selbst wieder oxidiert.
Die umfassende Energiegewinnung für die Zelle geschieht in der „Atmungskette“. Hier sind eine Reihe von Enzymen an den Membranen der Mitochondrien zusammengefasst. Sie vermitteln die „Verbrennung“ des Wasserstoffs zu Wasser, unter Gewinnung von chemisch gebundener Energie in Form des ATP. (Durch die stufenweise Abgabe der Energie wird gewährleistet, dass die Zelle durch die heftige Wärmefreisetzung nicht verdampft.) Diese chemisch nutzbare Energie wird meist als Anzahl der ATP Moleküle / abgebautem Zuckermolekül angegeben.

Abb: Schematischer Ablauf der Inneren Atmung
 
Schema der inneren Atmung: Die Energiegewinnung verläuft in drei Stufen: Glycolyse im Plasma, Zitronensäurecyclus im Plasma der Mitochondrien und Atmungskette (an den Membranen der Mitochondien). Dabei wird etwa nur 38 % der freiwerdenden Energie als chemische Energie (ATP) gebunden. Die dabei freiwerdende  Wärmeenergie dient bei den gleichwarmen Tieren dazu, die Körpertemperatur auf 38 Grad zu halten. 

 

Energie Arbeitsunterlage1--------------------------------------------
Energiefreisetzung durch die Innere Atmung  
Modellversuch

Nur durch die Lehrperson,
Sicherheitswanne unbedingt erforderlich!!
 
Versuchsaufbau
 
Aufgaben:
1.    Fertigen Sie eine Zeichnung vom Versuchsaufbau an.
2.    Malen sie die Reaktionsflüssigkeiten farbig aus. Halten Sie die Farbveränderungen fest!
3.    Stellen Sie die Temperatur durch vorsichtiges Anfassen des Reagenzglases vor Beginn und nach Ablauf des Versuchs fest.
4.    Saugen Sie die ausströmende Luft ab und testen Sie auf Kohlenstoffdioxid!
5.    Stellen Sie Analogien zu einem Lebewesen her:


   Problem: Warum „verbrennen“ Lebewesen nicht?


Energie Arbeitsunterlage 2-----------------------------------------------------------------
Modellversuch zur Atmungskette                              

Die eigentliche Energiegewinnung geschieht in der „Atmungskette“. Hier sind eine Reihe von Enzymen an den Membranen der Mitochondrien zusammengefasst. Sie vermitteln letztlich die „Verbrennung“ des Wasserstoffs (Protonen und Elektronen) zu Wasser, unter Gewinnung von chemisch gebundener Energie im ATP. Durch die stufenweise Abgabe der Energie wird gewährleistet, dass die Zelle nicht verdampft.
 
Modell: 
1: Man bastelt sich eine kleine Stufenleiter aus Holz mit Trittstufen aus Glas (Diarähmchen), 
Abbildung.

2: Dann lässt man eine entsprechend schwere Keramikkugel jeweils nach links und rechts auf je ein Diarähmchen oder Objektträger herunterfallen (vorher ausprobieren, ob das Glas auch zerspringt).
 
Ergebnis: Der stufenweise Sturz verursacht keine Schäden, obwohl die kinetische Energie bei beiden Versuchen die Gleiche ist
 
Erklärung?
 


Wo liegen die Analogien zu den Vorgängen in der Zelle? 



Energie Arbeitsunterlage 3--------------------------------------------
Zum neuen Verständnis der Atmungskette: "Tunneleffekte"            
Info: Die innere Atmung findet in kleinen „Organen“ innerhalb einer jeden lebenden Zelle statt, die wir Mitochondrien nennen. Viel Forschungsarbeit wurde darauf verwendet, die Mechanismen zu verstehen, mit denen es möglich wäre, den Übertrag von Elektronen und Protonen (aus dem Zucker) auf den Sauerstoff der Luft zu übertragen. Dabei wird viel Energie frei, denn im Grunde läuft dabei die Knallgasreaktion ab, die die Zelle selbst zerreißen würde.
Die Glucolyse und der Zitronensäurecyclus laufen als ganz normale Enzymreaktionen im Zellplasma ab. In diesen ungeordnet laufenden Rektionen werden insgesamt Elektronen aus einem Kohlenstoff des Zuckers auf NADH übertragen. Von dort aus werden die Elektronen auf ein erstes Enzym der Atmungskette weitergereicht (Und meist nicht auf Sauerstoff, der auch im Zellsaft gelöst ist). Heute versucht man den nun folgenden, zentralen Teil der innere Atmung mit Hilfe der Quantentheorie zu verstehen.
 „Die wichtigsten Ereignisse der Zellatmung … bestehen aus der geordneten Elektronenübergabe durch eine Staffel von Atmungsenzymen… . Jede Elektronenübertragung zwischen einem Enzym und dem nächsten in der Staffel spielt sich aber über einen Zwischenraum hinweg ab, der mehrerer Dutzend Anström lang ist. Ein solcher Abstand entspricht der Größe mehrere Atome und ist damit weit größer, als man für es bei herkömmlichen Elektronensprüngen für möglich gehalten hatte. … Der Mechanismus war daher lange Zeit ein Rätsel. ---- 
„Heute geht man davon aus, dass der Quantentunneleffekt die entscheidende Rolle spielt. Den Tunneleffekt kann man sich als ein Mittel vorstellen, mit dem Teilchen auf einem neuen Weg von einer Seite der Barriere auf die andere Seite gelangt. Unter Barriere versteht man einen Bereich, der aus physikalischen Gründen unüberwindbar ist. Wenn es sich um ein Elektron handelt, besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass das Elektron die Barriere als Welle durchdringt und damit einen anderen als den herkömmlichen Weg (in der Vorstellung als Teilchen) beschreitet. Genau das ist der Tunneleffekt. … Dieser Effekt kommt bei sehr leichten Teilchen vor, und das Elektron ist ein sehr leichtes Teilchen. …………
Nach den Maßstäben der Quantenwelt ist eine lebende Zelle ein riesengroßes Objekt, in dem sich die Moleküle zufällig bewegen, wie in einer chaotischen Party. Je höher die Temperatur, umso leichter werden Barrieren überwunden. Übertragen auf die Ebene der Elektronen müsste eine Überwindung umso schwieriger werden, je geringer die Temperatur ist. Dies ist aber nicht so, wie experimentell bewiesen werden konnte: Auch bei sehr tiefen Temperaturen finden Elektronenübertragungen in der Atmungskette statt. Es war daher insgesamt plausibel, dass bei Temperaturen, bei denen Leben möglich ist, der Tunneleffekt entscheidet. Heute wird nicht mehr daran gezweifelt, dass bei der Atmungskette die Elektronen durch den Tunneleffekt an der Atmungskette entlang wandern (und nicht einzelne Elektronenübertragungen von Enzym zu Enzym stattfinden)“.  
(nach Al-Kahlili u. J.McFadden (2018): Der Quantenbeat des Lebens, S..108ff Ullstein)
 
 
 
Zurück zum Seiteninhalt | Zurück zum Hauptmenü