Grundlagen der Bioenergetik: Photosynthese, Atmung & Gärung

Stoffwechselprozesse: Gärung und ihre Bedeutung

Gärung (Fermentation)

Die Gärung ist ein Prozess, bei dem das Glukosemolekül durch enzymatische Wirkung in einfachere Verbindungen zerlegt wird, was zu einem Nettogewinn von zwei ATP-Molekülen führt. Dieser Prozess kann in Abwesenheit von Sauerstoff (anaerob) stattfinden.

Bedeutung der Gärung

Die Hauptbedeutung liegt darin, dass Zellen dadurch Energie gewinnen können, ohne auf Sauerstoff angewiesen zu sein.

Anwendungen der Gärung

Die Gärung dient:

• Der Bereicherung der Ernährung durch die Entwicklung von Aromen, Texturen und Geschmäckern in Lebensmittelsubstraten.
• Der Lebensmittelkonservierung.
• Der Umwandlung von Würze in Produkte wie Bier, Wein und Kohlendioxid.

Hypothesen zur Entstehung des Lebens

Autotrophe Hypothese

Diese Hypothese besagt, dass die ersten Lebensformen in Abwesenheit von Sauerstoff existierten. Wahrscheinlich besaßen diese primitiven Organismen absorbierende Pigmente, um Lichtenergie für die Photosynthese zu nutzen. Diese photosynthetischen Organismen stammen von zeitgenössischen grünen Pflanzen, wie Algen und Bakterien, ab.

Heterotrophe Hypothese

Diese Hypothese besagt, dass die große Menge an organischer Substanz, die durch abiogene Prozesse in den primitiven Meeren gebildet wurde, die Energiequelle für die ersten Organismen darstellte. Bei photosynthetischen Bakterien wurde das Auftreten von nicht-photosynthetischen (heterotrophen) Mutanten beobachtet.

Grundlagen der Thermodynamik

1. Hauptsatz der Thermodynamik (Energieerhaltung)

Der 1. Hauptsatz besagt, dass Energie weder geschaffen noch zerstört, sondern nur umgewandelt werden kann.

2. Hauptsatz der Thermodynamik (Entropie)

Der 2. Hauptsatz besagt, dass die Entropie (der Grad der Unordnung) in einem isolierten System tendenziell zunimmt.

Photosynthese: Grundlagen des Lebens

Die Photosynthese ist die Grundlage des größten Teils des gegenwärtigen Lebens auf der Erde. Es ist der Prozess, durch den Pflanzen, Algen und einige Bakterien Lichtenergie einfangen und nutzen, um anorganische Materie aus ihrer äußeren Umgebung in organische Substanz umzuwandeln, die für Wachstum und Entwicklung dient.

Chlorophyll

Chlorophyll ist eine Familie von Pigmenten, die in Cyanobakterien und in allen Organismen enthalten sind, die Plastiden in ihren Zellen besitzen. Dazu gehören Pflanzen und die verschiedenen Gruppen der Protisten, die als Algen bezeichnet werden.

Chloroplasten

Chloroplasten sind Zellorganellen in eukaryotischen photosynthetischen Organismen, die an der Photosynthese beteiligt sind.

Struktur der Chloroplasten

Die beiden Membranen der Chloroplasten bilden eine vollständig kontinuierliche Abgrenzung. Sie sind durch einen Raum getrennt, der manchmal als periplastidialer Intermembranraum bezeichnet wird.

• Äußere Membran: Sehr durchlässig aufgrund der Anwesenheit von Porinen.
• Innere Membran: Weniger durchlässig, enthält spezifische Proteine für den Transport in den inneren Hohlraum.

Der innere Hohlraum, das sogenannte Stroma, enthält:

• Enzyme für die CO₂-Fixierung.
• Zirkuläre DNA.
• Ribosomen (70S-Typ, ähnlich denen von Bakterien).
• Granulate aus Stärke, Fett und anderen Substanzen.

Das Stroma enthält auch eine Reihe von membranumgrenzten Säcken, den sogenannten Thylakoiden. Bei Landpflanzen sind diese Thylakoide in Stapeln angeordnet, die als Grana (Plural von Granum) bezeichnet werden.

Die Thylakoidmembranen enthalten:

• Photosynthetische Pigmente (Chlorophyll, Carotinoide, Xanthophylle).
• Andere Lipide.
• Proteine der Elektronentransportkette.
• Photosynthese-Enzyme wie die ATP-Synthase.

Im Vergleich zu Mitochondrien (die zwei Membranen und zwei Kompartimente haben) besitzen Chloroplasten drei Membranen, die drei Kompartimente bilden: den Intermembranraum, das Stroma und den Intratylakoidalraum.

Zellatmung und Energie

Mitochondrien

Mitochondrien sind membranumschlossene Organellen, die in den meisten eukaryotischen Zellen vorkommen. Ihre Größe variiert zwischen 0,5 und 10 Mikrometern im Durchmesser.

Anaerobe Atmung

Die anaerobe Atmung ist ein biologischer Oxidations-Reduktions-Prozess von Zuckern und anderen Verbindungen, bei dem der terminale Elektronenakzeptor ein anorganisches Molekül (außer Sauerstoff) oder seltener ein organisches Molekül ist.

Aerobe Atmung

Die aerobe Atmung ist eine Art des Energiestoffwechsels, bei dem lebende Organismen Energie aus organischen Molekülen (wie Glukose) durch einen komplexen Prozess gewinnen. Dabei wird Kohlenstoff oxidiert und Sauerstoff aus der Luft als terminaler Elektronenakzeptor verwendet.

Phasen der Zellatmung

1. Glykolyse
2. Krebs-Zyklus (Zitronensäurezyklus)
3. Atmungskette (Elektronentransportkette)

Glykolyse

Die Glykolyse ist der Stoffwechselweg, der für die Oxidation oder Fermentation von Glukose verantwortlich ist und Energie für die Zelle liefert. Sie besteht aus 10 enzymatischen Reaktionen, die Glukose in zwei Moleküle Pyruvat (Brenztraubensäure) umwandeln. Pyruvat kann dann andere Stoffwechselwege einschlagen und dem Körper weiterhin Energie liefern.

Krebs-Zyklus (Zitronensäurezyklus)

Der Krebs-Zyklus (auch bekannt als Zitronensäurezyklus oder Tricarbonsäurezyklus) ist ein Stoffwechselweg, d. h. eine Abfolge chemischer Reaktionen, die Teil der Zellatmung in allen aeroben Zellen ist. In aeroben Organismen ist der Krebs-Zyklus Teil des katabolen Oxidationsweges, der Kohlenhydrate, Fettsäuren und Aminosäuren verarbeitet, um CO₂ zu produzieren und Energie in verwertbarer Form (Reduktionsäquivalente und GTP) freizusetzen.

Atmungskette (Elektronentransportkette)

Die Elektronentransportkette ist eine Reihe von Elektronenträgern, die in der Plasmamembran von Bakterien, in der inneren Mitochondrienmembran oder in den Thylakoidmembranen zu finden sind. Sie vermittelt biochemische Reaktionen, die zur Produktion von Adenosintriphosphat (ATP) führen – der Energieverbindung, die von Lebewesen genutzt wird.

Lebende Organismen nutzen hauptsächlich zwei Energiequellen:

1. Oxidations-Reduktions-Reaktionen (Redox-Reaktionen).
2. Sonnenlicht (Photosynthese).

Organismen, die Redox-Reaktionen zur ATP-Produktion nutzen, werden als chemoautotroph bezeichnet, während diejenigen, die Sonnenlicht nutzen, als photoautotroph bekannt sind. Beide Arten von Organismen verwenden ihre Elektronentransportketten, um Energie in ATP umzuwandeln.

Phasen der Photosynthese

Lichtabhängige Reaktion (Lichtphase)

Während dieser Phase wird die Energie der Lichtquelle in nutzbare chemische Energie der Pflanze umgewandelt. Dabei wird Sauerstoff als Nebenprodukt freigesetzt.

Lichtunabhängige Reaktion (Dunkelphase)

Während dieser Phase wird das Kohlendioxid, das die Pflanze über die Spaltöffnungen aufgenommen hat, mithilfe des Wasserstoffs aus dem NADPH-Molekül und der gespeicherten Energie (ATP) aus der vorhergehenden Phase fixiert und in Zucker umgewandelt.