Überlegen wir mal: Was wissen wir alles schon über
Energie und Energiegewinnung bei Organismen aus Klasse 11 und 12?
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Höhere Organismen, also
Vielzeller bestehen aus eukaryontischen Zellen, die Mitochondrien
besitzen. Diese sind die Kraftwerke
der Zelle, die ATP für
die Lebensvorgänge produzieren |
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2
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ATP
ist der universelle Energiespeicher aller Zellen. |
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3
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Energie kann weder geschaffen
noch vernichtet werden, sondern nur von einer Energieart in die andere
transformiert werden. |
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4
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Es gibt endergonische
und exergonische Vorgänge. |
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5
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Die zu einer Reaktion notwendige
Aktivierungsenergie kann durch
Enzyme (Katalysatoren) erniedrigt
werden. |
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6
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Organismen beziehen ihre
Energie aus der Nahrung. Diese muß dazu verdaut, resorbiert
und in die Zellen transportiert werden. |
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7
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Es gibt autotrophe
und heterotrophe Lebensweisen. |
In Abb. 1 ist der Hefepilz
Saccharomyces cerevisiae abgebildet,
ein einzelliger Eukaryont, der Glucose in Ethanol verwandeln kann und
deshalb zur Bier- und Weinherstellung verwendet wird (Bierhefe = Bäckerhefe).
Die käuflichen Hefewürfel z. B. zum Kuchenbacken bestehen
ebenfalls aus dieser Pilzart. Diesen Pilzen fehlt das sonst bei Pilzen
typische Mycel (Geflecht aus Pilzhyphen). Saccharomyces pflanzt
sich sexuell und vegetativ durch Knospung fort (siehe links oben der
Beginn einer Knospung). In der Natur findet man sie überall dort,
wo zuckereiche Säfte freiwerden: im Nektarsaft der Blüten,
auf Früchten und Blättern, in der Nähe von Blattläusen.
Hefen sind aerob oder fakultativ anaerob
lebende Organismen. Je nach O2-Angebot gewinnen sie die Energie
über einen anderen Stoffwechselweg.
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aerobe
Lebensweise
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Energiegewinnung mit Sauerstoff z. B. Zellatmung
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anaerobe Lebensweise
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Energiegewinnung ohne Sauerstoff z. B. Gärung
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Hefen können bei O2-Mangel Zucker vergären,
also Glucose, Fructose, Saccharose und Maltose. Die notwendigen Enzyme
befinden sich im Cytoplasma. Dazu müssen die Nährstoffe zunächst
aufgenommen werden. Maltose und Saccharose werden dann in Glucose und
Fructose umgewandelt. Danach wird im Cytoplasma über mehrere Schritte
Ethanol gebildet und ausgeschieden.
Diesen Vorgang nennt man alkoholische
Gärung. Bei O2-Anwesenheit wird mit Hilfe der Mitochondrien
der Zucker vollständig in CO2 und H2O abgebaut.
Man nennt dies Zellatmung.
Den energiegewinnenden Stoffwechsel aller Lebewesen
kann man wie folgt zusammenfassen:
Alle Organismen verwenden Glucose als wichtigsten Energieträger.
Die Glucose wird dabei auf zwei Arten abgebaut: aerob in der Zellatmung
und anaerob in der Gärung. Bei der Zellatmung findet ein vollständiger
Abbau zum CO2 und H2O statt. Bei der Gärung
gibt es verschiedene primäre Endprodukte, die wichtigsten
sind Ethanol und CO2 oder Milchsäure. Danach werden
auch die Stoffwechselwege genannt:
alkoholische Gärung und Milchsäuregärung.
2.1 Milchsäure- und alkoholische Gärung
Alle Gärungstypen laufen in zwei Schritten im
Cytoplasma der Zellen ab:
Gärungen dienen den Pilzen ( z. B. Hefe) und vielen
Bakterien ( z. B. Staphylococcus epidermis; Bakterien
auf der Haut) zum Energiegewinn. Die beim Abbau der Glucose
freiwerdene Energie wird in ATP gespeichert. Der Stoffwechselweg der
Gärung läuft in mehrere Einzelschritten im Cytoplasma mit
Hilfe spezieller Enzyme ab. Je nachdem, welches Enzym vorhanden ist,
bauen z. B. Milchsäurebakterien die BTS in Milchsäure
oder Hefe in Ethanol um.
Die Gesamtgleichungen sind:
Die Milchsäuregärung
kommt im Muskel der Tiere sowie bei verschiedenen Bakterien wie den
Milchsäurebakterien, Protozoen, Pilzen, Grünalgen und höheren
Pflanzen vor.
Die Alkoholische Gärung
findet man bei Hefe und einigen anderen Mikroorganismen und höheren
Pflanzen.
Daneben findet man bei Propionibakterien oder bei
Micrococcus-Arten im Pansen der Wiederkäuer die Propionsäuregärung:
Bei der Buttersäuregärung
bei Clostridien ( obligat anaerob) wird Glucose in Buttersäure
gespalten:
Glucose ———>
Buttersäure + 2 CO2 + 2 H2 DG°´=
- 265 KJ/Mol
Die Essigsäuregärung ist keine echte Gärung,
da mit Hilfe von O2 Ethanol zu Essigsäure abgebaut wird
(Acetobacter = Essigsäurebakterien)
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Nachweis der Gärungsprodukte
Um die Gärungsendprodukte z. B. bei Hefe
nachweisen zu können, werden einige ml |
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Traubensaft in einen Rundkolben gegeben.
Dazu kommt in Wasser aufgeschlämmte käufliche Hefe (Saccharomyces
cerevisiae). Der Kolben wird luftdicht abgeschlossen, wobei ein
gebogenes Glasrohr in eine Kalkwasserlösung eintaucht. Bei
Aufbewahrung bei 25° C - 35°C entsteht ein Gas, das
in Kalkwasser einen weißen Niederschlag produziert, also
CO2.
Bei Zusatz von gesättigter HgCl2-Lösung
unterbleibt die Gärung.
Nach Beendigung der Gärung setzt man ein
ca. 75 cm langes Steigrohr auf. Der beim Erhitzen der Flüssigkeit
entweichende Alkohol läßt sich leicht am Endes Rohres
entzünden.
Zur Verhinderung von Schaum sollte der Kolben
geschüttelt werden.
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