Fotosynthese, Zellatmung & Gärung
Fotosynthese und Zellatmung sind energetisch gesehen zwei entgegengesetzte Prozesse. Im Gegensatz zur Fotosynthese wo Biomoleküle als langfristiger Speicher aufgebaut werden, werden diese bei der Zellatmung zur Energiegewinnung abgebaut.
Fotosynthese
Die Fotosynthese liefert für die aeroben Organismen den notwendigen Sauerstoff. Als aerob bezeichnet man Lebewesen die zum Leben Sauerstoff brauchen. Sie gewinnen mit Hilfe des Sauerstoffs die in Biomolekülen (Fette, Eiweiße, Kohlenhydrate) gespeicherte Sonnenenergie.
Bei der Fotosynthese werden aus energieärmeren Stoffen mit Lichtenergie energiereiche Biomoleküle erzeugt. Sie wird von Pflanzen, Algen und von einigen Bakterien betrieben.
6 CO2 + 6 H2O + Licht = C6H12O6 + 6 O2
Kohlenstoffdioxid +Wasser + Licht = Glucose + Sauerstoff
Das heißt die Pflanze braucht sechs Moleküle Wasser, sechs Moleküle Kohlenstoffdioxid und Licht. Daraus entstehen sechs Sauerstoffmoleküle und Glucose (Traubenzucker).
Oder vereinfacht: Die Pflanze ernährt sich selber/produziert ihre Nahrung selber, indem aus Wasser aus dem Boden und Kohlenstoffdioxid aus der Luft mit Hilfe des Sonnenlichts in den Chloroplasten (Blattgrün- Chlophyll) Traubenzucker herstellt (synthetisiert). Dabei wird zusätzlich Sauerstoff frei!
Fotosynthese läuft in den Chloroplasten der Blätter ab. Ohne der Energie des Sonnenlichts, welches vom grünen Farbstoff Chlorophyll aufgenommen wird, könnte die Fotosynthese nicht funktionieren. Sauerstoff ist dabei ein Abfallprodukt und deshalb gehört die Fotosynthese zu den wichtigsten Prozessen auf der Erde.
Da sich Pflanzen selber ernähren/ihre organischen Moleküle wie Traubenzucker selber herstellen, nennt man sie Produzenten oder autotroph
Zellatmung
Die Zellatmung ist der Gegenpart der Fotosynthese und beschreibt die Stoffwechselvorgänge die für die Energiegewinnung der Zelle ist. Zellatmung findet in den Mitochondrien statt!
C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O + Energie (gespeichert in Form von ATP)
Zellen nehmen um sich mit Energie zu versorgen Traubenzucker auf, der im Cytoplasma und in den Mitochondrien zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut wird. Zum Schluss der Zellatmung bekommt die Zelle die energiereiche Verbindung ATP, welche für uns überlebenswichtig ist, denn ohne ATP könnten wir nur wenige Sekunden überleben. Pro Sekunde und pro Zelle werden 10 Millionen ATP-Moleküle verbraucht und wieder hergestellt. Pro Tag setzt ein Mensch ungefähr sein eigenes Körpergewicht an ATP um.
ATP ist somit der „Energiespeicher“ der Zellen, der „Zellakku“, welcher ständig aufgeladen werden muss!
Bei der Atmung entstehen 38 ATP (=Adenosintriphosphat)
Tiere sind auf Pflanzen angewiesen, sie benötigen sowohl organische Biomoleküle (Fette, Eiweiße, Kohlenhydrate), die sie zwar in ihren Körper einbauen können oder ineinander umbauen können, als auch den von Pflanzen zur Verfügung gestellten Sauerstoff. Tiere sind Konsumenten oder heterotroph
Bei der Atmung, wie bei der Gärung, wir der Einfachzucker zunächst aufgespalten (Glycolyse). Dieser Schritt setzt Energie frei und wird zum Aufbau von 2ATP genutzt. Bei der Gärung ist die Glycolyse der einzige energiegewinnende Schritt. Bei der Atmung werden die Produkte der Glycolyse in den Zitrionensäurezyklus (Drehscheibe des Stoffwechsels- hier können tierische Zellen organische Stoffe ineinander umwandeln- je nach Bedarf) und die Atmungskette weiter gegeben. In der Atmungskette wird schrittweise Energie aus den bereitgestellten Bruchstücken gewonnen (36ATP und die 2ATP aus der Glycolyse ergibt 38ATP) und CO2 und H2O werden abgegeben.
Gärung
Gärung ist ein Stoffwechselprozess, bei dem unter anaeroben Bedingungen (= in Abwesenheit von Sauerstoff) Kohlenhydrate zum Energiegewinn abgebaut werden.
Bei der Gärung wird Energie nur beim biochemischen Vorgang der Glykolyse, dem Abbau von Glucose, gewonnen. Mit der dabei freiwerdenden Energie werden 2 Moleküle Adensosindiphosphat (ADP) in 2 Moleküle Adenosintriphosphat (ATP) umgewandelt. ATP kann später von der Zelle genutzt werden, um Reaktionen zu ermöglichen, die den Körper Energie kosten. Dabei wird wieder 1 Phosphat von ATP abgespalten, es entsteht ADP. ATP ist sozusagen die „Batterie“ der Zelle.
Arten von Gärung
- Alkohlische Gärung: Kohlenhydrate, vor allem Glukose, werden von Hefepilzen zwecks Energiegewinnung zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid umgesetzt.
- Milchsäuregärung: Kohlenhydrate werden von Milchsäurebakterien zu Milchsäure bzw. Lactat (Anion der Milchsäure) und Kohlendioxid abgebaut.
Milchsäuregärung wird zum Beispiel von Milchsäurebakterien durchgeführt, die ausschließlich Energie durch Milchsäuregärung gewinnen. Dieser Prozess ist etwa für die Herstellung von Käse und Joghurt wichtig, aber auch für die Fermentierung von Gemüse. Für die Milchsäuregärung sind häufig Bakterien verantwortlich; die Milchsäurebakterien.
Die Milchsäure verleiht den Lebensmitteln den charakteristischen säuerlichen Geschmack und macht sie länger haltbar, indem sie das Wachstum unerwünschter Mikroorganismen verhindert. Die von den Milchsäurebakterien produzierte Milchsäure bewirkt eine Verdickung von Milch und kommt bei der Herstellung von Joghurt, Buttermilch, Käse und anderen Milchprodukten, aber auch bei der Weinerzeugung, bei der Herstellung von Sauerteig, Sauerkraut, sowie Kakao zum Einsatz. Auch für probiotische Produkte, die unsere Darmflora unterstützen sollen, werden Milchsäurebakterien eingesetzt.
Auch im menschlichen Körper spielt Milchsäuregärung eine Rolle, nämlich dann wenn die Muskulatur unter starker Belastung (Dauerlauf) zu Wenig Sauerstoff zu Verfügung hat und (zumindest teilweise) auf Milchsäuregärung umschaltet. Die Milchsäure in der Muskulatur sorgt zusammen mit kleinsten Verletzungen (Muskelrissen) für den unangenehmen Muskelkater nach übermäßiger körperlicher Betätigung.
Quellen:
Aneska Anastasia, 1HKB; 2018