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6.1: Energie und Stoffwechsel - Biologie

6.1: Energie und Stoffwechsel - Biologie


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Fähigkeiten zum Entwickeln

  • Erklären Sie, was Stoffwechselwege sind und beschreiben Sie die beiden Haupttypen von Stoffwechselwegen
  • Diskutieren Sie, wie chemische Reaktionen bei der Energieübertragung eine Rolle spielen

Wissenschaftler verwenden den Begriff Bioenergetik, um das Konzept des Energieflusses (Abbildung (PageIndex{1})) durch lebende Systeme wie Zellen zu diskutieren. Zelluläre Prozesse wie der Auf- und Abbau komplexer Moleküle laufen durch schrittweise chemische Reaktionen ab. Einige dieser chemischen Reaktionen sind spontan und setzen Energie frei, während andere Energie benötigen, um fortzufahren. So wie Lebewesen ständig Nahrung verbrauchen müssen, um das, was verbraucht wurde, wieder aufzufüllen, müssen Zellen ständig mehr Energie produzieren, um sie wieder aufzufüllen, als durch die vielen energieerfordernden chemischen Reaktionen, die ständig stattfinden, verbraucht wird. Alle chemischen Reaktionen, die innerhalb von Zellen stattfinden, einschließlich derjenigen, die Energie verbrauchen und solche, die Energie freisetzen, sind der Stoffwechsel der Zelle.

Stoffwechsel von Kohlenhydraten

Der Stoffwechsel von Zucker (einem einfachen Kohlenhydrat) ist ein klassisches Beispiel für die vielen zellulären Prozesse, die Energie verbrauchen und produzieren. Lebewesen verbrauchen Zucker als Hauptenergiequelle, da Zuckermoleküle viel Energie in ihren Bindungen gespeichert haben. Der Abbau von Glukose, einem einfachen Zucker, wird durch die Gleichung beschrieben:

[C_6H_{12}O_6 + 6O_2 ightarrow 6CO_2 + 6H_2O + ext{(Energie)} ag{6.1.1}]

Kohlenhydrate, die konsumiert werden, haben ihren Ursprung in photosynthetischen Organismen wie Pflanzen (Abbildung 6.1.2). Bei der Photosynthese nutzen Pflanzen die Energie des Sonnenlichts, um Kohlendioxidgas (CO2) in Zuckermoleküle, wie Glucose (C6h12Ö6). Da dieser Prozess die Synthese eines größeren, energiespeichernden Moleküls beinhaltet, ist eine Energiezufuhr erforderlich, um fortzufahren. Die Synthese von Glukose wird durch diese Gleichung beschrieben (beachten Sie, dass es die Umkehrung der vorherigen Gleichung ist):

[6CO_2 + 6H_2O + ext{(Energie)} ightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2 ag{6.1.2}]

Während der chemischen Reaktionen der Photosynthese wird Energie in Form eines sehr energiereichen Moleküls namens ATP oder Adenosintriphosphat bereitgestellt, das die primäre Energiewährung aller Zellen ist. So wie der Dollar als Währung für den Kauf von Waren verwendet wird, verwenden Zellen ATP-Moleküle als Energiewährung, um unmittelbare Arbeit zu verrichten. Der Zucker (Glukose) wird als Stärke oder Glykogen gespeichert. Energiespeichernde Polymere wie diese werden in Glukose zerlegt, um Moleküle von ATP bereitzustellen.

Sonnenenergie wird benötigt, um ein Glukosemolekül während der Photosynthesereaktionen zu synthetisieren. Bei der Photosynthese wird die Lichtenergie der Sonne zunächst in chemische Energie umgewandelt, die in den Energieträgermolekülen ATP und NADPH (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat) zeitlich gespeichert wird. Die in ATP und NADPH gespeicherte Energie wird dann später in der Photosynthese verwendet, um aus sechs CO .-Molekülen ein Glukosemolekül aufzubauen2. Dieser Vorgang ist vergleichbar mit dem morgendlichen Frühstück, um Energie für Ihren Körper zu gewinnen, die später am Tag verwendet werden kann. Unter idealen Bedingungen wird Energie von 18 Molekülen ATP benötigt, um ein Molekül Glucose während der Photosynthesereaktionen zu synthetisieren. Glukosemoleküle können auch mit anderen Zuckerarten kombiniert und in diese umgewandelt werden. Wenn Zucker konsumiert wird, gelangen schließlich Glukosemoleküle in jede lebende Zelle des Organismus. In der Zelle wird jedes Zuckermolekül durch eine komplexe Reihe chemischer Reaktionen abgebaut. Das Ziel dieser Reaktionen ist es, die in den Zuckermolekülen gespeicherte Energie zu gewinnen. Die gewonnene Energie wird verwendet, um hochenergetische ATP-Moleküle herzustellen, die verwendet werden können, um Arbeit zu verrichten und viele chemische Reaktionen in der Zelle anzutreiben. Die Energiemenge, die benötigt wird, um aus sechs Molekülen Kohlendioxid ein Molekül Glukose herzustellen, beträgt 18 Moleküle ATP und 12 Moleküle NADPH (von denen jedes energetisch drei Molekülen ATP entspricht) oder insgesamt 54 Moleküläquivalente erforderlich für die Synthese eines Moleküls Glucose. Dieser Prozess ist ein grundlegender und effizienter Weg für Zellen, die benötigte molekulare Energie zu erzeugen.

Stoffwechselwege

Die Prozesse der Herstellung und des Abbaus von Zuckermolekülen veranschaulichen zwei Arten von Stoffwechselwegen. Ein Stoffwechselweg ist eine Reihe miteinander verbundener biochemischer Reaktionen, die ein oder mehrere Substratmoleküle Schritt für Schritt durch eine Reihe von Stoffwechselzwischenprodukten umwandeln und schließlich ein oder mehrere Endprodukte ergeben. Im Fall des Zuckerstoffwechsels synthetisierte der erste Stoffwechselweg Zucker aus kleineren Molekülen, und der andere spaltete Zucker in kleinere Moleküle auf. Diese beiden gegensätzlichen Prozesse – der erste benötigt Energie und der zweite produziert Energie – werden als anabole (Aufbau) bzw. katabole (Abbau) Wege bezeichnet. Folglich setzt sich der Stoffwechsel aus Aufbau (Anabolismus) und Abbau (Katabolismus) zusammen.

Evolution-Verbindung

Evolution der Stoffwechselwege: Zur Komplexität des Stoffwechsels gehört mehr als nur das Verständnis der Stoffwechselwege. Die metabolische Komplexität variiert von Organismus zu Organismus. Photosynthese ist der primäre Weg, auf dem photosynthetische Organismen wie Pflanzen (der Großteil der globalen Synthese wird von planktonischen Algen durchgeführt) die Sonnenenergie gewinnen und in Kohlenhydrate umwandeln. Das Nebenprodukt der Photosynthese ist Sauerstoff, der von einigen Zellen für die Zellatmung benötigt wird. Während der Zellatmung hilft Sauerstoff beim katabolen Abbau von Kohlenstoffverbindungen wie Kohlenhydraten. Zu den Produkten dieses Katabolismus gehören CO2 und ATP. Darüber hinaus führen einige Eukaryoten katabole Prozesse ohne Sauerstoff (Fermentation) durch; das heißt, sie führen oder verwenden einen anaeroben Stoffwechsel.

Organismen haben wahrscheinlich einen anaeroben Stoffwechsel entwickelt, um zu überleben (lebende Organismen entstanden vor etwa 3,8 Milliarden Jahren, als es der Atmosphäre an Sauerstoff mangelte). Trotz der Unterschiede zwischen Organismen und der Komplexität des Stoffwechsels haben Forscher herausgefunden, dass alle Lebenszweige einige der gleichen Stoffwechselwege teilen, was darauf hindeutet, dass sich alle Organismen aus demselben alten gemeinsamen Vorfahren entwickelt haben (Abbildung (PageIndex{3})) . Es gibt Hinweise darauf, dass sich die Wege im Laufe der Zeit divergierten und spezialisierte Enzyme hinzufügten, die es den Organismen ermöglichen, sich besser an ihre Umgebung anzupassen und so ihre Überlebenschance zu erhöhen. Das zugrunde liegende Prinzip bleibt jedoch, dass alle Organismen Energie aus ihrer Umgebung gewinnen und in ATP umwandeln müssen, um zelluläre Funktionen auszuführen.

Anabole und katabole Wege

Anabole Wege erfordern einen Energieeintrag, um komplexe Moleküle aus einfacheren zu synthetisieren. Zucker aus CO . synthetisieren2 ist ein Beispiel. Andere Beispiele sind die Synthese großer Proteine ​​aus Aminosäurebausteinen und die Synthese neuer DNA-Stränge aus Nukleinsäurebausteinen. Diese biosynthetischen Prozesse sind entscheidend für das Leben der Zelle, finden ständig statt und benötigen Energie, die von ATP und anderen hochenergetischen Molekülen wie NADH (Nikotinamidadenindinukleotid) und NADPH bereitgestellt wird (Abbildung (PageIndex{4})).

ATP ist ein wichtiges Molekül, das Zellen jederzeit in ausreichender Menge zur Verfügung haben. Der Abbau von Zucker veranschaulicht, wie ein einzelnes Glukosemolekül genug Energie speichern kann, um eine große Menge ATP, 36 bis 38 Moleküle, herzustellen. Dies ist ein kataboler Weg. Katabolische Wege beinhalten den Abbau (oder den Abbau) komplexer Moleküle in einfachere. In den Bindungen komplexer Moleküle gespeicherte molekulare Energie wird auf katabolen Wegen freigesetzt und so geerntet, dass sie zur Produktion von ATP verwendet werden kann. Andere energiespeichernde Moleküle wie Fette werden ebenfalls durch ähnliche katabole Reaktionen abgebaut, um Energie freizusetzen und ATP zu bilden (Abbildung (PageIndex{4})).

Wichtig zu wissen ist, dass die chemischen Reaktionen von Stoffwechselwegen nicht spontan ablaufen. Jeder Reaktionsschritt wird durch ein Protein namens Enzym erleichtert oder katalysiert. Enzyme sind wichtig, um alle Arten von biologischen Reaktionen zu katalysieren – sowohl solche, die Energie benötigen als auch solche, die Energie freisetzen.

Zusammenfassung

Zellen erfüllen die Funktionen des Lebens durch verschiedene chemische Reaktionen. Der Stoffwechsel einer Zelle bezieht sich auf die chemischen Reaktionen, die in ihr stattfinden. Es gibt Stoffwechselreaktionen, bei denen komplexe Chemikalien in einfachere zerlegt werden, wie zum Beispiel der Abbau großer Makromoleküle. Dieser Vorgang wird als Katabolismus bezeichnet, und solche Reaktionen sind mit einer Freisetzung von Energie verbunden. Auf der anderen Seite des Spektrums bezieht sich Anabolismus auf Stoffwechselprozesse, die komplexe Moleküle aus einfacheren aufbauen, wie zum Beispiel die Synthese von Makromolekülen. Anabole Prozesse benötigen Energie. Glukosesynthese und Glukoseabbau sind Beispiele für anabole bzw. katabole Wege.

Mehrfachauswahl

Energie wird langfristig in den Bindungen von _____ gespeichert und kurzfristig verwendet, um Arbeit von einem(n) _____ Molekül zu verrichten.

  1. ATP: Glukose
  2. ein anaboles Molekül: kataboles Molekül
  3. Glukose: ATP
  4. ein kataboles Molekül: anaboles Molekül

C

Die DNA-Replikation beinhaltet das Abwickeln von zwei Strängen der Eltern-DNA, das Kopieren jedes Strangs, um komplementäre Stränge zu synthetisieren, und die Freisetzung der Eltern- und Tochter-DNA. Welche der folgenden Aussagen beschreibt diesen Vorgang genau?

  1. Dies ist ein anaboler Prozess
  2. Dies ist ein kataboler Prozess
  3. Das ist sowohl anabol als auch katabol
  4. Dies ist ein Stoffwechselprozess, aber weder anabol noch katabol

EIN

Freie Antwort

Beinhaltet körperliche Bewegung anabole und/oder katabole Prozesse? Geben Sie Beweise für Ihre Antwort.

Körperliches Training beinhaltet sowohl anabole als auch katabole Prozesse. Körperzellen bauen Zucker ab, um ATP bereitzustellen, um die für das Training notwendige Arbeit wie Muskelkontraktionen zu erledigen. Das ist Katabolismus. Muskelzellen müssen auch durch Training geschädigtes Muskelgewebe reparieren, indem sie neue Muskeln aufbauen. Das ist Anabolismus.

Nennen Sie zwei verschiedene zellulare Funktionen, die Energie benötigen, die den energieerfordernden Funktionen des Menschen entsprechen.

Energie wird für die Zellbewegung durch das Schlagen von Zilien oder Geißeln sowie für die menschliche Bewegung, die durch Muskelkontraktion erzeugt wird, benötigt. Zellen benötigen auch Energie für die Verdauung, da der Mensch Energie benötigt, um Nahrung zu verdauen.

Glossar

anabol
(auch Anabolismus) Wege, die einen Energieeintrag erfordern, um komplexe Moleküle aus einfacheren zu synthetisieren
Bioenergetik
Untersuchung des Energieflusses durch lebende Systeme
katabolisch
(auch Katabolismus) Wege, in denen komplexe Moleküle in einfachere zerlegt werden
Stoffwechsel
alle chemischen Reaktionen, die innerhalb von Zellen stattfinden, einschließlich Anabolismus und Katabolismus

6.1 Energie und Stoffwechsel

Wissenschaftler verwenden den Begriff Bioenergetik, um das Konzept des Energieflusses (Abbildung) durch lebende Systeme wie Zellen zu diskutieren. Zelluläre Prozesse wie der Auf- und Abbau komplexer Moleküle erfolgen durch schrittweise chemische Reaktionen. Einige dieser chemischen Reaktionen sind spontan und setzen Energie frei, während andere Energie benötigen, um fortzufahren. So wie Lebewesen ständig Nahrung verbrauchen müssen, um das, was verbraucht wurde, wieder aufzufüllen, müssen Zellen ständig mehr Energie produzieren, um sie wieder aufzufüllen, als durch die vielen energieerfordernden chemischen Reaktionen, die ständig stattfinden, verbraucht wird. Alle chemischen Reaktionen, die innerhalb von Zellen stattfinden, einschließlich derjenigen, die Energie verbrauchen und solche, die Energie freisetzen, sind der Stoffwechsel der Zelle.

Die meisten Lebewesen auf der Erde beziehen ihre Energie von der Sonne. Pflanzen nutzen Photosynthese, um Sonnenlicht einzufangen, und Pflanzenfresser fressen diese Pflanzen, um Energie zu gewinnen. Fleischfresser fressen die Pflanzenfresser und Zersetzer verdauen Pflanzen- und Tiermaterial.


Kohlenhydratstoffwechsel

Der Zuckerstoffwechsel (chemische Reaktionen) (ein einfaches Kohlenhydrat) ist ein klassisches Beispiel für die vielen zellulären Prozesse, die Energie verbrauchen und produzieren. Lebewesen verbrauchen Zucker als Hauptenergiequelle, da Zuckermoleküle beträchtliche Energie in ihren Bindungen gespeichert haben. Die folgende Gleichung beschreibt den Abbau von Glukose, einem einfachen Zucker:

Verbrauchte Kohlenhydrate haben ihren Ursprung in photosynthetischen Organismen wie Pflanzen ((Abbildung)). Bei der Photosynthese nutzen Pflanzen die Energie des Sonnenlichts, um Kohlendioxidgas (CO2) in Zuckermoleküle, wie Glucose (C6h12Ö6). Da dieser Prozess die Synthese eines größeren, energiespeichernden Moleküls beinhaltet, ist eine Energiezufuhr erforderlich, um fortzufahren. Die folgende Gleichung (beachten Sie, dass sie die Umkehrung der vorherigen Gleichung ist) beschreibt die Synthese von Glukose:

Bei chemischen Reaktionen der Photosynthese liegt die Energie in Form eines sehr energiereichen Moleküls vor, das Wissenschaftler ATP oder Adenosintriphosphat nennen. Dies ist die primäre Energiewährung aller Zellen. So wie der Dollar die Währung ist, mit der wir Waren kaufen, verwenden Zellen ATP-Moleküle als Energiewährung, um sofortige Arbeit zu leisten. Der Zucker (Glukose) wird als Stärke oder Glykogen gespeichert. Energiespeichernde Polymere wie diese zerfallen in Glukose, um ATP-Moleküle bereitzustellen.

Während der Photosynthesereaktionen wird Sonnenenergie benötigt, um ein Glucosemolekül zu synthetisieren. Bei der Photosynthese wandelt sich die Lichtenergie der Sonne zunächst in chemische Energie um, die sich in den Energieträgermolekülen ATP und NADPH (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat) zeitlich einlagert. Die Photosynthese nutzt später die in ATP und NADPH gespeicherte Energie, um aus sechs CO .-Molekülen ein Glukosemolekül aufzubauen2. Dieser Vorgang ist vergleichbar mit dem morgendlichen Frühstück, um Energie für Ihren Körper zu gewinnen, die Sie später am Tag verwenden können. Unter idealen Bedingungen wird Energie von 18 ATP-Molekülen benötigt, um ein Glucosemolekül während der Photosynthesereaktionen zu synthetisieren. Glukosemoleküle können sich auch mit anderen Zuckerarten verbinden und in diese umwandeln. Wenn ein Organismus Zucker konsumiert, gelangen Glukosemoleküle schließlich in die lebende Zelle jedes Organismus. Innerhalb der Zelle zerfällt jedes Zuckermolekül durch eine komplexe Reihe chemischer Reaktionen. Das Ziel dieser Reaktionen ist es, die in den Zuckermolekülen gespeicherte Energie zu gewinnen. Die gewonnene Energie erzeugt hochenergetische ATP-Moleküle, die Arbeit verrichten und viele chemische Reaktionen in der Zelle antreiben. Die Energiemenge, die benötigt wird, um aus sechs Kohlendioxidmolekülen ein Glukosemolekül herzustellen, beträgt 18 ATP-Moleküle und 12 NADPH-Moleküle (von denen jedes energetisch drei ATP-Molekülen entspricht) oder insgesamt 54 Moleküläquivalente, die für die Synthese eines Glukosemoleküls erforderlich sind . Dieser Prozess ist ein grundlegender und effizienter Weg für Zellen, die benötigte molekulare Energie zu erzeugen.


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