Energiegewinnung in den Lebewesen

Heute im Chemieunterricht: | Notwendigkeit und Möglichkeiten der Energiegewinnung. Energiegewinnung durch Atmung. Energiegewinn durch Gärung.

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123. Energiegewinnung in den Lebewesen

Essen und Trinken - Tanken von Energie

Für sämtliche Lebensvorgänge benötigt alles tierische und pflanzliche Leben Energie. Diese notwendige Energie holen sich Lebewesen täglich aus der Nahrung. Im Gegensatz zu Pflanzen können Menschen und Tiere mit Hilfe des Sonnenlichts (Photosynthese) keine biologische Substanz aufbauen. Menschen und Tieren ist es nur über den Umweg der Nahrungsaufnahme möglich, biologische Prozesse wie Atmung, Bewegung, Verdauung und Wachstum aufrechtzuerhalten.


Farn
Farn und Kühe
Der Farn kann im Gegensatz zu den Kühen Energie durch Photosynthese gewinnen. Tiere und Menschen müssen Energie in Form ihrer Nahrung aufnehmen.

Der Körper verbrennt die aufgenommene Nahrung in jeder einzelnen Zelle. Wir wissen natürlich, dass dies keine Verbrennung mit Feuererscheinung ist - es handelt sich vielmehr um eine langsame Verbrennung, bei der Nahrung abgebaut wird und die frei werdende Energie teils in chemischer Form gebunden, teils als Wärme frei wird. Diese Energiefreisetzung ermöglicht es den Lebewesen, hochmolekulare Zellbestandteile wie Proteine, Polysacharide und Nukleinsäuren zu produzieren.


Möglichkeiten der Energiegewinnung

Energieliefernde Prozesse bezeichnet man in der Biologie als Dissimilation, ein Vorgang, bei dem energiereiche organische Verbindungen in einfachere, energieärmere Stoffe zerlegt werden und bei dem Energie freigesetzt wird. Hauptsächlich werden die mit der Nahrung aufgenommenen Kohlenhydrate abgebaut, aber natürlich auch Fette, die als Speicherstoffe zur Energiegewinnung beitragen. Wenn Kohlenhydrat- und Fettvorräte verbraucht sind, beginnt der Körper zur Energiegewinnung sein Eiweiß abzubauen. Dies geschieht oft im Zusammenhang mit radikalen und einseitigen Diäten - es ist höchste Vorsicht geboten, denn nun ist ein bedrohlicher Zustand für den Organismus eingetreten.

Energiegewinnung durch Atmung

Yoga-Atemzug
Mit jedem Atemzug baut der Mensch organische Verbindungen ab und erhält damit einen hohen Energiegewinn.

Bei der aeroben Atmung wird Sauerstoff benötigt. In der Regel werden organische Verbindungen wie Kohlenhydrate oder Fettsäuren oxidiert und in einer Atmungskette schließlich auf O2 als Elektronenakzeptor übertragen. Der Gesamtvorgang der aeroben Atmung ist ein komplizierter Stufenprozeß, an dem zahlreiche Enzyme beteiligt sind. Körperzellen nehmen zu ihrer Energieversorgung Glucose auf. Diese wird von Eukaryoten im Cytoplasma und in den Mitochondrien vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert. Die Summenformel des Atmungsvorgangs kann so formuliert werden:


$ \mathrm { C_6H_{12}O_6 + 6 \ O_2 \ {\large \leftrightharpoons} \ 6 \ CO_2 + 6 \ H_2O + 2824 \ kJ }$


Die chemische Gleichung zeigt, dass die Atmung eine vollständige Oxidation darstellt. Mit den Versuchen 1 und 2 kann man das gebildete Kohlenstoffdioxid nachweisen. Die Energie von 2824 kJ pro Mol veratmeter Glucose tritt nur zum geringsten Teil als Wärme in Erscheinung. Der größte Teil der Energie, den ein Lebewesen bei der Atmung gewinnt, wird zum Aufbau anderer energiereicher Verbindungen verbraucht. Diese gebundene Energie steht nun der Zelle für biochemische Abläufe zur Verfügung.


 
Dissimilation: der Abbau organischer Verbindungen zum Zwecke der Energiegewinnung für Lebensvorgänge
 
Atmung: Abbau organischer Verbindungen mit Sauerstoff (aerober Abbau) zu Kohlendioxid und Wasser. Hoher Energiegewinn
 
In einem verschlossenen Behälter hält man längere Zeit keimende Samen (Erbsen, Bohnen) und führt dann eine Kerze ein.
 
Eine Waschflasche füllt man gut zur Hälfte mit keimenden Samen und verbindet sie mit einer zweiten Waschflasche, in der Baryt- oder Kalkwasser ist. Dann saugt man Luft von den Samen durch die Waschflaschen.
Temperatursteigerung bei keimenden Samen
3 In ein dichtes Gefäß mit keimenden Samen führt man ein Thermometer ein. Beobachte, wie sich die Temperatur verändert.

Brau-Bottich
Bei der alkoholischen Gärung produzieren Mikroorganismen unter Luftabschluß Ethanol. Der Vorgang der Gärung wird durch die schäumende Oberfläche angezeigt.

Energiegewinn durch Gärung

Steht manchen Organismen kein Sauerstoff zur Verfügung, oder sie können ihn erst garnicht verwerten, können sie mit Hilfe von Enzymen trotzdem (unter Energiegewinn) energieärmere Stoffe bilden. Diese biochemischen Vorgänge bezeichnet man als Gärungen. Dies sind im besonderen die alkoholischen Gärung, die Milchsäuregärung, die Buttersäuregärung und einige mehr. Die Namen der verschiedenen Gärungen beziehen sich auf das Produkt, das dabei entsteht. Die folgenden Gleichungen beschreiben die Stoffumwandlungen und Energiefreisetzungen einiger Gärungsarten.


Alkoholische Gärung:

$ \mathrm { C_6H_{12}O_6 \ {\large \longrightarrow} \ 2 \ C_2H_5OH + 2 \ CO_2 + 88 \ kJ }$


Milchsäuregärung:

$ \mathrm { C_6H_{12}O_6 \ {\large \longrightarrow} \ 2 \ CH_5 \ – \ CHOH \ – \ COOH + 92 \ kJ }$


Buttersäuregärung:

$ \mathrm { C_6H_{12}O_6 \ {\large \longrightarrow} \ CH_5 – CH_2 – CH_2 – COOH + 2 \ CO_2 + 2H_2 + 71 \ kJ }$


 
Gärung: Abbau organischer Verbindungen zu niederen organischen und anorganischen Verbindungen. Energiegewinn nicht so groß
Gärungsarten

Biologische Bedeutung

Vergleicht man die Gleichungen der Gärungen mit der Gleichung der Atmung zeigt sich, dass der Energiegewinn bei der Atmung deutlich höher liegt als bei der Gärung. Trotzdem ist die Gärung für Mikroorganismen ein Weg, um schnell Energie zu gewinnen, da sie nicht auf den externen Elektronenakzeptor Sauerstoff angewiesen sind. Organismen, die ihre Lebensenergie allein durch Gärung erzeugen, müssen jedoch große Stoffmengen umsetzen.

In manchen Fällen sind auch die Lebensräume höherentwickelter, aerob lebender Organismen sauerstoffarm. Quastenflosser und andere Meereswirbeltiere betreiben Gärung zur Deckung ihres Energiebedarfes, da sie in Tiefen leben, in denen die Konzentration gelösten Sauerstoffes gering ist. Auch Tintenfische beziehen einen Teil ihrer Energie aus der Vergärung von Pyruvat, dabei entsteht Octopin.

 
Fülle einen Rundkolben bis zur Hälfte mit Zuckerlösung und gib etwas Hefe hinzu. Verschließe dann mit einem Gärröhrchen, in dem sich etwas Kalkwasser befindet. Der Kolben wird längere Zeit bei einer Temperatur von etwa 25 - 30 °C aufbewahrt. Wie verändet sich das Kalkwasser und der Geruch des Kolbeninhalts?

Organismen, die eine Gärung betreiben, nennt man auch (primäre) Gärer. Manche Mikroorganismen sind dagegen so genannte sekundäre Gärer: Sie nehmen die Gärprodukte primärer Gärer auf und vergären sie weiter zu Kohlenstoffdioxid (CO2), Acetat oder Wasserstoff (H2).


Technische Bedeutung

Gärungen werden vielfältig zur Herstellung, Veredelung und Konservierung von Lebensmitteln und Futtermitteln genutzt. Vor allem die alkoholische Gärung (Versuch 4) und die Milchsäuregärung sind in der Technik von großer Bedeutung.