1 Naturschutz |7.2.5.1 Stoffwechsel | 2010 Naturschutz Ausbildung Thema: Stoffwechsel.

1Naturschutz | 7.2.5.1 Stoffwechsel | 2010

Naturschutz AusbildungThema: Stoffwechsel


Gliederung

1. Einführung

2. Stoffwechsel

3. Energiegewinnung

4. Autotrophe Lebewesen (Photo- u. Chemosynthese)

5. Heterotrophe Lebewesen

6. Ernährung (Nährstoffe u. Energieumsatz)

Fachkenntnis- Stoffwechsel


Jeder lebende Organismus (Bakterie, Alge, Pilz, Pflanze, Tier,

Mensch) stellt ein komplexes Gebilde mit einer Vielzahl ständig ablaufender komplizierter biochemischer Prozesse und einer hochkomplexen Struktur dar.

Einführung


Für den Erhalt und das Funktionieren dieser Struktur sowie das Wachstum und die Fortpflanzung müssen alle Lebewesen ständig Energie aufwenden.Zudem ist ein ständiger Stoffaustausch mit ihrer Umgebung notwendig

Einführung


Jeder lebende Organismus muss dazu energiereiche Verbindungen die er entweder selbst produziert oder aber von außen in Form von Nahrung aufnimmt zur Energiegewinnung abbauen.

Die freiwerdende Energie wird für energieaufwendige biologische Prozesse im Organismus verwendet, wie z.B.:

Aufbau von Substanzen

Muskelarbeit

Erregungsleitung in Nerv und Muskel

aktiver Transport von Substanzen im Körper

Energiegewinnung


Gliederung

1. Einführung

2. Stoffwechsel

3. Energiegewinnung






In jedem Lebewesen laufen ständig eine Vielzahl von chemischen Prozessen ab, die man als Stoffwechsel bezeichnet. Dabei werden im Körper u.a. aus den Grundbausteinen der Nährstoffe (Eiweiß, Zucker, Fett) größere und komplexere körpereigene Verbindungen aufgebaut.

Stoffwechsel


Gliederung

1. Einführung

2. Stoffwechsel

3. Energiegewinnung






In Bezug auf die Art der Energiegewinnung unterscheidet man zwei prinzipielle Arten von Lebewesen.

Einerseits solche, die für die Aufrechterhaltung der Lebensprozesse nötigen energiereichen Verbindungen selbst erzeugen können (= sog. autotrophe Organismen).

Autotrophe Organismen


Andererseits solche Lebewesen, welche die energiereichen Verbindungen nicht selbst produzieren können, sondern diese in Form von Nahrung von außen aufnehmen müssen (sog. heterotrophe Organismen). Diese Lebewesen gewinnen ihre Energie aus der Verstoffwechselung der von den autotrophen Organismen produzierten “Nahrung“.

Heterotrophe Organismen


Gliederung

1. Einführung

2. Stoffwechsel

3. Energiegewinnung






Autotrophe Lebewesen sind Organismen, die selbst energiereiche Verbindungen produzieren können.Diese autotrophen Lebewesen stellen die Grundlage aller Ökosysteme auf der Erde dar.

Man unterscheidet 2 Arten von autotrophen Lebewesen.

Zum einen die sog. phototrophen (oder photosynthetischen) Organismen.

Zum anderen die sog. chemotrophen (oder chemosynthetischen) Organismen.

Autotrophe Lebewesen


Die Photosynthese ist ein Prozess, bei dem die photrophen Organismen (grüne Pflanzen und Algen) aus den anorganischen Ausgangsstoffen Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) sowie der Energie des Sonnenlichtes das energiereichere organische Kohlenhydrat Glukose (= Traubenzucker; C6H12O6) herstellen.

Photosynthese


Zudem entsteht sozusagen als „Abfallprodukt“ der für uns Menschen und viele andere Lebewesen lebensnotwendige Sauerstoff (O2) den wir zum Atmen brauchen.

Schema der Photosynthese:

6 CO2 + 12 H2O + Lichtenergie C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

Photosynthese


Schematische Darstellung der in den Blattgrünhaltigen Zellen (Chloroplasten) eines Pflanzenblattes ablaufenden Photosynthese.

Bei der aus den Ausgangsstoffen Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) sowie der Energie des Sonnenlichtes, Kohlenhydrate (CH2O)x und Sauerstoff (O2) entstehen.

Photosynthese


Mit den ersten Photosynthese treibenden Einzellern auf der Erde begann vor zwei bis drei Milliarden Jahren die Umwandlung von Kohlendioxid in Sauerstoff, wodurch erst allmählich unsere heutige sauerstoffreiche Atmosphäre entstand.

Damit ist die Photosynthese die Grundlage allen höheren Lebens auf der Erde.

Photosynthese


Jährlich werden durch die Photosynthese aus ca. 3 x 1012 Tonnen CO2 ca. 5 x 1011 Tonnen organische Substanz gebildet.

Mehr als die Hälfte dieser Produktion Findet in den Weltmeeren durch das Phytoplankton statt.

Photosynthese


Die großen Lager an fossilen Brennstoffen (z. B. Kohle) sind ursprünglich Produkte der Photosynthese von vielen Millionen Jahren.

Durch die Verbrennung von Kohle, Erdöl und Erdgas steigt der CO2-Gehalt der Luft (siehe Kapitel Kohlenstoffkreislauf).

Fossile Brennstoffe


Pflanzliche Organismen können dieses CO2 wieder in organische Materie umformen. Heute werden allerdings fossile Brennstoffe weltweit in riesigen Mengen und – im Vergleich zur Zeit die zu Ihrer Herstellung nötig war (Pflanzenwachstum) – in sehr kurzer Zeit verbrannt. So verbrennen wir derzeit in nur 1 Jahr fossile Brennstoffe in einer Menge, zu deren Herstellung die Natur mehr als 400 Jahre benötig hat.

Deshalb kann die Photosyntheseleistung der Pflanzen den resultierenden Anstieg des CO2-Gehalts der Luft nicht mehr ausreichend kompensieren. Ein stetiger Anstieg des CO2-

Gehaltes in der Atmosphäre ist die Folge.

CO2-Gehalt der Luft


Nahezu alles Leben auf der Erde an Land und im Meer beruht auf der Energiegewinnung mittels Photosynthese der Pflanzen und Algen.

Jedoch gibt es vor allem an extremen Standorten wie z.B. in der Tiefsee im Bereichen heißer Quellen, sowie in aktiven Vulkanen, im Boden, in manchen Gewässern und in Bergwerken Bakterien, die aus den dort vorhandenen anorganischen Substanzen mittels sog. Chemosynthese Energie gewinnen und somit ebenfalls autotrophe Lebewesen darstellen.

Chemosynthese


Unter Chemosynthese versteht man die autotrophe Produktion von energiereichen kohlenstoffhaltigen (organischen) Substanzen wie z.B. Kohlenhydraten mit Hilfe von Energie aus Oxidation anorganischer Substanz wie z.B. Schwefelwasserstoff (H2S), Ammoniak (NH3), Methan (CH4), Wasserstoff (H2) oder Eisen (Fe).

Die Bakterien die Chemosynthese betreiben nennt man Chemoautolithotrophe. Es sind meist Schwefelbakterien, Nitrifizierer, Knallgasbakterien und Methanobakterien.

All diese Bakterien spielen eine wichtige Rolle im Kohlenstoff (C)-, Schwefel (S)- und Stickstoff (N)-Kreislauf der Natur.

Chemosynthese


Schema der Chemosynthese:

6 H2O + 6 CO2 + z. B. H2S, CH4 als Energie C6H12O6 + 6 O2

Gemäß dieses Schemas bilden die chemolithoautotrophen Bakterien aus den Ausgangsstoffen Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) sowie der Energie aus anorganischen Verbindungen wie z.B. Schwefelwasserstoff (H2S), oder Methan (CH4) das Kohlenhydrat Glukose (= Traubenzucker; C6H12O6) sowie Sauerstoff (O2).

Von den so gebildeten energiereichen Kohlenhydraten können sich wiederum andere Lebewesen ernähren.

Chemosynthese


Diese chemoautolithotrophen Bakterien stellen so mit ihrer Chemosynthese die Basis eines nicht auf Photosynthesesondern auf Chemosynthese beruhenden Ökosystems dar.

Ökosystem Tiefsee


Gliederung

1. Einführung

2. Stoffwechsel

3. Energiegewinnung






Heterotrophe Organismen können nicht selbst energiereiche kohlenstoffhaltige Verbindungen herstellen, sondern sind darauf angewiesen die von den autotrophen Organismen produzierten energiereichen organischen Verbindungen in Form von Nahrung (Fressen von Bakterien, Pilzen, Pflanzen und/oder Tieren oder Verwertung von deren totem Gewebe) von außen aufzunehmen.

Zu den heterotrophen Organismen gehören der Mensch, alle Tiere, manche Pflanzen und viele Mikroorganismen (wie z.B. Bakterien und Pilze).

Heterotrophe Lebewesen


Viele der heterotrophen Organismen gewinnen die benötigte Energie dadurch, dass sie im Rahmen der sog. aeroben Atmung die von den autotrophen Pflanzen, Algen und Bakterien produzierte Glukose (C6H12O6) mit Hilfe von Sauerstoff (O2) oxidieren (verbrennen) und dabei Kohlendioxid (CO2) bilden, das wiederum von den autotrophen Organismen im Rahmen der erneuten Produktion von Glukose „recycelt“ wird.

Die aerobe Atmung stellt somit die exakte Umkehrung der Photosynthese dar.

Schema der aeroben Atmung:

C6H12O6 + 6 O2 6 H2O + 6 CO2 + Energie

Aerobe Atmung


So entsteht ein ständiger Energie- und Stoffkreislauf zwischen den autotrophen Produzenten, die mit Hilfe der „Sonnenenergie“ photosynthetisch Glukose (C6H12O6) produzieren

und den heterotrophen Konsu-menten, die diese Glukose im Rahmen der aeroben Atmung wieder abbauen und so „Lebensenergie“ gewinnen.

Energie- u. Stoffkreislauf



Gliederung

1. Einführung

2. Stoffwechsel

3. Energiegewinnung





Die in der Nahrung enthaltenen Nährstoffe dienen zum einen als „Brennstoff“ für die Energie erfordernden lebensnotwendigen biochemischen Prozesse im Organismus und bilden zum anderen die notwendigen Bausteine für den Aufbau der biologischen Struktur der Lebewesen.

Nahrungsmittel bestehen aus Nährstoffen,Vitaminen, Salzen, Spurenelementen, Geschmacks- und Ballaststoffen sowie Wasser.

Ernährung

Die Ernährung ist unabdingbare Voraussetzung für den Bau und die Funktion eines jeden Lebewesens.


Zu den Nährstoffen zählen die in der Nahrung vorkommenden energiereichen Stoffgruppen der Eiweiße, Fette und Kohlenhydrate

Nährstoffe

Nahrung

Nährstoffe Mineralstoffe Ballaststoffe Wasser

Kohlenhydrate Fette Proteine

Spurenelemente Vitamine


Der Nährstoffbedarf richtet sich zum einen nach dem Energiebedarf des Organismus. Ein erhöhter Bedarf besteht bei vermehrter körperlicher Arbeit, in der Schwangerschaft und bei verschiedenen Krankheiten.

Zum anderen werden für die Aufrechterhaltung der Funktionsfähigkeit des Körpers Mindestmengen an Eiweißen, Fetten und Kohlenhydraten benötigt.

Nährstoffbedarf


Bei normaler körperlicher Belastung beträgt die empfohlene tägliche Zufuhr an:

Eiweiß: 0.8 g/kg Körpergewicht

Kohlenhydraten: 100 g/Tag (v.a. für das Gehirn)

Fette: etwa 25-30% des Energiebedarfs

Wasser: mindestens 1,75 l pro Tag

Nährstoffbedarf


Kohlenhydrate haben sowohl als Speicherstoff hoher Energiedichte (z.B. Glykogen in Muskeln und Leber) als auch als Gerüstsubstanz vieler Organismen große Bedeutung.

Bei den Kohlenhydraten unterscheidet man, je nach Anzahl der Mono-saccharidbausteine, zwischen

Monosacchariden (Einfachzuckern), Di-, Oligo- und Polysacchariden (Zwei- Mehr- u. Vielfachzucker).

Kohlenhydrate


Die für den Menschen wichtigen Kohlenhydrate sind fast ausschließlich pflanzlicher Herkunft.

Obst, Gemüse, Kartoffeln, Getreide und Hülsenfrüchte enthalten Kohlenhydrate.

Kohlenhydrate


Kohlenhydrate sind die wichtigsten Energielieferanten für die Zellen.

Glukose (Traubenzucker) ist das Schlüsselmolekül für alle höheren Lebewesen einschließlich des Menschen. So wird bei gesunder Ernährung mehr als 50% des Energiebedarfs durch den Abbau von Glukose gedeckt.

Ferner deckt das Gehirn seinen Energiebedarf fast ausschließlich über Glukose, während die quergestreifte Muskulatur bei Kohlenhydratmangel auf Fettsäureverbrennung ausweicht.

Kohlenhydrate


Eiweiße (Proteine) bestehen aus sog. Aminosäuren und werden hauptsächlich zum Aufbau körpereigener Substanzen wie z.B. Muskulatur, Enzymen und Plasmaeiweißen benötigt.

Eiweiß


So werden im menschlichen Körper täglich 300 g Protein neu gebildet. In dieser Funktion sind Eiweiße nicht durch Fette oder Kohlenhydrate zu ersetzen.

Von den etwa 20 Aminosäuren, aus denen körpereigene Proteine aufgebaut sind, können 9 nicht im menschlichen Organismus hergestellt (synthetisiert) werden. Diese 9 werden als unentbehrliche oder essentielle Aminosäuren bezeichnet.

Eiweiß


Je nach Herkunft unterscheidet man tierisches und pflanzliches Eiweiß.

Tierisches Eiweiß findet sich hauptsächlich in Fleisch, Fisch, Milch und Milchprodukten sowie Eiern.

Eiweiß


Pflanzliches Eiweiß wird in nennenswerten Mengen mit Hülsenfrüchten und Kartoffeln aufgenommen, in geringen Mengen mit fast allen Obst- und Gemüsesorten.

Der erwachsene Mensch muss mindestens 32 g Eiweiß pro Tag mit der Nahrung zuführen.

Eiweiß


Ohne Fette (Lipide) könnte keine der auf der Erde vorkommenden Lebensformen existieren.

So bilden Phospholipide die Struktur sämtlicher zellulärer Membranen (= Hüllen von Zellen) und ermöglichen auf diese Weise erst die Existenz von Zellen, deren Inneres gegen störende Einflüsse der Außenwelt abgeschirmt wird (s. Abb.).

Zudem sind Fette sind die wichtigste Energiereserve des Menschen sowie vieler tierischer Organismen.

Fett


Ferner dienen Fette der Wärmeisolierung (subcutanes Fettgewebe) oder als Druckpolster (Fett der Nierenlager und der Fußsohle).

Die Möglichkeit der Fettspeicherung im Fettgewebe gewährleistet über längere Zeit eine gewisse Unabhängigkeit von der Nahrungszufuhr und sichert so in Zeitenvon Nahrungsknappheit das Überleben.

Fett


Die aufgenommenen Fette werden entweder verbrannt (Betriebsstoffwechsel) oder in Form von Depotfett im Gewebe gespeichert (Energiespeicher).

Die Fettverbrennung ergibt im Vergleich mit anderen Nahrungsstoffen die höchste Energieausbeute (siehe biologischer Brennwert).

Fett


Fette kommen als unvermeidliche Begleitsubstanzen in fast allen Nahrungsmitteln tierischer Herkunft vor, so in den wichtigen Eiweißquellen Fleisch, Fisch, Milch und Milchprodukten sowie Eiern.

Fett


Fette finden sich ferner in Pflanzensamen, z.B. in Nüssen.

Die sehr eiweißreiche mitteleuropäische Durchschnittskost hat einen zu hohen Fettanteil.

Fette sollen etwa 35% der gesamten Energiezufuhr über die Nahrung ausmachen.

Fett


Im Gegensatz zum Fett kann der Organismus Eiweiße und Kohlenhydrate nur in geringem Umfang speichern.

Überschüssige Mengen werden abgebaut, ausgeschieden oder in Fett umgebaut und gespeichert.

Die kurzfristig verfügbaren Eiweißreserven im Körper betragen nur rund 45 g.

Die Kohlenhydratreserven betragen nur 300-450 g.

Dagegen können die Fettdepots (als große Energiespeicher) bei Übergewicht mehrere zig Kilogramm betragen.

Speicherung von Nährstoffen


Die 3 Grundnährstoffe enthalten unterschiedlich viel Energie. Die pro Gramm freiwerdende Energie nennt man biologischen Brennwert.

Dieser ist bei Fetten mehr als doppelt so groß (9 kcal/g)

wie bei Eiweißen (4 kcal/g)

oder Kohlenhydraten (4 kcal/g)

Alkohol hat einen relativ hohen biologischen Brennwert von7 kcal/g (Bier- oder Weinbauch!).

Biologischer Brennwert von Nährstoffen


Biologischer Brennwert von Nährstoffen


Man unterscheidet fettlösliche Vitamine (A, D, E und K) und wasserlösliche Vitamine (B1, B2, B6, B12, Biotin, Folsäure, Nicotinsäure, Nicotinsäureamid, Pantothensäure u. Vitamin C).

Vitamine erfüllen sehr spezifische Funktionen im Zellstoffwechsel. Sie sind häufig Bestandteile von Enzymsystemen oder entfalten komplexe Systemwirkungen.

Vitamine

Als Vitamine bezeichnet man in der Nahrung vorkommende, lebenswichtige organische Substanzen, die der Organismus nicht oder nicht in genügender Menge synthetisieren kann und deren Energiegehalt ohne Bedeutung ist.


Wasser (H2O) ist als „Lösungsmittel“ für alle im Organismus ablaufenden biochemischen Prozesse und somit für alle Lebewesen von außerordentlicher Bedeutung.

Ohne Wasser kein Leben !

Wasser

„Das Prinzip aller Dinge ist das Wasser, denn Wasser ist alles, und ins Wasser kehrt alles zurück.“

Thales von Milet (griechischer Philosoph)


Die meisten Lebensmittel enthalten mehr als 50% Wasser. Weniger als 50% findet man u.a. in Brot, Butter und Käse.

Wasser

Während der biologischen Verbrennung von Nahrung entstehen zusätzlich ca. 350 ml Wasser pro Tag (dieses „Oxidationswasser“ ist für Tiere in extremen Trockenregionen, z.B. die Wüstenmaus lebenswichtig).


Die Salze dienen dem Organismus, ebenso wie das Wasser, zur Aufrecht-erhaltung des inneren Milieus.

Die Konstanthaltung der ionalen Zusammensetzung (Isoionie) und des pH-Wertes (Gehalt an Wasserstoffionen) der Körperflüssigkeiten gehört zu den wesentlichen Voraussetzungen einer ungestörten Zelltätigkeit.

Von besonderer Bedeutung sind die Kationen(positiv geladen) Natrium, Kalium, Calciumund Magnesium sowie die Anionen (negativgeladen) Chlorid und Phosphat.

Salze


Unter den Spurenelementen versteht man Elemente, die nur in äußerst geringen Mengen in der Nahrung und im Organismus vorkommen und wichtige Funktionen erfüllen.

Zu den essentiellen Spurenelementen gehören u.a. Eisen (Baustein des Blutfarbstoffes Häm), Jod (Baustein der Schilddrüsenhormone) und Fluor (Bestandteil in Zahn u. Knochen).Ferner Kupfer, Mangan, Molybdän, Kobalt, Selen und Zink als Bausteine intrazellulärer und exkretorischer Enzyme.

Spurenelemente


Der Energieverbrauch des Menschen besteht aus dem:

Grundumsatz (Energieverbrauch für die Aufrechterhaltung der Körperfunktionen in Ruhe),

der Thermogenese (Energieverbrauch durch zusätzliche Wärmebildung)

Energieverbrauch durch körperliche Aktivität (Alltagsaktivität + Sport)

Täglicher Energieverbrauch


Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit und euer Interesse!


Präsentation: Stoffwechsel © 2010 Bergwacht Bayern

Konzept, Inhalt: Arbeitskreis Naturschutz der Bergwacht-Region Hochland

Ausarbeitung: Dr. Cölestin Allgäuer-Lechner (BW Benediktbeuern) Layout: Georg Schober jun.

1. Auflage: 2010

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