Folie%201

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Björn Brembs (Herr Menzel ab nächster Woche)
Lehrbücher der Tierphysiologie Roger
Eckert Tierphysiologie 3. Auflage Thieme Verlag,
Stuttgart 2000 Rüdiger J. Paul Physiologie der
Tiere, Systeme und Stoffwechsel Thieme Verlag,
Stuttgart, 2001 Katarina Munk Grundstudium
Biologie, Zoologie Spektrum Akademischer
Verlag Gustav Fischer Heidelberg, Berlin 2002
Einige Abbildungen von Moyes
Schulte Tierphysiologie Pearson Verlag München,
2008
Sie finden die Abbildungen der Vorlesung unter
www.neurobiologie.fu-berlin.de/ menu/lectures-cour
ses/winter-0708/
2
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Vorlesung Einführung in die Biologie, 2. Teil
Physiologie, Neurobiologie, Verhalten Wintersemest
er 2007/2008 -- Lehrveranstalter
Menzel/Brembs Programmübersicht Mi 9.01.
Metabolismus heterotropher Organismen
Energiegewinnung (aerob, anaerob, freie Energie,
Aktivierungsenergie, Rolle der Enzyme,
Allosterischer Effekt, kompetitive Hemmung,
Multienzymkomplexe, ATP) Fr 11.01.
Nahrungsaufnahme und Verdauung Ziel Gewinnung
von Material und Energie Kohlenhydrate, Fette,
Proteine (Art der Bausteine, der Bindungen)
Prinzipien enzymatischer Verdauung (Beispiel
Trypsin aus Trypsinogen Substrate und
Reaktionen von Proteasen, Karbohydrasen,
Esterasen, Nukleasen) Essentielle Aminosäuren,
Mineralien, Vitamine (Beriberi, Skorbut,
Pellagra, Kropf) Ernährungstypen mit Beispielen
(Allesfresser, Fleischfresser, Pflanzenfresser,
Abfallfresser, Filtrierer) Aufbau des
Verdauungstraktes des Menschen mit den
Verdauungsenzymen Widerkäuermagen. Mi16.01.
Exkretion, Exkretionsorgane (Protonephridien,
Malphigische Gefäße, Metanephridien, Nephron)
Exkretionsprodukte (Ammonium, Harnstoff,
Harnsäure, Guanin) Bau und Funktion der
Wirbeltierniere, Wasserhaushalt (ökologische
Extremsituation und Anpassungsstrategien) Fr
18.01. GasaustauschO2-Bedarf, Grundumsatz,
O2-Angebot in verschiedenen Lebensräumen
Körpergröße Atmungsorgane Kieme
(Gegenstromprinzip), Lunge (Amphibien, Vögel,
Säuger)TransportsystemeOffene und geschlossene
Blutkreislaufsysteme (Beispiele) Lage und Bau
des Herzens Blutkreislauf der Säuger Funktion
und Bau des Herzens (Kontraktionsrhythmus,
Druckverlauf, Erregungsverlauf)
Blutbestandteile.O2-Transport Hämoglobin,
Bindungskurve, pH-Abhängigkeit, foetales
Hämoglobin, Myoglobin.
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Zusammenhang zwischen den Energiestufen in
der Nahrungskette
Sonne
grüne Pflanzen
Pflanzenfresser
Energie
Fleischfresser
Parasiten
Fäulnisbakterien
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• Die Photosynthese der autotrophen Pflanzen ist
  die Sauerstoff und Kohlenstoffquelle für alle
  Organismen
• auf der Erde
• Jährliche C-Fixierung 1010 t auf dem Land und
  1011 t im Wasser
• O2 Produktion alle 2 Jahre wird der gesamte O2
  Gehalt der
• Atmosphäre ausgetauscht

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(No Transcript)
7
(No Transcript)
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Stoffwechsel (Metabolismus)

• Kataboler Stoffwechsel (Katabolismus)
• setzt Energie frei durch den Umbau von komplexen
  reduzierten Molekülen zu einfacheren oxidierten
  Molekülen.
• Die freigesetzte Energie steht zur Verrichtung
  von Arbeit zur Verfügung
• z.B. bei der Zellatmung Abbau von Glukose zu CO2
  und H2O
• Betriebsstoffwechsel
• Anaboler Stoffwechsel (Anabolismus)
• verbraucht Energie, um komplexe Moleküle aus
  einfachen Molekülen aufzubauen
• z.B Synthese von Proteinen aus Aminosäuren
• Baustoffwechsel

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Wie kommen diese Energieflüsse zustande? Energie
Fähigkeit Arbeit zu verrichten Arbeit
Energiemenge die von einem System in ein anderes
übertragen wird Mechanik Arbeit Kraft (F
ma) mal Weg (W Fs)
SI-Einheit
Energie kann in verschiedenen Formen auftreten
(z.B. Wärmeenergie, elektrische Energie,
Strahlungsenergie, chemische Energie).
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1. Hauptsatz der Thermodynamik
In einem geschlossenen System wird Energie weder
erzeugt noch vernichtet. Es gibt lediglich eine
Überführung der Energie von einer Form in eine
andere. Die Energie in einem geschlossenen System
ist konstant (Energieerhaltungsgesetz) . Diese
Energie kann sich nur durch Transport von Energie
über dessen Grenzen ändern
wobei U innere (thermische) Energie Q vom
System aufgenommene Wärme-Energie W vom System
geleistete Arbeit
Die Veränderung der Energie eines Systems hängt
nur vom Anfangs- und Endzustand ab, nicht vom Weg
der Umwandlung
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2. Hauptsatz der Thermodynamik

• Energie ist nicht in beliebigem Maße in andere
  Arten umwandelbar (Wärmeverluste).
• Die gesamte Energie des Universums wird
  unvermeidlich in Wärme umgewandelt und die
  Ordnung in der Materie geht verloren (Wärmetod).

T absolute Temperatur ( 0 273 K)
Die Rate der Energie-Änderung in einem System
Die Entropie (Einheit J/K manchmal auch Grad der
Unordnung in einem System) eines geschlossenen
Systems wird immer mehr zunehmen und damit die
für Arbeit nutzbare Energiemenge wird
abnehmen. Entropie als Richtung der Zeit bei
irreversiblen Prozessen.
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Entropieänderungen sind nur sehr schwer zu
messen. Daher wurde durch die Kombination beider
thermodynamischen Hauptsätze eine andere Größe
eingeführt, die Gibbs Energie G (freie Enthalpie,
freie Energie). ?G ?H T ?S, mit ?G
Änderung der Gibbs Energie ?H Änderung der
Enthalpie. Enthalpie ist ein Mass für die
Gesamtenergie eines thermodynamischen Systems H
U pV (Hupf), mit p Druck V Volumen Die
Enthalpieänderung ?H ist folglich gegeben
durch ?H ?U p?V, wobei ?V meist
vernachlässigt werden kann, also ?H beinahe
gleich ?U wird. Dann gilt
Die Änderung der Gibbs Energie ?G hängt also von
der Änderung der inneren Energie und der der
Änderung der Entropie des Systems ab. ?G ist
negativ für spontan ablaufende Reaktionen (die
Energieänderung ist geringer als die
Entropiezunahme exergone Reaktionen).
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Ein Prozess kann nur dann spontan ablaufen, wenn
die Summe der Entropieänderungen insgesamt im
System zunimmt. In Teilen des Systems kann dabei
die Entropie auch abnehmen.
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Wie wird die nutzbare Energie übertragen?

• Selbst Energie freigebende (exergone) chemische
  Reaktionen verlaufen
• bei normaler Temperatur sehr langsam
• -bei den meisten chemischen Reaktionen muss erst
  einmal eine Energie-
• barriere überwunden werden (z.B. durch Erhitzen)

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Enzyme als Katalysatoren
Enzyme wirken als Katalysatoren für chemische
Reaktionen im Stoffwechsel. Sie beschleunigen die
Reaktionen ohne sich selbst zu verändern und ohne
?G der gesamten Reaktion, also das
Reaktionsgleichgewicht zu beeinflussen. Sie sind
große Proteine (Ketten von Aminosäuren), deren
dreidimensionale Gestalt, Verteilung von Ladungen
und Möglichkeiten von Wasserstoffbrücken Verbindun
gen zu Substratmolekülen herstellen.
L. Stryer, Biochemie, Spektrum Verlag
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Enzyme katalysieren Serien von Reaktionsschritten,
um große Unterschiede in der freien Energie
schrittweise in nutzbare (z.B. ATP) Energie zu
überführen und um speicherbare Energieformen zu
bilden (z.B. Kreatin, Glukose)
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Schrittweise Energiefreisetzung ist wichtig
Monty Pythons Mr. Creosote
18
Enzyme beschleunigen Reaktionen durch
Verminderung der Aktivierungsenergie
19
Die Bildung eines Enzym-Substrat Komplexes ist
der erst Schritt bei der enzymatischen Katalyse
Schlüssel-Schloss Prinzip veraltet
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Induzierte Anpassung
L. Stryer, Biochemie, Spektrum Verlag
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Regulation der Enzymaktivität
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Die Steuerung der Stoffwechselvorgänge beruht auf
folgenden Eigenschaften der Enzyme

• Kompetitive Hemmung/Aktivierung
• Allosterischer Effekt
• Mobilisierung von inaktiven Vorstufen durch
  andere Reaktionen
• räumliche Nachbarschaft in Multienzymkomplexen
• pH Abhängigkeit
• Kooperativität

Die Bezeichnung der Enzyme erfolgt meist mit der
chemischen Reaktion, die sie katalysieren oder
der Substrate z.B. Hydrolasen, Esterasen,
Nucleasen, Proteasen
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Die Verkopplung von enzymatischen Reaktionen kann
dazu genutzt werden, dass thermodynamisch
ungünstige Reaktion durch begünstigte
angetrieben werden
Die Gibbs-Energie aus gekoppelten Reaktionen
verhält sich additiv. Energie liefernde
Reaktionen ermöglichen dadurch den Ablauf von
Energie verbrauchenden Reaktionen.
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Energiewährung ATP

• Bei der Hydrolyse von ATP wird Energie frei
  gesetzt (30,5kJ/mol pro Phosphatrest)
• ATP dient als wichtigster unmittelbarer
  Überträger von Gibbs Energie, nicht als
  Speicherform.
• Der ATP Durchsatz ist sehr hoch (z.B. beim
  ruhenden Menschen etwa 40 kg ATP in 24 Std).
• Die ATP Hydrolyse verschiebt das Gleichgewicht
  gekoppelter Reaktionen um einen Faktor von 108

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Wieviel Energie hat ATP?
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Das Gehirn ist unser Energie-hungrigstes Organ

• Das Gehirn macht lediglich 2 des Körpergewichts
  aus.
• Sogar ruhend verbraucht das Gehirn 20 des
  totalen Energieverbrauchs (75 bei Neugeborenen).
• ? Das Gehirn verbraucht Energie mit der 10fachen
  Rate anderer Gewebe.
• Der limitierende Faktor bei der Gehirnevolution
  war Energie

Wo geht diese ganze Energie hin?
The energy burden associated with the
environment may be as little as .5-1.0 of the
total energy budget. Marcus Raichle (2006)
Science 314, p1249
Reizunabhängige Gedanken Korrelierte Aktivität
des menschlichen Gehirns in Ruhe.
Das Gehirn ist ständig aktiv
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Homöostase
Stabilisierung des inneren Milieus Die
Vielzeller (Metazoa) haben, da viele Zellen ja
zum Aussenmilieu keinen Zugang mehr haben, ein
ähnliches inneres Milieu, die extrazelluläre
Flüssigkeit, oder das Blut, entwickelt, welches
in seiner Zusammensetzung konstant gehalten
werden soll (gelingt am besten den Vögeln und
Säugern).
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Homöostase
Konstant gehalten wird O2- und CO2- Gehalt,
pH-Wert, Nährstoffgehalt (Blutglucose) Körpertempe
ratur Endprodukte werden entfernt (Entwicklung
leistungsfähiger Ausscheidungsorgane).

• Voraussetzungen
• Regelung (durch Meßfühler, Sinneszellen,
  rückgekoppelte Regelkreise, im Gegensatz zur
  direkten Steuerung)
• Transportsysteme
• passiver Transport Diffusion, Osmose (Diffusion
  von Wasser durch eine semipermeable Membran),
  Ionenkanäle
• aktiver Transport immer unter Energie-Verbrauch
  (ATPasen), oft mit anderen Transportmechanismen
  gekoppelt (CoTransport or Countertransport),
  Carrier, Pumpen
• Konvektiver Transport nutzt Druckdifferenzen aus
  (z.B. bei Ultrafiltration hydrostatischer Druck
  und dagegen gerichteter kolloidosmotischer Druck)

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Beispielfragen - Was sagen der erste und der
zweite Hauptsatz der Thermodynamik aus ? -
Welche Aufgabe und welche Eigenschaften haben
Enzyme? - Aus welchen Molekülen sind Enzyme
aufgebaut? - Wie kann die katalytische Wirkung
von Enzymen gesteuert werden? - Welches Molekül
ist der universelle Energiespender im
Stoffwechsel? - Was versteht man unter
Homöostase?