Das kleine 1 x 1 der Biochemie (Stoffkreisläufe) - PS ...

Das kleine 1 x 1
der Biochemie
(Stoffkreisläufe)
(Stoffkreisl ufe)
Projekt des Biologie-Chemie
Biologie Chemie-Profils Profils
der Jahrgangsstufe 11
Schuljahr 2004/2005

1 x 1 der Biochemie
Fotosynthese Fotosynthese und und
Atmung Atmung sind sind die die
Grundlage Grundlage allen allen
Lebens Lebens auf auf der der
Erde, Erde,
weil weil dies dies der der
einzige einzige Weg Weg ist, ist, auf auf
dem dem die die Energie Energie des des
Sonnenlichts, Sonnenlichts, die die das das
Leben Leben auf auf der der Erde Erde
ermööglicht, erm glicht, füür f r die die
hhööheren heren Lebewesen,
Lebewesen,
wie wie Tiere Tiere und und
Menschen Menschen nutzbar nutzbar
werden werden kann.
kann.

Fotosyntheseapparat
1. Einmal einfach betrachtet
2. Einmal genauer hingeschaut:
a.) Gesamtreaktion und
Energiebilanz der
Fotosynthese
(Experiment:
Experiment: Sauerstoffbildung
bei der Wasserpest)
b) Ort der Fotosynthese
c) Teilprozesse der Fotosynthese
�� Lichtreaktionen
(Experiment:
Experiment:
Dünnschichtchromatographie
nnschichtchromatographie
der Blattfarbstoffe)
Blattfarbstoffe
�� Calvin-Zyklus
Calvin Zyklus
Gliederung
Atmungsapparat
1. Einmal einfach betrachtet
2. Einmal genauer hingeschaut:
a.) Gesamtreaktion und
Energiebilanz der Atmung
��Experiment:
Experiment: Oxidation der
Glucose im Reagenzglas
��Experiment:
Experiment: Oxidation der
Glucose mit Katalysator
b) Betrachtung der
Reaktionsprodukte (Experiment:
( Experiment:
Nachweis von CO 2 und H 2O) O)
c) Mehrschrittiger oxidativer
Abbau der Glucose
d) Betrachtung des
Elektronenvermittlers
(Experiment:
Experiment: Blue Bottle)

Fotosyntheseapparat
1. Einmal einfach betrachtet
Kohlenstoffdioxid + Wasser -> > Traubenzucker + Sauerstoff
Reaktionsenergie: + 2880 kJ
endotherm: Energie muss in Form von Lichtenergie zugefügt zugef gt werden

Fotosyntheseapparat
2 a) Einmal genauer hingeschaut
Gesamtreaktion und Energiebilanz
+IV -II +I -II Licht 0 +I -II 0
6 CO 2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
Chlorophylle
24e - Aufnahme
24e - Abgabe
�� Reaktionsenergie: + 2880 kJ
�� Wird aufgenommen in Form Lichtenergie

Fotosyntheseapparat
2 a) Einmal genauer hingeschaut
Sauerstoffbildung bei der Wasserpest
Versuchsaufbau: Beobachtung:
Es bilden sich Bläschen, Bl schen, die
nach und nach in das
Reagenzglas aufsteigen und
das Wasser verdrängen. verdr ngen. Die
Glimmspanprobe mit dem
entstandenen Gas verlief
positiv.
Deutung:
Da die Glimmspanprobe positiv verlief, kann man davon ausgehen,
dass das entstandene Gas Sauerstoff ist. Der Prozess, durch den der
Sauerstoff hergestellt wird, nennt man Fotosynthese. Der entwickelte entwickelte
Sauerstoff stammt entweder aus dem Kohlenstoffdioxid oder aus dem dem
Wasser, das die Pflanze aus der Umgebung aufgenommen hat.

Fotosyntheseapparat
2 b) Einmal genauer hingeschaut
Ort der Fotosynthese
Querschnitt
Das Palisadenparenchym ist
der Hauptort der
Fotosynthese. Seine Zellen
enthalten die meisten
Chloroplasten mit dem für f r die
Fotosynthese notwendigem
Chlorophyll.
Chloroplast mit Chlorophyll Ort der Fotosynthese

Fotosyntheseapparat
2 c) Einmal genauer hingeschaut
Extraktion des Blattfarbstoffes
V1
Durchführung
Durchf hrung: :
�� Zerkleinerung von Petersilie
und zerreiben mit Sand im
Mörser rser
�� Zugabe von
Essigsäureethylester
Essigs ureethylester
�� Filtrieren der Lösung L sung
Beobachtung:
Beobachtung
�� Grün Gr n gefärbte gef rbte Lösung L sung entsteht
Deutung: Deutung
�� Sand zerstört zerst rt die
Zellmembranen
�� Essigsäureethylester Essigs ureethylester löst l st die
Farbstoffe
aus der Petersilie
�� dadurch entsteht die grüne gr ne
Lösung sung

Fotosyntheseapparat
2 c) Einmal genauer hingeschaut
Dünnschichtchromatographische nnschichtchromatographische Auftrennung von Blattpigmenten
Durchführung
Durchf hrung:
�� Markierung einer Startlinie mit Bleistift
auf die Kieselgelplatte
�� Einfüllen Einf llen des Laufmittels Benzin und
Isopropanol 10:1 in die Chromato-
graphiekammer ca. 1cm hoch
�� mit Hilfe einer Kapillaren: Auftragen
der grünen gr nen Lösung L sung auf die Startlinie
�� vorbereitete Kieselgelplatte wird in die
Chromatographiekammer gestellt
Beobachtung:
Beobachtung:
�� die grüne gr ne Lösung L sung wird
chromatographisch getrennt
�� Es entstehen verschiedene Farblinien.
Deutung:
�� Gemeinsamkeiten von Farbstoffen:
Sie besitzen ein ausgedehntes System
konjugierter Doppelbindungen. Diese
Doppelbindungen, welche pi-e pi -
enthalten, sind in der Lage, sich
innerhalb des Farbstoffmoleküls Farbstoffmolek ls zu
verschieben, sie sind delokalisierbar
und werden durch Lichtenergie
angeregt. Die Farbe entsteht durch die
Abgabe der aufgenommenen Energie.
�� Der Laufweg der Farbstoffe hängt h ngt
von ihrer Polarität Polarit t ab.
�� Je unpolarer der Farbstoff ist,
desto weiter wird er mit Hilfe des
unpolaren Laufmittels
transportiert.

Carotin
�� unpolar
Chlorophyll a
�� Schwach polar
Chlorophyll b
�� Etwas polarer
als Chlorophyll a
Dünnschichtchromatogramm

Fotosyntheseapparat
2 c) Einmal genauer hingeschaut
Die zwei Schritte der Fotosynthese (Lichtreaktionen)
1.Lichtreaktionen (Fototeil)
2.Calvin-Zyklus (Syntheseteil)
Lichtreaktionen:
a) Umwandlung von Sonnenenergie
in chemische Energie
- Wasserspaltung zu O2
- Übertragung von 2e - und H +
auf den Akzeptor NADP +
- dabei entsteht NADPH
b) Photophosphorylierung
das ist der durch Licht bewirkte
Aufbau des ATPs:
ADP + P � ATP
Insgesamt wird hierbei
Sonnenenergie in chemische
Energie umgewandelt (Fototeil), die
für den Aufbau der Glucose im
Calvin-Zyklus (Syntheseteil)
benötigt wird.
Wasser wird gespalten
Das Produkt ist
Sauerstoff

Fotosyntheseapparat
2 c) Einmal genauer hingeschaut
Calvin-Zyklus
Calvin Zyklus
Kohlenstoff wird fixiert:
organische Moleküle
verbinden sich mit CO 2
Kohlenstoffdioxid wird zur
Glucose reduziert durch die
Aufnahme von Elektronen.
NADPH wird zu NADP +
oxidiert und gibt die
Elektronen für die
Reduktion ab.
Das energiereiche ATP
liefert auch Energie für die
Reduktion zu Glucose.
Das Produkt ist das
Zuckermolekül.
NADP + und
ADP werden
in der
Lichtreaktion
wieder
regeneriert

Atmungsapparat
1. Einmal einfach betrachtet
Die Glucose reagiert in unserem Körper K rper mit dem eingeatmeten
Sauerstoff zu den Endprodukten Kohlenstoffdioxid und Wasser. Wasser.
Dabei wird Energie frei, welche zur Aufrechterhaltung der Körper K rper-
temperatur verbraucht oder als mechanische Energie benutzt wird.
Glucose + Sauerstoff � Kohlenstoffdioxid + Wasser
Energiebilanz: - 2880kJ (exotherm, Energie wird freigesetzt)

Atmungsapparat
2. Einmal genauer hingeschaut
a) Gesamtreaktion und Energiebilanz
0 +I +II 0 +IV -II +I +II
C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O
24e - abgegeben
24e - aufgenommen
Reaktionsenergie: - 2880 kJ
Wird abgegeben in Form von
mechanischer Arbeit, Wärme W rme…

Versuchsdurchführung:
• Einfüllen von Traubenzucker
in ein Reagenzglas
•Erhitzen mit dem Bunsenbrenner
•Dämpfe, die aus der Öffnung
aufsteigen, entzünden
Versuchsbeobachtung:
•Der Traubenzucker karamellisiert.
•Die aufsteigenden Gase lassen sich
entzünden.
Versuchsdeutung:
Die Gase werden zu CO 2 und H 2 O
oxidiert. Der Energiegewinn dieser
Redoxreaktion ist 2880 Kilojoule.
(Reaktionsgleichung siehe
vorhergehende Folie!)
Atmungsapparat
2. Einmal genauer hingeschaut
a) Gesamtreaktion und Energiebilanz
Zusatzexperiment:
Durch das Mischen von Glucose mit
Zigarettenasche (Katalysator) läuft die
Reaktion auch ohne längeres Erhitzen
selbstständig ab.

Atmungsapparat
2. Einmal genauer hingeschaut
b) Betrachtung des Reaktionsproduktes Kohlenstoffdioxid
Versuchsaufbau: Versuchsbeobachtung:
Kalkwasser
Versuchsdeutung:
-Einatmen Einatmen keine Trübung Tr bung in
der rechten Waschflasche
-Ausatmen Ausatmen starke Trübung Tr bung in
der linken Waschflasche
- mittlere Waschflasche =
Sicherheitsflasche
- Kalkwasser = Nachweis für f r Kohlenstoffdioxid
Ca(OH)2 Ca(OH) 2 + CO2 CO2
�� CaCO3 CaCO3
+ H2O H
- Ausatmen = 4% Kohlenstoffdioxid (Trübung) (Tr bung)
- Einatmen = 0,03% Kohlenstoffdioxid (keine Trübung) Tr bung)
- Stoffwechselprozess

Atmungsapparat
2. Einmal genauer hingeschaut
b) Betrachtung des Reaktionsproduktes Wasser
Durchführung:
Durchf hrung: Ausatmen
(Hauchen) gegen eine kühle k hle
Scheibe.
Beobachtung: Beim Ausatmen
beschlägt beschl gt die Scheibe.
Deutung: Der Wasserdampf in der
ausgeatmeten Luft kondensiert
an der Scheibe. (z.B. im Auto s.
Foto)

Atmungsapparat
2 c ) Einmal genauer hingeschaut
Mehrschrittiger oxidativer Abbau der Glucose
1. Glykolyse: Glykolyse:
Glucose (C 6-Körper rper wird
in zwei Brenztraubensäuremolek
Brenztraubens uremoleküle le
(C 3-Körper) rper) gespalten
2. Decarboxylierung:
Decarboxylierung:
Brenztraubensäure
Brenztraubens ure
spaltet ein CO 2 ab, es entsteht
Ethanal, Ethanal,
das anschießend anschie end zur Essigsäure
ure (C 2-Körper) rper) oxidiert wird.
3. Citronensäurezyklus
Citronens urezyklus: : Essigsäure Essigs ure
reagiert mit Oxalessigsäure
Oxalessigs ure (C 4-
Körper) rper) und wird im Kreisprozess zu
zwei CO 2 oxidativ abgebaut.
Die durch die Ox frei werdenden
Elektronen werden über ber einen
Elektronenvermittler zusammen mit
H + letztendlich auf 02 0 übertragen bertragen
(Endoxidation).

Atmungsapparat
2 c ) Mehrschrittiger oxidativer Abbau der Glucose
1. Ermitteln Sie die Anzahl der e - , die bei der vollständigen
Oxidation der Glucose auf O 2 übertragen werden!
2. Ordnen Sie die C 4 -Körper dem Citronensäurezyklus
richtig zu!

Versuchsbeobachtung:
Atmungsapparat
2 c ) Blue-Bottle Blue Bottle
�� Nachdem man verdünnte verd nnte Natronlauge
hinzugab, hinzugab,
entfärbte entf rbte sich das Gemisch.
�� Nach dem Schütteln Sch tteln färbte f rbte sich die
Flüssigkeit Fl ssigkeit blau.
�� Als wir das Gemisch eine Weile stehen
ließen, lie en, entfärbte entf rbte es sich ebenfalls wieder.
�� Dieser Vorgang konnte sehr oft wiederholt
werden.
Versuchsdurchführung:
Versuchsdurchf hrung:
�� Fülle lle den Rundkolben zur Hälfte H lfte mit
Glucoselösung Glucosel sung (w=10%)
�� Einige Stücke St cke Methylenblau in 100 ml
Wasser lösen, l sen, bis das Gemisch hellblau
wird, und zur Glucoselösung Glucosel sung geben
�� Danach mit verdünnter verd nnter Natronlauge
auffüllen, auff llen, so dass ¼ des Rundkolbens
frei ist.

Atmungsapparat
2 c ) Blue-Bottle Blue Bottle - Versuchsdeutung:
Durch Stehenlassen: Entfärbung
�Glucose wird zu Gluconsäure oxidiert
�Die abgegebenen Elektronen werden vom
blauen Methylenblau aufgenommen
→ farbloses Methylenblau wird gebildet
Durch Schütteln: Sch tteln: Blaufärbung
Blauf rbung
�� Die vom farblosen Methylenblau aufgenommenen
Elektronen werden auf den Sauerstoff übertragen. bertragen.
�� Redoxreaktion → elementarer Sauerstoff wird
reduziert, farbloses Methylenblau wird zu blauen
Methylenblau oxidiert.
→ blaues Methylenblau wird gebildet

Rolle des Methylenblau:
Atmungsapparat
2 c ) Blue-Bottle Blue Bottle
�� Glucose lässt l sst sich nicht direkt durch den Sauerstoff oxidieren→ oxidieren Methylenblau fungiert
als Elektronenvermittler
�� Elektronenarme Form: Blau
�� Elektronenreiche Form: Farblos
�� Methylenblau nimmt Elektronen von der Glucose auf (Entfärbung) (Entf rbung) und gibt sie wieder
an den Sauerstoff ab (Blaufärbung)
(Blauf rbung)
Vergleich von Methylenblau und Coenzymen im Körper: K rper:
�� Methylenblau diente bei diesem Versuch als Elektronenvermittler. In unserem Körper K rper
übernehmen bernehmen die Coenzyme NADP + und NAD + diese Aufgaben.

Das kleine 1 x 1
der Biochemie (Stoffkreisläufe)
(Stoffkreisl ufe)
Zusammenfassung
► Atmung und Fotosynthese sind zwei wichtige Kreisläufe, Kreisl ufe, die über ber
die Stoffe Kohlenstoffdioxid und Wasser sowie Glucose und
Sauerstoff miteinander verbunden sind.
► Beide Kreisläufe Kreisl ufe beinhalten viele weitere Kreislaufsysteme.
► Ohne die Synthesetätigkeit Syntheset tigkeit der autotrophen Pflanzen– Pflanzen keine
Existenz der heterotrophen Organismen
► Autotrophe Pflanzen können nnen selbst energiereiche Nährstoffe N hrstoffe
herstellen.
Heterotrophe Organismen brauchen die Zufuhr energiereicher
Nährstoffe hrstoffe von außen. au en.
► Autotrophe Pflanzen bezeichnet man auch als Produzenten der
Biomasse;
Biomasse

..... und wer hat´s hat gemacht??