Biologie - 1. Semester ZHAW

• Pyruvat wird ein C-Atom abgespalten und als CO₂ abgeatmet. Das restliche 2-C Molekül wird an Acetyl-Co-A gebunden.
• Das an Acetyl-Co-A gebundenes 2-C Molekül wird mit Oxalessigsäure (4-C Molekül) wird zu einem 6-C-Molekül umgewandelt.
• Dem entstandenen 6-C Molekül werden nun 2 C abgenommen und als CO₂ abgeatmet
  • Die dabei frei werdenden Elektronen werden von NAD+ und FAD aufgenommen
  • Bei der Reaktion wird pro Zuckermolekül 2 GTP, 2 ATP, 6 NADH und 2 FADH₂ gebildet
  • Pro Zuckermolekül muss der Zyklus zweimal Durchlaufen werden

Acetyl-Co-A + 3 NAD+ + FAD + GDP + P → 2 CO₂  Acetyl-Co-A + NADH/H+ + FADH₂ + GTP

• Abschluss der Zellatmung
• Die Coenzyme NADH/H+ und FADH₂ geben Elektronen an die Elektronentransportkette ab. Diese generiert einen Protonengradienten, der für die ATP-Synthese benötigt wird.

• NADH/H+ gibt die Elektronen an die NADH Dehydrogenase ab. Zusätzlich zu den zwei Elektronen werden zwei Protonen mittransportiert.
• Mit dem Enzym Ubiquinone werden die Elektronen an den Cytochrom-b-Komplex befördert.
• Von dort werden die Elektronen einzeln über Cytochrom-C an den Cytochrom-Oxidasen-komplex weitergegeben. Bei diesem Transport werden wieder pro Elektron ein Proton mittransportiert.
• Beim Cytochrom-Oxidasen-Komplex reagieren vier Elektronen mit 2 Sauerstoff und 8 Wasserstoffionen. Es entstehen 2 H₂O und 4 H+, welche in den intermembranraum gepumpt werden.
• ATP-Syntase verwendet nun den Protonengradienten, um ATP aus ADP + P zu synthetisieren.
• Pro Glucose werden ungefähr 30-32 ATP gebildet.

1. Ein H+ betritt die ATP Syntase

2. Auf der anderen Seite der Membran wird ein H+ in den Innenraum abgegeben.

3. Der ATP-Syntase Körper (3) wird dabei gedreht

Nach dem Durchlauf von 3 H+ ist genug Energie für die Synthese eines ATP vorhanden

• Wenn den Mitochondrien kein Sauerstoff zur Verfügung steht, können die Elektronen, die bei der Herstellung von Pyruvat anfallen, nicht mehr auf das O₂-Molekül übertragen werden.
• NADH/H+ staut sich, weil die Elektronen kein Wasser mehr bilden können. Deshalb wird es für den Aufbau von Lactat (Milchsäure) benötigt. Es wird demnach kein CO₂ gebildet
• Bei der Gärung, wie sie von Hefen gemacht wird, wird statt Lactat Alkohol gebildet
• Bei der Gärung wird jedoch CO₂ frei, weil das Pyruvat zuerst zu Acetaldehyd abgebaut wird, wobei CO₂ frei wird

• Bei der Photosynthese wird durch die Umwandlung von Lichtenergie durch Organismen chemische Energie hergestellt
• Es werden energiereiche, organische Verbindungen aus energiearmen, anorganischen Verbindungen aufgebaut.
• Die Photosynthese ist der zentrale Prozess im globalen Ökosystem

• läuft in den Chloroplasten ab
• Die erste Teilreaktion läuft dabei an der Thylakoidmembran ab. Dabei wird ein Protonengradient, der von der ATP-Syntase genutz werden kann. Zusätzlich entsteht NADPH
• Die zweite Teilreaktion ist der Calvin-Zyklus, bei dem ATP und NADPH für die Synthese von Zucker benutzt wird.

Lichtreaktion:

• Produktion von ATP und NADPH

Dunkelreaktion:

• ATP liefert die Energie für die Kohlenstofffixierung vom CO2 in organiche Moleküle und schliesslich Zucker
• Sie ist jedoch nur Lichtunabhänig, vom vorhandensein von ATP und NADPH abhängig

• Für die Photosynthese wird blaues und rotes Licht benötigt. Alle andere Wellenlängen (grünes Licht) werden nicht absorbiert und werden daher reflektiert.
• Sichbares Licht begrenzt sich auf die Wellenlängen 380-750 nm. Es gilt E = 1/λ, wobei λ die Wellenlänge in nm ist. Kleine Wellenlängen haben also viel Energie.

• Läuft an der Thylakoidmembran ab
• Durch die Elektronentransportkette wird ein Protonengradient und NADPH und ATP erzeugt, welche für den Aufbau von Glucose gebraucht werden können

1. Elektronen werden im Photosystem 2 angeregt: Photonen regen Chlorophyl in den Photosystemen an, die entstehende Resonanz wird auf P680 übertragen, das zu P680+ (bzw. P700 und P700+ bei PS 1). Es wird jeweils ein Elektron auf Plastoquinone Qb übertragen.
2. Wenn Plastoquinone Qb zwei Elektronen hat, wandert es zum Cytochromkomplex. Bei diesem Schritt werden insgesamt 4 Protonen in das Strome gepumpt.
3. Vom Cytochromkomplex werden die Elektronen (jeweils 2) über Plastocyanin zum Photosystem 1 transportiert.
4. Dort werden sie erneut angeregt (einzeln).
5. Die angeregten Elektronen werden nun von Ferredoxin zur Ferredoxin-NADP-Reductase transportiert. Dort wird mit diesen zwei Elektronen NADPH gebildet.
6. Es entsteht ein Protonengradient von 6 H+ pro Durchlauf.

• Der Calvin Zylkus wird benötigt, um CO₂ zu Zucker zu fixieren.
• Kohlenstofffixierung
• Reduzierung
• Regeneration

• Eintrag von 3 CO2
• fixierung durch RibisCO (oder PEP-Caboxylase, bei C4 Pflanzen) mit RuBP zu 3 instabilen 6-C intermedianten
• Die 6-C Intermedianten zerfallen in 6 3-C Molekülen

• Den 3-C Molekülen werden mit 6 ATP jeweils ein zweites Phophat angehängt
• Diesen Molekülen wird die Energie von 6 NADPH übergeben. Das Phosphat spaltet sich wieder ab.
• Von den 6 3-C Molekülen (mit höherer Energie) wird pro Zyklus jeweils ein Molekül abgespalten. Nach zwei Durchgängen kann damit ein Molekül Glucose aufgebaut werden. 

• Die 5 3-C Moleküle werden nun mit 3 ATP zu 3 5-C Molekülen umgebaut. Dabei werden 2 Phosphate abgespalten. Der Zyklus beginnt anschliessend von vorn
• Der Prozess braucht 3 ATP

• Das Enzym RubisCO ist in C3 Pflanzen zu finden.
• Diese Pflanzen haben den Nachteil, dass sie die Spaltöffnungen an heissen Tagen verkleinert werden müssen, um Wasserverlust zu vermeiden.
• Dadurch wird jedoch auch weniger CO2 aufgenommen, wodurch weniger Zucker produziert wird.
• In C4 und CAM Pflanzen ist der Calvin Zyklus (inklusive Kohlenstofffixierung) optimiert.

• Anstatt RubisCO wird PEP-Carboxylase für die Kohlenstoffixierung verwendet. Diese hat eine höhere CO₂-Affinität, wodurch auch geringere Mengen CO₂ fixiert werden können.
• Andere Blattanatomie: die Kohlenstofffixierung und der Calvin Zyklus sind räumlich getrennt: Kohlenstofffixierung findet in Mesophylzellen und der Calvin Zyklus in den Bündelscheidezellen.
• In den Mesophylzellen wird CO2 durch die PEP-Carboxylase an PEP (Phosphoenolpyruvat) gebunden. Dieses wandert als Malat (Apfelsäure) in die Chloroplasten und zerfällt dort in Pyruvat und CO₂
• Dieses CO2 wird anschliessend in den Calvinzyklus eingespeist (in den Bündelscheidezellen, dort mit RubisCO)
• PEP Carboxylase kann im Vergleich zu RubisCO kein Sauerstoff fixieren, was zu einer höheren Produktivität führt.

• öffnen Spaltöffnungen nur Nachts, um CO2 aufzunehmen.
• CO2 wird an PEP (3-C Molekül) gebunden und über Oxalacetat zu Malat umgewandelt.
• Malat wird aktiv in der Vakuole gespeichert.
• Tagsüber diffundiert das Malat ins Cytoplasma und wird dort durch CO2 und NADPH/H+ Abgabe zu Pyruvat umgewandelt. Pyruvat wird anschliessend unter ATP Verbrauch zu PEP umgewandelt.
• Das frei gewordene CO2 wird dabei in den Calvin-Zyklus geschleust.

C4-Pflanzen:

• CO2 fixierung Tagsüber
• Getrennte Zellen für Kohlenstofffixierung und Calvin-Zyklus

CAM-Pflanzen:

• CO2 fixierung nur Nachts
• Gemeinsame Zellen für Kohlenstofffixierung und Calvin Zyklus

• Erbfaktoren bestehen aus DNA, sie werden von Eltern verebt
• Chromosome beherbergen tausende Gene
• DNA steuert Wachstum und Erhalt eines Organismus
  • Je nach Zelle werden verschiedenen Gene exprimiert, obwohl überall das gleiche Erbgut vorliegt. Dieser Vorgang ist durch die methylierung der Promoterregionen reguliert.

• Eukarya
• Archaea
• Bacteria

• biologischer Grundstoff der Erde
• wird von allen Lebewesen benötigt (Zellen bestehen aus 70-95 % Wasser)
• Durch die Polarität von Wasser können H-Brücken ausgebildet werden

• Kohäsion (Anziehungskräfte von Wasserolekülen untereinander)
• Adäsion (Anziehungskräfte zwischen anderen Stoffen (Beispiel Kapillaren in Bäumen))
• Hohe spez. Wärmekapazität (kann gut Temperatur ausgleichen, schafft bedingung für marines Leben)
• Ausdehnung beim Gefrieren (ansonsten wären Polkappen durchgefroren)
• Vielseitigen Lösungsmittel

Wasserstoffbrücken geben Energie ab, wenn sie sich bilden und nehmen Energie auf, wenn sie sich auflösen. Dadurch können sie Temperaturschwankungen gut ausgleichen.

Wasser ist ein polares Molekül. Bei ionischen Verbundungen ist deshalb jedes Molekül von einer Wasserschicht umgeben. uch Zucker oder Proteine sind zumindest teilweise Wasserlöslich.

• Sämtliche Lebewesen bestehen aus chemischen Verbindungen mit Kohlenstoff als Grundlage.
• Kohlenstoff kann vier Bindungen eingehen, weshalb komplexe Bildungen möglich sind.
• Kohlenstoff ist der Grundbaustein von DNA, Kohlenhydraten etc.

• -OH: Hyrdoxylgruppe
• -CO: Carbonylgruppe
• -COOH: Carboxylgruppe
• -NH2: Aminogruppe
• -SH: Sulfhydrylgruppe
• -PO3-: Phosphorylgruppe
• -CH3 Methylgruppe

Funktionelle Gruppen nehmen Einfluss auf die Molekülform und damit auf die physikalischen Eigenschaften. Bsp. Östrogen und Testosteron: praktisch gleiches Grungerüst, jedoch andere funktionelle Gruppen, weshalb das Hormon ganz unterschiedliche Sachen bewirkt.

• Kohlenhydrate
• Lipide
• Proteine
• Nucleinsäuren
• (organische Cofaktoren)

Polymere sind aus tausenden von Monomeren aufgebaut. Monomere können beispielsweise Glucosemoleküle sein. Die Struktur der Polymere ist für deren Funktion zugeschnitten.

Polysaccharide dienen als Speichestoff (Amylose, Amylopektin etc.) oder als Baumaterial (Cellulose)

Die Struktur der Polymere wird dabei durch die Art der glycosidischen Verknüpfung bestimmt (a1,2; a1,4 etc.)

Stärke in Pflanzen besteht vollständig aus Glucose-Monomeren, wodurch sie sehr gut verwertbar sind.

Zellwände bestehen aus beta-1,4 glykosidisch verknüpften Glucoseeinheite, welche für den Menschen nicht verdaubar sind (Kühe haben dafür Bakterien).

• keine Polymere
• schlecht/gar nicht wasserlöslich und dementsprechend hydrophob
• wichtigste Vertreter sind: Fette, Phospholipide und Steroide

gesättigte Fettsäuren:

• keine Doppelbindungen
• relativ hoher Schmelzpunkt
• maximale Anzahl H-Atome

ungesättigte Fettsäuren:

• mind. eine Doppelbindung
• erniedrigen Schmelzpunkt des Fetts

• Phospholipide sind Bausteine der Zellmembran
• tragen nur 2 Acrylreste (3. Hydroxylfunktion mit Orthophosphatmolekül verestert)
• Fettsäuregruppe ist hydrophil, Phosphosäuregruppe ist hydrophil

• Enzyme sind katalytisch wirksame Proteine, d.h. sie beschleunigen chemische Reaktionen.
• Enzyme sind unverbräuchlich.
• haben einen aktiven Bereich, bei dem das Substratmolekül gebunden wird und während der Reaktion umgesetzt wird.
• benötigen oft einen Kofaktor (beispiel Mg2+).