CO2: biologische Eigenschaften, RUBISCO & Photosynthese

4.2.3
CO2, ein essentieller Naturstoff, biologische Eigenschaften

 

Photosynthese:

6 CO2
+ 6 H2O —-> C6H12O6 +
6O2

 

image023 - CO2: biologische Eigenschaften, RUBISCO & PhotosyntheseAlle grünen Pflanzen nehmen das CO2
der Luft ( bei Wasserpflanzen aus dem Wasser) und das Wasser des
Bodens samt Mineralsalze auf und bilden mit Hilfe von Sonnenlicht
daraus alle organischen Stoffe aus denen sie bestehen. Als direkter
Energie-Speicherstoff wird Glucose gebildet, das dann in Stärke
umgewandelt wird. Die zellulären “Maschinen”, die
dies bewerkstelligen sind die Chloroplasten.

image025 - CO2: biologische Eigenschaften, RUBISCO & Photosynthese

Oben
Zellen der Wasserpflanze Elodea mit Chloroplasten
Links ein
Chloroplast
im Feinbau

image026 - CO2: biologische Eigenschaften, RUBISCO & Photosynthese
RUBISCO
 

Rechts ist das Enzym
der Chloroplasten zu sehen, das das CO2 aufnimmt
und an einen Zucker: Ribulose-1,5-Diphosphat bindet: Ribulose-1,5-Diphosphat-Carboxylase
(RUBISCO)
Dieses Enzym ist das häufigste und
wichtigste Enzym dieses Planeten, denn es stellt den Beginn
der Nahrungskette
dar!

D-Ribulose 1,5-Disphosphat + CO2
+H2O —->
2 x 3-Phospho-Glycerinsäure + 2 H+

Links das Oktamer von
RUBISCO
aus Spinat (Spinacia Oleracea)

(Quelle:
http://biocomp.anu.edu.au/~hm/research/rubisco.html)

image028 - CO2: biologische Eigenschaften, RUBISCO & Photosynthese

 

Hier
die grünen Lungen der Erde:
Sie produzieren pro Jahr ca. 60 x 109
Tonnen O2 bzw. nehmen 60 x 109 Tonnen
CO2 auf.
image029 - CO2: biologische Eigenschaften, RUBISCO & Photosynthese
Photosynthese ist ab einer CO2-Konzentrationen
von 0.003-0.007 Vol/% möglich, ab 0,1Vol% maximal.
Die derzeitige CO2-Konzentration
von ca. 0,036% ist für Pflanzen demnach unteroptimal.

Pflanzen sind an eine Bandbreite bis 0,1
% angepaßt (siehe rechts). Die Photosyntheserate
kann bis 0, 1% CO2 beträchtlich gesteigert werden
(ca. Faktor 2,5) Dies wird in Gewächshäusern
durch CO2-Begasung ausgenützt, um den Ertrag zu steigern.
(Quelle:
H.Borris and E.Libbert: Pflanzenphysiologie, Stuttgart
1985)
.

z. B. Espe, Birke und Ahorn wachsen um
bis zu 100% stärk
er bei 2 x
CO2

Quelle: (McDonald, E.P., et al. 1999. CO2 and light effects
on deciduous trees: Growth, foliar chemistry, and insect
performance. Oecologia, 119, 389-399.)

image031 - CO2: biologische Eigenschaften, RUBISCO & Photosynthese

(Quelle:
http://www.greeningearthsociety.org/;
IN DEFENSE OF CARBON DIOXIDE; A Comprehensive
Review of Carbon Dioxide’s Effects on Human Health, Welfare,
and the Environment

image032 - CO2: biologische Eigenschaften, RUBISCO & Photosynthese

image034 - CO2: biologische Eigenschaften, RUBISCO & Photosynthese

Weitere
Quellen:

http://www.purgit.com/co2ok.html;
http://www.unizh.ch/uwinst/publikationen/sppu/grasscomp.html;
http://www.johnsongas.com/NewFiles/industrial/CO2Gen.asp;
http://www.greeningearthsociety.org/Articles/1999/defense2.htm

 

CO2
dient zur Aufrechterhaltung des Blut-pH- Wertes:

Bikarbonatpuffer

Die Regulation des Säure-Basen-Haushalts
der Wirbeltiere und des Menschen geschieht unter anderem durch
die Puffersubstanzen im Blut. Darunter ist das Kohlensäure-Bikarbonat-Puffersystem
das wichtigste.
Die Wasserstoffionenkonzentration (H+) der Körperflüssigkeiten
wird innerhalb eines sehr engen Bereiches konstant gehalten. Normwert:
7,36 — 7,44 pH
.
Zu hohe H+-Konzentration führt zu Azidose
(= Übersäuerung)
, zu niedrige H+-Konzentration zu
Alkalose.

Der Bikarbonatpuffer (bestehend aus Kohlensäure (H2CO3)
+ Natriumbikarbonat (Na(HCO3))-Gemisch) macht
75 % der gesamten Pufferkapazität des Organismus aus.
Die Atmung spielt dabei ebenfalls eine wichtige Rolle:

Steigt CO2-Konz.,
fällt der pH-Wert ab, sinkt CO2-Konz. ,steigt
der pH-Wert an.

Die Bikarbonatkonzentation (HCO3)
im Blut ist abhängig vom CO2 -Partialdruck: H2O
+ CO2 —->HCO3 + H+.

Grundlegende Reaktion: CO2 +
H2O —-> H2CO3 —-> H+
+ HCO3
Puffergleichung nach Henderson-Hasselbalch: pH = pK´+
log [HCO3]/[CO2]

  • Im Blutplasma bei 37°C liegt der pKs bei
    6,1
  • für den normalen pH-Wert des arteriellen
    Plasmas von 7,4 ergibt sich ein Verhältnis [HCO3]/[CO2]
    = 20:1

Große Mengen des Bicarbonatpuffers
liegen im Blut in einem Gleichgewicht vor. Fällt eine Substanz
vermehrt an, läuft die Reaktion solange in eine Richtung,
bis das ursprüngliche Reaktionsgleichgewicht (Verhältnis
zwischen Ausgangsstoff und Produkt) wieder hergestellt ist.

Liegt bei einer Azidose vermehrt H+ vor,
wird vermehrt H2CO3 und CO2 gebildet.
Das vermehrte CO2 kann über die Lunge abgeatmet
werden, so daß schließlich wieder alle Verbindungen
im normalen Verhältnis vorliegen.

Bei einer Alkalose (H+-Mangel) wird über
eine verlangsamte Atmung CO2 im Blut zurückgehalten
und vermehrt Bicarbonat gebildet, das über die Niere ausgeschieden
werden kann. Die Konzentration Bicarbonatpuffers wird oft als
Standardbicarbonat angegeben. Es bezeichnet die Bicarbonatkonzentration
bei standardisierter CO2 Konzentration. Der Normwert
beträgt 22-26 mmol/Liter.

image036 - CO2: biologische Eigenschaften, RUBISCO & PhotosyntheseBei körperlicher Belastung steigt
z.B. durch die ATP-Spaltung die H+-Ionenkonzentration im
Blut an und es kommt zur sogenannten Azidose.
Maximalbelastungen, z.B.. 400m Sprint, können Blut-pH-Werte
von unter 7,0 bewirken.
Der hohe Stellenwert des Säure-Basen-Haushalts
in verschiedenen Ernährungsformen ist wissenschaftlich
nicht begründet. Bei normaler Mischkost kommt
es beim gesunden Erwachsenen zu einem Säureüberschuss
von etwa 50 – 80 mmol pro Tag. Die maximale Säureausscheidungskapazität
der Niere unter chronischer Säurestimulation liegt
etwa fünfmal so hoch.
image037 - CO2: biologische Eigenschaften, RUBISCO & Photosynthese

Eine sogenannte basenüberschüssige Kost
(viel Obst, Gemüse und Fruchtsäfte) zeigt umgekehrt
keine gesundheitlichen Vorzüge durch die Schonung der Säureausscheidungskapazität,
wohl aber bezüglich Nährstoffversorgung und der Zufuhr
bioaktiver Substanzen.

Quellen:
http://www.pflegeintensiv.de/Ausarbeitungen/saurebase.html;

http://www.ahc-net.at/ernaehrungsnetz/publikum/0001_seiten/001_aktuelles/daten/veoe/veoe_saeure_basen.htm

 

Harnstoffzyklus,
Entgiftung des Ammoniaks
Harnstoff
wird in der Leber der meisten Landwirbeltiere im sogenannten
Harnstoffzyklus gebildet. Dieser zyklisch verlaufende Stoffwechselweg,
wurde im Jahre 1932 zum erstenmal von H. A. Krebs und K. Henseleit,
entdeckt.
In dieser Reaktionssequenz werden zwei Aminogruppen, die aus Aminosäuren
stammen, und ein Molekül Kohlenstoffdioxid unter ATP-Verbrauch
zu einem Molekül Harnstoff umgesetzt, der über den Blutstrom
zur Niere transportiert und mit dem Urin ausgeschieden wird. Eine
gesunde menschliche Leber synthetisiert ca. 20

30 g Harnstoff /Tag.
image039 - CO2: biologische Eigenschaften, RUBISCO & Photosynthese
image038 - CO2: biologische Eigenschaften, RUBISCO & Photosynthese

 

 

Weiterführende Quellen:


Photosynthese:
www.biokurs.de/

Säure/Basehaushalt
des Körpers:
http://www.pflegeintensiv.de/Ausarbeitungen/saurebase.html;

http://www.ahc-net.at/ernaehrungsnetz/publikum/0001_seiten/001_aktuelles/daten/veoe/veoe_saeure_basen.htm

Abhängigkeit
der Photosynthese von CO2:

http://www.purgit.com/co2ok.html;
http://www.unizh.ch/uwinst/publikationen/sppu/grasscomp.html;
http://www.johnsongas.com/NewFiles/industrial/CO2Gen.asp;
http://www.greeningearthsociety.org/Articles/1999/defense2.htm

RUBISCO:
http://biocomp.anu.edu.au/~hm/research/rubisco.html)

Spektren:
http://home.achilles.net/~jtalbot/data/elements/

Interaktive Physik: http://www.lightlink.com/sergey/java/index.html

Infrarotspektroskopie: http://www.wag.caltech.edu/home/jang/genchem/infrared.htm
http://www.adnex.de/data/strahlungsmessung/

Geschichte:
http://www.colby.edu/sci.tech/st215/3.3view/sld010.htm

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