Biologische Eigenschaften von CO2

Biologische
Eigenschaften von CO2


6 CO2 + 6 H2O —-> C6H12O6
+ 6O2

 

image023Alle 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.
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Oben
Zellen der Wasserpflanze Elodea mit Chloroplasten
Links ein
Chloroplast
im Feinbau

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RUBISCO
 

Links 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)

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Die Abbildung unten zeigt die grünen Lungen
der Erde. Sie produzieren pro Jahr ca. 60 x 109
Tonnen O2 bzw. nehmen 60 x 109 Tonnen CO2
auf.

 

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Photosynthese ist
ab einer CO2-Konzentrationen von 0.003-0.007
Vol/% möglich, ab 0,1Vol% maximal.

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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
(7).

z. B. Espe, Birke und Ahorn
wachsen um bis zu 100% stärker bei 2 x CO2
(2; 3; 4)

 

 

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Aus den Photosyntheseprodukten wird
die gesamte Biomasse einer Pflanze gebildet. Wie aus der obigen
Abbildung ersichtlich ist, steigt die Photosyntheserate linear mit
der CO2-Konzentration bis ca. 0,08% an. Deshalb nimmt
die Biomasse der Pflanzen auch entsprechend im selben Verhältnis
zu bei Erhöhung der CO2-Konzentration.

 


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.

Bei 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.


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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 (5).

 

 

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.
(6)
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CO2 wird von den meisten
Organismen ausgeatmet:
Zellatmung

Alle aeroben Organismen (Tiere, Pflanzen,
Pilze, viele Bakterien) oxidieren zur Energiegewinnung organische
Stoffe. Dies bewerkstelligen sie mit Enzymen in Zellen, bzw. speziellen
Zellstrukturen (Mitochondrien) so langsam, daß die gewonnene
Energie in ATP gespeichert werden kann. Die Abwärme dient
zur Aufwärmung des Organismus.

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Die Oxidation kann vollständig verlaufen
: Zellatmung oder unvollständig: Gärung.

Als Verbrennungsprodukt entsteht unter anderem CO2.

Zellatmung:

C6H12O6
+ 6O2 —-> 6 CO2 + 6 H2O
DG°´= – 2994 KJ/Mol

Alkohol. Gärung:


C6H12O6 —->2
C2H5OH + 2 CO2
DG°´=
– 235 KJ/Mol

Die Zellatmung geschieht bei höheren
Organismen hauptsächlich in den Mitochondrien. Das CO2
wird von dort aus den Zellen ausgeschieden; gelangt z.B. ins Blut
(86%), hilft dort bei der Pufferung ( ca. 78% liegt als HCO3
vor) oder in der Leber beim Harnstoffaufbau. Im Blut wird es auch
in den Erythrozyten an Hämoglobin gebunden (ca. 11%), zur
Lunge transportiert und dort ausgeschieden. Die Niere scheidet
im Harn die HCO3 – Ionen aus.

Die Ausatemluft enthält ca. 4% CO2. Ein
erwachsener Mensch ( 70 Kg, männlich) atmet in Ruhe 15
l CO2 /Stunde
aus.

(Kinder atmen weniger aus
; ebenfalls im Schlaf wird weniger ausgeatmet, bei körperlicher
Leistung wird wesentlich mehr ausgeatmet)
Die nachfolgende Berechnung dient zur Ermittlung der Größenordnung
der vom Menschen produzierten CO2-Menge:

Berechnung der
durch Menschen ausgeatmeten CO2-Menge/Jahr:

15l /Stunde x 24 x 365 =
131 400 l CO2/Jahr ;

6,1 x 109 Menschen
atmen pro Jahr: 1,314 x 105 x 6,1 x 109
= 8,015 x 1014 l CO2 aus.

Molvolumen CO2
= 22,4 l; Molmasse CO2 = 44g –>8,015 x 1014
x 0,044/22,4 =

1,574 x 109 Tonnen
CO2 /Jahr.

Dies ist ca. 7 % der weltweit
emittierten zivilisatorischen CO2-Menge!

CO2-Atmung Organismen


CO2-Atmung Bodenorganismen in Deutschland

CO2-Atmung Zuchttiere global

CO2-Atmung Insekten global









Ergebnis:

Die Bodenorganismen produzieren
/Jahr in Deutschland ca. 4,6
mal mehr CO2 als der Verkehr.

Außerdem ist die gesamte anthropogene CO2-Emission
in der BRD mit ca. 7 x 10^8 To/Jahr ca. so hoch wie die
der Bodenorganismen.

Ergebnis:

Mensch+Rind+Schaf+Schwein
produzieren global = 2,45 x 10^9 To CO2 Jahr d.h. ca.
10 %
der globalen industriellen CO2-Emission (ca.
22 GT/Jahr)

Ergebnis:

Die komplette anthropogene
CO2-Emission der Erde wird vom IPCC auf ca. 22 x 10^9 Tonnen/Jahr
geschätzt.
Dies ist max. 1% der Insektenatmung!

Quellen:

(1) http://biocomp.anu.edu.au/~hm/research/rubisco.html
(2) McDonald, E.P., et al. 1999. CO2 and light effects on deciduous
trees: Growth, foliar chemistry, and insect performance. Oecologia,
119, 389-399.
(3) http://www.greeningearthsociety.org/;
IN DEFENSE OF CARBON DIOXIDE; A Comprehensive Review of Carbon
Dioxide’s Effects on Human Health, Welfare, and the Environment
und
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
(4) http://www.co2science.org/issues/vol6/v6n10_co2science.htm
(5) http://www.pflegeintensiv.de/Ausarbeitungen/saurebase.html;

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

(6) Fachbücher der Physiologie wie z.B. Physiologie des Menschen;
Springer Verlag
(7) H.Borris and E.Libbert: Pflanzenphysiologie, Stuttgart 1985

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