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Fotosynthesepigmente sind Pigmente, die Licht absorbieren und mithilfe der Lichtenergie von einem energiearmen Grundzustand in einen energiereichen, angeregten Zustand übergehen. Beim Zurückspringen in den Grundzustand – der angeregte Zustand ist zwar energiereich aber instabil – wird die Energie in Form von Photonen an ein bestimmtes Chlorophyll a-Molekül, ebenfalls ein Fotosynthesepigment, abgegeben, das sich in einem Reaktionszentrum befindet. Mithilfe dieser Energie findet dann die erste lichtbetriebene, chemische Reaktion statt, eine Redoxreaktion.Diejenigen Pigmente, die das Licht absorbieren und dessen Energie bis zu den Pigmenten im Reaktionszentrum weiterleiten, heißen Antennenpigmente. Antennenpigmente sind verschiedene Chlorophyll-Protein-Komplexe, Carotinoide und Phycobiline. Jedes fotosynthetische Chlorophyll als Reaktionszentrum ist von etwa 300 verschiedenen, Licht sammelnden Antennenpigmenten umgeben.
Die gesamte Struktur, Antennenpigmente und Reaktionszentrum, wird Fotosystem genannt.

Der deutsche Botaniker THEODOR WILHELM ENGELMANN (1843-1909) konnte 1883 mit seinen Versuchen mit einer fadenförmigen Alge die Fotosyntheseaktivität in den verschiedenen Bereichen des sichtbaren Lichts nachweisen. Diese entspricht im Wesentlichen den Absorptionsmaxima der Fotosynthesepigmente bzw. dem Zusammenwirken der Farbstoffe im Fotosystem. Chlorophylle stellen die Hauptpigmente in allen fotoautotrophen Organismen dar. Carotinoide und Chlorophylle sind vorwiegend als Antennenpigmente zur optimalen Lichtabsorption im Rahmen des Antennenkomplexes im Fotosystem vertreten.

Die Fotosynthesespezialisten sind in der Lage, auch unter extremen Umweltbedingungen (starker Lichteinfluss, Trockenheit) eine effektive Fotosyntheseleistung zu erbringen. Diese Pflanzen binden Kohlenstoffdioxid an einen besonderen Akzeptor (PEP), wodurch zunächst organische Säuren entstehen. Später wird daraus das Kohlenstoffdioxid wieder abgegeben und im CALVIN-Zyklus weiterverarbeitet. Zu den Fotosynthesespezialisten zählen C4- und CAM-Pflanzen. Demgegenüber gehören die meisten Pflanzen zu den sogenannten C3-Pflanzen. C4- und CAM-Pflanzen unterscheiden sich von den C3-Pflanzen nicht nur physiologisch sondern auch morphologisch.

Eiweiße und Nucleinsäuren enthalten Stickstoff in Form von Aminogruppen (${\text{-NH}}_{\text{2}}$). Beim Abbau dieser Moleküle im Stoffwechsel entsteht giftiges Ammoniak ${\text{NH}}_{\text{3}}$, das gelöst in Form von Ammoniumionen ${\text{NH}}_{\text{4}}{}^{\text{+}}$ vorliegt. Durch die Bildung von Harnstoff unter Bindung von ${\text{NH}}_{\text{4}}{}^{\text{+}}$ in den Leberzellen in zyklischen Reaktionen erfolgt ein Unschädlichmachen dieser Ionen (Entgiftung) und ein Abführen aus dem Körper. Einer der dabei entstehenden Stoffe, Fumarat, stellt die Verbindung zum Citratzyklus her. Über Fumarat kann der Harnstoffzyklus auch zur Gluconeogenese sowie zur Bildung von Citrat und Oxalat dienen.

Das Herz ist ein Hohlmuskel. Es ist durch die Herzscheidewand in zwei Hälften getrennt. Diese bestehen aus je einem Vorhof und einer Herzkammer.

Durch rhythmisches Zusammenziehen und Erschlaffen des Herzmuskels wird das Blut aus dem Körper und der Lunge vom Herzen angesaugt und auch vom Herzen in den Körper und zur Lunge zurückgepumpt.

Der Austausch von Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Nährstoffen und Stoffwechselschlacken zwischen den Zellen und der Umwelt findet über feuchte Epithelien statt. Der weitere Transport durch Diffusion ist nur im Mikrometerbereich effizient (Einzeller). Bei größeren Tieren übernehmen besondere Kreislaufsysteme den Transport der Stoffe, Transportmittel ist das Blut. Da das Blut zirkuliert, besteht bei Verletzungen des Blutkreislaufsystems die Gefahr des Verblutens. Das verhindert die Blutgerinnung.

Die Fotosynthese besteht aus zwei übergeordneten Vorgängen, die jede Menge Teilreaktionen enthalten: den Lichtreaktionen (der Foto- bzw. Lichtteil der Fotosynthese) und dem CALVIN-Zyklus (auch Dunkelreaktionen – der Syntheseteil der Fotosynthese).

Innerhalb der Lichtreaktionen werden die stofflichen Voraussetzungen (ATP, NADPH + H⁺) für die darauffolgenden lichtunabhängigen Reaktionen gebildet. Die Lichtreaktionen finden an den Thylakoidmembranen der Chloroplasten statt, die dafür besondere Strukturen aufweisen: Fotosystem I und II, Elektronentransportkette sowie das Enzym ATP-Synthase.

ROBERT EMERSON (1903-1959) fand durch den nach ihm benannten EMERSON-Effekt experimentell heraus, dass zwei Fotosysteme existieren und damit zwei Lichtreaktionen zusammenwirken.
Fotosysteme absorbieren mithilfe der Fotosynthesepigmente die Lichtenergie. Die absorbierte Lichtenergie wird innerhalb des Fotosystems zu einem Reaktionszentrum weitergeleitet. Dort werden Elektronen auf ein höheres Energieniveau gebracht und stehen für zwei verschiedene Elektronentransporte zur Verfügung.
Beim nichtzyklischen Elektronentransport gelangen die Elektronen von einem Akzeptor des Fotosystems II über eine Elektronentransportkette zum Fotosystem I und daher nicht zu ihrem Ursprungsort zurück. Beim Transport der Elektronen wird mithilfe der Chemiosmose ATP gebildet (nichtzyklische Fotophosphorylierung). Am Fotosystem II findet die Fotolyse des Wassers statt, sodass neben Elektronen und Protonen auch Sauerstoff entsteht. Diese Protonen reagieren später zusammen mit den energiereichen Elektronen des Fotosystems I zum Reduktionsmittel NADPH + H⁺.

Beim zyklischen Elektronentransport ist nur das Fotosystem I beteiligt. Die durch Lichtabsorption entstehenden energiereichen Elektronen kehren zu ihrem Ursprungsort zurück. Dabei entsteht zusätzlich ATP.

Primär ist die Fotosynthese von der Qualität und Intensität des Lichts abhängig, da in den lichtabhängigen Reaktionen die Voraussetzungen für die Verarbeitung von Kohlenstoffdioxid im CALVIN-Zyklus geschaffen werden. Von den 100 % der Lichtenergie, die auf die oberen Blattschichten auftreffen, erreichen nur ca. 2 % den Erdboden. Die unterschiedliche Verteilung der Lichtintensität in den einzelnen Schichten hat Einfluss auf das Wachstum, die Anatomie, Morphologie und Physiologie der Pflanzen und ihrer Organe. Pflanzen oder deren Organe, die einer hohen Lichtintensität ausgesetzt sind, werden als Lichtpflanzen oder Lichtblätter (auch Sonnenblätter) bezeichnet. Im Gegensatz dazu sind Schattenpflanzen oder Schattenblätter an geringe Lichtintensitäten angepasst.

Unsere tägliche Nahrung setzt sich aus Nährstoffen, Ergänzungsstoffen und Nahrungsbegleitstoffen zusammen. Nährstoffe sind Kohlenhydrate, Eiweiße, Fette. Zu den Ergänzungsstoffen zählen Vitamine, Mineralstoffe, Ballaststoffe und Wasser. Nahrungsbegleitstoffe sind z. B. Geschmacksverstärker.

Nitrate sind wasserlösliche Salze der Salpetersäure ${\text{(HNO}}_{\text{3}}\text{)}\text{.}$ Nitrate (Anion ${\text{NO}}_{\text{3}}{}^{\text{-}}$) werden mit Hilfe von nitrifizierenden Bakterien durch Umsetzen stickstoffhaltiger Substanzen (u. a. Ammonium) im Boden gebildet und kommen in Gewässern vor, wo sie die wichtigsten Stickstofflieferanten für fotoautotrophe Pflanzen sind, die Nitrate in wechselnder Menge aufnehmen und vorwiegend in Blättern, Stängeln und Wurzeln speichern. Die zusätzliche Zufuhr von Nitrat in Böden zum Erzielen höherer pflanzlicher Erträge erfolgt durch Düngung mit Salpetersalzen (Dünger, Stickstoffdünger) sowie Mineralisation organischer Substanz. Bei unsachgemäßer Düngung entsteht ein Überangebot von Nitrat für die Pflanzen. Sie können es nicht in organische Stoffe umwandeln und lagern es in den Zellen.
Nehmen tierische Organismen über pflanzliche Nahrung das Nitrat zu sich, wird es zu giftigem Nitrit umgewandelt, was auch zur Bildung krebserregender Nitrosamine führen kann. Säuglinge können an Blausucht erkranken.
Bei starker Nitratdüngung gelangen außerdem mit dem ablaufenden Niederschlagswasser soviel Nitrate in die Gewässer (Stickstoffauswaschung), dass es zu einer Eutrophierung kommen kann.

Als Nitrifikation bezeichnet man die biologische Umwandlung von Ammonium- und Nitritoxidation zu Nitrat.
Ammonium-Ionen werden im natürlichen Stoffkreislauf durch Nitrosomabakterien in Nitrit-Ionen umgewandelt. Die Oxidation von Nitrit-Ionen zu Nitrat-Ionen erfolgt durch Nitrobacter. Auf diese Weise wird der Boden mit Nitrat angereichert und dieses steht den Pflanzen als Mineralsalzion für den Stoffwechsel zur Verfügung. Die beiden Bakteriengruppen nutzen diese Vorgänge für die Energiegewinnung. Enzyme einer verkürzten Atmungskette stellen aus dem Energiegewinn ATP her.
Auch die Denitrifikation dient einigen anaeroben Bakterien zur Energiegewinnung (Nitratatmung), indem sie Nitrat-Ionen zu Stickstoff umwandeln. Indem sie Nitrat in Luftstickstoff umwandeln, schließen sie den Stickstoffkreislauf in der Natur.

* 13.08.1872 in Karlsruhe
† 03.08.1942 in Muralto bei Locarno (Schweiz)

RICHARD WILLSTÄTTER war ein deutscher Chemiker, lehrte als Professor in München und war ab 1912 Direktor des Kaiser- Wilhelm-Instituts für Chemie in Berlin. 1939 emigrierte er in die Schweiz.
WILLSTÄTTER untersuchte die Struktur von Pflanzenfarbstoffen und Alkaloiden. Auch den Aufbau des Kokains erforschte er. 1915 erhielt er den Nobelpreis für Chemie.

Bei jedem lebenden Organismus müssen sich Zellen teilen, um neue Gewebe und Organe zu bilden (befruchtete Eizelle) oder abgestorbene Zellen zu ersetzen. Dieser Prozess muss streng kontrolliert sein. Man unterteilt ihn in die Interphase und die Mitosephase. Die Interphase dauert sehr lange und besteht wiederum aus den drei Abschnitten: ${\text{G}}_{\text{1}}\text{-Phase}$ (Bereitstellen der Komponenten z. B. Enzyme für die Synthese-Phase), S-Phase (Synthese von DNA und anderen Zellbestandteilen) und G₂-Phase (Vorbereitung der Zellteilung).
In allen diesen drei Teilphasen wächst die Zelle und stellt Proteine her. Außerdem vermehrt sie ihre Zellorganellen. In der S-Phase wird die DNA der Chromosomen verdoppelt; dies geschieht nur bei Zellen, die sich weiter teilen können. Fertig differenzierte Zellen verweilen in der G₁-Phase. Sie wird dann auch als ${\text{G}}_{\text{0}}\text{-Phase}$ (Ruhephase) bezeichnet. Nach der Synthesephase werden die Vorbereitungen für die Zellteilung in der ${\text{G}}_{\text{2}}\text{-Phase}$ abgeschlossen.
An diesen Vorgang schließt sich die Mitose- und damit die Zellteilungsphase an. Sie besteht aus Pro-, Meta-, Ana- und Telophase, in denen die Chromosomen des Zellkerns auf die beiden Zellhälften verteilt werden. Danach teilt sich die Zelle und bildet Abschlussgewebe um die neu entstandenen Tochterzellen (Cytokinese).
Die Dauer eines Zellzyklus ist sehr verschieden – von 8 min beim sich entwickelnden Drosophila-Ei bis zu einem Jahr bei einer Leberzelle. Die Mitose oder M-Phase dauert etwa eine Stunde.

Die Atembewegungen werden durch die Zwischenrippenmuskeln und das Zwerchfell bewirkt. Beim Einatmen hebt sich der Brustkorb, der Brustraum vergrößert sich, die Luft strömt in die Lunge.
Beim Ausatmen senkt sich der Brustkorb, der Brustraum wird kleiner, die Luft wird aus der Lunge gepresst.

Über die äußere Atmung werden das Blut und über die Zellatmung (innere Atmung) die Zellen kontinuierlich mit Sauerstoff versorgt. Dieser stammt entweder aus der Luft (21 %) oder aus dem Wasser. Der Bereich, an dem Sauerstoff aus der Umgebung in den Organismus diffundiert und Kohlenstoffdioxid diese verlässt, wird als respiratorische Oberfläche bezeichnet. Die Regulation der Atmung erfolgt über das Atemkontrollzentrum.

Die Atmung und damit die Sauerstoffversorgung der Lungen atmenden Organismen ist normalerweise dem umgebenden Luftdruck angepasst. Die meisten Menschen leben bei einem Luftdruck von 101 kPa und einem Sauerstoffpartialdruck von 21,3 kPa. Dieser garantiert eine kontinuierliche Versorgung der Zellen mit Sauerstoff über die Atmung. In Höhen ab 5000 m, die man beispielsweise beim Bergsteigen erreicht, beträgt der Luftdruck aber weniger als 30 kPa und der Sauerstoffpartialdruck nur 6 kPa. Sauerstoff wird nur noch sehr langsam ins Blut aufgenommen, die Folge ist eine Unterversorgung des Körpers mit dem lebensnotwendigen Gas.
Beim Tauchen kann ein Druck von 400 kPa (entsprechend 30 m Tauchtiefe) auf dem Taucher lasten. Es löst sich mehr Gas im Blut, welches beim schnellen Auftauchen zur Taucherkrankheit führen kann.

Durch die Lunge wird überschüssiges Kohlenstoffdioxid aus dem Körper ausgeschieden. Weitere Ausscheidungsorgane sind Haut, Nieren und Darm. Die Haut scheidet Salze, Harnstoff und Wasser aus, die Nieren entfernen Wasser, Salze und Harnstoff als Harn. Besonders wichtig ist dabei die Entfernung überschüssigen Stickstoffs aus dem Eiweißabbau. Über den Darm werden nicht verdaubare Nahrungsreste abgegeben. Die Leber wandelt Abbauprodukte des Hämoglobins in eine transportierbare Form um, die mit der Gallenflüssigkeit über den Darm ausgeschieden wird.

Zu den Organen mit Ausscheidungsfunktion gehören die Lunge, die Haut und die Nieren.

Die Ausscheidung der Stoffwechselendprodukte erfolgt als Ausatemluft (Wasser und Kohlenstoffdioxid), Schweiß (Wasser, Harnstoff und Salze) und als Harn (Wasser, Harnstoff und Salze), sowie die unverdaulichen Nahrungsreste als Kot.

Bier ist eines der ältesten biotechnologisch hergestellten Produkte der Menschheit. Es war bereits den Sumerern und im alten Ägypten bekannt. Getreide ist das Ausgangsprodukt, das bei der Bierherstellung in Malz und danach in eine Maische umgewandelt wird. Die in der Maische enthaltenen Zucker werden von Hefe zu Alkohol vergoren. In Deutschland darf seit 1516 nur Gerste, Weizen, Wasser, Hopfen und Hefe zum Bierbrauen verwendet werden (Reinheitsgesetz).

Gärungsvorgänge gehören zu den ältesten Technologien der Menschheit. Die Zubereitung von Sauerkraut aus Weißkohl mit Hilfe von Milchsäurebakterien macht den Kohl nicht nur haltbar, er wird auch zu einem gesunden Nahrungsmittel.
Sehr aktuell in der Gegenwart ist die Joghurtherstellung, obwohl auch sie schon lange bekannt ist. Joghurtspeisen sind erfrischend und als Zwischenmahlzeit beliebt. Aus Lactose produzieren Milchsäurebakterienstämme die Milchsäure unter anaeroben Bedingungen.
Leichte alkoholische Getränke wie Bier und Wein sind entstanden, als die Menschen lernten Getreidesorten, Obst und Reben zu züchten. Während beim Bierbrauen die Stärke der Gersten- oder Weizenkörner zunächst in Zucker umgewandelt werden muss, können Trauben durch ihren Zuckergehalt sofort vergoren werden. Die notwendigen Enzyme liefern Hefepilze. Der Konsum alkoholischer Getränke hat sich gewandelt. Noch bis ins späte Mittelalter waren sie Ersatz für verunreinigtes Wasser; heute sind sie reine Genussmittel. Alkohol wurde zum gesellschaftlichen Problem, da der regelmäßige Konsum zum Alkoholismus führen kann.

Blutgerinnung und Fibrinolyse sind lebenswichtige Funktionen des Blutes. Die Gerinnung wird an den verletzten Stellen durch Veränderung der Thrombozyten ausgelöst und verläuft über eine komplizierte biochemische Reaktionskaskade bis zur Bildung von Fibrin. Dieses unlösliche Protein legt sich als Netz über die Wunde und verklebt Blutzellen zu einem Pfropf, der die Blutung unterbindet. Während der Heilung müssen die Blutgerinnsel wieder aufgelöst werden. Das geschieht durch die Reaktionen der Fibrinolyse. Im Blut stehen beide Vorgänge, Gerinnung und Fibrinolyse, in einem präzisen Gleichgewicht. Es garantiert lebenswichtigen Schutz bei Verletzungen.

Das Blut fließt in einem geschlossenen Röhrensystem, das von Arterien, Kapillaren und Venen gebildet wird, durch unseren Körper. Es wird geschlossenes Blutgefäßsystem genannt.
Beim Blutkreislauf wird zwischen Körperkreislauf und Lungenkreislauf unterschieden.

Der nach dem Entdecker benannte CALVIN-Zyklus beschreibt innerhalb der Fotosynthese der Pflanzen den Weg des Kohlenstoffdioxids bis zur Entstehung eines Kohlenhydrats. Für den Ablauf der chemischen Reaktionen, die im Stroma des Chloroplasten stattfinden, werden als Voraussetzungen lediglich ATP als Energiequelle und NADPH + H⁺ als Reduktionsmittel benötigt. Licht ist für diesen Vorgang nicht nötig. Die komplexen Vorgänge werden in drei Phasen eingeteilt. Zunächst erfolgt die Fixierung des Kohlenstoffdioxids an einen Akzeptor (Ribulose-1,5-bisphosphat). Das erste daraus entstehende stabile Produkt ist ein Molekül mit drei Kohlenstoffatomen: Glycerinsäure-3-phosphat. Pflanzen, die auf diesem Weg Kohlenhydrate herstellen, nennt man daher C3-Pflanzen. Neben diesem Weg haben Fotosynthesespezialisten in Anpassung an trockene Umweltbedingungen Mechanismen entwickelt, Kohlenstoffdioxid in ihren Blattgeweben vorläufig zu konzentrieren.
In einer zweiten Phase erfolgt über Zwischenprodukte unter Verbrauch von ATP und mithilfe von NADPH + H⁺ die Reduktion der Glycerinsäure-3-phosphat zu Glycerinaldehyd-3-phosphat. Einige Moleküle dieses entstehenden Kohlenhydrats werden aus dem Kreisprozess ausgeschleust und sind die Grundlage für die Bildung weiterer Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße u. a. zur Speicherung von Energie. Die verbleibenden Glycerinaldehyd-3-phosphat-Moleküle werden im Kreislauf zur Regeneration des Akzeptors unter nochmaligem Verbrauch von ATP verwendet.
Fotosynthetisch aktive Pflanzen zeigen auch einen Gaswechsel (Sauerstoffverbrauch und Kohlenstoffdioxidabgabe), der im Licht wesentlich aktiver abläuft als im Dunkeln und wegen seiner Ähnlichkeit zur Atmung als Lichtatmung bzw. Fotorespiration bezeichnet wird.

Die Chloroplasten gehören neben Amylo-, Leuko- und Chromoplasten zu miteinander verwandten Pflanzenorganellen, die als Plastiden bezeichnet werden. Man findet sie in Blättern und anderen Organen der grünen Pflanzen sowie in ein- oder vielzelligen Algen. Sie enthalten den grünen Farbstoff Chlorophyll, Enzyme und Moleküle, die zum fotosynthetischen Stoffwechsel nötig sind.
Chloroplasten (bei Pflanzen haben sie einen Durchmesser von 1 bis 5 µm) als Zellorganellen der Fotosynthese lassen sich schon im Lichtmikroskop als linsenförmige Körperchen erkennen. Mithilfe des Elektronenmikroskops erhält man einen Einblick in die Feinstruktur der Chloroplasten. Sie bestehen im Innenraum aus einer Grundsubstanz (Stroma), lamellenartigen Membranen (Stroma- bzw. Granathylakoide), ringförmiger DNA, Assimilationsstärke, Ribosomen u. a. und werden nach außen durch eine Doppelmembran gegenüber dem Cytoplasma abgegrenzt. Durch spezielle Techniken, wie z. B. Gefrierätztechnik gelang es, den Feinbau der Thylakoidmembranen zu ermitteln. Diese enthalten besondere Strukturen, wie z. B. Fotosystem I und II, ATP-Synthase und die Enzym-Komplexe einer Elektronentransportkette.

Sterben in der freien Natur Pflanzen ab, so sorgen Bakterien dafür, dass die organische Masse zersetzt und somit umgewandelt wird und den Pflanzen im gelösten Wasser in Form von Mineralsalzionen wieder zur Verfügung steht. In landwirtschaftlichen oder privaten Anbaugebieten des Menschen wie Äcker, Gärten und Wiesen wird durch die angebauten Pflanzen zunächst ein hoher Gehalt an Mineralstoffen aus dem Boden entnommen. Durch großflächige und gründliche Ernte steht dem Boden nun kaum noch pflanzliche Biomasse für eine erneute Mineralisierung zur Verfügung. Durch die fehlende Zersetzung organischen Materials verarmt der Boden an Makro- und Mikronährstoffen, welche Pflanzen zum Wachstum benötigen. Um die Bodenfruchtbarkeit zu erhalten, muss er deshalb mit organischem oder mineralischem Dünger versorgt werden, welcher die Salzionen in bestimmter Verteilung beinhaltet. Den genauen Mineralbedarf eines Bodens kann man mithilfe von Bodenanalysen feststellen.