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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.

Eine Zelle stellt ein energetisch offenes System dar. Ständig tauscht sie mit ihrer Umgebung Stoffe und Energie aus. Diesem Austausch liegen entsprechende physikalische Gesetzmäßigkeiten zugrunde. So erklären der 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik die energetischen Verhältnisse in biologischen Systemen. Die Gesetze des Fließgleichgewichts gelten für alle biologischen Systeme und leiten sich aus der Nichtgleichgewichts-Thermodynamik her.

Mit der Entstehung der Vielzelligkeit und der damit verbundenen Differenzierung von Zellen in Keimbahn- und Körperzellen ist für die Körperzellen ein Alterungsprozess verbunden, der zum Tod der Zellen und des vielzelligen Organismus führt. Keimbahnzellen (Ei- und Spermazellen) sind potenziell unsterblich, d. h. sie können sich unbegrenzt weiter teilen. Bei ungünstigen Umwelteinflüssen zeigen aber auch diese Zellen Alterungserscheinungen, welche jedoch bei günstigen Bedingungen wieder beseitigt werden können.

Man hat herausgefunden, dass während des Elektronentransportes in der Atmungskette Peroxidionen $(O_2{}^{-})$ entstehen können, die über Wasserstoffperoxid aggressive freie Radikale bilden.

Radikale sind organische oder anorganische Verbindungen mit ein oder mehreren ungepaarten Elektronen. Da sie versuchen Elektronen einzufangen, um wieder vollständige Paare zu besitzen, sind sie sehr reatkionsfähig. Diese Radikale zerstören Proteine, Lipide und DNA. Mit dem Altern nimmt ihre Zahl zu und führt zur Einschränkung der ATP-Produktion. Gegenwärtig läuft die Forschung auf Hochtouren, um Schutzenzyme zu finden, die die freien Radikale ohne negative Folgen abfangen können.

* 06.12.1778 Saint-Léonard-de-Noblat (bei Limoges)
† 09.05.1850 Paris

Er war ein französischer Naturwissenschaftler, der sich vor allem mit chemischen, aber auch mit physikalischen Problemen beschäftigte. Sein Hauptarbeitsgebiet in der Physik war die Wärmelehre, insbesondere die Gastheorie.
Er fomulierte1802 das nach ihm benannte Gasgesetz.

Eine Gewichtsreduzierung (Abnehmen) ist dringend empfehlenswert, wenn festgestellt wird, dass das Normalgewicht erheblich überschritten wird. Der sogenannte Body-Mass-Index (BMI) gibt darüber Auskunft. Ein Body-Mass-Index über 26 kennzeichnet ein behandlungsbedürftiges Übergewicht. Übergewicht kann krank machen. Bluthochdruck, Diabetes mellitus, Gicht, Arteriosklerose, Herzinfarkt, Schlaganfall sind nur einige Krankheiten, die durch Übergewicht begünstigt werden. Auch das Risiko, an Krebs zu erkranken, steigt erheblich. Eine Gewichtsreduzierung wird in solchen Fällen dringend empfohlen.

Glykolyse wurde von den griechischen Wörtern glycos = süß und lysis = Auflösung abgeleitet. Damit ist die Spaltung von Traubenzucker gemeint. Sie findet im Cytoplasma der Zellen statt. Bei der aeroben Glykolyse (Sauerstoffanwesenheit) wird ein Glucosemolekül mit 6 C-Atomen unter Energiegewinn in Form von ATP in zwei Pyruvat-Ionen mit 3 C-Atomen gespalten. Pyruvate sind die Anionen der Brenztraubensäure, welche im Citratzyklus weiterverwertet werden. Unter anaeroben Bedingungen (Sauerstoffabwesenheit) wird das Pyruvat in Lactat (Milchsäure) oder Ethanol umgewandelt. Dieser Weg der anaeroben Verwertung von Glucose ist der älteste biochemische Mechanismus zur Energiegewinnung, welcher auch die Entwicklung von lebenden Organismen in sauerstofffreier Atmosphäre ermöglichte.

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.

Durch eine Herzkatheter-Untersuchung kann man die Herzinnenräume, das Herz und die Herzkranzgefäße mithilfe des Röntgenverfahrens sichtbar machen und krankhafte Stellen erkennen. Damit man das Herz und die Gefäße auf dem Röntgenbild besser sehen kann, werden Röntgen-Kontrastmittel verwendet.

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 Arbeitsweise des Herzens beruht auf rhythmischen Bewegungen der Herzmuskulatur, welche in regelmäßigen Abständen erschlafft und kontrahiert (Herzschlag). Der Sinusknoten als eigenes Erregungszentrums des Herzens steuert den Herzzyklus und passt ihn den sich ändernden Belastungen an (Geschwindigkeit des Herzschlags). Im Herzzyklus wechseln Systole (Kontraktion) und Diastole (Erschlaffung) ab und bewirken so das Einsaugen und Herauspumpen des Blutes in die Gefäße. Die Kontraktionen des Herzens kann man als Herzschlag oder Puls messen. Auch die vom Sinusknoten ausgehenden Impulse können gemessen und als EKG aufgezeichnet werden. Puls und EKG sind wichtige Diagnosemöglichkeiten für den Arzt.

* 30.08.1852 in Rotterdam
† 01.03.1911 in Berlin

J. H. VAN’T HOFF war ein niederländischer Physiker und Chemiker. Er lehrte als Professor für Chemie, Mineralogie und Geologie in Amsterdam. VAN’T HOFF war einer der Mitbegründer der physikalischen Chemie. Er begründete die Stereochemie. Am bekanntesten wurde er jedoch durch die Beschreibungen chemischer Gleichgewichte und die Entwicklung des Massenwirkungsgesetzes. Die bekannte RGT- Regel (Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur-Regel) stammt von ihm. Für die Entdeckung der Gesetze der Reaktionskinetik sowie des osmotischen. Drucks in Lösungen erhielt VAN’T HOFF 1901 den Nobelpreis für Chemie. Er war damit der Erste, der den Nobelpreis für Chemie bekam.

Beim Hungern laufen biochemische, physiologische sowie psychische Prozesse und Regelkreise ab. Ausgelöst werden sie durch das Sinken des Glucosespiegels im Blut. Bei den biochemischen Prozessen stellt der Körper auf die Bildung von Glucose aus Eiweiß und Fett (Gluconeogenese) um, wenn die Glykogenreserven in der Leber erschöpft sind. Auf diese Weise werden zuerst die Fettdepots aufgebraucht. Später beginnt die Eiweißverdauung von Muskeleiweiß. Da die osmotische Wirkung des Blutes nachlässt, entstehen Hungerödeme.

Kalorimetrie (Kalorie, lat. calor = Wärme und Metrie, griech. metran = messen) bedeutet übersetzt soviel wie Wärmemessung.

Die Kalorimetrie ist ein Verfahren zur Bestimmung von Wärmemengen und Energieumsatz. Damit kann man z. B. den Joule-Gehalt (früher Kalorie: 1 cal = 4,1868 J) von Nahrungsmitteln, die freigesetzte Enthalpie von chemischen Reaktionen oder die frei werdende Energie bei Stoffwechselprozessen von Organismen messen. Im Gegensatz zur direkten Kalorimetrie, bei der in einer thermisch isolierten Kammer die Menge der vom Organismus oder einer chemischen Reaktion abgegebenen Wärme gemessen wird, wird bei der indirekten Kalorimetrie aus dem Verbrauch von Sauerstoff und der Produktion von Kohlenstoffdioxid die erzeugte Energie berechnet.

* 1818 Salford bei Manchester
† 1889 Sale bei London

Er war ein englischer Naturwissenschaftler, maß das mechanische Wärmeäquivalent und legte damit wesentliche Grundlagen für die Entdeckung des Gesetzes von der Erhaltung der Energie.
Nach ihm ist die heute gebräuchliche Einheit der Energie - das Joule (1 J) benannt.

Katalase ist ein Enzym, welches in allen tierischen Zellen, besonders in den Peroxisomen der Leberzellen und in den Erythrozyten, aber auch in Pflanzenzellen und aeroben Mikroorganismen häufig vorkommt. Seine Funktion besteht hauptsächlich in der Zersetzung des bei oxidativen Abbaureaktionen entstehenden Wasserstoffperoxids. Die Katalase spaltet ${\text{H}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{2}}$ in Sauerstoff und Wasser. So werden die Zellen vor der toxischen Wirkung von Wasserstoffperoxid geschützt. Dies gelingt sehr effektiv, weil die Katalase eines der effizientesten Enzyme überhaupt ist: Ein einziges Molekül setzt pro Sekunde bis zu 40 Millionen ${\text{H}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{2}}$-Moleküle um.

Durch Fotosynthese in Pflanzen werden aus den anorganischen Molekülen Wasser und Kohlenstoffdioxid organische Substanzen (Traubenzucker) aufgebaut.

Kohlenhydrate sind nicht nur für den Menschen wichtige Energielieferanten. Einfachzucker (Monosaccharide) bilden die Grundbausteine, aus denen alle komplexeren Kohlenhydrate (Zweifachzucker, Vielfachzucker) aufgebaut sind. Aus den vielfältigen Verknüpfungsmöglichkeiten bis hin zur Ketten- und Ringbildung erklärt sich die große Anzahl der Kohlenhydrate mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften.

* 16.06.1892 Gollnow
† 19.11.1970 Porza (Kanton Tessin)

WERNER KOLLATH war Bakteriologe und Hygieniker. Er war Professor in Breslau, Rostock und Freiburg im Breisgau.
KOLLATH gilt als einer der bedeutendsten Ernährungswissenschaftler und als Begründer der modernen Vollwerternährungslehre.
Seine bekanntesten Werke sind: „Die Ordnung unserer Nahrung“ und „Zur Einheit der Heilkunde“, beide 1942 erschienen.

* 25.08.1900 in Hildesheim
† 22.11.1981 in Oxford

1937 beschrieb HANS A. KREBS in einem kurzen, nur 700 Worte umfassenden Artikel eine bahnbrechende Erkenntnis. Dem in Sheffield, Yorkshire, forschenden Wissenschaftler war es gelungen, die durchgängige Reaktionskette für den aeroben Endabbau der Zwischenprodukte des innerzellulären Kohlenhydrat-, Protein- und Fettstoffwechsels zu formulieren. Er nannte den Reaktionsablauf Citronensäure(Citrat)-, oder auch Tricarbonsäurezyklus. 1953 wurde HANS A. KREBS für diese Entdeckung, zusammen mit FRITZ ALBERT LIPMANN (1899-1986), mit dem Nobelpreis für Medizin oder Physiologie ausgezeichnet. Er gilt als Mitbegründer der modernen Biochemie.

* 14.06.1868 in Wien
† 26.06.1943 New York

KARL LANDSTEINER wurde am 14. Juni 1868 in Wien geboren. Hier legte er auch seine Reifeprüfung ab und absolvierte sein Medizinstudium. Schon in dieser Zeit begann der Österreicher seine biochemischen Untersuchungen und konzentrierte sich dabei besonders auf die Zusammensetzung des Bluts. Im Rahmen seiner Forschungen gelang ihm die Entdeckung der Blutgruppen, wofür er 1930 den Nobelpreis erhielt. 1940 konnte er mithilfe seines Mitarbeiters ALEXANDER WIENER (1907–1976) schließlich noch den Rhesusfaktor isolieren. 1943 starb KARL LANDSTEINER in New York.

Laubblätter sind in ihrer Gestalt und Größe sowie in ihrer Stellung an der Sprossachse mannigfaltig. Im inneren Schichtaufbau stimmen sie weitgehend überein:

• Epidermis (obere, untere),
• Palisadengewebe,
• Schwammgewebe,
• Leitbündel und
• Interzellularen.

Jede Zellschicht erfüllt bestimmte Funktionen. Die Laubblätter geben Wasser in Form von Wasserdampf ab. Die Regulierung der Wasserdampfabgabe (Transpiration) erfolgt durch Spaltöffnungen. Durch die Spaltöffnungen der Laubblätter werden Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff aufgenommen und abgegeben. Der Vorgang der Aufnahme und Abgabe von Gasen heißt Gasaustausch.

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.

* 12.05.1803 in Darmstadt
† 18.04.1873 in München

JUSTUS FREIHERR VON LIEBIG wurde am 12. Mai 1803 in Darmstadt geboren und starb im Alter von 69 Jahren am 18. April 1873 in München. Sein Hauptarbeitsgebiet lag in der Chemie. Er entwickelte die liebigsche Elementaranalyse und schuf die Möglichkeiten der künstlichen Düngung. Weitere Entwicklungen gelangen ihm, weil er sich stets Problemen des Alltags widmete. LIEBIG lebte in einer sehr bewegten Zeit, die geprägt war von großen politischen und wirtschaftlichen Umwälzungen. Details aus jener Zeit und dem Leben LIEBIGs sind hier zusammengetragen.