Die Atmung

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Schriftliche Ausarbeitung

im Fach Integrierter Lernbereich Sachunterricht: Chemie an der

Universität-Gesamthochschule Siegen

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eingereicht bei

 

 

Siegen, Juli 2000


 

 

 

 

Inhaltsverzeichnis

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Die Atmung (Einleitung)                                                                                          3

 

Die äußere Atmung                                                                                                  5

 

Die innere Atmung                                                                                                   6

 

Die Glycolyse                                                                                               6

 

Der Citratzyklus                                                                                           11

 

Die Atmungskette                                                                                        16

 

Die Gesamtbilanz                                                                                         20

 

Didaktische Umsetzung                                                                                           21

 

Versuchsprotokolle                                                                                                   24

 

Chemikalienliste                                                                                           24

 

Versuche                                                                                                       26

 

Literaturverzeichnis                                                                                                  30


Die Atmung

 

 

 

Der Gasaustausch zwischen Organismus (wobei wir uns auf den Menschen beschränken) und Umwelt bzw. Zelle und Umgebung heißt Atmung.

Dabei kann man den Vorgang der Atmung in eine äußere Atmung (= Lungenatmung)

und in eine innere Atmung (= Zellatmung) einteilen.

Die Atmung ist ein unwillkürlich ablaufender Vorgang, der über das Atemzentrum, welches im verlängerten Rückenmark liegt, gesteuert wird.

 

Bei der Einatmung (Inspiration) hebt sich der Brustraum durch Kontraktion der Zwischenrippenmuskulatur. Gleichzeitig zieht sich das Zwerchfell zusammen und flacht sich dabei ab. Dadurch wird der Innenraum des Brustkorbs kräftig erweitert. Es entsteht ein Unterdruck in der Lunge, so dass die Luft in die Lunge gesogen wird.

Bei der Ausatmung (Expiration) erschlafft die Zwischenrippenmuskulatur, und der knöcherne Brustkorb sinkt nach unten. Gleichzeitig lässt die Spannung des Zwerchfells nach, es tritt nach oben und der Brustkorbinnenraum verkleinert sich. Es entsteht nun ein Überdruck in der Lunge, und die Luft wird nach außen gepresst.

 

 

 

1

Die Atemfrequenz pro Minute im Ruhezustand nimmt mit zunehmendem Alter ab: Früh-/Neugeborenes  ca. 40-60

Säugling                                 ca. 30

Kleinkind                               ca. 25

Schulkind                               ca. 20

Jugendlicher                           ca. 15-20

Erwachsener:                          ca. 15

 

 

1 http://www.neckar-alb-hotels.de/priv/drkrtl/anatomie.html


Demgegenüber nimmt das Atemzugvolumen, also das beim normalen, unbelasteten

Zustand über Ein- und Ausatmung bewegte Volumen, mit zunehmendem Alter zu:

 

Früh-/Neugeborenes              ca. 0,04-0,05 l

Säugling                                ca. 0,06-0,15 l

 Kleinkind                               ca. 0,15-0,20 l

Schulkind                              ca. 0,20-0,30 l

Jugendlicher                          ca. 0,30-0,50 l

Erwachsener                          ca. 0,50-0,80 l

 

Zur Berechnung des Atemzugvolumens (im Folgenden kurz AZV genannt) kann als

Faustregel gelten:

bei Kindern:                           AZV = Gewicht in kg x 10

bei Erwachsenen:                   AZV = Gewicht in kg x 10 bis 15

 

Auch das maximale Atemzugvolumen, also das pro Atemzug maximal eingeatmete Luftvolumen, nimmt mit zunehmendem Alter zu. So beträgt es bei GrundschülerInnen im Schnitt 0,7-2,6 l, bei Erwachsenen dagegen im Schnitt 3,2-5,2 l.

 

 

 

Die Luft, die wir täglich ein- und ausatmen, setzt sich dabei wie folgt zusammen:

 

 

Einatmungsluft

Ausatmungsluft

Stickstoff

78 %

79 %

Sauerstoff

21 %

17 %

Kohlenstoffdioxid

0,03 %

4 %

Andere Gase

1 %

1 %

 

(Angaben pro Liter Luft)

 

Die auffälligsten Unterschiede, die bei einem Vergleich der Einatmungsluft (=

atmosphärische Luft) mit der Ausatmungsluft auffallen, sind folgende:

1.   Die Sauerstoffkonzentration wird reduziert

2.   Die Kohlenstoffdioxidkonzentration wird erhöht

Daher wird die Atmung auch häufig mit Sauerstoffaufnahme und Kohlenstoffdioxid-abgabe definiert.


Die äußere Atmung

 

 

 

Der Weg der Luft ist eingeteilt in den oberen und unteren Luftweg.

Als den oberen Luftweg werden die im Kopf des Menschen liegenden Atmungsorgane bezeichnet. Zu ihnen gehören die Nase und der Rachen.

Die Luft wird zunächst durch die Nase eingeatmet, wo sie auf die Verhältnisse innerhalb der Lunge vorbereitet wird. Sie wird durch Haarfilter gereinigt, durch Blutgefäße in der Nasenschleimhaut erwärmt und durch Schleimtröpfchen der Nasenschleimhaut verflüssigt. Anschließend fließt die Luft in den Rachenraum, woran sich der untere Luftweg anschließt. Sie gelangt über den Kehlkopf, durch die Luftröhre und die Bronchien zur Lunge. Dort werden erneut Partikel herausgefiltert.

Jeder Lungenflügel verzweigt sich in feine Röhrchen, welche in winzigen Lungenbläschen enden. An diesem Ort diffundiert der eingeatmete Sauerstoff in den Blutstrom hinein, wo er an das Hämoglobin gebunden und über die Lungenvene in das Herz transportiert wird. Von da aus erreicht er über das Arteriensystem die Körperzellen. Dort wird er abgegeben und das, während der inneren Atmung entstandene, Kohlenstoffdioxid in das Blut aufgenommen. Das Kohlenstoffdioxid erreicht über den Blutstrom die Lunge und wird schließlich ausgeatmet.

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 http://www.zum.de


Die innere Atmung

 

 

 

Während der inneren Atmung auch Zellatmung genannt findet die eigentliche

Stoffumwandlung statt.

Der Körper nimmt mit der Nahrung Glucose auf und baut diesen Nährstoff schließlich zu Kohlenstoffdioxid und Wasser ab.

 

C6H12O6 + 6O2       6CO2 + 6H2O + Energie

 

Hierbei handelt es sich um eine stark exotherme, d.h. Energie freisetzende Oxidation. Der stufenweise Abbau von Glucose vollzieht sich mit Hilfe von Enzymen den Biokatalysatoren, die alle Stoffwechselprozesse der lebenden Zelle beschleunigen und auf ein Gleichgewicht einstellen - in den folgenden drei Schritten:

1.   Die Glycolyse

2.   Der Citratzyklus

3.   Die Endoxidation

 

 

 

 

1. Die Glycolyse

 

 

 

Das Wort Glycolyse kann man mit dem Wort Glucosezerlegung übersetzen. Dieser Vorgang läuft anaerob ab, d. h. es wird kein Sauerstoff benötigt.

Der Glucoseabbau vollzieht sich im Cytoplasma, und zwar in folgenden Stufen:

 

 

 

1.   Stufe

 

In dieser wird die Glucose zunächst für die weiteren Reaktionsschritte aktiviert, indem sie in Glucose-6-phosphat überführt wird. Dabei überträgt Adenosintriphosphat (im Folgenden kurz ATP genannt) eine Phosphatgruppe (P) auf die Glucose. Diesen Vorgang nennt man „Phosphorylierung. Im Gegenzug überträgt Glucose ein Wasserstoffatom auf das entstehende Adenosindiphosphat (im Folgenden kurz ADP genannt).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Diese und folgende Reaktionsschemata - allerdings mit eigenen Abänderungen – aus:

http://www.drd.de/helmich/bio/stw/reihe3/reihe3.htm


2.   Stufe

Hier wird durch Isomerisierung lediglich die Struktur des Moleküls verändert, so dass Glucose-6-phosphat in Fructose-6-phosphat umgewandelt wird. Diese Umwandlung ist notwendig, da Fructose-6-phosphat im Gegensatz zu Glucose-6-phosphat zwei Phosphatgruppen aufnehmen kann.

 

 

Anbei ist zu ergänzen, dass Isomerisierung die Umwandlung einer chemischen

Verbindung in eine andere von gleicher Summenformel und gleicher Molekülgröße ist.

 

 

 

3.   Stufe

Nun findet erneut eine Phosphorylierung statt. Durch Anhängen einer weiteren Phosphatgruppe wird Fructose-6-phosphat zu Fructose-1,6-diphosphat weiter aktiviert. Somit wird aus ATP ADP, welches zusätzlich ein Wasserstoffatom aufnimmt.

 

 

 

 

4.   Stufe

Zunächst findet eine weitere Isomerisierung statt, durch welche das ringförmige Molekül zwischen dem Ring-Sauerstoff-Atom und dem C2 Atom zu dem kettenförmigen Isomer des Fructose-1,6-diphosphats gespalten wird.

 


Dieses kettenförmige Molekül wird schließlich ebenfalls gespalten.

Es entsteht zu 4% Glycerinaldehyd-phosphat (im Folgenden kurz GAP genannt) sowie zu 96% Dihydroxyaceton-phosphat. Aufgrund des stetigen Verbrauchs an GAP ist es erforderlich, dass das Dihydroxyaceton-phosphat durch eine weitere Isomerisierungsreaktion in GAP umgewandelt wird.

 

 

 

 

5.   Stufe

Jetzt findet zum ersten Mal eine Oxidation statt. Das GAP gibt ein Wasserstoffatom und ein zusätzliches Elektron (formal: Hydrid-Ion H- ) an ein Nicotinsäureamid-adenin- dinucleotid-Ion (im Folgenden kurz NAD+ genannt) ab. Das NAD+ wird zu NADH reduziert, das GAP wird oxidiert. Das Phosphat wird an den C3-Körper gebunden und

es entsteht das Zwischenprodukt 1,3-Diphosphat-glycerat.

 

 

 

 

6.   Stufe

Aufgrund der Instabilität des 1,3-Diphosphat-glycerats wird eine der beiden

Phosphatgruppen abgegeben, so dass ATP sowie Glycerat-3-phosphat entsteht.

Bei dieser Stufe verbleibt eines der vier Sauerstoffatome der Phosphatgruppe im C3- Körper und oxidiert die Aldehyd-Gruppe (C-CHO) zur Carboxyl-Gruppe (-COOH).

 


7.   Stufe

Durch eine erneute Isomerisierung lagert sich das Glycerat-3-phosphat in das isomere

Glycerat-2-phosphat um.

 

 

 

 

8.   Stufe

In dieser wird durch den Entzug eines Wassermoleküls aus dem Glycerat-2-phosphat ein Phospho-enol-pyruvat (im Folgenden kurz PEP genannt).

 

 

 

9.   Stufe

In dieser letzten Stufe der Glycolyse überträgt PEP seine Phosphatgruppe auf ADP. Dabei entsteht ATP sowie als Endprodukt Pyruvat, welches das Anion der Brenztraubensäure ist.

 

 

 

 

 

Bilanz der Glycolyse

Insgesamt wurden aus einem Glucose-Molekül zwei Pyruvat-Moleküle hergestellt. Dabei wurden gleichzeitig zwei ATP-Moleküle sowie zwei NADH2Moleküle gewonnen.


Vereinfachung der Glycolyse (Schema)

 

 

 

 

 

 

 

 


2. Der Citratzyklus

 

Der Citratzyklus ebenfalls bekannt unter den Namen Krebs-Zyklus, Tricarbonsäurezyklus und Zitronensäurezyklus läuft in den Mitochondrien der tierischen und pflanzlichen Zelle ab.

Er ist Teilprozess der energiegewinnenden inneren Atmung und verläuft aerob. Ausgangsstoff des Citratzyklus ist das Endprodukt der Glycolyse: Die Brenztraubensäure.

 

 

 

Vorbereitungsstufe

Zunächst muss die Brenztraubensäure in eine für den Eintritt in den Citratzyklus geeignete Form überführt werden. Dabei wird sie als erstes oxidiert, indem sie zwei Wasserstoffatome an NAD+ abgibt. Somit wird NAD+ zu NADH2 reduziert.

Gleichzeitig wird Kohlenstoffdioxid abgespalten. Diesen Vorgang nennt man oxidative

Decarboxylierung.

An diesem Schritt ist das sogenannte Coenzym A (im Folgenden kurz CoA genannt) beteiligt, welches mit der entstehenden Essigsäure die sogenannte „Aktivierte Essigsäure“ bildet.

 

 

 

 

1.   Stufe

Hier wird die Aktivierte Essigsäure in den Citratzyklus eingeschleust, indem sie von der Oxalessigsäure aufgenommen wird und sich beide zu dem C6-Körper Citronensäure vereinigen. Dabei wird einerseits das CoA abgespalten, andererseits wird Wasser aufgenommen. Diese chemische Reaktion, bei der sich zwei Moleküle unter Austritt eines chemisch einfachen Stoffes (hier: Wasser) zu einem größeren Molekül vereinigen, nennt man „Kondensation.

 

 

 


2.   Stufe

Jetzt findet lediglich eine Isomerisierung statt, bei der Citronensäure in Isocitronensäure überführt wird.

 

 

 

 

3.   Stufe

Nun wird die Isocitronensäure oxidiert, indem sie zwei Wasserstoffatome abgibt. Diese nimmt NAD+ auf und wird somit zu NADH2 reduziert. Oxalsuccinat entsteht.

 

 

 

4.   Stufe

Das Oxalsuccinat wird nun zu   -Ketoglutarsäure umgewandelt, wobei

Kohlenstoffdioxid abgespalten wird (Decarboxylierung).

 


5. Stufe

Hier wird die   -Ketoglutarsäure oxidiert, indem sie zwei Wasserstoffatome auf ein NAD+ überträgt. Gleichzeitig wird Kohlenstoffdioxid abgespalten. Bei dieser oxidativen Decarboxylierung entsteht als Endprodukt Succinyl-Coenzym A. Die Aufgabe des

Coenzym A ist es, den bei der Decarboxylierung der   -Ketoglutarsäure entstandenen

C4-Körper zu binden und zum nächsten Enzym des Citratzyklus zu übertragen.

Nach der Übertragung auf die Bernsteinsäure wird das Coenzym A wieder freigesetzt. Dabei wird energiereiches ATP gebildet sowie Wasser aufgenommen.

 

 

 

 

6.   Stufe

Die Bernsteinsäure gibt nun zwei Wasserstoffatome ab und wird somit zu Fumarsäure oxidiert.

Die beiden Wasserstoffatome werden von dem Flavin-Adenin-Dinucleotid (im

Folgenden kurz FAD genannt) aufgenommen, welches zu FADH2 reduziert wird.

 

 

 

7.   Stufe

Nun nimmt die Fumarsäure ein Wassermolekül auf, so dass Äpfelsäure entsteht.

 


8.   Stufe

In dieser letzten Stufe wird die Äpfelsäure durch die Abgabe von zwei Wasserstoffatomen oxidiert, so dass erneut NADH2 entsteht. Aufgrund dieser Reaktion wird die Oxalessigsäure regeneriert. Sie kann somit erneut Aktivierte Essigsäure aufnehmen, um den Kreislauf des Citratzyklus aufrechtzuerhalten.

 

 

 

Ergänzung

Der Citratzyklus muss stets zweimal durchlaufen werden, um den C6-Körper Glucose abzubauen und somit 6 C-Atome zu gewinnen.

Das Kohlenstoffdioxid, das dabei abgespalten wird, ist das Kohlenstoffdioxid, welches wir beim normalen Atmen ausatmen.

 

 

 

Bilanz des Citratzyklus

Insgesamt wurden zwei ATP-Moleküle, zwei FADH2 Moleküle sowie acht NADH2 - Moleküle gewonnen.


Vereinfachung des Citratzyklus (Schema)

 

 

 

 

 

 

 

 


3. Die Atmungskette

 

Die Atmungskette auch Endoxidation genannt ist der letzte Schritt des oxidativen

Glucoseabbaus. Sie findet in der inneren Mitochondrienmembran statt.

Während in der Glycolyse und im Citratzyklus das Kohlenstoffgerüst der Glucose vollständig abgebaut wurde, dient die Atmungskette vorwiegend der Energiegewinnung. Somit ist nicht das Kohlenstoffdioxid des Citratzyklus primäres Endprodukt der Atmung, sondern vielmehr das äußerst energiereiche ATP.

 

 

 

Notwendige Vorkenntnisse

In dem Raum zwischen den beiden Membranen des Mitochondriums herrscht eine hohe Konzentration an Wasserstoffionen bzw. Protonen, im Innern des Mitochondriums dagegen eine niedrige Konzentration. Daher diffundieren die Protonen von außen nach innen und passieren dabei einen Enzymkomplex, der aus ADP und Phosphat ATP synthetisiert.

Doch bei stetigem Einströmen von Protonen in das Mitochondrium würde es zu einem Konzentrationsausgleich kommen, so dass kein ATP mehr gebildet werden könnte. Daher muss das Mitochondrium stets dafür sorgen, dass das Protonengefälle aufrecht erhalten wird. Die Protonen werden aufgrund dessen durch den sogenannten „Aktiven Transport wieder auf die Außenseite gebracht. Dieser Transport benötigt Energie, die jedoch nicht von dem ATP zur Verfügung gestellt werden darf (denn ATP soll schließlich gewonnen werden), sondern die die Coenzyme NAD und FAD bereitstellen. Diese können Wasserstoffatome speichern (NADH2 / FADH2 ) und reagieren dann

mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser und NAD+ bzw. FAD.

Da diese Reaktion bekannt unter dem Namen „Knallgasreaktion sehr stark exotherm ist, muss sie in mehrere Teilschritte zerlegt werden (denn sonst würde das Mitochondrium explodieren).

 

Die Zelle


1.   Stufe

Das Redoxpotential von NADH2, d.h. das quantitative Maß für die Neigung von NADH2, Elektronen abzugeben, liegt bei ca. 400 mV. Somit ist NADH2 der stärkste Elektronendonator. (Je negativer das Redoxpotential, desto leichter gibt der Stoff Elektronen ab.)

NADH2 gibt daher zwei Wasserstoffatome bestehend aus je einem Proton und je einem Elektron an das schwächere Reduktionsmittel Flavinmononucleotid (im Folgenden kurz FMN genannt) ab.

NADH2 wird demnach oxidiert, während FMN reduziert wird.

 

NADH2    -  2H+    -  2e-

 

→NAD

 

Oxidation

FMN      +  2H+  +  2e-

FMNH2

Reduktion

 

 

2.   Stufe

Das FMNH2 gibt seine beiden zuvor aufgenommenen Wasserstoffatome an das wiederum schwächere Reduktionsmittel CoQ (Ubichinon) ab.

 

FMNH2    -  2H+

-  2e-

 

FMN

 

Oxidation

CoQ      +  2H+

+  2e-

CoQH2

Reduktion

 

Bei dieser Redoxreaktion wird Energie frei, die zum Aktiven Transport eines Protons und somit zur Synthese von einem Molekül ATP aus ADP und einem Phosphat genutzt werden kann. Diesen Vorgang nennt man oxidative Phosphorylierung“ oder

„Atmungsketten-Phosphorylierung. ADP  +  P     ATP

Das CoQ kann aber auch Wasserstoff von FADH2 aufnehmen:

 

 

FADH2

-  2H+

-  2e-

 

FAD

 

Oxidation

CoQ ADP

+  2H+

+  P→

+  2e-

CoQH2

ATP

Reduktion

 

Die Atmungskette beginnt bei der Oxidation von FADH2 erst in dieser Stufe.

 

 

 

3.   Stufe

Ab dieser Stufe werden lediglich die Elektronen an die schwächeren Reduktionsmittel abgegeben. So nimmt jetzt das Cytochrom b die zwei Elektronen des CoQ auf, während die beiden Wasserstoffatome mit dem eingeatmeten Sauerstoff unter Bildung von Wasser reagieren.

 

-  2H+

-  2e-

 

CoQ

 

Oxidation

+

2e -

2Fe2+

Reduktion

+  2H+     

H2O

Knallgasreaktion

 

 
CoQH2

2Fe3+

O2-

 

Der Redoxpotentialunterschied reicht hierbei nicht aus, um ein Molekül ATP durch den

Aktiven Transport eines Protons zu synthetisieren.


4.   Stufe

Das Cytochrom b gibt nun seine zwei Elektronen an das schwächere Reduktionsmittel

Cytochrom c ab.

 

Cytochrom b: 2Fe2+

-  2e-

2Fe3+

 

Oxidation

Cytochrom c: 2Fe3+

+  2e-

2Fe2+

Reduktion

 

Diese Reaktion ist erneut so energiereich, dass eine zweite oxydative Phosphorylierung stattfinden kann.

 

ADP  +  P          ATP

 

 

 

5.   Stufe

Es folgt eine Übertragung von zwei Elektronen von dem Cytochrom c auf das

Cytochrom a.

 

Cytochrom c: 2Fe2+

-  2e-

2Fe3+

 

Oxidation

Cytochrom a: 2Fe3+

+  2e-

2Fe2+

Reduktion

 

Hier reicht der Redoxpotentialunterschied zwischen Cytochrom c und Cytochrom a wiederum nicht für die Synthese eines weiteren Moleküls ATP aus.

 

 

 

6.   Stufe

In dieser letzten Stufe der Atmungskette überträgt das Cytochrom a zwei weitere Elektronen an das schwächste zur Verfügung stehende Reduktionsmittel: dem Sauerstoff. Sauerstoff ist demnach der stärkste Elektronenakzeptor bzw. das kräftigste Oxidationsmittel der ganzen Atmungskette.

 

Cytochrom a: 2Fe2+    -  2e-            2Fe3+                     Oxidation

Sauerstoff:      ½O2      +  2e-             O2-                         Reduktion

 

Der Sauerstoff, der dabei entsteht, reagiert mit dem abgespaltenem Wasserstoff (siehe

Stufe 3) zu Wasser.

 

2H+    +  O2-              H2O                                         Knallgasreaktion

 

Hier wird wieder soviel Energie frei, dass ein Aktiver Transport eines Protons stattfinden kann und ein ATP-Molekül synthetisiert wird (oxidative Phosphorylierung).

 

ADP  +  P       ATP


Bilanz der Atmungskette

Jedes NADH2 Molekül liefert drei ATP-Moleküle. Da bereits zwei Moleküle NADH2 in der Glycolyse und insgesamt acht Moleküle NADH2 im Citratzyklus entstanden sind, beläuft sich die Summe der in der Atmungskette entstandenen ATP-Moleküle auf 30.

Jedes FADH2 Molekül liefert zwei ATP-Moleküle. Da im Citratzyklus zwei FADH2 Moleküle gewonnen wurden, wurden in der Atmungskette vier ATP-Moleküle synthetisiert.

 

 

 

Vereinfachung der Atmungskette (Schema)

 

 

 


Die Gesamtbilanz und die Redoxgleichung der inneren Atmung

 

Die meisten Menschen verbinden mit dem Wort „Atmung die Sauerstoffaufnahme und die Kohlenstoffdioxidabgabe. Doch die wenigsten Menschen wissen, dass die sechs Kohlenstoffdioxid-Moleküle, die im Citratzyklus entstehen, lediglich Nebenprodukte

der Atmung sind. Hauptanliegen der Atmung dagegen ist die Energiegewinnung. Die von dem Körper verwertbare Energie wird in Form von ATP-Molekülen gespeichert, wobei ein ATP-Molekül einen Energiewert von etwa 30,6 kJ/mol hat. In der Glycolyse wurden bereits zwei Moleküle ATP sowie zwei Moleküle NADH2 gewonnen.

Auch im Citratzyklus entstanden zwei Moleküle ATP sowie acht Moleküle NADH2 und zwei Moleküle FADH2.

Die insgesamt zehn NADH2 Moleküle und die zwei FADH2 Moleküle wurden schließlich in der Atmungskette weiterverarbeitet, so dass 30 ATP-Moleküle aus den zehn NADH2 Molekülen sowie vier ATP-Moleküle aus den zwei FADH2 Molekülen entstanden.

Somit sind im Verlauf der inneren Atmung insgesamt 38 ATP-Moleküle entstanden, die

eine Energie von 38     30,6 kJ/mol = 1162,8 kJ/mol liefern.

Da die Glucose zu Beginn der inneren Atmung ein Energiepotential von 2994 kJ/mol besaß, beträgt der Wirkungsgrad der Zellatmung, d.h. das Verhältnis zwischen gespeicherter und frei werdender Energie, etwa 38,8%

(Rechnung: ( 38    30,6 )   2994    38,8% ).

Der Rest der Energie wird in Form von Wärme frei.

 

Im Verlauf der Atmungskette findet desweiteren ein Ionenfluss statt:

Zwölf Wasserstoffionen werden abgespalten und reagieren mit dem Sauerstoff der

Atemluft zu Wasser, das wir in Form von Wasserdampf ausatmen.

 

12H+  + 6O2-     12H2O

Desweiteren werden neben den zwölf Wasserstoffionen zwölfmal zwei Elektronen – also insgesamt 24 Elektronen abgegeben. Bei genauer Analyse stellt man fest, dass diese von der Glucose genauer von den Kohlenstoffatomen der Glucose – stammen. Sie werden schließlich von dem Sauerstoff der Atemluft aufgenommen.

Glucose wird somit oxidiert, während der Sauerstoff reduziert wird. Die Redoxgleichung sieht demnach wie folgt aus:

 

 


                             Oxidation ( - 24e- )

 

 

 

C6H12O6    +  6O2        6CO2    +  12H2O

  Reduktion ( + 24e- )

 

Didaktische Umsetzung

 

Die didaktische Umsetzung des Themas „Die Atmung in der Primarstufe erweist sich als äußerst schwer, da es noch nicht explizit behandelt wird.

Lediglich die Lunge als ein Organ des menschlichen Körpers ist Gegenstand des Unterrichts, so dass ein biologischer Zugang im Hinblick auf die äußere Atmung denkbar wäre.

Um die Kinder selbsttätig an die Thematik heranzuführen und somit das Verständnis zu fördern, könnte man die SchülerInnen zunächst darauf aufmerksam machen, dass sich ihr Körper beim Ein-und Ausatmen verändert. Diese Veränderung könnten sie schließlich untersuchen, indem sie ein Bandmaß um den Brustkorb legen und somit ihren Brustumfang beim Ein-und Ausatmen messen.

Als nächsten Schritt könnte man nun die Atemfrequenz ermitteln.

Interessant wäre es dann zu sehen, wieviel Luft die Kinder ein- und ausatmen können. Wir besuchten daher die Grundschule in Welschen Ennest, in der wir die SchülerInnen der ersten bis vierten Klasse bezüglich ihres Lungenvolumens testeten.

Anhand von Luftballons ließ sich das Lungenvolumen sehr schön darstellen. Dabei war es jedoch wichtig, dass die SchülerInnen zunächst maximal einatmeten und diese Luft nur einmal in den Luftballon ausatmeten. Die Luftballons mussten sofort verschlossen werden, damit die Kinder ihr eigenes Atemvolumen mit dem der anderen Kinder ver- gleichen konnten, um somit eventuelle geschlechtsspezifische oder altersspezifische Unterschiede zu erkennen sowie um auf die Entwicklungsfähigkeit der Lunge schließlich zu können. Anschließend wurde der Atemvorgang wiederholt. Dieses Mal wurde jedoch anstelle eines Luftballons ein Gerät verwendet, das die exakten Werte der Atemvolumina messen konnte.

Dabei kamen folgende Ergebnisse zustande:


                          

                              2,5

      

                           2

 

 

                          1,5

 

                         

                          1

 

           

                       0,5

 

 

                           0

                               Klasse 1       Klasse 2       Klasse 3       Klasse 4                    

 

Atemvolumen in l

  Mädchen

 Junge

                                                                                                                                                    

 


Ein ähnlich gelagerter Versuch wäre, wenn die Kinder in ein mit Wasser gefülltes Gefäß ausatmen würden, so dass die Atemluft das Wasser verdrängt.

Die Ergebnisse dieses Versuchs lassen sich jedoch nicht über einen längeren Zeitraum festhalten, so dass ein Vergleich der unterschiedlichen Atemzugvolumina erschwert wird.

 

 

 

Ein chemischer Zugang im Hinblick auf die innere Atmung dagegen ist nur schwer zu realisieren. Man könnte den Kindern anhand des folgenden Versuchs demonstrieren, dass sich in der Atemluft sehr viel mehr Kohlenstoffdioxid befindet als in der atmosphärischen Luft:

 

In ein mit Kalkwasser oder Bariumhydroxid gefülltes Reagenzglas wird wiederholt durch einen Strohhalm ausgeatmet. Anhand der auftretenden Trübung können die Kinder im Idealfall feststellen, dass sich in der Atemluft eine hohe Konzentration an Kohlenstoffdioxid befindet.

 

Komplexere Versuche, in denen z.B. ein direkter Vergleich der Kohlenstoffdioxidkonzentration zwischen Atemluft und atmosphärischer Luft möglich wäre, sowie eine ausführliche Deutung erscheint uns für GrundschülerInnen noch nicht geeignet.

 

 

 

 

Besuch in der Grundschule

 

 

 

 

 

Wir untersuchen das Lungenvolumen von GrundschülerInnen

 


 

Das Lungenvolumen von SchülerInnen einer ersten Klasse

 

 

 

 

Das Lungenvolumen von SchülerInnen einer vierten Klasse


Versuchsprotokolle

 

 

 

a) Liste der verwendeten Chemikalien

 

 

 

1.   Kalkwasser

 

Name:                                                 Kalkwasser (Calciumhydroxid) Summenformel:                                                           Ca(OH)2

Gefahrensymbol:

C

(ätzend)

R-Sätze:

34

(verursacht Verätzungen)

S-Sätze:

22/26/36

(Staub nicht einatmen / bei

 

 

Berührung mit den Augen sofort

 

 

gründlich mit Wasser abspülen und

 

 

Arzt konsultieren / bei der Arbeit

 

 

geeignete Schutzkleidung tragen)

 

37

(geeignete Schutzhandschuhe

 

 

tragen)

 

39/45

(Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen /

 

 

bei Unfall oder Unwohlsein sofort

 

 

Arzt hinzuziehen)

Hinweise zur Entsorgung:

Abfluss

 

Verwendet bei Versuch:

1, 3

 

 

 

2.   Bariumhydroxid

 

Name:                                                 Bariumhydroxid

Summenformel:                                  Ba(OH)2

Gefahrensymbol:

Xn

(gesundheitsschädlich)

R-Sätze:

20/22

(gesundheitsschädlich beim

 

 

Einatmen und Verschlucken)

 

36/38

(reizt die Augen und die Haut)

S-Sätze:

28

(bei Berührung mit der Haut sofort

 

 

gründlich abwaschen)

Hinweise zur Entsorgung:

Abfluss

 

Verwendet bei Versuch:

2, 4

 

 

 

3.   Kaliumpermanganat

 

Name:                                                 Kaliumpermanganat

Summenformel:                                  KMnO4

Gefahrensymbol:

Xn

(gesundheitsschädlich)

 

 

+ brandfördernd

R-Sätze:

8

(Feuergefahr bei Berührung mit

 

 

brennbaren Stoffen)

 

22

(gesundheitsschädlich beim

 

 

Verschlucken)


S-Sätze:                                              2                     (darf nicht in die Hände von

Kindern gelangen) Hinweise zur Entsorgung:                                                           Chemiekalienbehälter

Verwendet bei Versuch:                    5

 

 

 

4.   Schwefelsäure

 

Name:                                                 Schwefelsäure

Summenformel:                                  H2SO4

Gefahrensymbol:                                C                     tzend)

R-Sätze:                                             35                   (verursacht schwere Verätzungen) S-Sätze     2          (darf nicht in die Hände von

Kindern gelangen)

26                   (bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren)

36                   (bei der Arbeit geeignete

Schutzkleidung tragen) Hinweise zur Entsorgung:                                                           Chemiekalienbehälter

Verwendet bei Versuch:                    5


b) Versuche

 

 

 

Versuch 1

 

Material:

3 Waschflaschen, T-Stück, Schläuche, Fett, 2 Stative, Strohhalm, Kalkwasser

(Calciumhydroxid)

 

Versuchsaufbau und Zeichnung:

Zwei Waschflaschen werden zu einem Viertel mit Kalkwasser gefüllt. Die dritte

Waschflasche bleibt leer. Als Mundstück ist ein Strohhalm zu verwenden.

 

 

 

Durchführung 1:

Zunächst wurde durch den Strohhalm viermal ausgeatmet.

 

Beobachtung 1:

Das Kalkwasser in der rechten Waschflasche trübte sich sehr stark. In der linken

Waschflasche stieg durch den Druck der Atemluft das Kalkwasser in dem Röhrchen an.

 

Durchführung 2:

Nun wurde durch den Strohhalm sechsmal eingeatmet, d.h. es wurde die atmosphärische Luft durch die linke Waschflasche angesogen.

 

Beobachtung 2:

Das Kalkwasser in der linken Waschflasche trübte sich nur schwach. In der rechten

Waschflasche stieg das Kalkwasser in dem Röhrchen leicht an.

 

Deutung:

Das Calciumhydroxid reagierte mit dem Kohlenstoffdioxid der Atemluft / atmosphärischen Luft zu Calciumcarbonat und Wasser. Das Calciumcarbonat zeigte sich anhand der Trübung.


Beim Einatmen bildete sich ein schwacher Niederschlag, da in der atmosphärischen Luft weniger Kohlenstoffdioxid ist als in der Atemluft. Dementsprechend bildete sich beim Ausatmen ein starker Niederschlag.

 

Ca(OH)2    +  CO2               CaCO3    +  H2O

 

 

 

Versuch 2

 

In diesem Versuch nahmen wir anstatt des Kalkwassers aus Versuch 1 Bariumhydroxid. Bariumhydroxid zeigt schneller“ eine Trübung als Kalkwasser, da Bariumcarbonat schwerer wasserlöslich ist als Calciumcarbonat.

Das Ersetzen durch Bariumhydroxid war somit die erste Optimierungsstufe des ersten Versuchs. Eine zweite war, dass wir bei der Durchführung dieses Versuchs nun nacheinander ein- und ausatmeten. Nach drei Atemzyklen trübte sich daher das Bariumhydroxid in der rechten Waschflasche bereits sehr stark. In der linken Waschflasche hingegen nur leicht.

Die Deutung entspricht der des ersten Versuchs, doch reagierte hier statt

Calciumhydroxid Bariumhydroxid mit Kohlenstoffdioxid zu Bariumcarbonat.

 

Ba2+    +2OH-    +  CO2            BaCO3    +  H2O

 

 

 

 

 

Versuch 3

 

Hier optimierten wir den Versuch nochmals. Wir reduzierten den Aufbau auf nur zwei Waschflaschen und ersetzten die Dritte durch einen Schlauch, in den wir mit einem Strohhalm ein-und ausatmeten. Der weitere Versuchsablauf sowie seine Deutung ist identisch mit dem des zweiten Versuchs.

Vorteil dieses dritten Versuchs ist, dass beobachtende Personen es leichter haben, den

Versuch und seinen Aufbau nachzuvollziehen.

Ein Nachteil dieses Aufbaus wäre, dass beim Einatmen das Kalkwasser aus der rechten

Waschflasche mit angesogen wird. AlsoVorsicht: Nur ausatmen!!!

 

 

 


Versuch 4

 

Material:

1 Waschflasche, Stativ, Schlauch, Bariumhydroxid, Wasserstrahlpumpe

 

Durchführung:

In eine Waschflasche wurde ca. 4 Daumenbreit Bariumhydroxid gefüllt. Das kurze Rohr der Waschflasche, welches nicht in das Bariumhydroxid tauchte, wurde mit einem Schlauch an die Wasserstrahlpumpe geschlossen. Diese war am Wasserhahn befestigt. Schließlich wurde der Wasserhahn aufgedreht.

 

Beobachtung:

Nachdem wir eine Minute warteten, trübte sich das Bariumhydroxid.

 

Deutung:

In der Wasserstrahlpumpe wurde das Wasser gebündelt, wobei ein hoher Druck entstand. Da die gleiche Menge Wasser nun durch die enge Pumpe fließen musste, erhöhte sich auch die Fließgeschwindigkeit.

Aufgrund des entstandenen hohen Wasserdrucks wurde atmosphärische Luft von der

Pumpe durch den Schlauch und die Waschflasche angesogen.

Das Bariumhydroxid trübte sich nun leicht, da - wie bereits in Versuch 2 erklärt - nur ein geringer Anteil an Kohlenstoffdioxid in der Luft vorhanden ist.

 

Zeichnung:


Versuch 5

 

Material:

100ml Kolben, 50ml stark verdünnte Schwefelsäure, 2 Spatelspitzen Kaliumpermanganat, 1 Reagenzglas, Stativ, Heizplatte (Rührtisch), Magnet-Rührer, Bariumhydroxid, 1 Stk. Würfelzucker, 2 Rohre, Schlauchverbindung

 

Durchführung:

Zunächst wurde das mit Bariumhydroxid gefüllte und mit einem einfach gewinkelten Glasrohr verschlossene Reagenzglas an einem Stativ befestigt. Anschließend wurde der Kolben 3cm hoch mit der verdünnten Schwefelsäure gefüllt. Diese wurde mit dem Kaliumpermanganat und dem Zuckerwürfel versetzt. Hinzu kam ein Magnet zum Rühren der Lösung. Nun wurde der Kolben auf der Heizplatte mit einem Stopfen mit Rohr verschlossen. Dieses Rohr wurde mit dem des Reagenzglases verbunden. Nun wurde der Inhalt des Kolbens bei 150 Grad erhitzt.

 

Beobachtung:

Die Lösung des Kolbens war anfangs durch das Kaliumpermanganat dunkelviolett gefärbt. Nach einiger Zeit verfärbte es sich über lila, rot, braun, orange, gelb bis farblos. Gleichzeitig stiegen in dem Reagenzglas Bläschen auf, und das Bariumhydroxid trübte sich. Es bildete sich ein weißer Niederschlag.

 

Deutung:

Da die Lösung in dem Kolben durch den Magnet gerührt und durch die Heizplatte erhitzt wurde, verfärbte sie sich schnell und gleichmäßig in dem sauren Milieu (, das durch die Schwefelsäure erzeugt wurde), bis das Kaliumpermanganat schließlich farblos und somit verbraucht war. Grund für die Farbveränderungen waren ablaufende Nebenreaktionen.

Bei der Gesamtreaktion entstand durch die Zersetzung des Zuckers Kohlenstoffdioxid, welches durch das Rohr in die Bariumhydroxid-Lösung des Reagenzglases wanderte. Dadurch trübte sich diese.

 Oxidation: – 120e-

24MnO4-    +  5C6H12O6    +72H+              24Mn2+    +  30CO2    +  66H2O

Reduktion: + 120e-

 

 

Diese Reaktion gilt nur unter der Voraussetzung, dass das ganze Glucosemolekül zu

 

 

 

Kohlenstoffdioxid umgewandelt wird! Zeichnung:

 





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Literaturverzeichnis

 

a)

 

1.

Bücher

 

Lehninger, Albert L.:

 

 

 

Bioenergetik. Molekulare Grundlagen der

 

 

biologischen Energieumwandlung. 3., unveränderte

Auflage. Stuttgart; New York: Thieme, 1982

 

2.

 

Kiechle, Herbert:

 

Leistungskurs Biochemie. Frankfurt a. M.; Berlin; München: Diesterweg ; Aarau; Frankfurt a. M.; Salzburg: Sauerländer, 1984

 

3.

 

Knodel, Hans; u.a.:

 

Linder Biologie. 19.,neubearbeitete Auflage. Stuttgart: J.B. Metzlersche Verlagsbuchhandlung, Carl Ernst Poeschel Verlag GmbH, 1986

 

4.

 

Bickel, Horst; u.a.:

 

Natura 3. Stuttgart: Ernst Klett Verlag, 1995

 

5.

 

Kiesewetter, Rolf; u.a.:

 

Schülerduden Biologie. Ein Lexikon der gesamten Schulbiologie. 3., neuüberarbeitete Auflage. Mannheim; Leipzig;Wien; Zürich: Dudenverlag, 1994

 

6.

 

Borucki, Hans; u.a.:

 

Schülerduden Chemie. Ein Sachlexikon der gesamten Schulchemie. 3., überarbeitete Auflage. Mannheim; Leipzig; Wien; Zürich: Dudenverlag, 1995

 

 

7.   Smith, Tony:                    Der menschliche Körper. Aufbau, Funktion, Störungen.

Augsburg: Midena, 1997 b)  Internetquellen

1.   Helmich, Ulrich (2000):  „Atmung. http://www.drd.de/helmich/bio/stw/reihe3/reihe3.htm  21.05.2000

 

2.   DRK Lichtenstein:           „Atmung. http://www.neckar-alb-hotels.de/priv/drkrtl/anatomie/atmung.html 21.05.2000

 

3.   Biologiekurs Klasse 12:  „Zellatmung.  http://www.meria.fr.bw.schule.de/beck/skripten/12/bs12-23.htm  03.06.2000

 

4.

Zentrale für Unterrichtsmaterialien:

„Atmungsorgane.

 

 

 

c)

 

 

 

CD-ROM

http://www.zum.de/  10.06.2000

 

Glasklar Edition:              Welt des Wissens. Der Mensch