Energiehaushalt – Speicherung & Bereitstellung von Energie

Lebewesen müssen Nahrung und Flüssigkeit zu sich nehmen und stehen damit in einem ständigen Stoffaustausch mit ihrer Umgebung. Trotz der unregelmäßigen Abstände, in denen dem Körper Nahrung und Flüssigkeit zugeführt wird, können die Konzentrationen von Stoffen in den Zellen und im Körper im Gleichgewicht gehalten werden.

• Fließgleichgewicht: der Abfluss von Stoffen und Energie ist genauso groß wie deren Zufluss.
  
• Offenes System: Raum, wie zum Beispiel ein Lebewesen, in dem ein Fließgleichgewicht besteht und das in ständigem Austausch mit der Umwelt steht.
• Stoffwechsel: alle chemischen Prozesse, durch die aufgenommene Stoffe in andere Stoffe umgewandelt werden.
• Baustoffwechsel: beim Stoffwechsel entstehen körpereigene Stoffe, mit denen der Organismus aufgebaut werden kann. Bei der Verdauung wird die Nahrung so umgewandelt, dass damit zum Beispiel Muskeln aufgebaut werden.
• Energiestoffwechsel: Abbau von Stoffen, bei denen Energie frei wird. Der Körper braucht diese Energie für viele lebenswichtige Vorgänge.
• Homoiotherme (gleichwarme) Lebewesen: Bei allen chemischen Reaktionen im Körper entsteht als Nebenprodukt Energie, mit der die Körpertemperatur aufrechterhalten wird. Alle Säugetiere und Vögel halten so ihren Körper warm.
• Poikilotherme (wechselwarme) Lebewesen: Körpertemperatur steigt und sinkt mit der Umgebungstemperatur. Je niedriger die Umgebungstemperatur, desto weniger Energie verbraucht das Lebewesen.
• Heterotrophe Lebewesen müssen wichtige Nährstoffe über die Nahrung aufnehmen.
• Pflanzen sind dagegen autotroph, sie können die Nährstoffe durch Fotosynthese selbst aus anorganischen Stoffen herstellen.
  

Stofftransport

Stoffe können auf unterschiedliche Wege verteilt werden. Auf Zellebene geschieht das durch Diffusion oder aktiven Transport. Im Körper ist der Blutkreislauf dafür da und in Pflanzen gibt es spezielle Leitungssysteme, die Wasser und Nährstoffe verteilen.

Energiebereitstellung

• Exergonische Reaktion: Energie wird freigesetzt.
  
• Endergonische Reaktion: Energie wird benötigt, damit die Reaktion ablaufen kann. Der Körper braucht zum Beispiel viel Energie für den Gebrauch der Muskeln, Nerven und Sinne.
• Energetische Kopplung: exergonische Reaktionen liefern Energie, sodass endergonische Reaktionen ablaufen können. Grundsätzlich wird mehr Energie frei als gebunden wird, was den Körper erwärmt.
• Reaktionsenthalpie: Wärme (thermische Energie), die bei einer Reaktion entsteht.
• Exotherme Reaktionen: thermische Energie wird freigesetzt.
• Entropie: Grad der Unordnung in einem System.

Energiespeicherung 

• Langzeitspeicher: Glucose, Fette und Proteine können in den Zellen gespeichert werden.
  
• Wenn Nahrung im Körper verarbeitet wird, wird Energie frei. Sie entsteht bei der exergonischen Reaktion mit Sauerstoff. (exergonische Nährstoffoxidation)
  
• Die Energie wird benötigt, damit die endergonische Bildung von Adenosintriphosphat (ATP) aus Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphat (P) ablaufen kann. In dieser Reaktion wird sozusagen Energie gespeichert und wenn sie benötigt wird, kann die Reaktion rückgängig gemacht werden, wobei die gespeicherte Energie wieder verfügbar wird. (ATP-Moleküle werden täglich ca. 1000-mal auf- und abgebaut, um den Körper mit ausreichend Energie zu versorgen)
  
• Die Umkehrreaktion setzt dann wieder Energie frei, wobei ATP und Wasser zu ADP und Phosphat umgewandelt wird.

Endergonische Reaktion:   $$\boxed{ADP+P\to ATP+Wasser}$$

Exergonische Reaktion:   $$\boxed{ATP+Wasser\to ADP+P}$$

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Kontraktion der Muskeln 

Die kleinste funktionelle Einheit des Muskels heißt Sarkomer. Ungefähr $$20\,000$$​ Sarkomere ergeben zusammen eine Myofibrille. ​Myofibrillen sind in den Muskelfasern parallel zueinander angeordnet und werden aufgrund ihrer Ausrichtung auch quergestreifte Muskulatur genannt. Die Muskelfasern sind dann umgeben von einer Bindegewebshülle, die sie zu Muskelfaserbündeln umfasst, aus denen die Skelettmuskeln aufgebaut sind. ​

Zwei umeinander gewundene Ketten des Proteins Aktin (2.) sind fest miteinander verbunden und ergeben eine dünne Linie, die Z-Scheibe (3.). Parallel angeordnete Moleküle des Proteins Myosin (1.) befinden sich als Bündel wiederum zwischen den Actinfilamenten und weisen Verstärkungen am Ende auf, die Myosinköpfe. Wenn Du Deinen Muskel anspannst, gleiten die Aktin- und Myosinfilamente aneinander vorbei und der Muskel verkürzt sich. Skelettmuskeln sind am Ende mit einer Sehne am Knochen befestigt.

Die Herzmuskulatur zählt zu der quergestreiften Muskulatur, wobei die Zellen auf eine bestimmte Weise miteinander verbunden sind, sodass sich elektrische Impulse zum rhythmischen Herzschlag entwickeln.

Die Eingeweidemuskulatur ist dagegen eine glatte Muskulatur, die meist langgestreckt und spindelförmig ist. Sie spannt sich langsamer an, benötigt dafür aber weniger Energie und ist ausdauernder.

Gleitfilamenttheorie 

Wenn Du Deine Muskeln anspannst, gleiten die Aktin- und Myosinfilamente aneinander vorbei und verkürzen so die Sarkomere. Durch die Gleitfilamenttheorie erfährst Du die einzelnen Schritte bei der Kontraktion der Muskelfasern:

Die Proteinmoleküle Myosin (3.) und Actin (1.) sorgen dafür, dass sich Muskeln bewegen können, indem sie Energie aus der Reaktion von ATP mit Wasser zu ADP und Phosphat bekommen. (2. ist das Tropomysin).

(A) Wenn die Muskeln entspannt sind, sorgt die gewonnene Energie dafür, dass sich die Myosinköpfe in einem energiereichen Zustand (4.) befinden und aufgerichtet sind.

(B) Eine Erregung wird an den Muskel gesendet: die Muskelfasern setzen Calcium-Ionen aus ihren Speichern frei (5.). Die Myosin-Bindungsstellen (6.) auf dem Actinfilament werden freigegeben. Der Myosinkopf lagert sich an und es wird ADP und Phosphat freigesetzt.

(C) Ende des Myosinmoleküls knickt ab und verschiebt das Myosinfilament gegen das Actinfilament, sodass sich der Muskel verkürzt bzw. anspannt (7.).

(D) Danach gehen die Calcium-Ionen wieder in den Muskel zurück. Sobald sich ein ATP-Molekül (9.) an den Myosinkopf (8.) bindet, kann die Bindung zum Actin entfernt werden und er kehrt nach der Spaltung zu ADP und Phosphat wieder in den energiereichen Zustand vom Anfang zurück.

Je mehr Erregung an den Muskel gesendet wird, desto mehr Calcium-Ionen werden frei und desto mehr Myosin bindet sich an Actin, was den Muskel anspannt. 

Messung des Energieumsatzes

Dein täglicher Energieverbrauch setzt sich zusammen aus dem Grundumsatz, der die Aufrechterhaltung der Körperfunktionen abdeckt, plus dem Leistungsumsatz, der durch Aktivitäten verbraucht wird. Viele Faktoren beeinflussen den Gesamtumsatz, wie Alter, Geschlecht, Ernährung, Gewicht und körperliche Aktivität.

​$$\boxed {Gesamtumsatz = Grundumsatz + Leistungsumsatz}$$​​

Direkte Kalorimetrie

Mithilfe eines Kalorimeters kann die verbrauchte Energie eines Menschen errechnet werden, indem die abgegebene Wärme gemessen wird. 

Indirekte Kalorimetrie

​Bei kurzer körperlicher Aktivität wird zuerst Glucose abgebaut. Zum Abbau von Glucose wird Sauerstoff benötigt. Dieser Zusammenhang kann verwendet werden, um auszurechnen, wie viel Glucose beim Sport gerade verbraucht wird und welchem Energieumsatz das entspricht.​

Die benötigte Energie eines Menschen wird errechnet, indem der Sauerstoffverbrauch erfasst wird. Das kalorische Äquivalent beschreibt den Zusammenhang von Sauerstoffverbrauch und abgegebener Wärme, weshalb mit dem Sauerstoffverbrauch die abgegebene Wärme errechnet werden kann.