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
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
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:
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 NADH2–Moleküle
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 (ätzend)
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:
Literaturverzeichnis
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Bücher Lehninger, Albert
L.: |
Bioenergetik. Molekulare Grundlagen der |
|
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biologischen Energieumwandlung. 3.,
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2. |
Kiechle, Herbert: |
Leistungskurs Biochemie. Frankfurt a. M.; Berlin; München: Diesterweg ; Aarau; Frankfurt a. M.; Salzburg: Sauerländer, 1984 |
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Bickel, Horst;
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5. |
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Schülerduden Biologie. Ein Lexikon der gesamten
Schulbiologie. 3., neuüberarbeitete Auflage. Mannheim;
Leipzig;Wien; Zürich: Dudenverlag, 1994 |
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Schülerduden Chemie. Ein Sachlexikon der gesamten
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7. Smith,
Tony: Der menschliche Körper. Aufbau, Funktion, Störungen.
Augsburg: Midena, 1997 b)
Internetquellen
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4. |
Zentrale für Unterrichtsmaterialien: |
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c) |
CD-ROM |
http://www.zum.de/ 10.06.2000 |
Glasklar Edition: Welt des Wissens. Der Mensch