Biologische Eigenschaften von CO2

6 CO2 + 6 H2O ----> C6H12O6 + 6O2

Alle grünen Pflanzen nehmen das CO2 der Luft ( bei Wasserpflanzen aus dem Wasser) und das Wasser des Bodens samt Mineralsalze auf und bilden mit Hilfe von Sonnenlicht daraus alle organischen Stoffe aus denen sie bestehen. Als direkter Energie-Speicherstoff wird Glucose gebildet, das dann in Stärke umgewandelt wird. Die zellulären "Maschinen", die dies bewerkstelligen sind die Chloroplasten.

Oben Zellen der Wasserpflanze Elodea mit Chloroplasten
Links ein
Chloroplast im Feinbau


RUBISCO

Links ist das Enzym der Chloroplasten zu sehen, das das CO2 aufnimmt und an einen Zucker: Ribulose-1,5-Bisphosphat bindet:
Ribulose-1,5-Bisphosphat-Carboxylase (RUBISCO)

Dieses Enzym ist das häufigste und wichtigste Enzym dieses Planeten, denn es stellt den Beginn der Nahrungskette dar!

D-Ribulose 1,5-Bisphosphat + CO2 +H2O ---->
2 x 3-Phospho-Glycerinsäure + 2 H+

Links das Oktamer von RUBISCO aus Spinat (Spinacia Oleracea)

 

Die Abbildung unten zeigt die grünen Lungen der Erde. Sie produzieren pro Jahr ca. 60 x 109 Tonnen O2 bzw. nehmen 60 x 109 Tonnen CO2 auf.

Photosynthese ist ab einer CO2-Konzentrationen von 0.003-0.007 Vol/% möglich, ab 0,1Vol% maximal.

Die derzeitige CO2-Konzentration von ca. 0,038% ist für Pflanzen demnach unteroptimal.

Pflanzen sind an eine Bandbreite bis 0,1 % angepaßt (siehe rechts). Die Photosyntheserate kann bis 0, 1% CO2 beträchtlich gesteigert werden (ca. Faktor 2,5) Dies wird in Gewächshäusern durch CO2-Begasung ausgenützt, um den Ertrag zu steigern (7).

z. B. Espe, Birke und Ahorn wachsen um bis zu 100% stärker bei 2 x CO2 (2; 3; 4)



Aus den Photosyntheseprodukten wird die gesamte Biomasse einer Pflanze gebildet. Wie aus der obigen Abbildung ersichtlich ist, steigt die Photosyntheserate linear mit der CO2-Konzentration bis ca. 0,08% an. Deshalb nimmt die Biomasse der Pflanzen auch entsprechend im selben Verhältnis zu bei Erhöhung der CO2-Konzentration.

CO2 dient zur Aufrechterhaltung des Blut-pH- Wertes: Bikarbonatpuffer


Die Regulation des Säure-Basen-Haushalts der Wirbeltiere und des Menschen geschieht unter anderem durch die Puffersubstanzen im Blut. Darunter ist das Kohlensäure-Bikarbonat-Puffersystem das wichtigste.

Die Wasserstoffionenkonzentration (H+) der Körperflüssigkeiten wird innerhalb eines sehr engen Bereiches konstant gehalten. Normwert: 7,36 -- 7,44 pH.
Zu hohe H+-Konzentration führt zu Azidose (= Übersäuerung), zu niedrige H+-Konzentration zu Alkalose.

Der Bikarbonatpuffer (bestehend aus Kohlensäure (H2CO3) + Natriumbikarbonat (Na(HCO3))-Gemisch) macht
75 % der gesamten Pufferkapazität des Organismus aus.
Die Atmung spielt dabei ebenfalls eine wichtige Rolle:

Steigt CO2-Konz., fällt der pH-Wert ab, sinkt CO2-Konz. ,steigt der pH-Wert an.

Die Bikarbonatkonzentation (HCO3-) im Blut ist abhängig vom CO2 -Partialdruck: H2O + CO2 ---->HCO3- + H+.

Grundlegende Reaktion: CO2 + H2O ----> H2CO3 ----> H+ + HCO3-
Puffergleichung nach Henderson-Hasselbalch: pH = pK´+ log [HCO3-]/[CO2]

  • Im Blutplasma bei 37°C liegt der pKs bei 6,1
  • für den normalen pH-Wert des arteriellen Plasmas von 7,4 ergibt sich ein Verhältnis [HCO3-]/[CO2] = 20:1

Große Mengen des Bicarbonatpuffers liegen im Blut in einem Gleichgewicht vor. Fällt eine Substanz vermehrt an, läuft die Reaktion solange in eine Richtung, bis das ursprüngliche Reaktionsgleichgewicht (Verhältnis zwischen Ausgangsstoff und Produkt) wieder hergestellt ist.

Liegt bei einer Azidose vermehrt H+ vor, wird vermehrt H2CO3 und CO2 gebildet. Das vermehrte CO2 kann über die Lunge abgeatmet werden, so daß schließlich wieder alle Verbindungen im normalen Verhältnis vorliegen.

Bei einer Alkalose (H+-Mangel) wird über eine verlangsamte Atmung CO2 im Blut zurückgehalten und vermehrt Bicarbonat gebildet, das über die Niere ausgeschieden werden kann. Die Konzentration Bicarbonatpuffers wird oft als Standardbicarbonat angegeben. Es bezeichnet die Bicarbonatkonzentration bei standardisierter CO2 Konzentration. Der Normwert beträgt 22-26 mmol/Liter.

Bei körperlicher Belastung steigt z.B. durch die ATP-Spaltung die H+-Ionenkonzentration im Blut an und es kommt zur sogenannten Azidose.
Maximalbelastungen, z.B.. 400m Sprint, können Blut-pH-Werte von unter 7,0 bewirken.

Der hohe Stellenwert des Säure-Basen-Haushalts in verschiedenen Ernährungsformen ist wissenschaftlich nicht begründet. Bei normaler Mischkost kommt es beim gesunden Erwachsenen zu einem Säureüberschuss von etwa 50 - 80 mmol pro Tag. Die maximale Säureausscheidungskapazität der Niere unter chronischer Säurestimulation liegt etwa fünfmal so hoch.

Eine sogenannte basenüberschüssige Kost (viel Obst, Gemüse und Fruchtsäfte) zeigt umgekehrt keine gesundheitlichen Vorzüge durch die Schonung der Säureausscheidungskapazität, wohl aber bezüglich Nährstoffversorgung und der Zufuhr bioaktiver Substanzen (5).

Harnstoffzyklus, Entgiftung des Ammoniaks


Harnstoff
wird in der Leber der meisten Landwirbeltiere im sogenannten Harnstoffzyklus gebildet. Dieser zyklisch verlaufende Stoffwechselweg, wurde im Jahre 1932 zum erstenmal von H. A. Krebs und K. Henseleit, entdeckt.
In dieser Reaktionssequenz werden zwei Aminogruppen, die aus Aminosäuren stammen, und ein Molekül Kohlenstoffdioxid unter ATP-Verbrauch zu einem Molekül Harnstoff umgesetzt, der über den Blutstrom zur Niere transportiert und mit dem Urin ausgeschieden wird. Eine gesunde menschliche Leber synthetisiert ca.
20 - 30 g Harnstoff /Tag. (6)

CO2 wird von den meisten Organismen ausgeatmet: Zellatmung


Alle aeroben Organismen (Tiere, Pflanzen, Pilze, viele Bakterien) oxidieren zur Energiegewinnung organische Stoffe. Dies bewerkstelligen sie mit Enzymen in Zellen, bzw. speziellen Zellstrukturen (Mitochondrien) so langsam, daß die gewonnene Energie in ATP gespeichert werden kann. Die Abwärme dient zur Aufwärmung des Organismus.

Die Oxidation kann vollständig verlaufen : Zellatmung oder unvollständig: Gärung.
Als Verbrennungsprodukt entsteht unter anderem CO2.

Zellatmung:

C6H12O6 + 6O2 ----> 6 CO2 + 6 H2O DG°´= - 2994 KJ/Mol

Alkohol. Gärung:

C6H12O6 ---->2 C2H5OH + 2 CO2 DG°´= - 235 KJ/Mol

Die Zellatmung geschieht bei höheren Organismen hauptsächlich in den Mitochondrien. Das CO2 wird von dort aus den Zellen ausgeschieden; gelangt z.B. ins Blut (86%), hilft dort bei der Pufferung ( ca. 78% liegt als HCO3- vor) oder in der Leber beim Harnstoffaufbau. Im Blut wird es auch in den Erythrozyten an Hämoglobin gebunden (ca. 11%), zur Lunge transportiert und dort ausgeschieden. Die Niere scheidet im Harn die HCO3- - Ionen aus.

Die Ausatemluft enthält ca. 4% CO2. Ein erwachsener Mensch ( 70 Kg, männlich) atmet in Ruhe 15 l CO2 /Stunde aus.

(Kinder atmen weniger aus ; ebenfalls im Schlaf wird weniger ausgeatmet, bei körperlicher Leistung wird wesentlich mehr ausgeatmet)
Die nachfolgende Berechnung dient zur Ermittlung der Größenordnung der vom Menschen produzierten CO2-Menge:

Berechnung der durch Menschen ausgeatmeten CO2-Menge/Jahr:

15l /Stunde x 24 x 365 = 131 400 l CO2/Jahr ;

6,1 x 109 Menschen atmen pro Jahr: 1,314 x 105 x 6,1 x 109 = 8,015 x 1014 l CO2 aus.

Molvolumen CO2 = 22,4 l; Molmasse CO2 = 44g -->8,015 x 1014 x 0,044/22,4 =

1,574 x 109 Tonnen CO2 /Jahr.

Dies ist ca. 7 % der weltweit emittierten zivilisatorischen CO2-Menge!

CO2-Atmung Organismen

CO2-Atmung Bodenorganismen in Deutschland
CO2-Atmung Zuchttiere global
CO2-Atmung Insekten global

Ergebnis:

Die Bodenorganismen produzieren /Jahr in Deutschland ca. 4,6 mal mehr CO2 als der Verkehr.
Außerdem ist die gesamte anthropogene CO2-Emission in der BRD mit ca. 7 x 10^8 To/Jahr ca. so hoch wie die der Bodenorganismen.

Ergebnis:

Mensch+Rind+Schaf+Schwein produzieren global = 2,45 x 10^9 To CO2 Jahr d.h. ca. 10 % der globalen industriellen CO2-Emission (ca. 22 GT/Jahr)

Ergebnis:

Die komplette anthropogene CO2-Emission der Erde wird vom IPCC auf ca. 22 x 10^9 Tonnen/Jahr geschätzt.
Dies ist max. 1% der Insektenatmung!

Quellen:

(1) Rubisco: http://www.biologie.uni-hamburg.de/lehre/bza/1rxo/1rxoe.htm
(2) McDonald, E.P., et al. 1999. CO2 and light effects on deciduous trees: Growth, foliar chemistry, and insect performance. Oecologia, 119, 389-399.
(3) http://www.greeningearthsociety.org/; IN DEFENSE OF CARBON DIOXIDE; A Comprehensive Review of Carbon Dioxide's Effects on Human Health, Welfare, and the Environment und
http://www.purgit.com/co2ok.html;
http://www.johnsongas.com/industrial/CO2Gen.asp;
(4) http://www.co2science.org/
(5) http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/saeuren/azidose_alkalose.html
(6) Fachbücher der Physiologie wie z.B. Physiologie des Menschen; Springer Verlag
(7) H.Borris and E.Libbert: Pflanzenphysiologie, Stuttgart 1985