Aufgaben: ATP-ADP-System, Anabolismus und Katabolismus

Erklären Sie den Unterschied zwischen Anabolismus und Katabolismus und nennen Sie für jeden der beiden Stoffwechselwege ein konkretes Beispiel aus der Zelle.

Beschreiben Sie den Aufbau eines ATP-Moleküls (drei Bausteine) und erläutern Sie, bei welcher Reaktion Energie frei wird und wie das ADP wieder zu ATP regeneriert wird.

Ordnen Sie die folgenden Vorgänge begründet dem Anabolismus oder dem Katabolismus zu und geben Sie jeweils an, ob Energie freigesetzt oder verbraucht wird:

1. a) Zellatmung (Abbau von Glucose zu CO$_2$ und H$_2$O)
2. b) Synthese von Proteinen aus Aminosäuren
3. c) Fotosynthese
4. d) Verdauung von Stärke zu Glucose

Eine Muskelzelle eines Sportlers im Fitnessstudio in Köln enthält nur wenig ATP (etwa 5 mmol pro kg Muskel), setzt bei intensiver Belastung aber etwa 0,5 mmol ATP pro kg und Sekunde um.

1. a) Berechnen Sie, wie lange der ATP-Vorrat ohne Nachlieferung reichen würde.
2. b) Erklären Sie, wie die Zelle trotzdem über längere Zeit arbeiten kann.

Die Hydrolyse von ATP zu ADP und Phosphat setzt unter Standardbedingungen etwa 30,5 kJ/mol frei. Für die Bildung von Peptidbindungen in der Proteinsynthese werden pro Bindung etwa 20 kJ/mol benötigt.

1. a) Erläutern Sie das Prinzip der energetischen Kopplung am Beispiel dieser beiden Reaktionen.
2. b) Berechnen Sie, wie viel Energie bei der Hydrolyse von 2,0 mol ATP frei wird.
3. c) Erklären Sie, warum eine Zelle ATP nicht in großen Mengen speichert, sondern ständig regeneriert.

Ein erwachsener Mensch setzt pro Tag etwa 40 kg ATP um, obwohl sein Körper zu jedem Zeitpunkt nur etwa 50 g ATP enthält.

1. a) Berechnen Sie, wie oft durchschnittlich jedes ATP-Molekül pro Tag recycelt wird.
2. b) Erläutern Sie anhand des Ergebnisses die Bedeutung des ATP-ADP-Systems als Energieüberträger.

Beim Aufbau von Glykogen in der Leber nach einer Mahlzeit laufen anabole und katabole Prozesse gleichzeitig in der Zelle ab.

1. a) Erläutern Sie, wie katabole Reaktionen die Energie für diesen Aufbau bereitstellen.
2. b) Beurteilen Sie die Aussage: „Katabolismus und Anabolismus sind zwei voneinander unabhängige Stoffwechselbereiche."

Das Gift Dinitrophenol (DNP) wurde früher als Abnehmmittel missbraucht. Es entkoppelt die ATP-Bildung vom Abbau der Nährstoffe: Die Zellatmung läuft weiter, die Energie wird aber überwiegend als Wärme frei.

1. a) Erklären Sie, warum Betroffene stark schwitzen und Fieber bekommen.
2. b) Erklären Sie, warum die Zellen trotz hohem Nährstoffumsatz unter Energiemangel leiden.
3. c) Erläutern Sie, warum DNP lebensgefährlich ist.

Ein Student der Universität Münster vergleicht die Energiebilanz: Bei der vollständigen Oxidation von 1 mol Glucose werden etwa 2.870 kJ frei; unter optimalen Bedingungen werden daraus etwa 30 mol ATP gebildet (je 30,5 kJ/mol).

1. a) Berechnen Sie den Wirkungsgrad der ATP-Bildung in Prozent.
2. b) Erklären Sie, was mit der übrigen Energie geschieht und welche Bedeutung das für Säugetiere hat.
3. c) Vergleichen Sie mit der alkoholischen Gärung (2 mol ATP pro mol Glucose) und beurteilen Sie die Effizienz.