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Q1 Grundkurs · Biologie
Der Stoffwechsel · Der Zellstoffwechsel

Die Zellatmung

Beim Köln-Marathon laufen Tausende Menschen über 42 Kilometer. Ihre Muskelzellen müssen Stunde um Stunde ATP nachliefern. Die Glucose aus dem Frühstück könnte man im Labor einfach verbrennen, dann würde die gesamte Energie auf einmal als Wärme frei. Die Zelle baut Glucose stattdessen in vielen kleinen Schritten ab und sichert die Energie dabei portionsweise im ATP. Wie gelingt ihr das, und woher kommt das ATP, wenn der Sauerstoff knapp wird?

Überblick: Gesamtgleichung und vier Abschnitte

Die Zellatmung ist ein Redoxprozess: Glucose wird oxidiert, Sauerstoff wird reduziert. Die Gesamtgleichung der aeroben Atmung lautet:

$$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\ \text{O}_2 \longrightarrow 6\ \text{CO}_2 + 6\ \text{H}_2\text{O} \qquad (\text{exergonisch, } \Delta G < 0)$$

Bei vollständiger Oxidation werden etwa $2870\,\text{kJ/mol}$ Glucose frei. Die Zelle fängt davon einen Teil in ATP ab, der Rest geht als Wärme verloren.

Die Glucose gibt dabei Wasserstoff (Elektronen und Protonen) ab. Diesen übernehmen die Coenzyme NAD⁺ und FAD. Sie wirken als Wasserstoff- bzw. Elektronenüberträger und heißen deshalb Reduktionsäquivalente, wenn sie in reduzierter Form vorliegen:

$$\text{NAD}^+ + 2\,\text{e}^- + 2\,\text{H}^+ \rightleftharpoons \text{NADH} + \text{H}^+ \qquad \text{FAD} + 2\,\text{e}^- + 2\,\text{H}^+ \rightleftharpoons \text{FADH}_2$$

NADH + H⁺ und FADH₂ bringen die Elektronen zur Atmungskette. Dort wird ihre Energie genutzt, um ATP zu bilden. Die oxidierten Formen NAD⁺ und FAD werden dabei zurückgewonnen und stehen wieder zur Verfügung.

Der Abbau läuft in vier Abschnitten ab:

Die vier Abschnitte der aeroben Atmung: Glykolyse im Cytoplasma, oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus in der Matrix, Atmungskette an der inneren Mitochondrienmembran, jeweils mit den wichtigsten Produkten. Glykolyse Cytoplasma oxidative Decarboxylierung Citratzyklus Matrix Atmungskette innere Membran 2 Pyruvat 2 ATP (netto) 2 NADH + H⁺ 2 Acetyl-CoA 2 CO₂ 2 NADH + H⁺ 4 CO₂ 6 NADH + H⁺ 2 FADH₂, 2 ATP O₂ → H₂O ca. 28 ATP (Zahlen je Glucose)
Üben★☆☆Nicht begonnen
Schreibe die Gesamtgleichung der aeroben Atmung der Glucose auf und gib an, welcher Stoff in dem Prozess oxidiert und welcher reduziert wird.

Schreibe die Gesamtgleichung der aeroben Atmung der Glucose auf und gib an, welcher Stoff in dem Prozess oxidiert und welcher reduziert wird.

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Üben★☆☆Nicht begonnen
Nenne die vier Abschnitte der aeroben Atmung und gib an, in welchem Teil der Eukaryotenzelle sich jeder von ihnen abspielt.

Nenne die vier Abschnitte der aeroben Atmung und gib an, in welchem Teil der Eukaryotenzelle sich jeder von ihnen abspielt.

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Üben★★☆Nicht begonnen
Erkläre, welche Rolle $\text{NAD}^+$ und FAD in der Zellatmung spielen und was in der Atmungskette mit ihren reduzierten Formen (NADH und $\text{FADH}2$) geschieht.

Erkläre, welche Rolle $\text{NAD}^+$ und FAD in der Zellatmung spielen und was in der Atmungskette mit ihren reduzierten Formen (NADH und $\text{FADH}_2$) geschieht.

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Die Glykolyse: der erste Abschnitt im Cytoplasma

Muskelzellen können auch dann kurz weiterarbeiten, wenn kaum Sauerstoff da ist. Der erste Abschnitt der Glucoseoxidation braucht tatsächlich keinen Sauerstoff.

Zwei Phasen der Glykolyse: Investition von 2 ATP, dann Gewinn von 4 ATP und 2 NADH + H⁺, Ergebnis sind zwei Pyruvat aus einer Glucose. Glucose (C₆) Glykolyse Phase 1: Investition von 2 ATP Phase 2: Gewinn von 4 ATP und 2 NADH + H⁺ Pyruvat (C₃) Pyruvat (C₃)

Die Glykolyse hat drei Teilschritte:

  1. Phosphorylierung: Die Glucose wird unter Verbrauch von 2 ATP phosphoryliert. Das macht sie reaktionsfähiger und geladen, sodass sie die Membran nicht mehr verlassen kann.

  2. Spaltung: Das $\text{C}_6$-Molekül zerfällt in zwei $\text{C}_3$-Moleküle (Triosephosphate).

  3. Oxidation: Jedes Triosephosphat wird dehydriert. Dabei entstehen 2 NADH + H⁺ und über Substratkettenphosphorylierung 4 ATP. Am Ende liegen zwei Pyruvat vor.

Die einzelnen Zwischenprodukte müssen Sie nicht auswendig kennen.

Üben★☆☆Nicht begonnen
Wo in der Zelle läuft die Glykolyse ab und welche Nettoprodukte entstehen in diesem Abschnitt aus einem Glucosemolekül?

Wo in der Zelle läuft die Glykolyse ab und welche Nettoprodukte entstehen in diesem Abschnitt aus einem Glucosemolekül?

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Üben★★☆Nicht begonnen
Pro Glucosemolekül hat die Glykolyse eine Nettobilanz von $2\ \text{ATP}$ und $2$ NADH. Erkläre, warum man von einer „Netto“-Bilanz spricht, und gib dabei genau an, wie…

Pro Glucosemolekül hat die Glykolyse eine Nettobilanz von $2\ \text{ATP}$ und $2$ NADH. Erkläre, warum man von einer „Netto“-Bilanz spricht, und gib dabei genau an, wie viele ATP in der ersten Phase verbraucht und wie viele in der zweiten Phase gebildet werden.

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Das Pyruvat und die oxidative Decarboxylierung

Pyruvat ist das Salz der Brenztraubensäure und das Endprodukt der Glykolyse. Wie es weiter abgebaut wird, hängt davon ab, ob Sauerstoff zur Verfügung steht.

In der Matrix läuft die oxidative Decarboxylierung ab:

$$\text{Pyruvat} + \text{CoA} + \text{NAD}^+ \longrightarrow \text{Acetyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+$$

Von Pyruvat ($\text{C}_3$) wird ein Kohlenstoffatom als $\text{CO}_2$ abgespalten (Decarboxylierung). Gleichzeitig werden Wasserstoffatome auf NAD⁺ übertragen (Oxidation). Übrig bleibt eine Acetylgruppe ($\text{C}_2$), die an Coenzym A gebunden wird. Dieses Acetyl-CoA ist die Eintrittsform in den Citratzyklus. Je Glucose läuft die Reaktion zweimal ab.

Üben★☆☆Nicht begonnen
Was ist Pyruvat und welche zwei Hauptwege schlägt es nach der Glykolyse ein, je nachdem, ob Sauerstoff zur Verfügung steht oder nicht? Gib an, welchem Stoffwechselweg es…

Was ist Pyruvat und welche zwei Hauptwege schlägt es nach der Glykolyse ein, je nachdem, ob Sauerstoff zur Verfügung steht oder nicht? Gib an, welchem Stoffwechselweg es jeweils folgt.

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Üben★★☆Nicht begonnen
Gib im Schema der aeroben Atmung an, welcher Abschnitt zu jedem der nummerierten Kästchen (1, 2 und 3) gehört, benenne die mit A und B gekennzeichneten Moleküle und gib…

Gib im Schema der aeroben Atmung an, welcher Abschnitt zu jedem der nummerierten Kästchen (1, 2 und 3) gehört, benenne die mit A und B gekennzeichneten Moleküle und gib an, in welchem Teil der Zelle sich jeder Abschnitt abspielt.

Glucose 1 2 3 A CO₂ O₂ B ATP
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Das Mitochondrium: Bau und Herkunft

Citratzyklus und Atmungskette brauchen einen besonderen Ort. Das Mitochondrium ist durch seinen Bau dafür gut angepasst (Struktur-Funktion-Zusammenhang).

Feinbau eines Mitochondriums mit äußerer Membran, Intermembranraum, innerer Membran mit Cristae und Matrix. Matrix äußere Membran Intermembranraum innere Membran Cristae
Bereich Bedeutung für die Atmung
äußere Membran durchlässig für kleine Moleküle
Intermembranraum schmaler Raum, in den die Protonen gepumpt werden; hier baut sich schnell ein hoher Gradient auf
innere Membran Träger der Atmungskette und der ATP-Synthase; sie ist für Ionen undurchlässig; durch die Cristae (Einfaltungen) wird ihre Oberfläche stark vergrößert
Matrix enthält die Enzyme von oxidativer Decarboxylierung und Citratzyklus, außerdem mitochondriale DNA und Ribosomen

Die Kompartimentierung in Matrix und Intermembranraum ist die Voraussetzung dafür, dass überhaupt ein Protonengradient aufgebaut werden kann.

Für diese Theorie sprechen mehrere Befunde:

  • Mitochondrien besitzen eigene, ringförmige DNA wie Bakterien.

  • Sie haben eigene Ribosomen, die kleiner sind als die des Cytoplasmas (wie bei Prokaryoten).

  • Sie vermehren sich durch Zweiteilung, unabhängig von der Zellteilung.

  • Sie sind von zwei Membranen umgeben. Die äußere stammt vermutlich vom Vesikel der Wirtszelle, die innere von der Bakterienmembran.

Auch die Erdgeschichte passt dazu: Die Uratmosphäre enthielt keinen freien Sauerstoff. Erst die Fotosynthese der Cyanobakterien reicherte $\text{O}_2$ an. Zunächst wurde der Sauerstoff von gelöstem Eisen im Meer gebunden (Bändereisenerze), danach stieg sein Gehalt in der Atmosphäre. Die ersten Zellen lebten also anaerob und gewannen ATP über Glykolyse und Gärung. Die aerobe Atmung entstand bei Bakterien; die Wirtszelle nutzte sie erst nach der Aufnahme.

Üben★☆☆Nicht begonnen
Zeichne oder beschreibe ein Mitochondrium und kennzeichne die äußere Membran, die innere Membran mit den Cristae und die Matrix. Gib an, in welchen Bereichen der…

Zeichne oder beschreibe ein Mitochondrium und kennzeichne die äußere Membran, die innere Membran mit den Cristae und die Matrix. Gib an, in welchen Bereichen der Citratzyklus und die Atmungskette ablaufen.

Du kannst es auf Papier bearbeiten und ein Foto deiner Antwort einsenden.

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Üben★★☆Nicht begonnen
Mitochondrien besitzen eigene DNA und eigene Ribosomen und vermehren sich durch Zweiteilung. Erkläre, welchen evolutionären Ursprung diese Befunde nahelegen…

Mitochondrien besitzen eigene DNA und eigene Ribosomen und vermehren sich durch Zweiteilung. Erkläre, welchen evolutionären Ursprung diese Befunde nahelegen (Endosymbiontentheorie) und warum diese Zellorganellen der geeignete Ort für die Zellatmung sind.

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Üben★★★Nicht begonnen
In einer Unterrichtsdiskussion über den zellulären Ursprung behauptet ein Schüler: „Die Enzyme der Glykolyse und die der mitochondrialen Elektronentransportkette müssen…

In einer Unterrichtsdiskussion über den zellulären Ursprung behauptet ein Schüler: „Die Enzyme der Glykolyse und die der mitochondrialen Elektronentransportkette müssen sich in den ersten lebenden Zellen gleichzeitig entwickelt haben, damit das zytosolische $\text{NAD}^+$ nicht aufgebraucht wurde.“

  1. a) Widerlegen Sie die Behauptung des Schülers, indem Sie zwei geochemische Argumente zu den Bedingungen der Atmosphäre der Urerde und ein evolutionäres Argument auf Grundlage der Endosymbiontentheorie anführen.
  2. b) Wenn die ersten Organismen weder über Sauerstoff noch über von komplexen Membranen abhängige Elektronentransportsysteme verfügten, begründen Sie biochemisch die zwingende Notwendigkeit, die Glykolyse an Gärungsreaktionen zu koppeln, damit das Zellleben fortbestehen kann.
  3. c) Sagen Sie voraus, was mit einem strikt anaeroben Bakterium geschehen würde, dessen einziger Weg zur Regeneration von $\text{NAD}^+$ die Milchsäuregärung ist, wenn eine Mutation seine Lactat-Dehydrogenase inaktivieren würde, und zwar in einem Medium, in dem Glucose die einzige Kohlenstoff- und Energiequelle ist.
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Der Citratzyklus in der Matrix

Wird Glucose mit radioaktivem Kohlenstoff markiert, enthält das ausgeatmete CO₂ diese Markierung. Die Menge an Oxalacetat in der Matrix bleibt aber konstant. Wie kann Acetyl-CoA vollständig abgebaut werden, wenn die beteiligten Stoffe nicht verbraucht werden?

Citratzyklus in der Matrix: Acetyl-CoA tritt ein, zwei CO₂ werden freigesetzt, NADH + H⁺, FADH₂ und ATP entstehen und Oxalacetat wird regeneriert. Acetyl-CoA tritt ein 2 CO₂ werden frei 3 NADH + H⁺, 1 FADH₂, 1 ATP Oxalacetat wird regeneriert Citratzyklus Matrix

Im Zyklus laufen im Wesentlichen Dehydrierungen (Wasserstoff wird auf NAD⁺ bzw. FAD übertragen) und Decarboxylierungen (CO₂-Abspaltung) ab. Der Name „Zyklus“ kommt daher, dass Oxalacetat am Ende zurückgebildet wird. Es wirkt wie ein Katalysator und wird nicht verbraucht.

Der Citratzyklus verbraucht selbst keinen Sauerstoff. Sein Hauptprodukt sind die reduzierten Coenzyme, die ihre Elektronen später an die Atmungskette abgeben.

Üben★☆☆Nicht begonnen
Was ist der Citratzyklus? Gib an, welches Molekül mit zwei Kohlenstoffatomen aus der Oxidation des Pyruvats in ihn eintritt und welches Gas bei seinen Reaktionen…

Was ist der Citratzyklus? Gib an, welches Molekül mit zwei Kohlenstoffatomen aus der Oxidation des Pyruvats in ihn eintritt und welches Gas bei seinen Reaktionen freigesetzt wird.

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Üben★★☆Nicht begonnen
Im Citratzyklus verbindet sich Acetyl-CoA mit Oxalacetat, und nach einer Reihe von Reaktionen wird das Oxalacetat regeneriert. Erkläre, warum dieser Stoffwechselweg…

Im Citratzyklus verbindet sich Acetyl-CoA mit Oxalacetat, und nach einer Reihe von Reaktionen wird das Oxalacetat regeneriert. Erkläre, warum dieser Stoffwechselweg „Zyklus“ genannt wird, und gib an, welche energiereichen Produkte und welches Abfallprodukt pro Umlauf entstehen.

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Die Atmungskette: Elektronentransport und Protonenpumpen

NADH + H⁺ und FADH₂ tragen die Elektronen aus den bisherigen Abschnitten zur inneren Mitochondrienmembran. Dort liegt die Atmungskette.

Atmungskette in der inneren Mitochondrienmembran: Komplexe I bis IV, Protonenpumpen an I, III und IV, ATP-Synthase mit Rückfluss der Protonen in die Matrix. Intermembranraum (hohe H⁺-Konzentration) I II III IV ATP- Synthase H⁺ H⁺ H⁺ H⁺ Matrix NADH + H⁺ FADH₂ ½ O₂ → H₂O ADP + Pᵢ → ATP Elektronen (e⁻) wandern von I und II über III zu IV und zum O₂.

Komplex I, III und IV pumpen Protonen, Komplex II tut das nicht. FADH₂ aus dem Citratzyklus gibt seine Elektronen an Komplex II ab. Diese Elektronen durchlaufen also weniger pumpende Stationen als die des NADH + H⁺. Als vereinfachte Modellwerte gelten: Je Elektronenpaar von NADH + H⁺ werden etwa 10 H⁺ gepumpt, je Elektronenpaar von FADH₂ etwa 6 H⁺. Das energetische Modell mit Redoxpotenzialen wird in der Q1 nur qualitativ betrachtet: Die Elektronen „fallen“ stufenweise auf ein niedrigeres Energieniveau.

Üben★☆☆Nicht begonnen
Gib an, welches Molekül in der Atmungskette als letzter Elektronenakzeptor fungiert und welcher Stoff entsteht, wenn dieses Molekül reduziert wird.

Gib an, welches Molekül in der Atmungskette als letzter Elektronenakzeptor fungiert und welcher Stoff entsteht, wenn dieses Molekül reduziert wird.

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Üben★★★Nicht begonnen
Es werden Versuche mit isolierten Mitochondrien durchgeführt, denen verschiedene Atmungssubstrate zugeführt werden: Bei Zugabe von Malat (das intramitochondriales NADH…

Es werden Versuche mit isolierten Mitochondrien durchgeführt, denen verschiedene Atmungssubstrate zugeführt werden: Bei Zugabe von Malat (das intramitochondriales NADH erzeugt) wird ein Verbrauch von $\text{O}_2$ und ein Syntheseverhältnis von etwa $2,5\ \text{ATP}$ pro Elektronenpaar gemessen; bei Zugabe von Rotenon (Hemmstoff von Komplex I) kommt der Verbrauch von $\text{O}_2$ zum Erliegen, setzt aber bei Zugabe von Succinat (das FAD zu $\text{FADH}_2$ reduziert) wieder ein und erbringt nur etwa $1,5\ \text{ATP}$ pro Elektronenpaar. a) Begründen Sie auf molekularer und chemiosmotischer Ebene die biophysikalische Ursache dieses Unterschieds in der Energieausbeute zwischen den beiden Substraten. b) Leiten Sie begründet ab, was mit dem Verbrauch von $\text{O}_2$ und mit der ATP-Synthese aus Succinat geschähe, wenn ein spezifischer Hemmstoff von Komplex IV (Cytochrom-c-Oxidase) zugesetzt würde. c) In der Skelettmuskulatur gelangen die Elektronen des glykolytischen NADH über den Glycerin-3-phosphat-Shuttle in die Atmungskette, im Herzmuskel dagegen über den Malat-Aspartat-Shuttle. Berechnen Sie den Unterschied in der gesamten Nettobilanz an ATP pro Mol vollständig oxidierter Glucose zwischen beiden Geweben und begründen Sie die stoffwechselphysiologische Ursache dieser Abweichung.

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Die chemiosmotische ATP-Bildung

Der Elektronentransport selbst bildet noch kein ATP. Das ATP entsteht erst mithilfe des Protonengradienten, den die Atmungskette aufgebaut hat. Diese Idee hat Peter Mitchell als chemiosmotische Hypothese formuliert.

Im Intermembranraum sammeln sich Protonen an. Dort herrscht eine höhere H⁺-Konzentration und das Milieu ist positiver geladen. Die innere Membran ist für Ionen undurchlässig, die Protonen können nur durch die ATP-Synthase in die Matrix zurückströmen. Der Protonenfluss versetzt den Rotor der ATP-Synthase wie eine Turbine in Drehung. Die dabei frei werdende Energie wird genutzt, um ADP und Phosphat (Pᵢ) zu ATP zu verknüpfen:

$$\text{ADP} + \text{P}_i \xrightarrow{\text{ATP-Synthase}} \text{ATP}$$

Die ATP-Synthase sitzt in der inneren Mitochondrienmembran. Ihr Kanalteil durchspannt die Membran, der katalytische Teil ragt in die Matrix. Entscheidend ist der Gradient, nicht die Atmungskette selbst. Wird er künstlich erzeugt, bildet die ATP-Synthase ATP. Das haben Experimente mit isolierten Organellen bestätigt.

Üben★★☆Nicht begonnen
Die ATP-Synthase arbeitet wie ein rotierender molekularer Motor. Erkläre, was sie zum Drehen bringt, welche Reaktion sie katalysiert und in welcher Membran des…

Die ATP-Synthase arbeitet wie ein rotierender molekularer Motor. Erkläre, was sie zum Drehen bringt, welche Reaktion sie katalysiert und in welcher Membran des Mitochondriums sie sich befindet.

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Üben★★★Nicht begonnen
Um die chemiosmotische Hypothese experimentell zu überprüfen, werden intakte Mitochondrien isoliert und in einem Medium mit pH 8,0 ohne ADP und ohne oxidierbare…

Um die chemiosmotische Hypothese experimentell zu überprüfen, werden intakte Mitochondrien isoliert und in einem Medium mit pH 8,0 ohne ADP und ohne oxidierbare Substrate suspendiert. Nachdem die Matrix diesen pH-Wert erreicht hat, werden sie schlagartig in ein Medium mit pH 4,0 überführt, das ADP und $\text{P}_i$ enthält, und zwar in völliger Abwesenheit von Sauerstoff und von Elektronendonatoren. a) Sagen Sie begründet voraus, ob unter diesen künstlichen Bedingungen ATP synthetisiert wird, und beschreiben Sie den biophysikalischen Mechanismus, mit dem die ATP-Synthase diese Situation nutzt. b) Was geschähe mit der ATP-Synthese, wenn man die innere Mitochondrienmembran zuvor mit einem Ionophor behandelt hätte, der den freien Durchtritt von Protonen erlaubt? Begründen Sie Ihre Antwort. c) Begründen Sie, warum unter normalen physiologischen Bedingungen der Sauerstoffmangel die oxidative Phosphorylierung zum Erliegen bringt.

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Ohne Sauerstoff: Gärung

Ohne Sauerstoff kann die Atmungskette NADH + H⁺ nicht reoxidieren. Die Glykolyse braucht aber ständig NAD⁺, sonst steht auch sie still. Die Zelle löst das Problem mit einer Gärung.

Weg des Pyruvats: Mit Sauerstoff in das Mitochondrium (aerobe Atmung), ohne Sauerstoff Gärung im Cytoplasma zu Lactat oder Ethanol. Pyruvat mit O₂ Mitochondrium aerobe Atmung ohne O₂ Gärung im Cytoplasma Lactat oder Ethanol

Es gibt zwei Haupttypen:

Milchsäuregärung alkoholische Gärung
Reaktion Pyruvat + NADH + H⁺ → Lactat + NAD⁺ Pyruvat → Acetaldehyd + CO₂; Acetaldehyd + NADH + H⁺ → Ethanol + NAD⁺
Endprodukte Lactat (Milchsäure) Ethanol und CO₂
Vorkommen Muskelzellen bei hoher Belastung, Milchsäurebakterien (Joghurt, Sauerkraut), Erythrocyten Hefen (Bier, Wein, Brot)

Die Ausbeute ist gering: Es entstehen nur 2 ATP je Glucose, gegenüber 30 bis 32 ATP bei der aeroben Atmung. Der Vorteil der Gärung liegt in der Geschwindigkeit und darin, dass sie keinen Sauerstoff braucht.

Erythrocyten besitzen keine Mitochondrien. Sie gewinnen ATP daher immer durch Milchsäuregärung.

Üben★☆☆Nicht begonnen
Definiere den Begriff Gärung und nenne die beiden Haupttypen mit ihren Endprodukten. Gib dabei jeweils einen Organismus oder ein Gewebe an, der bzw. das sie durchführt.

Definiere den Begriff Gärung und nenne die beiden Haupttypen mit ihren Endprodukten. Gib dabei jeweils einen Organismus oder ein Gewebe an, der bzw. das sie durchführt.

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Üben★★☆Nicht begonnen
Bei der Milchsäuregärung wird Pyruvat zu Lactat umgesetzt. Erkläre, warum dieser Vorgang die Regeneration von $\text{NAD}^+$ ermöglicht und in welchen Situationen die…

Bei der Milchsäuregärung wird Pyruvat zu Lactat umgesetzt. Erkläre, warum dieser Vorgang die Regeneration von $\text{NAD}^+$ ermöglicht und in welchen Situationen die menschliche Muskulatur ihn nutzt.

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Üben★★★Nicht begonnen
In einem industriellen Bioreaktor mit Hefen (Saccharomyces cerevisiae*), die mit Glucose versorgt werden, werden der Substratverbrauch und die gebildeten Metabolite…

In einem industriellen Bioreaktor mit Hefen (Saccharomyces cerevisiae), die mit Glucose versorgt werden, werden der Substratverbrauch und die gebildeten Metabolite überwacht. In einer ersten anaeroben Phase verbrauchen die Hefen Glucose mit hoher Geschwindigkeit und produzieren Ethanol und $\text{CO}_2$. Wird kontinuierlich Sauerstoff eingeleitet (zweite Phase), beobachtet man, dass die Glucoseverbrauchsrate auf ein Viertel sinkt (Pasteur-Effekt) und die Ethanolproduktion völlig aufhört. a) Deuten und begründen Sie auf bioenergetischer Ebene, warum die Hefen unter anaeroben Bedingungen pro Zeiteinheit deutlich mehr Glucose verbrauchen als unter aeroben, um dieselbe Zellteilungsrate aufrechtzuerhalten. b) Würde man statt der Hefen eine Kultur von Skelettmuskelzellen denselben zwei Bedingungen aussetzen, sagen Sie voraus, welcher organische Metabolit sich in der ersten Phase anreichern würde, und begründen Sie, ob $\text{CO}_2$ freigesetzt würde. c) Begründen Sie den gemeinsamen Stoffwechselbedarf, der sowohl die Hefe als auch die Muskelzelle zwingt, das Pyruvat während der Gärung zu reduzieren.

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Atmung oder Gärung? Pasteur-Effekt und ATP-Bereitstellung

Hefen und Muskelzellen können zwischen Atmung und Gärung wechseln. Louis Pasteur beobachtete: Sobald Sauerstoff vorhanden ist, sinkt der Glucoseverbrauch deutlich, obwohl die Zellen gleich viel ATP bilden. Das ist der Pasteur-Effekt.

Die Erklärung ist einfach: Die Atmung liefert je Glucose etwa 15- bis 16-mal mehr ATP als die Gärung ($30$ bis $32$ gegenüber $2$ ATP). Um denselben ATP-Bedarf zu decken, braucht die Zelle bei Sauerstoff nur einen Bruchteil der Glucose. Gesteuert wird das über negative Rückkopplung: Viel ATP und NADH + H⁺ hemmen Schlüsselenzyme der Glykolyse. Die Zelle spart Glucose, solange die Atmung genug ATP liefert.

Im Muskel gibt es zusätzlich einen kurzfristigen Energiespeicher. Das ATP in den Zellen reicht nur für wenige Sekunden. Kreatinphosphat überträgt sofort eine Phosphatgruppe auf ADP:

$$\text{Kreatinphosphat} + \text{ADP} \longrightarrow \text{Kreatin} + \text{ATP}$$
Weg Geschwindigkeit Dauer / Ausbeute
Kreatinphosphat sehr schnell wenige Sekunden
Glykolyse mit Milchsäuregärung schnell Sekunden bis wenige Minuten, 2 ATP je Glucose
aerobe Atmung langsamer sehr lange, 30 bis 32 ATP je Glucose

Bei einem 100-m-Sprint hält zuerst das Kreatinphosphat die ATP-Konzentration konstant. Danach steigen Glykolyse und Lactatbildung stark an. Der Marathonläufer nutzt dagegen überwiegend die aerobe Atmung.

Üben★★☆Nicht begonnen
Hefen und unsere Muskelzellen können je nach verfügbarem Sauerstoff atmen oder gären. Erkläre, wie die Zelle zwischen den beiden Wegen „entscheidet“ (Pasteur-Effekt) und…

Hefen und unsere Muskelzellen können je nach verfügbarem Sauerstoff atmen oder gären. Erkläre, wie die Zelle zwischen den beiden Wegen „entscheidet“ (Pasteur-Effekt) und welchen Vorteil sie hat, wenn sie bei Vorhandensein von Sauerstoff den Glucoseverbrauch senkt und dabei die gleiche ATP-Versorgung aufrechterhält.

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Üben★★★Nicht begonnen
Es werden Muskelbiopsien eines Sprinters während eines Laufs mit maximaler Anstrengung analysiert. In den ersten $2$ bis $3$ Sekunden des Laufs bleibt die zelluläre…

Es werden Muskelbiopsien eines Sprinters während eines Laufs mit maximaler Anstrengung analysiert. In den ersten $2$ bis $3$ Sekunden des Laufs bleibt die zelluläre ATP-Konzentration nahezu unverändert ($[\text{ATP}] \approx 5\ \text{mmol/kg}$), während das Kreatinphosphat drastisch von $25$ auf $8\ \text{mmol/kg}$ sinkt. Ab der vierten Sekunde steigt das Lactat rasch von $1,5$ auf $12\ \text{mmol/kg}$ an und die mechanische Leistung beginnt abzunehmen.

  1. a) Begründen Sie biochemisch, warum die ATP-Konzentration zu Beginn praktisch konstant bleibt, obwohl die Hydrolyse durch die Myosin-ATPasen massiv ist.
  2. b) Sagen Sie voraus, was mit dem ATP-Spiegel, mit der Lactat-Anreicherung und mit der Leistung in den ersten $3$ Sekunden geschehen würde, wenn den Muskelfasern ein selektiver Hemmstoff der Kreatinkinase verabreicht würde.
  3. c) Vergleichen Sie die Geschwindigkeit der ATP-Resynthese und die gesamte Energiebereitstellungskapazität des Kreatinphosphat-Systems mit der mitochondrialen Atmung und begründen Sie, warum ein Athlet seine Höchstgeschwindigkeit nicht über einen Wettkampf von $400\text{ Meter}$ aufrechterhalten kann.
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Gifte und Entkoppler: Wenn die Atmungskette versagt

Zwei Störungen der Atmungskette: A Cyanid blockiert Komplex IV, B der Entkoppler DNP lässt Protonen an der ATP-Synthase vorbei in die Matrix zurückströmen, die Energie geht als Wärme verloren. A Cyanid IIIIIVATP-Synthase CN⁻ blockiert IV Die Elektronen erreichen O₂ nicht: kein Protonengradient, die ATP-Synthase steht still. B DNP (Entkoppler) IIIIIVATP-Synthase DNP Wärme DNP lässt H⁺ an der ATP-Synthase vorbei zurückströmen: O₂-Verbrauch bleibt hoch, die Energie geht als Wärme verloren.

Kohlenstoffmonoxid (CO) wirkt anders: Es bindet an Hämoglobin stärker als O₂ und senkt so den Sauerstofftransport zu den Geweben. Die Atmungskette bekommt dann nicht genug O₂ als Endakzeptor, die Zellen schalten auf Gärung um. Cyanid blockiert dagegen das Enzym in der Zelle, das Blut ist dabei noch sauerstoffreich.

Üben★★★Nicht begonnen
Cyanid blockiert den letzten Komplex der Atmungskette (die Cytochrom-c-Oxidase). Sagen Sie voraus, was in einer vergifteten Zelle mit dem Sauerstoffverbrauch, der…

Cyanid blockiert den letzten Komplex der Atmungskette (die Cytochrom-c-Oxidase). Sagen Sie voraus, was in einer vergifteten Zelle mit dem Sauerstoffverbrauch, der ATP-Synthese und dem Verbleib des Pyruvats geschieht, und begründen Sie, warum Cyanid auch bei verfügbarer Glucose tödlich ist.

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Üben★★★Nicht begonnen
2,4-Dinitrophenol (DNP) ist ein Entkoppler: Es macht die innere Mitochondrienmembran für Protonen durchlässig, ohne dass ATP gebildet wird. Sagen Sie begründet voraus,…

2,4-Dinitrophenol (DNP) ist ein Entkoppler: Es macht die innere Mitochondrienmembran für Protonen durchlässig, ohne dass ATP gebildet wird. Sagen Sie begründet voraus, was mit dem Sauerstoffverbrauch, der ATP-Synthese und der Körpertemperatur der Person geschieht, die es einnimmt, und erklären Sie, warum es als Mittel zum Abnehmen mit tödlichen Folgen verwendet wurde.

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Üben★★★Nicht begonnen
Kohlenstoffmonoxid bindet mit höherer Affinität an Hämoglobin als Sauerstoff. a) Erkläre, welche Wirkung dies auf den Transport von $\text{O}2$ zu den Geweben hat. b)…

Kohlenstoffmonoxid bindet mit höherer Affinität an Hämoglobin als Sauerstoff. a) Erkläre, welche Wirkung dies auf den Transport von $\text{O}_2$ zu den Geweben hat. b) Begründe, welche Abschnitte der Zellatmung betroffen sind und warum die Zellen zur Gärung übergehen, obwohl Glucose zur Verfügung steht. c) Vergleiche den Toxizitätsmechanismus von Kohlenstoffmonoxid mit dem von Cyanid.

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Zurück zum Anfang: Die Zelle baut Glucose in vielen kleinen Schritten ab und überträgt die frei werdenden Elektronen auf NAD⁺ und FAD. Die Atmungskette setzt diese Energie in einen Protonengradienten um, und die ATP-Synthase nutzt ihn für die ATP-Bildung. Auf diese Weise gewinnt die Zelle bis zu 32 ATP je Glucose statt nur 2. Sinkt der Sauerstoff, springt die Gärung als schnelle, aber magere ATP-Quelle ein.

Auf einen Blick

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