Aufgaben: Die Zellatmung

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

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

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

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.