2 Ablauf der Zellatmung

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Urheber: Peter Schill

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Cc2BYSA

Zellatmung in Pflanzen und Tieren

2 Ablauf der Zellatmung

Die Zellatmung umfasst drei räumlich voneinander getrennte Stoffwechselvorgänge. Man spricht von Kompartimenten. Das trifft bei eukaryotischen Zellen (Pflanze, Tier, Mensch) zu.

Folgende Stoffwechselvorgänge werden betrachtet:

  1. Glykolyse im Cytosol
  2. Oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus in der Mitochondrienmatrix
  3. Atmungskette in der inneren Mitochondrienmembran

Glossar

Wörterbuch der Fachbegriffe

Bei der Recherche zur Zellatmung in unterschiedlichen Medien fällt auf, dass für den gleichen Vorgang unterschiedliche Fachbegriffe verwendet werden.

Zum einen werden Stoffe in Deutsch oder Latein und zum anderen als Säure oder dessen Säurerest-Ionen bezeichnet.

Alle chemischen Stoffwechselvorgänge finden in wässrigen Lösungen statt. Die gebildeten Säuren liegen dissoziiert als Wasserstoff-Ionen und Säurerest-Ionen vor, die für die Veranschaulichung und Beschreibung der Stoffwechselprozesse in diesem Kapitel dargestellt werden.

Hier eine Ăśbersicht der verwendeten Fachbegriffe:

SäurenSäurerest-Ionen
BrenztraubensäurePyruvat
ZitronensäureCitrat
IsocitronensäureIsocitrat
alpha-Ketoglutarsäurealpha-Ketoglutarat
BernsteinsäureSuccinat
FumarsäureFumarat
ÄpfelsäureMalat
OxalessigsäureOxalacetat

Acetyl-Coenzym A:
Acetyl-Coenzym A ist eine wichtige energiereiche Verbindung und an Stoffwechselprozessen beteiligt. Der Acetyl-Rest ist nicht mit dem Acetat (CH3COO-), das Säurerest-Ion der Essigsäure, zu verwechseln. Acetyl-Rest (CH3CO-R) leitet sich zwar auch aus der Essigsäure ab, aber besitzt ein Sauerstoffatom weniger.

NAD+ = Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (= Coenzym)

FAD = Flavin-Adenin-Dinukleotid (Coenzym)

ATP = Adenosintriphosphat (Energieträger)

GTP = Guanosintriphosphat (Energieträger)

Citratzyklus = Zitratzyklus = Zitronensäurezyklus

Glykolyse

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Glykolyse = schrittweiser Abbau von Glucose zu Pyruvat im Cytosol

Ein MolekĂĽl Glucose (C6) wird enzymatisch unter Beteiligung von Coenzymen und Cofaktoren zu zwei MolekĂĽlen Pyruvat (C3) abgebaut.

  1. Aktivierung der Glucose (C6) durch 1 ATP
  2. Umbau zu Fructose (C6) durch 1 ATP
  3. Teilung der Fructose (C6) in 2 C3-MolekĂĽle
  4. Anlagerung von 2 anorganischen Phosphatresten (Pa) an beide C3-MolekĂĽle
  5. Wasserstoffabspaltung und -anlagerung von NAD+ zu NADH+H+
  6. Energiegewinnung durch Anlagerung von anorganischen Phosphatresten (Pa) an 4 ADP zu 4 ATP
  7. Das Ergebnis sind 2 MolekĂĽle Pyruvat (C3) .

Bilanzgleichung Glykolyse:

Glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pa → 2 Pyruvat + 2 (NADH + H+) +
2 ATP

Stoffbilanz fĂĽr 1 MolekĂĽl Glucose:

Ausgangsstoffe

Reaktionsprodukte

Glucose

2 Pyruvat

2 NAD+ 

2 (NADH + H+)


Energiebilanz fĂĽr 1 MolekĂĽl Glucose:

Verbrauch

Bildung

- 2 ATP

+ 4 ATP

Bilanz: + 2 ATP


Die Glykolyse erfolgt ĂĽber folgende Schritte:

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3
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Ablauf der Glykolyse

Zum Nachlesen

Betätigen Sie den Schieber, um die Formeln zu sehen.

4
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Aufgabe

5
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Wiederholung

Wörterbuch der Fachbegriffe

Ordnen Sie die Begriffe richtig zu.

Oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus

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Oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus in der Mitochondrienmatrix = Abbau von Pyruvat zu Acetyl-CoA mit anschlieĂźender Freisetzung von CO2 und Energiegewinnung

Die zwei erzeugten Moleküle Pyruvat gelangen über Carrierproteine in das Mitochondrium und werden zu Acetyl-CoA oxidativ decarboxyliert. Die C-Atome werden in den Citratzyklus (einem mehrstufigen Kreisprozess) eingeschleust, bei dem der Akzeptor Oxalacetat regeneriert wird. In der Mitochondrienmatrix wird dabei Kohlenstoffdioxid freigesetzt, Energie in Form von GTP direkt gewonnen und  Wasserstoff auf Coenzyme übertragen. Alle Vorgänge werden enzymatisch unter Beteiligung von Coenzymen und Cofaktoren vollzogen.

Oxidative Decarboxylierung

  1. Decarboxylierung von Pyruvat (C3) unter Bildung von CO2
  2. Bildung von je einem MolekĂĽl Acetyl-Coenzym A (C2-MolekĂĽl)
  3. Wasserstoffübertragung durch FADH2 auf je ein NAD+ zu NADH + H+
Citratzyklus

  1. Einschleusung von je einem MolekĂĽl Acetyl-Coenzym A (C2) in den Citratzyklus
  2. Anlagerung des Acetylrests (C2) und des Wassers an Oxalacetat (C4)  zu Citrat (C6), Abspaltung des Coenzym 
  3. Weitere Umbau- und Abbauprozesse von Citrat (C6) über Isocitrat (C6), α-Ketoglutarat (C5), Succinyl-CoA (C4), Succinat (C4), Fumarat (C4) und Malat (C4) führen erneut zu Oxalacetat (C4).
  4. Freisetzung von je 2 Kohlenstoffatomen in Form von CO2
  5. Wasserstoffabspaltung und Anlagerung von je drei NAD+ zu NADH+H+ und je einem FAD zu FADH2
  6. Anlagerung von einem anorganischen Phosphatrest (Pa) an GDP zu je einem GTP (ähnlicher Energieträger wie ATP)


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Oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus

Zum Nachlesen

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Bilanz fĂĽr 1 MolekĂĽl Glucose:

Bei der Glykolyse entstehen beim Abbau von einem Molekül Glucose zwei Moleküle Pyruvat. Deshalb läuft die oxidative Decarboxylierung und der anschließende Citratzyklus jeweils zweimal ab.

Bilanzgleichung oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus:

2 Pyruvat + 8 NAD+ + 2 FAD + 6 H2O + 2 GDP + 2 Pa → 6 CO2 + 8 (NADH + H+) + 2 FADH2 + 2 GTP


Stoffbilanz fĂĽr 1 MolekĂĽl Glucose:

Ausgangsstoffe

Reaktionsprodukte

Oxidative Decarboxylierung

2 Pyruvat

2 Coenzym A

2 Acetyl-CoA

2 CO2

2 NAD+

2 (NADH + H+)

Citratzyklus

2 Acetyl-CoA

2 Oxalacetat

6 H2O

2 Coenzym A

2 Oxalacetat (regeneriert)

4 CO2

6 NAD+

2 FAD

6 (NADH + H+)

2 FADH2


Energiebilanz fĂĽr 1 MolekĂĽl Glucose:

Verbrauch

Bildung

-

+ 2 GTP

Bilanz: + 2 GTP entspricht 2 ATP



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Aufgabe

Ăśbertragen Sie die fehlenden Stoffe in das Schema der oxidativen Decarboxylierung und in den Citratzyklus.

Atmungskette

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Atmungskette in der inneren Mitochondrienmembran = Oxidation der Coenzyme NADH + H+ und FADH2 mit Fixierung der freiwerdenden Energie in ATP und Abgabe von Wasser

Die Atmungskette ist der Dissimilationsprozess mit dem höchsten Energiegewinn in Form von ATP. Über verschiedene Redoxsysteme in der Mitochondrienmembran werden schrittweise Elektronen auf den Sauerstoff übertragen sowie Wasserstoff über Cofaktoren und Coenzyme transportiert. Negativ geladene Sauerstoff-Ionen verbinden sich mit positiv geladenen Wasserstoff-Ionen zu Wasser. Diesen Vorgang nennt man auch biologische Oxidation oder Endoxidation.

  1. Anlagerung von NADH + H+ an die innere Mitochondrienmembran
  2. Abgabe von 2 Elektronen an einen Enzymkomplex, der in der Innenmembran eingelagert ist
  3. Elektronentransport innerhalb der Membran durch verschiedene Enzymkomplexe
  4. Transport von H+-Ionen aus NADH + H+ durch die innere Mitochondrienmembran in den perimitochondrialen Raum
  5. Entladenes NAD+ steht fĂĽr erneute Aufnahme von H+-Ionen in der Matrix bereit
  6. Entstehung eines Spannungsgefälles an den beiden Seiten der inneren Mitochondrienmembran
  7. Spannungsausgleich durch H+-Ăśbergang am ATP-Synthase-Komplex mit Bildung von ATP
  8. Zusammenführen von Elektronen, H+-Ionen und Sauerstoff­ionen zu Wasser
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Der Ablauf der Atmungskette erklärt

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Urheber: Digitale Lernwelten GmbH

Cc4BYNCSA

Abbildung: Atmungskette

Bilanz für 1 Molekül Glucose:

Bei der Glykolyse entstehen beim Abbau von einem Molekül Glucose zwei Moleküle Pyruvat, deshalb läuft die oxidative Decarboxylierung und der anschließende Citratzyklus sowie die Atmungskette jeweils zweimal ab.


(aus 1 NADH+H+ entstehen 3 ATP;
aus 1 FADH2 entstehen 2 ATP)

Bilanzgleichung Atmungskette

10 (NADH + H+) + 2 FADH2 + 6 O2 + 34 ADP + 34 Pa →
10 NAD+ + 2 FAD + 12 H2O + 34 ATP

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Stoffbilanz fĂĽr 1 MolekĂĽl Glucose:

Abbauprozess

Ausgangsstoffe

Reaktionsprodukte

Glykolyse

2 (NADH + H+)

2 NAD+

oxidative Decarboxylierung

2 (NADH + H+)

2 NAD+

Citratzyklus

6 (NADH + H+)

2 FADH2

6 NAD+

2 FAD

Atmungskette

6 O2

12 H2O

Energiebilanz fĂĽr 1 MolekĂĽl Glucose:

Verbrauch

Bildung

-

+ 34 ATP

Bilanz: + 34 ATP

Nur in ATP gespeicherte Energie kann von den Organismen genutzt werden. Die restliche Energie wird in Form von Wärme frei.

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? A B C

Erläutern Sie die Bedeutung der Oberflächenvergrößerung der inneren Mitochondrienmembran.

Berechnen Sie die Gesamtenergie aus einem MolekĂĽl Glucose in ATP und in kJ. BerĂĽcksichtigen Sie neben der Bilanzgleichung der Atmungskette den direkten ATP/GTP-Gewinn aus der Glykolyse und Citratzyklus.

Hinweis: 1 ATP enthält ca. 30 kJ biochemische Energie.

A B C
§ Cc4BYNCSA

Citratzyklus als Drehscheibe des Zellstoffwechsels

Fazit:

  1. Die Dissimilation in den Zellen ist ein ständig ablaufender biochemischer Prozess zur Erzeugung von Energie für den Organismus.
  2. Glucose wird mit Sauerstoff und Wasser zu Kohlenstoffdioxid und Wasser umgewandelt, dabei wird Energie frei.
  3. Der Citratzyklus ist die zentrale Drehscheibe des gesamten Zellstoffwechsels mit einer enormen Leistung fĂĽr den gesamten Organismus.