6. Zellatmung und Gesamtstoffwechsel
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6. Zellatmung und Gesamtstoffwechsel sigsäure (AcetylCoA) umgewandelt. Dieses dient als Treibstoff für den Zitronensäurezyklus. Die aktivierte Essigsäure wird an das Endprodukt des Stoffwechsel-Kreislaufes gebunden, wobei ein neuer Anfangsstoff, die Zitronensäure, entsteht. In den vielen komplizierten Stoffwechselschritten des Kreislaufs werden Wasserstoffatome für die Atmungskette an Coenzyme (zum Beispiel NAD) gebunden. Als Nebenprodukt entstehen einige Moleküle CO2, die von der Zelle abgegeben und mit der Atemluft ausgeschieden werden. Aufgabe, Experiment Zum Nachbasteln – Modell der „Energietreppe“ Bauen Sie aus Legosteinen o. Ä. eine Treppe aus fünf Stufen (= Energietreppe). Legen Sie auf jede Stufe und hinter die Treppe ein Glasplättchen (z. B. Objektträger). Lassen Sie eine Eisenkugel einmal die Treppenstufen und einmal die Treppenrückseite hinunterfallen. Sie werden beobachten, dass nur der Objektträger hinter der Treppe zerbricht. Erklärung: Die gesamte Energie wurde schlagartig frei. Dies kann mit der Energieumwandlung im Mitochondrium verglichen werden. Die bei der Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff frei werdende Energie wird von Enzymen stufenweise abgefangen und zum Aufbau von ATP genutzt. Ohne schrittweisen Abbau wäre die Energie mit einem Schlag freigesetzt ( Knallgasreaktion). Aufgabe, Experiment Zellatmung und Gärung Dissimilation ist der Stoff- und Energiewechselvorgang, bei dem körpereigene organische Stoffe unter Freisetzung von Energie mehr oder weniger vollständig abgebaut werden. Die Dissimilation erfolgt bei Tieren und Pflanzen in gleicher Weise. Sie kann als Zellatmung (Abb. 2) oder Gärung ablaufen. Die Gärung erreicht energiereichere Endprodukte und läuft ohne Sauerstoff ab. Bei der Zellatmung hingegen werden Kohlenhydrate und Fette unter Verbrauch von Sauerstoff zu energiearmen Endprodukten wie CO2 und H2O abgebaut. Die Zellatmung läuft in drei Schritten ab: – Glycolyse Die komplexen Moleküle wie Glucose werden in kleine Moleküle zerlegt: Aus jedem Glucosemolekül werden zwei C3-Moleküle gewonnen. Die Energiebilanz ist positiv, denn es werden zwei Moleküle ATP aufgebaut und Wasserstoff an das Coenzym NAD gebunden. Die Glycolyse läuft im Cytosol ab. Das Endprodukt, C3-Moleküle, wird in die Mitochondrien transportiert, wo der nächste Abbauschritt stattfindet. 14 Die Zellatmung ist sehr effektiv Aus einem Molekül Glucose werden 36 ATPMoleküle gewonnen, das ergibt einen Wirkungsgrad von mehr als 40 %. Würden die Zellen mit der Effektivität eines Benzinmotors arbeiten (10 –20 %), müssten wir viel mehr und gieriger essen, um uns am Leben zu erhalten. 1. Energieentnahme O2 ATP NADH+H+ Glycolyse Glucose (C6) AcetylCoA C3 Zitronensäurezyklus Aminosäuren, die wir mit der Nahrung aufnehmen, werden entweder dazu verwendet, körpereigenes Eiweiß aufzubauen, oder zur Energienutzung abgebaut. Dabei wird die Aminogruppe (vgl. Kap. 3, Abb. 6) abgespaltet, der Rest in den Zitronensäurezyklus eingeschleust. Bei dieser Abspaltung bildet sich Ammoniak (NH3), ein starkes Zellgift, das umgewandelt und in einen Kreisvorgang (Harnstoffzyklus) eingebracht wird. Ähnlich wie beim Zitronensäurezyklus bildet das Endprodukt (Ornithin) gemeinsam mit dem Phosphat das neue Anfangsprodukt. Als wichtigstes Produkt entsteht Harnstoff, der ungiftig und wasserlöslich ist und daher mit dem Harn ausgeschieden werden kann. Ein Molekül Glucose wird zu zwei Milchsäuremolekülen umgewandelt (Abb. 3). Lediglich 7 % der Energie werden gewonnen (2 Moleküle ATP pro Molekül Glucose), die restlichen 93 % sind noch in der Milchsäure gespeichert. Diese kann bei genügend Sauerstoff weiter abgebaut werden. Der Vorteil der Milchsäuregärung liegt nicht in ihrer Energieausbeute, sondern darin, dass sie ohne Sauerstoffzufuhr abläuft. Sie kommt daher dort zum Einsatz, wo Sauerstoffengpässe auftreten. Dies gilt vor allem für Muskeln, denen wir schlagartig Höchstleistungen abverlangen, wie etwa bei einem Sprint. In den ersten Sekunden wird das vorhandene ATP blitzartig abgebaut. Nach etwa 10 Sekunden beginnt die Energielieferung durch die Milchsäuregärung. Da nun mehr Energie verbraucht wird, als O2 zur Verfügung steht, baut sich eine Sauerstoffschuld auf. Inzwischen liefert bereits das Blut Sauerstoff und Zucker an; der anaerobe Vorgang kann wieder zurückgeschaltet werden. Nach etwa einer Minute hat die Atmung die volle Energielieferung übernommen. Beendet der Läufer sein Programm, wird die in der Zelle vorhandene Milchsäure mit Sauerstoff abgebaut; die Sauerstoffschuld ist abgetragen. Ein Lactattest überprüft bei Sportlern den Milchsäuregehalt des Blutes nach einer sportlichen Leistung. Damit können Rückschlüsse auf deren Trainingszustand gezogen werden. Atmungskette 2. Energieentnahme ADP + P H2O ATP CO2 Abb. 2 Schematische Darstellung der Zellatmung Der Gesamtstoffwechsel ( Metabolismus) einer Zelle wird meist in einen aufbauenden und einen abbauenden unterteilt. Da alle Stoffwechselschritte Energie verbrauchen, sind sie mit den Energie gewinnenden Prozessen eng verknüpft (Abb. 4). Der Zitronensäurezyklus wird als „Drehscheibe“ des Zellstoffwechsels bezeichnet. In ihn mündet der Abbau von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen. FETTSÄURE Aktivierung Milchsäure ATP ATP Cytoplasma Abb. 3 Milchsäuregärung C16 FAD 2 ATP FADH2 Dissimilation Zellatmung Gärung Glycolyse Zitronensäurezyklus Atmungskette Milchsäuregärung Lactattest Fettsäureabbau Harnstoffzyklus Metabolismus Aufgabe, Experiment Milchsäuregärung – Herstellung von Jogurt Material: 1 Liter Haltbarmilch, 1 Becher frisches, nicht pasteurisiertes Jogurt, mehrere kleine Schraubgläser, evtl. Wärmeschrank, pH-Papier Durchführung: Vermischen Sie die Milch mit dem Jogurt. Teilen Sie das Gemisch auf mehrere Schraubgläser auf und stellen Sie diese mit leicht verschlossenem Deckel in den Wärmeschrank (35 – 40 °C). Prüfen Sie stündlich den pH-Wert. Die Milchsäuregärung kann durch Kälte (Kühlschrank) gestoppt werden. Erstellen Sie ein Diagramm zur Veränderung des pH-Wertes. NAD 3 ATP Fächerübergreifendes Lernen NADH2 Leibesübungen Sprechen Sie im Leibesübungsunterricht über den Lactattest: Inwiefern gibt er Auskunft über den Trainingszustand eines Sportlers/einer Sportlerin? Essigsäure Abspaltung C 14 2 Fettsäuren (vgl. Kap. 3) sind wesentlich größere Moleküle als Glucose und enthalten meist Zitronensäurezyklus zwischen 14 und 20 C-Atome. Vier Enzyme entziehen der Fettsäure Energie und trennen Abb. 4 Fettsäureabbau Essigsäure ab. Diese wird zum ZiProteine Kohlenhydrate Glycolyse tronensäurezyklus Aminosäure C3 transportiert. Der Harnstoff + NH (Ammoniak) CO 2 3 Arbeitsvorgang AcetylCoA H2O 2 ATP Kohlenstoffgerüst wiederholt sich so NH3 lange, bis die ge2 ADP + P ZitronenOrnithin säuresamte Fettsäure in zyklus H Essigsäure gespalten ist. Harnstoffzyklus Mitochondrium Cytosol Verknüpfungen im Zellstoffwechsel C ADP + P NADH+H+ Gärungen sind die zweite Form der Energiegewinnung. Je nach Endprodukt unterscheidet man alkoholische Gärung und Milchsäuregärung. Gärungen verlaufen ohne Sauerstoff. Daher ist der Abbau zu energieärmeren Produkten nicht vollständig und der Energiegewinn geringer. Fettsäureabbau (Abb. 4) Glucose – Zitronensäurezyklus Das durch Glycolyse entstandene C3-Molekül wird im Mitochondrium in aktivierte Es- Glycolyse, Zitronensäurezyklus und Atmungskette sind drei wichtige Schritte beim Abbau von Glucose. Skizzieren Sie die wichtigsten Abbauschritte (nur Namen, keine Formeln). – Atmungskette An der Innenmembran des Mitochondriums sitzen mehr als 15 verschiedene Enzyme, die in einem sehr komplizierten Vorgang den herangebrachten Wasserstoffatomen die Energie entziehen und damit viele Moleküle ATP aus ADP aufbauen. Die stufenweise Energiefreisetzung führt dazu, dass sich am Ende des Prozesses Wasserstoffatome mit dem Sauerstoff, den wir einatmen, problemlos verbinden (gebremste Knallgasreaktion). Mit diesem Vorgang gelingt es, eine exergonische mit einer endergonischen Reaktion zu koppeln Der Abbau der Aminosäuren – der Harnstoffzyklus (Abb. 5) Mitochondrium Abb. 1 Der Gepard ist der schnellste Säuger. Wie erreicht er eine Laufgeschwindigkeit von 112 km/h? Die Milchsäuregärung – Energiegewinn ohne Sauerstoff Abb. 5 Harnstoffzyklus Glycerin Fette Fettsäure CO2 Atmungskette ATP Mitochondrium O2 Harnstoff H2O Cytosol Abb. 8 Verknüpfung im Gesamtstoffwechsel 15
