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Weitere Übungsaufgaben Q11 Biologie Stoffwechsel
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Aufgabe 1) In einem sumerischen Keilschrifttext findet sich die erste bekannte
Beschreibung eines Verfahrens zum Bierbrauen. Das Bier wurde damals aus
eingeweichten Brotfladen hergestellt. Heute verwendet man meist Gerste als
Ausgangsmaterial.
a) 1870 klärte Pasteur die Rolle der Hefe bei der alkoholischen Gärung: Hefe kann
bei Abwesenheit von Sauerstoff Glucose zu Ethanol abbauen.
Erläutern Sie über C-Körper und deren Namen die wesentlichen Schritte dieses
Vorgangs und formulieren Sie die zugehörige Bruttogleichung einschließlich ATPBilanz! Für die beteiligten Coenzyme ist die übliche Kurzschreibweise zu verwenden.
b) In Gegenwart von Sauerstoff ist trotz gleichbleibender ATP-Produktion pro
Zeiteinheit und Zelle der Glucoseverbrauch der Hefe deutlich geringer als ohne
Sauerstoff.
Erklären Sie diesen Befund unter Mitverwendung einer Bruttogleichung!
Aufgabe 2) Die Produkte der Photosynthese sind die Lebensgrundlage für die
Mehrzahl der heute lebenden Organismen
a) Beschreiben Sie ein Verfahren, mit dessen Hilfe die Herkunft des bei der
Photosynthese gebildeten Sauerstoffs aufgeklärt werden konnte. Formulieren Sie für
die photosynthetische Glucosebildung die Bruttogleichung, die diesem Sachverhalt
Rechnung trägt.
b) Im Verlauf der lichtunabhängigen Reaktion werden nach der Fixierung von
Kohlenstoffdioxid C3-Körper gebildet. Formulieren Sie die beiden darauffolgenden
Reaktionsschritte.
c) Die unter b) formulierte Reaktion läuft bei Pflanzen, die im Dunkeln gehalten
werden, noch kurze Zeit ab, kommt dann aber zum Stillstand. Erklären Sie diesen
Befund.
Aufgabe 3) Hill zeigte 1940 erstmals, dass isolierte Chloroplasten im zellfreien
System Photosynthese durchführen können.
a) Nennen Sie drei grundlegende Übereinstimmungen im Feinbau von Chloroplasten
und Mitochondrien!
b) Beschreiben Sie die Vorgänge, die bei optimaler Belichtung an den
Thylakoidmembranen ablaufen, und veranschaulichen Sie diese mit Hilfe einer
beschrifteten Schemazeichnung!
c) Zu isolierten belichteten Thylakoiden werden im Reagenzglas Eisen(III)-Ionen
gegeben. Diskutieren Sie, welche Produkte bei diesem Versuch gebildet werden,
insbesondere ob Glucose entstehen kann! Kohlenstoffdioxid steht in ausreichendem
Maße zur Verfügung.
Aufgabe 4) In der gut mit Sauerstoff versorgten "roten" Muskulatur der
Ausdauersportler kann die chemische Energie der Glucose viel besser genutzt
werden als in der schlechter durchbluteten "weißen" Muskulatur der Kraftsportler, die
zudem bei längeren Belastungen leicht übersäuert.
a) Erklären Sie die oben beschriebenen Tatsachen!
b) Formulieren Sie den zur Übersäuerung führenden Stoffwechselweg, der in
schlecht mit Sauerstoff versorgter Muskulatur abläuft und kennzeichnen Sie
Reaktionsschritte, bei denen Reduktionsäquivalente gebildet beziehungsweise
verbraucht werden. (Verbindungen als C-Körper + Verbindungsname angeben)
Aufgabe 5) Die pflanzliche Atmung wurde beim Studium des
Stoffwechselgeschehens der Pflanzen lange übersehen, da sie sich nicht so
offensichtlich abspielt wie die tierische Atmung.
a )Planen Sie die Durchführung eines Versuches, mit dessen Hilfe Sie nachweisen
können, dass grüne Pflanzen nicht nur zur Photosynthese, sondern auch zur Atmung
befähigt sind!
b) Stellen Sie, ausgehend von der Glucose, eine Summengleichung der Zellatmung
auf! Welche Rolle spielt ATP bei der Atmung in den Zellen der Lebewesen?
c) Worin besteht die Bedeutung der Atmungskette im Zellstoffwechsel und dem damit
zusammenhängenden Energiehaushalt der Zelle?
Aufgabe 1) In einem sumerischen Keilschrifttext findet sich die erste bekannte
Beschreibung eines Verfahrens zum Bierbrauen. Das Bier wurde damals aus
eingeweichten Brotfladen hergestellt. Heute verwendet man meist Gerste als
Ausgangsmaterial.
a) 1870 klärte Pasteur die Rolle der Hefe bei der alkoholischen Gärung: Hefe kann
bei Abwesenheit von Sauerstoff Glucose zu Ethanol abbauen.
Erläutern Sie über C-Körper und deren Namen die wesentlichen Schritte dieses
Vorgangs und formulieren Sie die zugehörige Bruttogleichung einschließlich ATPBilanz! Für die beteiligten Coenzyme ist die übliche Kurzschreibweise zu verwenden.
Der C6-Körper der Glucose wird in der Glykolyse zunächst in 2 C3-Körper PGA
gespalten. Dann erfolgt die Oxidation zur Glycerinsäure (PGS). Hier ist das Coenzym
NAD+ mitbeteiligt, NADH/H+ wird gebildet, ebenso je C3-Körper ein Molekül ATP. In
der Glykolyse entsteht schließlich Brenztraubensäure (immernoch C3). Dann erfolgt
unter anaeroben Bedingungen die eigentliche Alkoholische Gärung: Unter Verbrauch
von NADH/H+ bzw. Rückbildung von NAD+ wird die Brenztraubensäure in Ethanol
umgewandelt.
b) In Gegenwart von Sauerstoff ist trotz gleichbleibender ATP-Produktion pro
Zeiteinheit und Zelle der Glucoseverbrauch der Hefe deutlich geringer als ohne
Sauerstoff.
Erklären Sie diesen Befund unter Mitverwendung einer Bruttogleichung!
C6H12O6  2 CO2 + 2 C2H5OH damit verbunden ist die Bildung von 2 mol ATP:
2 ATP + P  2 ATP
Da beim aeroben Abbau mit Hilfe von einem mol Glucose 38 ATP gebildet werden
können, diese Abbauart also wesentlich effizienter ist, wird zur Bildung derselben
Menge ATP bei der Gärung wesentlich mehr Glucose benötigt.
Aufgabe 2) Die Produkte der Photosynthese sind die Lebensgrundlage für die
Mehrzahl der heute lebenden Organismen
a) Beschreiben Sie ein Verfahren, mit dessen Hilfe die Herkunft des bei der
Photosynthese gebildeten Sauerstoffs aufgeklärt werden konnte. Formulieren Sie für
die photosynthetische Glucosebildung die Bruttogleichung, die diesem Sachverhalt
Rechnung trägt.
Nachlesen unter
http://link-bergstrasse.de/unterrichtsmaterial/Photosynthese/photosyntheseversuche.htm#Tracer
und http://link-bergstrasse.de/unterrichtsmaterial/Photosynthese/summengleichungen.htm
b) Im Verlauf der lichtunabhängigen Reaktion werden nach der Fixierung von
Kohlenstoffdioxid C3-Körper gebildet. Formulieren Sie die beiden darauffolgenden
Reaktionsschritte.
Nach der Bildung der 3-Phosphoglycerinsäure (C3) unter ATP-Verbrauch die
Phosphorylierung zu 1,3-Bisphosphoglycerinsäure. Diese wird unter NADPH/H+ Verbrauch zu Glycerinaldehyd-3-Phosphat reduziert. [Je zwei Moleküle der so
gebildeten Triose lagern sich zu der Hexose Fruktose-6-Phosphat (C6) zusammen]
c) Die unter b) formulierte Reaktion läuft bei Pflanzen, die im Dunkeln gehalten
werden, noch kurze Zeit ab, kommt dann aber zum Stillstand. Erklären Sie diesen
Befund.
Im Dunkeln erfolgt aus Lichtmangel keine Nachbildung von NADPH/H+ und von ATP.
Da ein Verbrauch an diesen Stoffen aber durch die zunächst noch stattfindende
Dunkelreakion eine zeitlang noch gegeben ist, kommt es zu einer Verknappung an
den beiden energiereichen Stoffen, so dass die bei b) beschriebenen
Reaktionsschritte nicht mehr ablaufen können.
Aufgabe 3) Hill zeigte 1940 erstmals, dass isolierte Chloroplasten im zellfreien
System Photosynthese durchführen können.
a) Nennen Sie drei grundlegende Übereinstimmungen im Feinbau von Chloroplasten
und Mitochondrien!
Doppelmembran, Innenmembran mit Enzymen für die Elektronentransportketten, in
Membranen eingeschlossene Innenräume zur ATP-Produktion
b) Beschreiben Sie die Vorgänge, die bei optimaler Belichtung an den
Thylakoidmembranen ablaufen, und veranschaulichen Sie diese mit Hilfe einer
beschrifteten Schemazeichnung!
Nachlesen unter
http://link-bergstrasse.de/unterrichtsmaterial/Photosynthese/ps_lr_energieschema.htm
c) Zu isolierten belichteten Thylakoiden werden im Reagenzglas Eisen(III)-Ionen
gegeben. Diskutieren Sie, welche Produkte bei diesem Versuch gebildet werden,
insbesondere ob Glucose entstehen kann! Kohlenstoffdioxid steht in ausreichendem
Maße zur Verfügung.
NADP+ des Stromas fehlt, daher wird ein künstlich zugesetzter Elektronenakzeptor
benötigt (Oxidationsmittel, hier Fe3+) Dieses nimmt die angeregten e- aus der
Elektronentransportkette auf und wird zu Fe2+ reduziert. Der funktionierende
Elektronentransport führt auch zu Oxidation von Wasser zur Sauerstoffbildung. D.h.
die Photolyse von Wasser läuft ab.
Aufgabe 4) In der gut mit Sauerstoff versorgten "roten" Muskulatur der
Ausdauersportler kann die chemische Energie der Glucose viel besser genutzt
werden als in der schlechter durchbluteten "weißen" Muskulatur der Kraftsportler, die
zudem bei längeren Belastungen leicht übersäuert.
a) Erklären Sie die oben beschriebenen Tatsachen!
Da in der roten Muskulatur reichliche Sauerstoffversorgung gegeben ist, kann die
Glucose aerob und effizient abgebaut werden. In der „weißen“ Muskulatur kommt es
bald zur Sauerstoffschuld, sodass der Stoffwechsel auf die anaerobe
Milchsäuregärung umschaltet. Da die Säurebildung, die zum Muskelkater beiträgt.
b) Formulieren Sie den zur Übersäuerung führenden Stoffwechselweg, der in
schlecht mit Sauerstoff versorgter Muskulatur abläuft und kennzeichnen Sie
Reaktionsschritte, bei denen Reduktionsäquivalente gebildet beziehungsweise
verbraucht werden. (Verbindungen als C-Körper + Verbindungsname angeben)
Glykolyse wie bei 1a) beschrieben. Die Brenztraubensäure C3H4O3 wird aber hier in
der Milchsäuregärung durch Aufnahme von Wasserstoff in Milchsäure C3H6O3
umgewandelt.
Bildung von NADH/H+ durch Oxidation des Glycerinaldehyd-3-Phosphats, Verbrauch
durch die Milchsäurebildung aus BTS.
Aufgabe 5) Die pflanzliche Atmung wurde beim Studium des
Stoffwechselgeschehens der Pflanzen lange übersehen, da sie sich nicht so
offensichtlich abspielt wie die tierische Atmung.
a )Planen Sie die Durchführung eines Versuches, mit dessen Hilfe Sie nachweisen
können, dass grüne Pflanzen nicht nur zur Photosynthese, sondern auch zur Atmung
befähigt sind!
Pflanze abgedunkelt, evtl. mit chlorophyllfreien Organe wie Blüten, etc. In einem
geschlossenen Gefäß entsteht ein messbarer Unterdruck infolge des O2-Verbrauchs
durch die Zellatmung, vorausgesetzt man sorgt dafür, dass gebildetes CO2 durch
eine CO2-Bindende Lösung entfernt wird.
b) Stellen Sie, ausgehend von der Glucose, eine Summengleichung der Zellatmung
auf! Welche Rolle spielt ATP bei der Atmung in den Zellen der Lebewesen?
C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O  6 CO2 + 12 H2O
38 ADP + 38 P  38 ATP
ATP wird für eine Vielzahl energieverbrauchender Prozesse eingesetzt:
Chemische Synthesen, Verrichtung mechanischer Arbeit, aktive Transportvorgänge.
Diese Vorgänge führen auch zur Rückbildung von ADP
c) Worin besteht die Bedeutung der Atmungskette im Zellstoffwechsel und dem damit
zusammenhängenden Energiehaushalt der Zelle?
Effiziente ATP-Bildung, „Recycling“ von NAD+, einem Oxidationsmittel, das in
verschiedenen vorangehenden Reaktionsschritten benötigt wird.