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Biologie Leistungskurs Aufgaben

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Biologie Leistungskurs Aufgaben
B.S. 99 Aufgaben 1 und 2 beenden:
1:
Der Citratzyklus ist als zentrale Drehscheibe sowohl am anabolen als auch am katabolen Stoffwechsel
beteiligt. Bei übermäßiger Nahrungsaufnahme kann Citrat dem Citratzyklus entnommen und im
Cytoplasma für die Biosynthese von Fettsäuren verwendet werden. Da sowohl Kohlenhydrate als
auch die Kohlenstoffgerüste der Aminosäuren in den Citratzyklus eingeschleust werden können,
können so auch bei fettfreier Ernährung Fettdepots angelegt werden.
2:
Bei Mangel an Kohlenhydraten können Leberzellen Oxalacetat aus dem Citratzyklus abzweigen und
mithilfe der Enzyme der Gluconeogenese Glucose herstellen. So steigt der Blutzuckerspiegel und das
Gehirn, das selbst keine Gluconeogenese betreibt, kann versorgt werden. In den Leberzellen muss
das entnommene Oxalacetat allerdings ersetzt werden, um dort die Energieversorgung über den
Citratzyklus und die vom Citratzyklus ausgehenden Biosynthesen aufrechtzuerhalten. Dazu können
Fettsäuren (über Acetyl-CoA), aber auch verschiedene Aminosäuren – nach Abspaltung ihrer
Aminogruppe – verwendet werden.
B.S. 100 – 3. Teil der Zellatmung lesen und Übersicht ins Heft übernehmen + B.S. 101
Aufgabe 1:
B.S. 100:
Die Atmungskette:
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Sauerstoff + Wasserstoff (im richtigen Verhältnis) = Gase verbinden sich zu Wasser
=> wenn man Aktivierungsenergie in Form eines Zündfunken hinzufügt
=> Knallgasreaktion genannt (Energie wird sehr schnell freigesetzt)
In der Zelle gewinnt die Zelle ebenfalls ihre Energie (Wasserstoff + Sauerstoff = Wasser)
Atmungskette:
Wasserstoff wird an die Coenzyme NADH + H+ und FADH2 gebunden
=> 1. Protonen; 2. Elektronen getrennt (nicht direkt auf Sauerstoff übertragen)
Elektronen werden dann über Redoxsysteme (Atmungskette) transportiert
=> mehrere tausend Gruppen von Multienzymkomplexen in der Membran des
Mitochondriums
Aufnahme der Elektronen: Enzymkomplexe der Atmungskette werden reduziert
Abgabe der Elektronen: oxidiert
=> Bei jeder Redoxreaktion wird Energie freigesetzt
Nutzen: Protonen aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum zu pumpen
Elektronentransport ist innerhalb der Membran mit einem Protonentransport durch die
Membran gekoppelt
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Letzte Enzym (Cytochromoxidase) überträgt seine Elektronen auf den Sauerstoff
=> reagiert dann mit Protonen aus dem umgebenden Medium zu Wasser
ATP-Synthese:
Durch Protonentransport: es entsteht ein Konzentrations- und Ladungsunterschied (an der
inneren Mitochondrienmembran)
=> elektrochemischer Protonengradient
=> Protonen wollen in die Mitochondrienmatrix zurückdiffundieren
=> innere Mitochondrienmembran ist für Protonen undurchlässig
=> nur durch Protonenkanäle Rückfluss möglich (Bestandteil der ATP-Synthasen)
Durch Protonenrückfluss: ADP + Phosphat = ATP
=> oxidative Phosphorylierung / Atmungskettenphosphorylierung
Bilanz:
Kopplung von Atmungskette und oxidativer Phosphorylierung = pro Glucosemolekül werden
ca. 28 Moleküle ATP gewonnen
B.S. 101 Aufgabe 1:
Stoff- und Energiebilanz der Zellatmung (kann pro Molekül Glucose oder pro mol Glucose angegeben
werden):
Stoffwechselabschnitt
Glykolyse
Schritte des
Glucoseabbaus
1 Glucose =>
2 BrenztrauBensäure
Gebildete
NADH + H+
Oxidative
Decarboxylierung
2 Brenztraubensäure
 2 CO2 + 2
Acetyl – CoA
2
Citratzyklus
2 AcetylCoA
 4 CO2
6
Gesamtbilanz
pro
Glucosemolekül
6 CO2
Gebildete
FADH2
7
10; diese
liefern über
Atmungskette:
10 * 2,5
= 25 ATP
Gebildetes
ATP
2
2
2; diese
liefern über
AtmungsKette:
2 * 1,5
= 3 ATP
2
25 + 3 + 4
= 32 ATP
B.S. 102 – Gärung lesen, Notizen ins Heft, Aufgaben 1-4:
Notizen:
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Muscheln schließen bei Ebbe ihre Schalen, um nicht auszutrocknen
=> sind von der Sauerstoffzufuhr abgeschnitten
=> einige Lebewesen kommen auch ohne Sauerstoff ganz / teilweise aus
=> diese sind alle in der Lage ATP ohne Sauerstoff durch anaeroben Stoffwechsel (Gärung) zu
bilden
=> Mikroorganismen nutzen diese Fähigkeit der Energiegewinnung besonders
Sauerstoffangebot entscheidet bei vielen Lebewesen, ob der aerobe / anaerobe
Stoffwechselweg eingeschlagen wird
Erste Teil des anaeroben Glucoseabbaus:
o Glykolyse
Das gebildete Pyruvat wird in jeweils andere Endprodukte verarbeitet (je nach Form der
Gärung)
Alkoholische Gärung:
o aus Pyruvat entsteht nach der Abspaltung von Kohlenstoffdioxid Ethanal, welches
dann zu Ethanol reduziert wird
o aufgehen von Hefeteig, Zubereitung von Most, Bier, Wein (alkoholische Gärung)
Milchsäuregärung:
Milchsäure wird als Endprodukt gebildet
Lactat erniedrigt den pH-Wert stark und hemmt so das Wachstum anderer Mikroorganismen
Milchsäure wirkt konservierend
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1:
Milchsäure wirkt konservierend
Nutzen: Erzeugung von Silage, Sauerkraut, Sauermilchprodukten
Milchsäuregärung in den Muskeln von Wirbeltieren, wenn diese mit nicht genug Sauerstoff
versorgt sind
=> ist genügend Sauerstoff vorhanden => Milchsäure wird in Pyruvat verwandelt => kann für
Zellatmung verwendet werden
Alle Organismen müssen NADH + H+, zu NAD+ oxidieren
=> um den Abbau weiterer Glucose + Bildung von ATP ermöglichen
Aerobe Bedingung: Sauerstoff dient als Endakzeptor für den Wasserstoff des NADH + H+ zur
Verfügung
Anaerobe Bedingung: Wasserstoff muss auf andere Moleküle übertragen werden
=> alkoholische Gärung: Ethanal übernimmt die Funktion des Wasserstoff-Endakzeptors
=> Milchsäuregärung: Pyruvat
Reduzierten Moleküle werden aus den Zellen geschleust => Wasserstoff ist „entsorgt“
=> Endprodukte der Gärung sind sehr energiereich
2:
NADH + H+ und FADH2
Pro mol Glucose
ATP-Gewinn
Pro mol Glucose
alkoholische
2 mol Ethanol + 2 mol
Gärung
CO2
Milchsäuregärung 2 mol Milchsäure
2 mol NADH + H+ aus
Glykolyse
2 mol NADH + H+ aus
Glykolyse
2 mol ATP aus Glykolyse
Zellatmung
- 2 mol NADH + H+ aus
Glykolyse
- 2 mol NADH + H+ aus
oxidativer Decarboxylierung
- 3 mol NADH + H+ und
2 mol FADH2 aus
Citratzyklus
- 2 mol ATP aus Glykolyse
- 2 mol ATP aus
Citratzyklus
- 28 mol ATP durch
AtmungskettenphosPhorylierung
Glucoseabbau
durch
Endprodukte
Pro mol Glucose
6 mol CO2 + 6 mol
H2O
2 mol ATP aus Glykolyse
Schritte der
Regeneration
Von NAD+ und FAD
Ethanol + NADH + H+
=> Ethanal + NAD+
Brenztraubensäure
+ NADH + H+
=> Milchsäure + NAD+
NADH + H+ + ½ O2
=> H2O + NAD+
FADH2 + ½ O2
=> H2O + FAD
Insgesamt 32 mol ATP
3:
Unter aeroben Bedingungen gewinnen Hefezellen 32 mol ATP, unter anaeroben dagegen nur 2 mol
ATP pro mol Glucose. Um ihre Zellmasse zu verdoppeln und ihren Energiebedarf zu decken, müssen
sie daher unter anaeroben Bedingungen erheblich größere Mengen (rein rechnerisch die 16-fache
Menge) Glucose abbauen.
4:
Gärungsvorgänge von Mikroorganismen spielen sowohl bei der Lebensmittelherstellung als auch bei
der Haltbarmachung von Lebensmitteln eine große Rolle. Die Milchsäuregärung liefert zahlreiche
Produkte wie Sauermilch, Joghurt, Kefir, Buttermilch, Sauerkraut und Sauerteig sowie Silagen (durch
Vergärung haltbar gemachte Frischfuttermittel). Die Reifung vieler Käsesorten beruht auf der
Propionsäuregärung. Die Herstellung von alkoholischen Getränken wie Bier und Wein, aber auch die
Herstellung von Hefeteig für Backwaren beruht auf der alkoholischen Gärung durch Hefezellen.
Speiseessig wir durch Essigsäuregärung gewonnen.
B.S. 104-105 Muskelfunktion (kennt ihr bestimmt aus Sport schon) lesen, Notizen ins Heft:
Notizen:
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Bewegung ist ein Kennzeichen des Lebendigen
Muskelzellen + Muskelfasern (Fähigkeit zur aktiven Kontraktion) => sind auf Bewegung
spezialisiert
=> keine aktive Entspannung möglich
=> Die Muskulatur ist ein Bewegungssystem, in dem Kräfte und Gegenkräfte wirken
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Struktur:
Wirbeltiere: jeder Skelettmuskel ist mit Muskelhaut umgeben => am Ende hat diese eine
Sehne
Muskelfaserbündel sind sehr leicht zu erkennen am Rohfleisch
=> bestehen aus Myofibrillen
=> dickere Filamente bestehen aus dem Protein Myosin
=> dünnere Filamente aus dem Protein Aktin + Tropomyosin
Myofibrillen: unterteilt in Z-Scheiben (Sarkomere)
Innerhalb der Sarkomere: elastische Proteine verankert (Titinfilamente)
=> helle I-Bande: Sarkomer besteht nur aus Aktinfilamente
=> dunkle A-Bande: überlappen Aktin- und Myosinfilamente
=> H-Zone: nur Myosinfilamente
=> durch parallele Anordnung der Sarkomere => Querstreifung
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Muskeltypen:
Quer gestreifte Muskulatur: Skelettmuskeln, Herzmuskel
Glatte Muskulatur: Darm, Bronchien, Harnblase, Blutgefäße
Muskelfasern der Skelettmuskulatur: => hoher Myoglobingehalt => rot Färbung
Muskelfasern: => geringer Myoglobingehalt => weiß Färbung
=> Anteil an roten und weißen Muskeln lässt sich durch Training beeinflussen (ist aber
trotzdem genetisch festgelegt)
Muskelkontraktion und ATP:
Sarkomere = „Arbeitseinheit des Muskels“
=> die in ATP chemisch gebundene Energie wird unter Wärmeverlust direkt in mechanische
Arbeit der Muskelkontraktion umgewandelt
Aufbau der Filamente:
Aktinfilament: zwei umeinandergewundenen perlschnurartigen Ketten kugelförmiger
Moleküle des Proteins Aktin
Tropomyosinmoleküle um die Aktinkette
Aller 40nm ein Troponinmolekül
Wechselwirkung zwischen den Filamenten:
Wird ATP am Myosin hydrolysiert gelangen die Myosinköpfe in einen energiereichen Zustand
=> keine Wechselwirkung, solange Tropomyosinfäden die Myosin-Bindungsstellen des Aktins
blockieren
Nervenimpuls hebt den Ruhestand: => zwischen Myosinköpfen und Aktinfilament bilden sich
Querbrücken
Grundlegender Ablauf eines Kontraktionszyklus (Filamentgleittheorie):
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Funktion: Krafterzeugung, indem Myosin und Aktin aneinander vorbeigleiten; hierbei
verkürzt sich lediglich das Sarkomer
Kontraktionsbedingungen: Ausreichend ATP und hohe intrazelluläre Calciumkonzentration
Ablauf
Ruhestellung: Aktin und Myosin können nicht miteinander interagieren, das sie durch
Begleitproteine (bspw. Tropomyosin) gehemmt werden
Kontraktionszyklus
1. Aufrichten des Myosinkopfes
 Spaltung von ATP durch die Myosin-ATPase zu ADP und P (beides verbleibt noch
am Myosinköpfchen) => Myosinköpfchen ändert seine Konformation (wird
„vorgespannt“), interagiert aber noch nicht mit Aktin
2. Querbrückenbildung
 Aktivierung der Muskelzelle (bspw. Chemisch, elektrisch) führt zu erhöhter
intrazellulärer Calciumkonzentration => Bindung von Calcium an die
Begleitproteine
 Konformationsänderung der Begleitproteine => Myosinbindungsstellen werden
freigelegt
 Myosin bindet an freigewordenes Aktin im 90°-Winkel
3. Kraftschlag des Myosinkopfes
 ADP und P werden vom Myosinkopf abgegeben => Abknickung des Myosinkopfes
um 45°
 Myosinfilament zieht Aktinfilament durch Abknickung an sich entlang (sog.
Kraftschlag) => Verkürzung der Sarkomere
4. Lösen der Querbrücken
 Bindung eines neuen ATPs an die leere Bindungsstelle des Myosinkopfes =>
Konformationsänderung
 Lösen der Querbrücken zwischen Myosin und Aktin durch ATP-Bindung
5. Wiederholung des Zyklus
 Solange die Calciumkonzentration in der Muskelzelle erhöht bleibt, kann der
Querbrückenzyklus erneut ablaufen
 Abhängig von ATPase-Aktivität (ATP-Spaltungsrate pro Zeiteinheit) der schweren
Myosinkette sind etwa 10-100 Querbrückenzyklen proSekunde möglich
 Je mehr Querbrückenzyklen / Zeiteinheit ablaufen können, desto schneller uhnd
stärker ist die Muskelkontraktion 7
 Ruhestellung: Erneuter Beginn des Kontraktionszyklus möglich
Aufgabe 1:
Die Totenstarre beruht hauptsächlich auf dem Verlust von ATP, das im toten Organismus nicht mehr
nachgebildet wird. Es kommt zu einer permanenten Anhaftung der Querbrücken und der Muskel
kann weder gedehnt noch kontrahiert werden. Die Starre tritt in den Muskeln je nach ihrer
vorangegangenen Beanspruchung früher oder später ein. Ein gut ausgeruhter Muskel kann erst nach
Stunden, ein vor dem Tod erschöpfter Muskel, bei dem die Energiespeicher verbraucht waren,
dagegen sofort in Starre verfallen. Daher wird gehetztes Wild direkt nach dem tödlichen Schuss steif.
Beim Menschen ist der erste Muskel, der in Starre verfällt, das Herz. Die Starre schwindet erst wieder
bei der beginnenden Zersetzung der Muskeln.
Aufgabe 2:
Für eine Kontraktion reicht das Vorhandensein von ATP nicht aus. Es müssen außerdem
Calciumionen zugegeben werden.
B.S. 106-107 – Kompetenzen testen: das sind zum Teil Abiaufgaben vergangener Jahre und
entsprechende Aufgabenformate – lohnenswert zum Üben!!!
A ATP-Synthese bei der Dissimilation:
Aufgabe 1:
Als Energiestoffwechsel (Dissimilation) bezeichnet man Stoffwechselvorgänge, bei denen
energiereiche organische Stoffe in energieärmere Stoffe umgewandelt werden. Dabei wirde ein Teil
der chemischen Energie zur Bildung von ATP genutzt.
Zur aeroben Dissimilation (Zellatmung) wird Sauerstoff benötigt und die organischen Verbindungen
werden vollständig zu CO2 und H2O abgebaut. Die Zellatmung liefert insgesamt 32 ATP pro Molekül
Glucose. Die Bildung von ATP durch aerobe Dissimilation erfolgt auf zwei verschiedene Weisen:
durch Substratstufenphosphorylierung und durch Atmungskettenphosphorylierung.
1. Bei der Substratstufenphosphorylierung (Glykolyse und Citratzyklus) wird die chemische
Energie organischer Stoffe zunächst als chemische Energie eines phosphorylierten
Zwischenprodukts gespeichert, dann durch Übertragung dieser Phosphatgruppe auf ADP als
chemische Energie des ATP.
2. Bei der Atmungskettenphosphorylierung (innere Mitochondrienmembran) wird die
chemische Energie des NADH + H+ und des FADH2 zunächst zum Aufbau eines
Konzentrations- und Ladungsgefälles genutzt. Die Energie dieses elektrochemischen
Protonengradienten wird dann in die chemische Energie des ATP umgewandelt.
Die anaerobe Dissimilation oder Gärung läuft in Abwesenheit von Sauerstoff und daher ohne
Beteiligung der Enzyme der Atmungskette ab. Die Bildung von ATP erfolgt nur über die
Substratstufenphosphorylierung in der Glykolyse und liefert daher nur 2 ATP pro Glucosemolekül
(Milchsäuregärung und alkoholische Gärung). Die energiereichen organischen Stoffe werden nur
unvollständig oxidiert. Die reduzierten Endprodukte sind also noch energiehaltig.
Aufgabe 2:
In den Mitochondrien treibt ein Protonengradient über der inneren Mitochondrienmembran die ATPSynthese an: Das transmembrane Enzym ATP-Synthase kann die Energie durchfließender Protonen
nutzen, um ATP aus seinen Ausgangstoffen ADP und Phosphat aufzubauen. Der notwendige
Protonengradient wird von den Redoxsystemen der Atmungskette erzeugt: Diese
Multienzymkomplexe der inneren Mitochondrienmembran nehmen den Wasserstoff von NADH + H+
sowie FADH2 auf und trennen ihn zunächst in Protonen und Elektronen. Die Protonen geben sie in
den Intermembranraum ab. Die Elektronen durchlaufen die Multienzymkomplexe der Atmungskette
und werden letztlich auf Sauerstoff übertragen, sodass Wasser gebildet wird. Das Schema unten soll
dies veranschaulichen.
Im gezeigten Experiment werden intakte Mitochondrien von einer Lösung mit geringer
Protonenkonzentration (pH -Wert; > S. 106 links, oberes Bild) in eine Lösung mit höherer
Protonenkonzentration (pH -Wert 7; > S. 106 links, unteres Bild) überführt. Offensichtlich
diffundieren nun Protonen von der Lösung in den Intermembranraum, dessen pH-Wert sich an den
der Lösung angleicht (pH-Wert 7). Die Protonen diffundieren aber nicht weiter in die Matrix (pH-Wert
9), sodass sich im Experiment ein Konzentrations- und Ladungsgefälle von Protonen über die innere
Mitochondrienmembran aufbaut. Diese Gefälle folgend, fließen die Protonen durch den
Protonenkanal der ATP-Synthase in die Matrix, wobei ATP gebildet wird. Das Versuchsergebnis zeigt
also, dass allein der Protonengradient als Enrgiequelle zur Bildung von ATP ausreichend ist.
Aufgabe 3:
Die Abtrennung von einzelnen zellulären Reaktionsräumen durch selektiv permeable Membranen
erlaubt den Aufbau von Konzentrationsunterschieden für einzelne Stoffe innerhalb einer Zelle. So ist
die Trennung von Matrix und Intermembranraum durch eine für Protonen undurchlässige Membran
(selektiv permeable Membran) Voraussetzung für den Aufbau eines Protonengradienten und damit
für die ATP-Bildung an der inneren Mitochondrienmembran.
Aufgabe 4:
Lebewesen können die chemische Energie organischer Verbindungen nicht direkt für Bewegung,
Transport oder Biosynthesen nutzen, sondern sie benötigen dazu ein universell einsetzbares
Energieüberträgermolekül wie das Molekül ATP. Um energiebedürftige Vorgänge auszuführen, wird
die Hydrolyse von ATP (bei der Energie frei wird) mit Energie benötigenden Prozessen gekoppelt. Zur
Bildung von ATP nutzen Zellen die bei Dissimilationsvorgängen frei werdende Energie. Auch NADH +
H+ und FADH2 sind energiereiche Verbindungen, bei deren Oxidation Energie frei wird. Der deutlich
höhere ATP-Gewinn für das Coenzym NADH + H+ im Vergleich zu FADH2 beruht darauf, dass NADH +
H+ seine Elektronen über den Multienzymkomplex I in die Atmungskette einschleust, FADH2 jedoch
erst über den Multienzymkomplex III (> S.100 Bild 1). So werden pro NADH + H+ mehr Protonen in
den Intermembranraum gepumpt und entsprechend mehr ATP wird gebildet.
B Energieumwandlung im braunen Fettgewebe:
Aufgabe 1:
In Abwesenheit von Thermogenin strömen die Protonen ausschließlich durch den Protonenkanal der
ATP-Synthase in die Mitochondrienmatrix zurück. So wird ATP gebildet. In Gegenwart des aktiven
Thermogenins strömen die Protonen zum großen Teil durch Thermogenin zurück. Dabei entsteht
kein ATP, stattdessen wird Energie in Form von Wärme frei. Braunes Fettgewebe dient also nur zur
Erzeugung von Wärme.
Aufgabe 2:
Hier wird nach der biologischen Bedeutung von braunem Fettgewebe gefragt: Für Säuglinge ist
braunes Fett lebensnotwendig, da sie in der Zeit unmittelbar nach der Geburt schnell auskühlen
können. Eine Umstellung des Körpers auf die Bedingungen außerhalb des Mutterleibs konnte noch
nicht erfolgen. Winterschläfer zeigen kaum Muskelaktivität während des Winterschlafs. Damit sie
trotzdem so viel Wärme produzieren können, dass sie nicht erfrieren, verfügen sie über braunes Fett.
Außerdem brauchen Winterschläfer die Wärme aus dem braunen Fettgewebe, wenn sie aufwachen,
um ihre Körpertemperatur auf das normale Niveau zu heben.
C Untersuchung des Stoffwechsels mithilfe von Tracern:
Aufgabe 1:
Als Tracer dienen Moleküle, die es erlauben, eine bestimmte Substanz wie mit einem Etikett zu
markieren, damit man deren Weg durch verschiedene Stoffwechselwege oder Kompartimente
verfolgen kann. Tracer werden dabei in nur sehr geringen Mengen verwendet, sodass sie den
normalen Stoffwechsel nicht beeinflussen. Beispielsweise wurde durch Verwendung von zweifach
radioaktiv markiertem Glycin (15N und 14C) gezeigt, dass diese Aminosäure als Baustein für die HämGruppe des Hämoglobins verwendet wird. Mithilfe von 14C-markierter Glucose könnte man
verfolgen, über welche Zwischenschritte die Biosynthese von Fetten aus Glucose erfolgt.
Aufgabe 2:
Gehirnzellen nutzen fast ausschließlich Glucose als Energielieferanten. Daher ist die Menge an
Glucose, die eine Nervenzelle aufnimmt, ein Maß für deren Stoffwechselrate. Da Glucose in
Gehirnzellen sofort abgebaut wird, ist es allerdings schwierig, die Geschwindigkeit der
Glucoseaufnahme selbst zu messen. Man verwendet stattdessen FDG – ein radioaktiv markiertes
Glucosemolekül -, das zwar mit der gleichen Geschwindigkeit wie Glucose in die Gehirnzellen
transportiert, dort aber nur sehr langsam weiter abgebaut wird. So reichern sich FDG und FDG-6-P in
Gehirnzellen an und können dort anhand des Zerfalls von 18F nachgewiesen werden. Die Verteilung
und Konzentration von FDG-6-P und FDG in verschiedenen Gehirnbereichen erlaubt so Rückschlüsse
auf deren Stoffwechselaktivität.
Aufgabe 3:
Das Gehirn des Alzheimer-Patienten zeigt in bestimmen Bereichen eine viel geringere Konzentration
an FDG und FDG-6-P, während in anderen Bereichen die Konzentrationen -etwa denen eines
Gesunden entsprechen. Das Untersuchungsergebnis lässt auf eine verringerte Stoffwechselaktivität
und damit auf eine eingeschränkte Informationsverarbeitung in den betroffenen Gehirnbereichen
schließen; in den ganz dunkel erscheinenden Bereichen sind die Gehirnzellen möglicherweise
vollkommen zugrunde gegangen. Der teilweise oder vollständige Ausfall der gezeigten
Gehirnbereiche ist vermutlich die Ursache des – für Alzheimer-Demenz typischen – Verlusts der
geistigen Fähigkeiten.
D Stoffwechsel der Bäckerhefe:
Aufgabe 1:
Durch den Abbau von Glucose gewinnt Hefe biologisch nutzbare Energie. Dabei wird ein Teil der
chemischen Energie der Glucose zur Bildung des Energieträgers ATP verwendet.
Aufgabe 2:
Adenosintriphosphat (ATP) ist der bei allen Lebewesen zur Übertragung von Energie und zum
Verrichten von (chemischer, mechanischer oder Transport-) Arbeit in den Zellen verwendete Stoff. Je
mol ATP wird dabei ein Betrag von etwa 30kJ Energie nutzbar. Häufig wird eine Phosphatgruppe von
ATP auf andere Moleküle übertragen (Phosphorylierung), die dadurch aktiviert, also energiereicher
werden. Die Phosphatgruppe wird beim Verrichten von Arbeit wieder abgespalten.
Teilreaktion: ATP + X
Summe:
=> ADP + X- P
X- P + Y
=> X-Y + P
ATP + X + Y
=> ADP + P + XY
Energiedifferenz: < 30 kJ / mol
ATP muss danach aus ADP + P durch Abbau von Glucose (und anderen Nährstoffen) wieder
regeneriert werden.
Aufgabe 3:
Bedingungen
Anaerober
Abbau
Glucose
Abschnitte
Glykolyse
Glykolyse
Citratzyklus
Zellkompartiment
Zellplasma
Zellplasma
Mitochondrien- Innere
matrix
Mitochondrienmembran
Endprodukte
Ethanol CO2
Energiebilanz
Aerober Abbau
Glucose und Sauerstoff
Atmungskette
H2O, CO2
32 mol ATP je mol Glucose
Aufgabe 4:
Durch den etwa 10-bis 15-fach effektiveren Glucoseabbau unter aeroben Bedingungen kann
die Energie überwiegend (etwa zwei Drittel) für die Assimilation, also zum Aufbai von
Zellsubstanz eingesetzt werden, bei anaeroben Stoffwechsel nur zu etwa einem Drittel.
Entsprechend überwiegt umgekehrt die Dissimilation bei anaerobem Stoffwechsel. Steht der
Hefe Sauerstoff zu Verfügung, kann sie sich daher – den Beobachtungen PASTEURS
entsprechend – auch intensiver vermehren.
Aufgabe 5:
Für das Experiment müssen mehrere Versuche unter gleichen Bedingungen
(Glucosekonzentration, Hefestamm, Anzahl der Hefezellen, Temperatur) angesetzt werden.
Da Sauerstoff das Versuchsergebnis beeinflussen kann, sollten die Versuche ohne Sauerstoff
stattfinden, z.B. in einer Stickstoffatmosphäre. Den verschiedenen Versuchsansätzen werden
unterschiedliche Mengen von ATP zugesetzt. In jedem Versuchsansatz wird die
Alkoholbildung in Abhängigkeit von der Zeit gemessen.
Aufgabe 6:
Die Diagramme stellen die Veränderung der Glucosekonzentration (oberes Diagramm) und
der Ethanolkonzentration (unteres Diagramm) einer Hefekultur in Abhängigkeit von der Zeit
dar. Die Graphen A verlaufen linear und lassen sich aeroben Bedingungen zuordnen, die
Graphen B verlaufen exponentiell und gelten für anaerobe Verhältnisse.
Begründung: Unter aeroben Bedingungen wird das Substrat mit geringerer Geschwindigkeit
abgebaut und kaum Ethanol produziert. Unter anaeroben Bedingungen erzeugt Hefe (CO2
und) Ethanol anfangs mit hoher Umsatzgeschwindigkeit, die mit der Zeit durch die
abnehmende Glucosekonzentration kleiner wird.
Aufgabe 7:
Nur unter aeroben Bedingungen entsteht so viel ATP, dass seine Konzentration das Enzym
Phosphofructokinase (und dadurch den Glucoseabbau in der Glykolyse durch negative
Rückkopplung) wirksam hemmt.
Aufgabe 8:
Zellen des Hefestamms „petite“ vermehren sich vermutlich langsamer als Zellen anderer
Hefen, da sie aufgrund fehlender Enzyme der Atmungskette den Sauerstoff zur
Energiegewinnung nicht nutzen können. Sie können ATP daher nicht durch oxidative,
sondern nur durch Substratstufenphosphorylierung bilden. Durch die viel geringere ATPBildung ist ihr Baustoffwechsel und damit auch die Bildung von Zellsubstanz weniger intensiv
als bei Hefen mit funktionierender Atmungskette und der Möglichkeit des Pasteur-Effekts.
Die geringere Vermehrungsrate könnte dann auch bewirken, dass die Kolonien relativ klein
bleiben.
Aufgabe 9:
Die Nutzung wäre dann sinnvoll, wenn bei biotechnologischen Gärungsprozessen trotz
aerober Bedingungen eine hohe Ethanolausbeute erzielt werden soll. Voraussetzung wäre
die Eignung des Hefestamms im technologischen Prozess. Probleme könnten sich auch aus
der geringeren Vermehrungsrate der Mutante ergeben.
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