Leuchtende Käfer als Messgerät
AFB I–IIGlühwürmchen leuchten mithilfe des Enzyms Luciferase. Es verknüpft den Stoff Luciferin unter ATP-Verbrauch zu einem aktivierten Zwischenprodukt (Luciferyl-AMP), das mit Sauerstoff unter Lichtaussendung reagiert. In Lebensmittelbetrieben nutzt man diese Reaktion für einen Hygienetest: Ein Tupfer nimmt Proben von einer Oberfläche auf, wird mit Luciferin und Luciferase gemischt, und ein Messgerät bestimmt die Lichtmenge in „relativen Lichteinheiten“ (RLU). Die Lichtmenge ist proportional zur ATP-Menge der Probe.
| Probe (Tupfer auf 10 cm × 10 cm) | Leuchtsignal in RLU |
|---|---|
| frisch gereinigtes Schneidbrett | 45 |
| Schneidbrett nach Gemüseschneiden | 2 850 |
| Schneidbrett nach Reinigung mit kaltem Wasser | 1 120 |
| Grenzwert „sauber“ laut Hersteller | unter 150 |
- Beschreiben Sie den Aufbau eines ATP-Moleküls.
- Erläutern Sie das Prinzip der energetischen Kopplung am Beispiel der Luciferin-Aktivierung.
- Werten Sie die Messwerte in M1 aus.
- Beurteilen Sie die Aussage eines Betriebsleiters: „Der ATP-Test zählt die Bakterien auf dem Brett.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
ATP (Adenosintriphosphat) besteht aus der Base Adenin, dem Zucker Ribose (Pentose) und drei hintereinander gebundenen Phosphatgruppen. Adenin und Ribose bilden zusammen Adenosin.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Die Aktivierung von Luciferin ist endergonisch und läuft allein nicht ab. Luciferase bindet Luciferin und ATP gleichzeitig; das ATP wird gespalten und ein Teil davon (AMP) auf Luciferin übertragen. Es entsteht das energiereichere gemeinsame Zwischenprodukt Luciferyl-AMP. Weil die ATP-Spaltung stark exergonisch ist, ist die Summe der ΔG-Werte negativ — die gekoppelte Reaktion läuft ab. Das Zwischenprodukt reagiert anschließend mit Sauerstoff; die Energie wird als Licht abgegeben.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Das frisch gereinigte Brett liegt mit 45 RLU deutlich unter dem Grenzwert von 150 RLU und gilt als sauber. Nach dem Schneiden ist der Wert etwa 63-mal so hoch (2 850 RLU): Zellreste des Gemüses enthalten viel ATP. Die Reinigung mit kaltem Wasser senkt den Wert auf 1 120 RLU, bleibt aber rund siebenmal über dem Grenzwert — kaltes Wasser allein reinigt nicht ausreichend.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage ist nicht haltbar. Der Test misst ATP, und ATP kommt in allen lebenden Zellen vor — in Bakterien, aber auch in Pflanzen- und Tierzellen aus Lebensmittelresten. Ein hoher Wert zeigt organische Verschmutzung an, nicht die Zahl der Bakterien. Umgekehrt kann ein niedriger Wert Bakterien nicht sicher ausschließen, wenn nur wenige vorhanden sind. Der Test eignet sich als schnelle Hygienekontrolle, ersetzt aber keine mikrobiologische Keimzählung.
Energie für den Sprint
AFB II–IIIEin Muskel enthält nur so viel ATP, dass es bei maximaler Belastung etwa zwei Sekunden reichen würde. Muskelzellen besitzen zusätzlich Kreatinphosphat. Das Enzym Kreatinkinase überträgt dessen Phosphatgruppe auf ADP: Kreatinphosphat + ADP → Kreatin + ATP. Für die Hydrolyse von Kreatinphosphat gilt \(\Delta G^{\circ\prime} = -43{,}1\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\), für die Hydrolyse von ATP \(\Delta G^{\circ\prime} = -30{,}5\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
| Zeit in s | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ATP in mmol/kg | 5,0 | 4,9 | 4,8 | 4,6 | 4,5 | 4,4 |
| Kreatinphosphat in mmol/kg | 20 | 14 | 10 | 7 | 5 | 4 |
- Nennen Sie drei Vorgänge im Körper, die ATP verbrauchen.
- Berechnen Sie \(\Delta G^{\circ\prime}\) der Kreatinkinase-Reaktion und begründen Sie, in welche Richtung sie abläuft.
- Deuten Sie den Verlauf der beiden Konzentrationen in M2.
- Diskutieren Sie, warum Muskelzellen Energie nicht einfach als große ATP-Vorräte bereithalten.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Zum Beispiel Muskelkontraktion, Natrium-Kalium-Pumpe (aktiver Transport), Proteinbiosynthese, DNA-Replikation, Aufbau von Glykogen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Kreatinphosphat + H₂O → Kreatin + Pᵢ: \(-43{,}1\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\); ADP + Pᵢ → ATP + H₂O: \(+30{,}5\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Summe: \(\Delta G^{\circ\prime} = -43{,}1 + 30{,}5 = -12{,}6\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Die Reaktion ist exergonisch und läuft unter Standardbedingungen in Richtung ATP-Bildung ab.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Kreatinphosphat nimmt in 10 s von 20 auf 4 mmol/kg stark ab (−80 %), ATP sinkt nur leicht von 5,0 auf 4,4 mmol/kg (−12 %). Das verbrauchte ATP wird also laufend aus Kreatinphosphat nachgebildet; die ATP-Konzentration wird gepuffert. Nach etwa 10 s ist der Kreatinphosphat-Vorrat weitgehend erschöpft — ab dann muss ATP aus dem Abbau von Glucose kommen und die Sprintleistung sinkt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Für: ATP ist sofort verfügbar. Dagegen: ATP ist kein geeigneter Speicher. Für den täglichen Bedarf wären Dutzende Kilogramm nötig; die Zellen wären mit einem Stoff überladen, der zudem viele Enzyme beeinflusst. ATP wirkt als Überträger in einem schnellen Kreislauf ATP ⇄ ADP + Pᵢ und muss nur in kleiner Menge vorliegen. Kreatinphosphat puffert Sekunden, Glykogen und Fette speichern kompakt für Minuten bis Tage. Die Kombination aus kleinem ATP-Pool, Kreatinphosphat-Puffer und kompakten Speichern ist daher energetisch und räumlich sinnvoll.