Zwei Wege ins Mitochondrium
AFB I–IIDas NADH + H+ aus der Glykolyse entsteht im Cytoplasma. Die innere Mitochondrienmembran ist für NADH undurchlässig; nur seine Elektronen werden über Shuttle-Systeme übergeben. In Herz und Leber arbeitet der Malat-Aspartat-Shuttle: Die Elektronen erreichen die Matrix wieder als NADH + H+. In Skelettmuskel und Gehirn überwiegt der Glycerinphosphat-Shuttle: Die Elektronen gelangen auf FAD und steigen wie bei FADH₂ in die Atmungskette ein. Rechnen Sie mit ≈ 2,5 ATP je NADH + H+ und ≈ 1,5 ATP je FADH₂.
| Teilschritt | NADH + H⁺ | FADH₂ | ATP (Substratkette, netto) | CO₂ |
|---|---|---|---|---|
| Glykolyse | 2 | 0 | 2 | 0 |
| Oxidative Decarboxylierung | 2 | 0 | 0 | 2 |
| Citratzyklus | 6 | 2 | 2 | 4 |
- Nennen Sie für jeden Teilschritt der Zellatmung den Ort in der Zelle.
- Beschreiben Sie mithilfe von M1 die Stoffbilanz der Zellatmung und leiten Sie daraus die Summengleichung ab.
- Berechnen Sie die ATP-Ausbeute je Glucose und den Wirkungsgrad für eine Skelettmuskelzelle.
- Erklären Sie, warum Lehrbücher je Glucose zwischen 30 und 38 ATP angeben.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Glykolyse: Cytoplasma. Oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus: Mitochondrienmatrix. Atmungskette mit ATP-Synthase: innere Mitochondrienmembran (Cristae).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Aus M1: Es entstehen 2 + 4 = 6 CO₂ — die sechs C-Atome der Glucose verlassen die Zelle vollständig als CO₂. Außerdem entstehen 2 + 2 + 6 = 10 NADH + H+ und 2 FADH₂. Diese 12 Überträger geben je 2 Elektronen, also 24 Elektronen, an die Atmungskette ab. Ein O₂ nimmt 4 Elektronen auf; daher werden 6 O₂ zu 12 H₂O reduziert. Im Laufe des Abbaus, vor allem im Citratzyklus, werden netto 6 H₂O verbraucht. Summengleichung: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O → 6 CO₂ + 12 H₂O, gekürzt C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Substratkette: 2 + 2 = 4 ATP. NADH aus Decarboxylierung und Citratzyklus: 8 · 2,5 = 20 ATP. FADH₂ aus dem Citratzyklus und die über den Shuttle eingeschleusten Elektronen: (2 + 2) · 1,5 = 6 ATP. Summe: 30 ATP. Energie: 30 · 30,5 kJ = 915 kJ; η = 915 kJ : 2870 kJ ≈ 0,32 = 32 %. Der Rest (≈ 68 %) wird als Wärme frei.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die ATP-Zahl ist kein fester Wert, sondern hängt von Annahmen ab. Früher nahm man ganzzahlige P/O-Werte an (3 ATP je NADH, 2 je FADH₂) und kam so auf 38 ATP, mit Glycerinphosphat-Shuttle auf 36 ATP. Heute weiß man aus Messungen der Protonenströme: Je NADH werden etwa 10 H⁺, je FADH₂ etwa 6 H⁺ gepumpt, und für ein ATP einschließlich Transport von ADP und Phosphat fließen etwa 4 H⁺ zurück. Daraus folgen 2,5 bzw. 1,5 ATP und insgesamt 32 ATP (Malat-Aspartat-Shuttle) oder 30 ATP (Glycerinphosphat-Shuttle). Zusätzlich sickern Protonen ungenutzt durch die Membran zurück, sodass die tatsächliche Ausbeute eher darunter liegt.
Fett als Treibstoff für Zugvögel
AFB II–IIIDer Knutt, ein Watvogel, fliegt jedes Jahr mehrere Tausend Kilometer ohne Pause. Vor dem Abflug frisst er sich eine Fettreserve an, die fast die Hälfte seiner Körpermasse ausmachen kann. In den Flugmuskeln werden Fettsäuren wie die Palmitinsäure in der Mitochondrienmatrix durch β-Oxidation zu Acetyl-CoA abgebaut, das in Citratzyklus und Atmungskette weiter oxidiert wird. Rechnen Sie mit ≈ 2,5 ATP je NADH + H+, ≈ 1,5 ATP je FADH₂ und 30,5 kJ/mol je ATP.
| Größe | Glucose | Palmitinsäure |
|---|---|---|
| Summenformel | C₆H₁₂O₆ | C₁₆H₃₂O₂ |
| molare Masse | 180 g/mol | 256 g/mol |
| ΔG°′ der vollständigen Oxidation | −2870 kJ/mol | −9790 kJ/mol |
| O₂-Bedarf je Molekül | 6 | 23 |
| Abbau bis Acetyl-CoA | Glykolyse und Decarboxylierung: 2 Acetyl-CoA, 4 NADH + H⁺, 2 ATP | β-Oxidation: 8 Acetyl-CoA, 7 NADH + H⁺, 7 FADH₂; Aktivierung kostet 2 ATP |
| ATP je Molekül | ≈ 32 | ? |
- Berechnen Sie die ATP-Ausbeute beim vollständigen Abbau eines Moleküls Palmitinsäure.
- Vergleichen Sie Glucose und Palmitinsäure hinsichtlich ATP je Gramm, Wirkungsgrad und ATP je verbrauchtem O₂.
- Erläutern Sie, warum Zugvögel Energie vor allem als Fett und nicht als Glykogen speichern.
- Beurteilen Sie die Aussage: „Muskeln sollten nur Fett verwerten — das ist in jeder Lage am effizientesten.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
8 Acetyl-CoA liefern im Citratzyklus 24 NADH + H⁺, 8 FADH₂ und 8 ATP. Mit der β-Oxidation: 7 + 24 = 31 NADH + H⁺ und 7 + 8 = 15 FADH₂. ATP: 31 · 2,5 + 15 · 1,5 + 8 = 77,5 + 22,5 + 8 = 108; abzüglich 2 ATP für die Aktivierung: 106 ATP je Palmitinsäure.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
ATP je Gramm: Glucose 32 : 180 g ≈ 0,18 mol ATP/g, Palmitinsäure 106 : 256 g ≈ 0,41 mol ATP/g — Fett liefert je Masse etwa 2,3-mal so viel ATP. Wirkungsgrad: Glucose ≈ 34 %, Palmitinsäure 106 · 30,5 kJ : 9790 kJ ≈ 0,33 = 33 % — praktisch gleich. ATP je O₂: Glucose 32 : 6 ≈ 5,3, Palmitinsäure 106 : 23 ≈ 4,6 — Glucose nutzt den Sauerstoff besser aus.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Für einen Vogel zählt jedes Gramm, das er mitträgt. Fett liefert je Gramm mehr als doppelt so viel ATP wie Kohlenhydrate. Hinzu kommt: Fett wird wasserfrei gelagert, Glykogen bindet ein Mehrfaches seiner Masse an Wasser. Für dieselbe Energiemenge wäre ein Glykogenspeicher daher um ein Vielfaches schwerer. Fett ist deshalb die angepasste Speicherform für lange Flüge; die Wirkungsgrade beider Stoffe sind dabei annähernd gleich.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage trifft nur teilweise zu. Je Masse ist Fett der bessere Speicher (Teil b), bei gleichem Wirkungsgrad. Je verbrauchtem Sauerstoff liefert Glucose aber mehr ATP (5,3 statt 4,6). Bei hoher Belastung, wenn die O₂-Versorgung die Leistung begrenzt, ist Glucose daher im Vorteil. Außerdem ist die β-Oxidation langsamer, und nur Glucose kann bei Sauerstoffmangel über die Gärung noch ATP liefern; Gehirn und rote Blutzellen sind auf Glucose angewiesen. Fazit: Fett ist optimal für lange, gleichmäßige Belastung, Glucose für kurze, intensive — „in jeder Lage“ gilt die Aussage nicht.