Rote Blutzellen ohne Mitochondrien
AFB I–IIReife Erythrocyten des Menschen besitzen weder Zellkern noch Mitochondrien. Trotzdem müssen sie ständig ATP bilden, z. B. für die Natrium-Kalium-Pumpe in ihrer Membran. In einem Versuch wurden Erythrocyten in einer Glucoselösung unter verschiedenen Bedingungen inkubiert. Oxamat ist ein Stoff, der die Lactatdehydrogenase hemmt.
| Ansatz | Glucoseverbrauch in µmol | Lactatbildung in µmol | ATP-Gehalt in % von A |
|---|---|---|---|
| A: mit O₂ | 10 | 20 | 100 |
| B: ohne O₂ (Stickstoff) | 10 | 20 | 100 |
| C: mit O₂ + Oxamat (Hemmstoff der LDH) | 1 | 1,5 | 35 |
- Nennen Sie die Edukte und Produkte der Milchsäuregärung.
- Erläutern Sie, wie Erythrocyten unter anaeroben Bedingungen ATP bilden.
- Werten Sie die Messwerte in M1 aus.
- Begründen Sie, warum der ATP-Gehalt in Ansatz C trotz Sauerstoff stark sinkt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Edukte: Glucose (sowie ADP und Phosphat). Produkte: 2 Lactat und 2 ATP je Glucose. Zwischenprodukte sind Pyruvat sowie NADH + H⁺, das wieder zu NAD⁺ oxidiert wird.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
In der Glykolyse wird Glucose unter Einsatz von 2 ATP aktiviert und in zwei C₃-Körper gespalten. Diese werden oxidiert; dabei wird NAD⁺ zu NADH + H⁺ reduziert. Anschließend entstehen durch Substratkettenphosphorylierung 4 ATP und 2 Pyruvat — netto 2 ATP je Glucose. Da keine Atmungskette vorhanden ist, reduziert die Lactatdehydrogenase das Pyruvat mit NADH + H⁺ zu Lactat. Das so regenerierte NAD⁺ steht der Glykolyse wieder zur Verfügung, sodass die ATP-Bildung weiterlaufen kann.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
A und B liefern identische Werte: Sauerstoff hat keinen Einfluss, weil Erythrocyten ohne Mitochondrien keine Zellatmung betreiben. Je Glucose entstehen 20 : 10 = 2 Lactat — genau die Stöchiometrie der Milchsäuregärung. In C ist die LDH gehemmt: Glucoseverbrauch (1 µmol) und Lactatbildung (1,5 µmol) sinken auf etwa ein Zehntel, der ATP-Gehalt auf 35 %. Die Glykolyse läuft ohne funktionierende LDH kaum noch.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Ist die LDH gehemmt, kann NADH + H⁺ nicht mehr zu NAD⁺ oxidiert werden. Eine Atmungskette als Alternative fehlt, sodass auch der vorhandene Sauerstoff nicht genutzt werden kann. NAD⁺ wird knapp, die Oxidation der C₃-Körper in der Glykolyse stoppt, und damit bricht auch die ATP-Bildung ein. Der verbleibende ATP-Gehalt reicht nicht mehr für die Ionenpumpen. Das zeigt: Die NAD⁺-Regeneration ist die eigentliche Funktion der Gärung.
Silage — Futter aus dem Gärsilo
AFB II–IIILandwirte konservieren Gras als Silage: Das Gras wird gehäckselt, festgewalzt und luftdicht abgedeckt. Milchsäurebakterien auf den Pflanzen vergären den Zucker der Pflanzensäfte. Solange noch Luft im Silo ist, wachsen auch aerobe Bakterien und Schimmelpilze, die bei einem pH-Wert unter etwa 4,5 kaum noch aktiv sind. Die Milchsäurebakterien in diesem Silo bilden ausschließlich Lactat (homofermentativ). Molare Massen: Glucose 180 g/mol, Milchsäure 90 g/mol.
| Tag | 0 | 2 | 5 | 10 | 30 |
|---|---|---|---|---|---|
| pH-Wert | 6,0 | 5,0 | 4,3 | 4,0 | 3,9 |
| Zucker in g | 30 | 18 | 8 | 3 | 2 |
| Lactat in g | 0 | 8 | 16 | 20 | 21 |
- Beschreiben Sie die Entwicklung der drei Messgrößen in M2.
- Erklären Sie, warum die Regeneration von NAD⁺ für Milchsäurebakterien eine Angepasstheit an anaerobe Bedingungen ist.
- Berechnen Sie, wie viel Lactat aus dem bis Tag 30 verbrauchten Zucker höchstens entstehen kann, und deuten Sie die Abweichung zum Messwert.
- Beurteilen Sie die Regel eines Landwirts: „Das Silo muss schnell und absolut luftdicht verschlossen werden.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Der Zuckergehalt sinkt von 30 g auf 2 g, anfangs schnell (bis Tag 5 um 22 g), danach nur noch langsam. Gegenläufig steigt der Lactatgehalt von 0 auf 21 g, ebenfalls zuerst stark und ab Tag 10 kaum noch. Der pH-Wert fällt von 6,0 auf 3,9; nach etwa fünf Tagen liegt er unter 4,5 und ändert sich danach nur noch wenig.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ohne Sauerstoff gibt es keinen Endakzeptor für eine Atmungskette. Das in der Glykolyse gebildete NADH + H⁺ könnte nicht mehr oxidiert werden, NAD⁺ würde knapp und die Glykolyse — die einzige ATP-Quelle — käme zum Stillstand. Milchsäurebakterien reduzieren Pyruvat mit NADH + H⁺ zu Lactat und gewinnen so NAD⁺ zurück. Damit bleibt die Glykolyse mit 2 ATP je Glucose in Gang. Diese Fähigkeit erlaubt ihnen, in sauerstofffreien Lebensräumen zu wachsen; zusätzlich verschafft ihnen die Säuerung einen Vorteil gegenüber Konkurrenten.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Verbraucht werden 30 g − 2 g = 28 g Zucker. Aus 180 g Glucose entstehen 2 · 90 g = 180 g Milchsäure; die Masse bleibt also erhalten. Höchstens entstehen damit 28 g Lactat. Gemessen werden nur 21 g (75 %). Ein Teil des Zuckers wurde vermutlich von aeroben Mikroorganismen in der Anfangsphase veratmet oder von den Bakterien selbst für Wachstum und Zellbausteine genutzt. (Modellwerte.)
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Regel ist fachlich gut begründet. Solange Luft im Silo ist, veratmen Pflanzenzellen, aerobe Bakterien und Schimmelpilze Zucker vollständig zu CO₂ — dieser Zucker fehlt für die Milchsäurebildung und damit für die Säuerung, und Energie geht dem Futter verloren. Erst wenn der pH-Wert unter etwa 4,5 fällt, sind die Konkurrenten gehemmt. Je schneller der Sauerstoff fehlt, desto schneller dominieren die Milchsäurebakterien. Einschränkend gilt: „Absolut“ luftdicht ist praktisch kaum erreichbar; ein geringer Luftrest wird von den Pflanzenzellen rasch verbraucht. Entscheidend ist, dass danach keine Luft mehr nachströmt — sonst setzen Schimmel und Nacherwärmung ein.