Zellatmung und Gärung: Übungen AFB II – Biologie Leistungskurs

A1

Ohne Sauerstoff kein Citratzyklus

AFB II

Der Citratzyklus verbraucht selbst keinen Sauerstoff — trotzdem kommt er ohne O₂ zum Stillstand. Erklären Sie das, indem Sie die Ursachenkette ordnen.

Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.

1Sauerstoff fehlt als Endakzeptor an Komplex IV.

2Die Überträger der Kette bleiben reduziert, der Elektronenfluss stoppt.

3NADH + H⁺ und FADH₂ können ihre Elektronen nicht mehr abgeben.

4NAD⁺ und FAD werden in der Matrix knapp.

5Die Dehydrogenasen des Citratzyklus finden keinen Elektronenakzeptor mehr — der Zyklus steht still.

Der Citratzyklus hängt über die Coenzyme an der Atmungskette: Ohne Endakzeptor kein NAD⁺, ohne NAD⁺ keine Oxidation im Zyklus.

Beginnen Sie am Ende der Kette.

Welche Stoffe braucht der Citratzyklus als Elektronenakzeptoren?

A2

Drei Wege, Glucose zu nutzen

AFB II

Vergleichen Sie Zellatmung und die beiden Gärungen. Kreuzen Sie alle zutreffenden Spalten an.

Setzen Sie alle passenden Kreuze — manche Zeilen brauchen mehrere. Enter setzt und löscht.

Merkmal	Zellatmung	Milchsäuregärung	alkoholische Gärung
braucht Sauerstoff
setzt CO₂ frei
liefert 2 ATP je Glucose
regeneriert NAD⁺ im Cytoplasma durch Reduktion eines Abbauprodukts
beginnt mit der Glykolyse
Endprodukt enthält noch viel nutzbare Energie

Alle drei Wege beginnen mit der Glykolyse. Die Gärungen enden im Cytoplasma, liefern nur deren 2 ATP und lassen Lactat bzw. Ethanol als energiereiche Endprodukte zurück.

Zwei Zeilen gelten für beide Gärungen, eine für alle drei Wege.

CO₂ entsteht auch bei der Pyruvatdecarboxylase.

A3

Pyruvat in der Leber

AFB II

Leberzellen nehmen Pyruvat aus dem Blut auf und bauen es in den Mitochondrien vollständig ab. Ermitteln Sie die ATP-Ausbeute (≈ 2,5 ATP je NADH + H⁺, ≈ 1,5 ATP je FADH₂).

Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.

NADH + H⁺ je Pyruvat (Decarboxylierung + Citratzyklus): NADH
FADH₂ je Pyruvat: FADH₂
ATP je Pyruvat insgesamt (inkl. GTP): ATP
Anteil beider Pyruvat an den 32 ATP einer Glucose: %

4 · 2,5 + 1 · 1,5 + 1 = 12,5 ATP je Pyruvat. Zwei Pyruvat liefern 25 von 32 ATP ≈ 78 % — der Großteil der Energie steckt nach der Glykolyse noch im Pyruvat.

Die oxidative Decarboxylierung liefert ein NADH, der Citratzyklus drei.

Das GTP aus dem Citratzyklus zählt als ein ATP.

A4

Wann arbeitet die PFK schneller?

AFB II

Begründen Sie, ob die Aktivität der Phosphofructokinase in der jeweiligen Situation steigt oder sinkt, indem Sie die Karten einordnen.

Ziehen Sie jede Karte in den passenden Korb — oder wählen Sie sie mit Enter aus und drücken Sie dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).

1PFK-Aktivität steigt

2PFK-Aktivität sinkt

ATP und Citrat hemmen die PFK allosterisch, AMP und ADP heben die Hemmung auf — negative Rückkopplung: Die Glykolyse läuft nur so schnell, wie ATP gebraucht wird.

Was zeigt ein hoher AMP-Spiegel an?

Auch ein Gift kann die Glykolyse indirekt beschleunigen — über den ATP-Mangel.

A5

Vier unbekannte Stoffe

AFB II

Isolierte Mitochondrien werden mit vier Stoffen W–Z behandelt (Modellbefunde):

Stoff	O₂-Verbrauch	ATP-Bildung	Protonengradient
W	unverändert	unverändert	unverändert
X	stark ↓	stark ↓	bricht zusammen
Y	↑	stark ↓	bricht zusammen
Z	stark ↓	stark ↓	bleibt hoch

Deuten Sie die Befunde, indem Sie jedem Stoff seine Wirkung zuordnen.

Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.

Der Gradient unterscheidet X und Z: Ohne Elektronenfluss wird nicht gepumpt (X). Ist die ATP-Synthase verstopft, staut sich der Gradient und bremst die Atmung (Z). Nur ein Entkoppler (Y) steigert den O₂-Verbrauch.

Achten Sie zuerst auf die Spalte „Protonengradient“.

Nur bei einem Stoff steigt der O₂-Verbrauch.

A6

ATP-Umsatz eines Tages

AFB II

Ein Mensch mit 70 kg Körpermasse setzt täglich ungefähr so viel ATP um, wie er wiegt. Schätzen Sie ab, wie viel Glucose (in g) nötig wäre, wenn das gesamte ATP über die Zellatmung mit ≈ 32 ATP je Glucose gebildet würde. \(M(\text{ATP}) = 507\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\), \(M(\text{Glucose}) = 180\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\).

Rechnen Sie oder überlegen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt.

g

\(n(\text{ATP}) = 70\,000 : 507 \approx 138\,\mathrm{mol}\); \(n(\text{Glucose}) = 138 : 32 \approx 4{,}3\,\mathrm{mol}\); \(m \approx 4{,}3 \cdot 180 \approx \mathbf{780\,g}\). Möglich ist das nur, weil jedes ATP-Molekül tausendfach recycelt wird.

Rechnen Sie zuerst die Stoffmenge ATP aus.

Teilen Sie durch 32 und multiplizieren Sie mit der molaren Masse der Glucose.

A7

Energie aus Redoxpotenzialen

AFB II

Ein Elektronenpaar wandert von NADH (\(E^{\circ\prime} = -0{,}32\,\mathrm{V}\)) zum Sauerstoff (\(E^{\circ\prime} = +0{,}82\,\mathrm{V}\)); \(F = 96\,485\,\mathrm{C\,mol^{-1}}\). Werten Sie die Werte energetisch aus.

Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.

\(\Delta E^{\circ\prime}\) in V: V
\(\Delta G^{\circ\prime} = -z \cdot F \cdot \Delta E^{\circ\prime}\) in kJ/mol: kJ/mol
theoretisch höchstens bildbare ATP (ganze Zahl, je 30,5 kJ/mol): ATP
genutzter Anteil bei tatsächlich 2,5 ATP in %: %

\(\Delta G^{\circ\prime} = -2 \cdot 96\,485 \cdot 1{,}14\,\mathrm{J\,mol^{-1}} \approx -220\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Theoretisch reichten sie für 7 ATP; gebildet werden ≈ 2,5 ATP (≈ 35 %), der Rest wird Wärme.

ΔE = E(Akzeptor) − E(Donator); z = 2.

220 : 30,5 ≈ 7,2 — es zählen nur ganze ATP.

A8

Kompartimente im Mitochondrium

AFB II

Erläutern Sie den Zusammenhang von Bau und Funktion des Mitochondriums, indem Sie die Aussagen prüfen.

5 Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann starten Sie die Serie mit „Neue Runde“ neu.

Aussage 1 von 5

Kompartimentierung: Nur weil die innere Membran dicht ist, kann sich zwischen zwei Räumen ein Gradient aufbauen.

Welche Membran ist gefaltet und dicht?

Viele Protonen = niedriger pH-Wert.

A9

Welche Gleichung gehört wohin?

AFB II

Ordnen Sie die Teilgleichungen in die Abschnitte der Zellatmung ein.

Ziehen Sie jede Karte in den passenden Korb — oder wählen Sie sie mit Enter aus und drücken Sie dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).

1Glykolyse

2oxidative Decarboxylierung

3Citratzyklus

4Atmungskette

Phosphorylierte Zucker gehören zur Glykolyse, CoA-Verbindungen zu Decarboxylierung und Citratzyklus, freie Elektronen und Sauerstoff zur Atmungskette. Die Succinat-Oxidation ist zugleich der Einstieg über Komplex II.

Suchen Sie nach Leitmolekülen: Zuckerphosphat, CoA, Sauerstoff.

An welcher Stelle geben NADH + H⁺ ihre Elektronen ab?

A10

Hefe mit und ohne Luft

AFB II

Zwei gleiche Hefeansätze mit Glucose, einer belüftet, einer luftdicht (Modellwerte nach 24 h):

Messgröße	belüftet	luftdicht
Glucoseverbrauch	10 g	45 g
gebildetes Ethanol	0,2 g	21 g
Zunahme der Hefemasse	4,5 g	0,8 g

Interpretieren Sie die Messwerte, indem Sie alle zutreffenden Aussagen markieren.

Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.

Pasteur-Effekt: Mit O₂ veratmet die Hefe Glucose (≈ 32 ATP), braucht weniger davon und wächst stärker. Ohne O₂ gärt sie (2 ATP) und muss viel mehr Glucose umsetzen.

Vergleichen Sie Glucoseverbrauch und Wachstum.

Wie viele ATP liefert eine Glucose bei Atmung bzw. Gärung?

Übung AFB II

Aufgabenblock — AFB II