Zellatmung und Gärung: Zusammenfassung – Biologie Leistungskurs

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Energie in Lebewesen

ATP überträgt Energie, jede Umwandlung setzt Wärme frei, und die Energie der Nährstoffe wird über Elektronen weitergereicht.

1.1.1Das ATP/ADP-System

ATP = Adenin + Ribose + drei Phosphatgruppen
Hydrolyse: ATP + H₂O → ADP + Pᵢ, exergonisch
Kopplung treibt endergonische Reaktionen an
kurzfristiger Überträger, kein Speicher

ΔG°′(ATP) = −30,5 kJ/mol · ΔG_ges = ΔG_Ziel + ΔG_ATP

1.1.2Energieentwertung

Energie bleibt erhalten, wird aber entwertet
Wärme ist für Synthese und Bewegung nicht mehr nutzbar
Zellatmung η ≈ 34 %, Muskelarbeit gesamt ≈ 17 %
Thermogenese: Kältezittern, braunes Fett (UCP1)

η = E_Nutz : E_ein · η_ges = η₁ · η₂

1.1.3Redoxreaktionen

Oxidation = Elektronenabgabe, Reduktion = Elektronenaufnahme
Dehydrierung ist eine Oxidation
NAD⁺ und FAD transportieren Elektronen
C: 0 in Glucose → +IV in CO₂; O: 0 in O₂ → −II in H₂O

NAD⁺ + 2 e⁻ + 2 H⁺ ⇌ NADH + H⁺

Energie wird nicht erzeugt

Zellen wandeln Energie nur um. Was nicht in ATP oder Bewegung landet, wird als Wärme frei — entwertet, aber nicht verschwunden.

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Oxidativer Abbau von Glucose

Vier Teilschritte, drei Orte: Die Glucose wird zerlegt und oxidiert, ihre Elektronen treiben über den Protonengradienten die ATP-Synthase an.

1.2.1Die Glykolyse

Cytoplasma, ohne Sauerstoff
2 ATP investiert, 4 gebildet → netto 2 ATP
2 NADH + H⁺ und 2 Pyruvat (C₃)
PFK: Schlüsselenzym, ATP und Citrat hemmen, AMP aktiviert

Glucose → 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 (NADH + H⁺)

1.2.2Der Citratzyklus

Matrix: Pyruvat → Acetyl-CoA + CO₂ + NADH + H⁺
Acetyl (C₂) + Oxalacetat (C₄) → Citrat (C₆)
je Umlauf 2 CO₂, 3 NADH + H⁺, 1 FADH₂, 1 ATP (GTP)
je Glucose zwei Umläufe, Oxalacetat wird regeneriert

6 C der Glucose → 2 + 4 = 6 CO₂

1.2.3Die Atmungskette

innere Mitochondrienmembran, Komplexe I–IV
NADH → Komplex I, FADH₂ → Komplex II
Ubichinon und Cytochrom c als bewegliche Überträger
I, III und IV pumpen H⁺ in den Intermembranraum
E°′: −0,32 V (NAD⁺/NADH) → +0,82 V (O₂/H₂O)
Treppenmodell: Reihenfolge und Energie, nicht Ort und Tempo

ΔG°′ = −z · F · ΔE°′ ≈ −220 kJ/mol je NADH

1.2.4Das chemiosmotische Modell

Protonengradient: ΔpH + Membranpotenzial
Rückstrom nur durch die ATP-Synthase
≈ 2,5 ATP je NADH + H⁺, ≈ 1,5 ATP je FADH₂
Cyanid, Oligomycin hemmen; DNP, UCP1 entkoppeln

ADP + Pᵢ → ATP (oxidative Phosphorylierung)

1.2.5Die Energiebilanz

4 ATP aus Substratkettenphosphorylierung
10 NADH + H⁺ und 2 FADH₂ → 28 ATP
Glycerinphosphat-Shuttle: nur 30 ATP
ältere Bücher: 36–38 ATP (P/O = 3 und 2)

4 + 10 · 2,5 + 2 · 1,5 = 32 ATP · η ≈ 34 %

Je Glucose verdoppeln

Ab der Spaltung in der Glykolyse laufen alle Schritte zweimal ab: zwei Pyruvat, zwei Acetyl-CoA, zwei Umläufe des Citratzyklus.

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Gärung

Ohne Sauerstoff bleibt nur die Glykolyse — Gärungen halten sie in Gang, indem sie NAD⁺ zurückgewinnen.

1.3.1Die Milchsäuregärung

ohne O₂ wird NAD⁺ knapp
Pyruvat + NADH + H⁺ → Lactat + NAD⁺ (LDH)
nur die 2 ATP der Glykolyse
Muskel bei O₂-Mangel, Erythrocyten, Milchsäurebakterien

Glucose → 2 Lactat · 2 ATP

1.3.2Die alkoholische Gärung

Pyruvatdecarboxylase: Pyruvat → Ethanal + CO₂
Alkoholdehydrogenase: Ethanal + NADH + H⁺ → Ethanol + NAD⁺
Hefe: fakultativer Anaerobier
Pasteur-Effekt: mit O₂ sinkt der Glucoseverbrauch

C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ · 2 ATP

1.3.3Gärung auf Enzymebene

Gärrate = CO₂-Volumen je Zeit
RGT: +10 K → 2- bis 3-fache Rate bis zum Optimum
Hitze denaturiert irreversibel, Kälte bremst reversibel
Sättigung: v → v_max; bei [S] = K_M gilt v = ½ v_max

v = v_max · [S] : (K_M + [S])

Gärung dient dem NAD⁺

Der Schritt nach der Glykolyse liefert kein ATP. Er gibt nur das NAD⁺ zurück, ohne das die Glykolyse sofort stoppen würde.

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Die Regeln, an denen die Punkte hängen

Regel 1 — Ort immer mitnennen

Jeder Teilschritt hat seinen Ort: Cytoplasma, Matrix, innere Membran. Wer den Ort nennt, zeigt, dass er die Kompartimentierung verstanden hat.

Regel 2 — Je Glucose rechnen

Bilanzen immer je Molekül Glucose angeben und Citratzyklus sowie Decarboxylierung verdoppeln.

Regel 3 — Annahmen offenlegen

Bei ATP-Zahlen die P/O-Werte (2,5 und 1,5) und den Shuttle nennen — dann ist 30 genauso richtig wie 32.

Regel 4 — Vorzeichen sichern

ΔE°′ = E°′(Akzeptor) − E°′(Donator) ist positiv, ΔG°′ = −z · F · ΔE°′ damit negativ. Einheiten: 1 C · 1 V = 1 J.