Kraftwerke nach Bedarf
AFB I–IIMitochondrien sind in allen Zellen nach demselben Grundplan gebaut, unterscheiden sich aber je nach Zelltyp in Zahl und Feinbau. Das Herz schlägt ununterbrochen und ist fast vollständig auf den aeroben Abbau von Nährstoffen angewiesen.
| Zelltyp | Anteil der Mitochondrien am Zellvolumen | Fläche der inneren Membran je µm³ Mitochondrienvolumen |
|---|---|---|
| Herzmuskelzelle | 35 % | 40 µm² |
| Leberzelle | 20 % | 20 µm² |
| Hautzelle (Fibroblast) | 5 % | 12 µm² |
- Skizzieren Sie den Bau eines Mitochondriums und beschriften Sie Außenmembran, Intermembranraum, innere Membran mit Cristae und Matrix.
- Erläutern Sie die Prinzipien der Kompartimentierung und der Oberflächenvergrößerung am Mitochondrium.
- Werten Sie M1 aus.
- Begründen Sie die Unterschiede in M1 mit der Funktion der Zelltypen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Skizze: ovales Organell mit glatter Außenmembran; darunter der schmale Intermembranraum; innere Membran mit zahlreichen Einfaltungen (Cristae), die in den Innenraum ragen; Innenraum = Matrix. Beschriftungen mit Bezugsstrichen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Kompartimentierung: Die beiden Membranen trennen Reaktionsräume. In der Matrix liegen die Enzyme der oxidativen Decarboxylierung und des Citratzyklus in hoher Konzentration; die Atmungskette und die ATP-Synthase sitzen in der inneren Membran. So können unterschiedliche Stoffkonzentrationen aufrechterhalten werden (später z. B. ein Protonengefälle zwischen Intermembranraum und Matrix), und Reaktionen laufen ungestört nebeneinander. Oberflächenvergrößerung: Die Faltung der inneren Membran zu Cristae vergrößert ihre Fläche bei gleichem Volumen. Auf einer größeren Fläche finden mehr Atmungsketten-Komplexe und ATP-Synthasen Platz — die Leistung des Mitochondriums steigt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Herzmuskelzellen haben den höchsten Mitochondrienanteil (35 %) und die größte innere Membranfläche je Mitochondrienvolumen (40 µm²/µm³), Leberzellen liegen jeweils dazwischen (20 %; 20 µm²/µm³), Hautfibroblasten haben die niedrigsten Werte (5 %; 12 µm²/µm³). Beide Größen verstärken sich: Je µm³ Zelle ergibt sich eine innere Membranfläche von 0,35 · 40 = 14 µm² (Herz), 0,20 · 20 = 4 µm² (Leber) und 0,05 · 12 = 0,6 µm² (Haut) — beim Herzmuskel also rund 23-mal so viel wie bei der Hautzelle.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Herzmuskelzellen verbrauchen ununterbrochen viel ATP für die Kontraktion. Dieses ATP stammt überwiegend aus der Atmungskette an der inneren Membran. Viele Mitochondrien mit dicht gefalteten Cristae bieten die größte Fläche für Atmungsketten und ATP-Synthasen. Leberzellen sind stoffwechselaktiv (Synthesen, Entgiftung), aber nicht dauerhaft so stark belastet. Hautfibroblasten haben einen geringen Energiebedarf; wenige Mitochondrien genügen. Bau und Funktion hängen also zusammen (Struktur-Funktions-Prinzip).
Ein Hemmstoff enthüllt den Kreislauf
AFB II–IIIMalonat ähnelt in seinem Bau dem Succinat. Es bindet im aktiven Zentrum der Succinat-Dehydrogenase, die Succinat zu Fumarat oxidiert, und wird selbst nicht umgesetzt. In den 1930er-Jahren nutzte Hans Adolf Krebs solche Versuche, um zu zeigen, dass der Abbau der Nährstoffe über einen Kreislauf verläuft. Der O₂-Verbrauch zeigt an, wie viel NADH + H⁺ und FADH₂ gebildet und in der Atmungskette oxidiert werden.
| Ansatz | Zusatz | O₂-Verbrauch in µmol | Succinat am Ende in µmol |
|---|---|---|---|
| A | Pyruvat | 100 | 1 |
| B | Pyruvat + Malonat | 10 | 3 |
| C | Pyruvat + Malonat + 20 µmol Fumarat | 50 | 21 |
- Nennen Sie die Teilreaktion, die Malonat blockiert, und das reduzierte Coenzym, das dabei nicht mehr entsteht.
- Erklären Sie die Ergebnisse von Ansatz B im Vergleich zu Ansatz A.
- Deuten Sie die Ergebnisse von Ansatz C.
- Beurteilen Sie, ob die Befunde eher für einen Kreislauf oder für einen unverzweigten, linearen Abbauweg sprechen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Malonat hemmt kompetitiv die Oxidation von Succinat zu Fumarat (Succinat-Dehydrogenase). Dabei entsteht normalerweise FADH₂ — das fällt weg.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
In B sinkt der O₂-Verbrauch auf ein Zehntel (100 → 10 µmol), Succinat häuft sich leicht an (1 → 3 µmol). Ist der Schritt Succinat → Fumarat blockiert, entstehen die nachfolgenden Stoffe Fumarat, Malat und Oxalacetat nicht mehr. Ohne regeneriertes Oxalacetat kann kein Acetyl-CoA mehr in den Zyklus eintreten; der Zyklus kommt nach wenigen Umläufen zum Stillstand. Es werden kaum noch NADH + H⁺ und FADH₂ gebildet, die Atmungskette erhält keine Elektronen und der O₂-Verbrauch bricht ein. Das wenige vorhandene Oxalacetat endet als Succinat.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Zugesetztes Fumarat wird zu Malat und weiter zu Oxalacetat umgesetzt. Oxalacetat nimmt Acetyl aus dem Pyruvat auf; es entsteht Citrat, das über α-Ketoglutarat bis zum Succinat umgesetzt wird — dort stoppt Malonat. Deshalb entsteht aus jedem Fumarat genau ein Succinat: 20 µmol Fumarat → rund 20 µmol zusätzliches Succinat (3 bzw. 1 → 21 µmol). Auf diesem Weg werden je Fumarat 4 NADH + H⁺ gebildet (Malat → Oxalacetat, Pyruvat → Acetyl-CoA, zwei im Zyklus), also 8 Elektronen = 2 O₂. 20 µmol Fumarat erklären so 40 µmol zusätzlichen O₂-Verbrauch: 10 + 40 = 50 µmol.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Befunde sprechen für einen Kreislauf. Bei einem linearen Weg Succinat → Fumarat → … wäre Fumarat ein Stoff hinter der Blockade; er dürfte nicht zu Succinat, also vor die Blockade, zurückführen. Genau das zeigt Ansatz C: Fumarat wird über Oxalacetat und Citrat bis zum Succinat umgesetzt — Anfang und Ende des Weges sind verbunden. Auch dass die Succinat-Menge der Fumarat-Menge entspricht, passt zu einem Weg, der über Oxalacetat und Citrat wieder beim Succinat ankommt. Einschränkend handelt es sich um Modellwerte eines einzelnen Versuchstyps; weitere Belege (z. B. mit markierten C-Atomen) stützen die Aussage.