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Probeklausur

Sechs Aufgaben, 50 Punkte, 90 Minuten — eine komplette Klausur zur Zellatmung mit Auswertung in Notenpunkten.

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Bearbeitungszeit90 Minuten

Hilfsmittel: Taschenrechner (GTR oder CAS). Geben Sie Zahlen mit Komma ein und beachten Sie Vorzeichen. Die Lösungen werden nach dem Auswerten freigeschaltet.

AFB I

Wissen und Reproduzieren

18 Punkte
A1
Ein Blick ins Mitochondrium
AFB I 10 Punkte
Material 1: Zelle mit Mitochondrium (Schema)

Das Schema zeigt einen Ausschnitt einer Leberzelle mit einem längs geschnittenen Mitochondrium. Vier Bereiche sind nummeriert.

1234
a) Ordnen Sie den Vorgängen den Bereich aus Material 1 zu. 4 P
b) Nennen Sie den Endakzeptor der Elektronen in der Atmungskette. (eine Antwort richtig) 1 P
c) Geben Sie an, wie viele CO₂-Moleküle je Glucose im Citratzyklus freigesetzt werden. 1 P
d) Berechnen Sie, wie viele Protonen je Glucose insgesamt in Bereich 2 gepumpt werden (≈ 10 H⁺ je NADH + H⁺, ≈ 6 H⁺ je FADH₂). 2 P
e) Beschreiben Sie die Rolle von ATP, indem Sie die zutreffenden Aussagen wählen. (mehrere Antworten richtig) 2 P
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Erwartungshorizont: a) Glykolyse: Cytoplasma (1); Citratzyklus: Matrix (4); Elektronentransport: innere Membran (3); höchste H⁺-Konzentration: Intermembranraum (2) (4 P). b) Sauerstoff; er wird zu Wasser reduziert (1 P). c) 2 Umläufe · 2 CO₂ = 4 CO₂ (1 P). d) 10 NADH + H⁺ · 10 H⁺ + 2 FADH₂ · 6 H⁺ = 100 + 12 = 112 H⁺ (2 P). e) richtig: Energieüberträger zwischen exergonischen und endergonischen Vorgängen; Hydrolyse ist exergonisch. Falsch: Langzeitspeicher (ATP-Vorrat reicht Sekunden) und Energiefreisetzung bei der ATP-Bildung (diese ist endergonisch) (2 P).

A2
Die Glykolyse Schritt für Schritt
AFB I 8 Punkte
Material 2: Ausgewählte Schritte der Glykolyse
SchrittReaktionEnergieträger / Coenzym
1Glucose → Glucose-6-phosphatATP → ADP
2Fructose-6-phosphat → Fructose-1,6-bisphosphat (PFK)ATP → ADP
3Fructose-1,6-bisphosphat → 2 Glycerinaldehyd-3-phosphat—
4Glycerinaldehyd-3-phosphat + Pᵢ → 1,3-BisphosphoglyceratNAD⁺ → NADH + H⁺
51,3-Bisphosphoglycerat → 3-PhosphoglyceratADP → ATP
6Phosphoenolpyruvat → PyruvatADP → ATP

Zwischenschritte sind weggelassen. Die Angaben gelten je umgesetztem Molekül; ab Schritt 4 läuft jeder Schritt je Glucose zweimal ab.

a) Lesen Sie ab, wie viele ATP je Glucose in den Schritten 1 und 2 verbraucht werden. 1 P
b) Bestimmen Sie den Netto-Gewinn an ATP je Glucose. 2 P
c) Stellen Sie dar, wie die Phosphofructokinase (Schritt 2) auf die jeweilige Situation reagiert. 3 P
d) Nennen Sie die Art der ATP-Bildung in den Schritten 5 und 6. (eine Antwort richtig) 2 P
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Erwartungshorizont: a) Schritt 1 und 2 je 1 ATP: 2 ATP (1 P). b) Schritte 5 und 6 laufen je Glucose zweimal: 4 ATP gebildet − 2 ATP investiert = 2 ATP netto (2 P). c) hohe ATP-Konzentration: gehemmt; AMP-Anstieg: aktiviert; Citrat: gehemmt — allosterische Regulation, negative Rückkopplung (3 P). d) Substratkettenphosphorylierung: Die Phosphatgruppe wird von einem Zwischenprodukt direkt auf ADP übertragen (2 P).

AFB II

Zusammenhänge herstellen

20 Punkte
A3
Ein Fischgift im Labor
AFB II 10 Punkte
Material 3: Sauerstoffverbrauch isolierter Mitochondrien

Rotenon ist ein Pflanzenstoff, der früher als Fischgift eingesetzt wurde. Isolierte Mitochondrien erhalten entweder Pyruvat und Malat (liefern NADH + H⁺) oder Succinat (liefert FADH₂ an Komplex II) sowie ADP. Gemessen wird der O₂-Verbrauch ohne und mit Rotenon.

0204060801008069088Pyruvat + MalatSuccinatohne Rotenonmit RotenonO₂-Verbrauch in nmol · min⁻¹ · mg⁻¹ Protein

Alle Messwerte in diesem Material sind Modellwerte.

a) Ermitteln Sie aus Material 3, an welcher Stelle Rotenon angreift. (eine Antwort richtig) 2 P
b) Erklären Sie, warum die Atmung mit Succinat trotz Rotenon weiterläuft. (mehrere Antworten richtig) 3 P
c) Berechnen Sie, wie viele ATP je Glucose eine Zelle bei vollständiger Blockade durch Rotenon höchstens bilden kann. Nehmen Sie an, dass NADH + H⁺ nicht mehr verwertet wird und jedes FADH₂ ≈ 1,5 ATP liefert. 3 P
d) Begründen Sie, warum aus Succinat je verbrauchtem Sauerstoffatom weniger ATP entsteht als aus NADH + H⁺. (eine Antwort richtig) 2 P
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Erwartungshorizont: a) Mit Pyruvat/Malat bricht der O₂-Verbrauch ein (80 → 6), mit Succinat kaum (90 → 88). Blockiert ist also ein Schritt, den nur NADH braucht: Komplex I (2 P). b) FADH₂ speist an Komplex II ein; Ubichinon, Komplex III und IV sind frei, die Elektronen erreichen den Sauerstoff (3 P). c) Substratkettenphosphorylierung 4 ATP + 2 FADH₂ · 1,5 ATP = 7 ATP (3 P). d) Bei Einstieg über Komplex II pumpt Komplex I nicht mit: ≈ 6 statt ≈ 10 H⁺ je Elektronenpaar, daher ≈ 1,5 statt ≈ 2,5 ATP (2 P).

A4
Energie für eine Bergetappe
AFB II 10 Punkte
Material 4: Ein Radprofi am Berg

Ein Radprofi bringt auf einer Bergetappe an den Pedalen eine mechanische Energie von 4200 kJ auf (Modellwert). Rechnen Sie mit: 32 ATP je Glucose, \(\Delta G^{\circ\prime}(\text{ATP}) = -30{,}5\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\), \(\Delta G^{\circ\prime}(\text{Glucose}) = -2870\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\), \(M(\text{Glucose}) = 180\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\). Die Muskelfasern wandeln 50 % der Energie aus ATP in Bewegung um.

a) Berechnen Sie den Wirkungsgrad der Zellatmung in Prozent. 2 P
%
b) Ermitteln Sie den Gesamtwirkungsgrad von der Glucose bis zur Bewegung in Prozent. 2 P
%
c) Bestimmen Sie die Masse an Glucose, die für die Etappe vollständig veratmet werden muss (falls nur Glucose genutzt würde). 3 P
g
d) Erläutern Sie, was mit dem Rest der Energie geschieht, indem Sie die zutreffenden Aussagen wählen. (mehrere Antworten richtig) 3 P
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Erwartungshorizont: a) \(\eta_\text{Z} = 32 \cdot 30{,}5 : 2870 = 976 : 2870 \approx 0{,}34 = 34\,\%\) (2 P). b) \(\eta_\text{ges} = 0{,}34 \cdot 0{,}50 = 0{,}17 = 17\,\%\) (2 P). c) \(E_\text{Glucose} = 4200 : 0{,}17 \approx 24\,700\,\mathrm{kJ}\); \(n = 24\,700 : 2870 \approx 8{,}61\,\mathrm{mol}\); \(m \approx 8{,}61 \cdot 180 \approx 1550\,\mathrm{g}\) (3 P). d) Rund 83 % werden Wärme (Energieentwertung, nicht Vernichtung); Wärme fällt bei beiden Umwandlungen an und muss über Haut und Schweiß abgegeben werden (3 P).

AFB III

Verallgemeinern und Reflektieren

12 Punkte
A5
Die Entkoppler-Diät
AFB III 6 Punkte
Material 5: Ein gefährliches Schlankheitsmittel

1933 kam 2,4-Dinitrophenol (DNP) in den USA als Schlankheitsmittel auf den Markt. DNP trägt Protonen durch die innere Mitochondrienmembran. Die Anwender nahmen rasch ab; es kam aber zu Todesfällen durch Überhitzung (Hyperthermie). 1938 wurde DNP als Arzneimittel verboten.

Messgrößeohne DNPmit DNP
Energieumsatz in Ruhe in kJ/Tag700010 500
Körpertemperatur in °C36,837,9

Alle Messwerte in diesem Material sind Modellwerte.

a) Beurteilen Sie die Aussagen zur Wirkung von DNP. (mehrere Antworten richtig) 3 P
b) Schätzen Sie ab, wie viele ATP je Glucose noch entstehen, wenn DNP die Hälfte der Protonen an der ATP-Synthase vorbeischleust (die Substratkettenphosphorylierung bleibt unverändert). 2 P
c) Nehmen Sie Stellung: Welche Position ist fachlich am besten begründet? (eine Antwort richtig) 1 P
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Erwartungshorizont: a) Richtig: Gradient wird ohne ATP-Bildung abgebaut; mehr Nährstoffe werden oxidiert (Gewichtsverlust, Energieumsatz +50 %); die Energie wird Wärme (Temperaturanstieg im Material). Falsch: Hemmung von Komplex IV (der O₂-Verbrauch steigt) und höhere ATP-Bildung (3 P). b) 4 ATP aus Substratkettenphosphorylierung + 28 : 2 = 14 ATP aus der ATP-Synthase ≈ 18 ATP (2 P). c) Ablehnung, begründet mit nicht steuerbarer Thermogenese und geringer therapeutischer Breite (1 P).

A6
Ein Lehrbuch von 1975
AFB III 6 Punkte
Material 6: Auszug aus einem älteren Biologiebuch

„Beim vollständigen Abbau von einem Mol Glucose entstehen 38 mol ATP. Damit arbeitet die Zelle mit einem Wirkungsgrad von über 40 % — besser als jeder Automotor.“ Damals rechnete man mit 3 ATP je NADH + H⁺ und 2 ATP je FADH₂.

a) Überprüfen Sie die Angabe „über 40 %“ rechnerisch: Geben Sie den Wirkungsgrad mit 38 ATP in Prozent an. 2 P
%
b) Zeigen Sie, dass sich mit den heutigen P/O-Werten (2,5 bzw. 1,5) eine kleinere ATP-Zahl ergibt, und tragen Sie diese ein. 2 P
c) Bewerten Sie die Angaben des Buchs aus heutiger Sicht. (mehrere Antworten richtig) 2 P
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Erwartungshorizont: a) \(38 \cdot 30{,}5 : 2870 = 1159 : 2870 \approx 40{,}4\,\%\) — die Angabe ist rechnerisch korrekt, beruht aber auf den alten P/O-Werten (4 + 10 · 3 + 2 · 2 = 38) (2 P). b) \(4 + 10 \cdot 2{,}5 + 2 \cdot 1{,}5 = 32\) ATP, Wirkungsgrad ≈ 34 % (2 P). c) Die Zahl hängt von Messwerten und vom Shuttle ab; die Kopplung ist nicht ganzzahlig. Das Modell von Mitchell bleibt gültig, nur die Zahlen wurden präzisiert (2 P).

Ergebnis

Erreicht
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Notenpunkte
—
AufgabeThemaPunkte

Bewertung in Notenpunkten

PunkteNotenpunkteBeurteilung
48 – 50 P15sehr gut
45 – 47 P14sehr gut
43 – 44 P13sehr gut
40 – 42 P12gut
38 – 39 P11gut
35 – 37 P10gut
33 – 34 P9befriedigend
30 – 32 P8befriedigend
28 – 29 P7befriedigend
25 – 27 P6ausreichend
23 – 24 P5ausreichend
20 – 22 P4ausreichend
17 – 19 P3mangelhaft
14 – 16 P2mangelhaft
10 – 13 P1mangelhaft
0 – 9 P0ungenügend