Zellatmung - Chemie
Zellatmung - Chemie
Zellatmung - Chemie
Einleitung
Bei der Zellatmung gewinnen Zellen nutzbare chemische Energie aus energiereichen Stoffen wie Glucose. Aus chemischer Sicht ist die Zellatmung eine Folge gekoppelter Redoxreaktionen. Glucose wird schrittweise oxidiert, während Sauerstoff am Ende der Reaktionskette reduziert wird.
Die Energie wird nicht auf einmal als Wärme frei. Ein Teil wird vorübergehend in Adenosintriphosphat ATP gespeichert. ATP kann anschließend energieverbrauchende Vorgänge in der Zelle antreiben. Auch Pflanzen betreiben Zellatmung.
Lernziele
Nach diesem aiMOOC kannst Du
- die Gesamtreaktion der Zellatmung formulieren,
- Oxidation und Reduktion in der Gesamtreaktion erkennen,
- die vier Teilabschnitte chemisch einordnen,
- die Rolle von NADH, FADH₂, Sauerstoff und ATP erklären,
- Stoffbilanz und Energiebilanz voneinander unterscheiden.
Die chemische Gesamtreaktion
Die vereinfachte Stoffbilanz lautet:
Die Reaktion ist insgesamt exergonisch:
Wichtig: Energie ist kein Stoff und daher kein gewöhnlicher Bestandteil der Stoffbilanz. Bei der Zellatmung wird chemische Energie umgewandelt. Ein Teil erscheint als Wärme, ein Teil wird in ATP konserviert.
Zellatmung als Redoxreaktion
In Glucose besitzt Kohlenstoff im Mittel die Oxidationszahl 0. Im Kohlenstoffdioxid besitzt er die Oxidationszahl +4. Der Kohlenstoff wird somit oxidiert.
Sauerstoff besitzt im elementaren Molekül O₂ die Oxidationszahl 0. Im Wasser besitzt Sauerstoff die Oxidationszahl −2. Sauerstoff wird somit reduziert.
Die Gesamtreaktion läuft nicht als direkte Verbrennung ab. Enzyme zerlegen sie in viele kontrollierte Einzelschritte. Dadurch kann die frei werdende Energie portionsweise genutzt werden.
Orte und Teilprozesse
Bei eukaryotischen Zellen findet nur die Glykolyse im Cytosol statt. Die folgenden Schritte laufen im Mitochondrium ab.
| Teilprozess | Hauptort | Chemisches Ergebnis |
|---|---|---|
| Glykolyse | Cytosol | Glucose wird zu zwei Pyruvatmolekülen umgebaut |
| Oxidative Decarboxylierung | Mitochondrienmatrix | Pyruvat wird zu Acetyl-CoA, CO₂ und NADH umgesetzt |
| Citratzyklus | Mitochondrienmatrix | Acetylreste werden zu CO₂ oxidiert |
| Atmungskette und oxidative Phosphorylierung | Innere Mitochondrienmembran | Elektronen enden bei Sauerstoff; der Protonengradient ermöglicht ATP-Bildung |
Glykolyse
Die Glykolyse spaltet ein Glucosemolekül mit sechs Kohlenstoffatomen in zwei Pyruvatmoleküle mit jeweils drei Kohlenstoffatomen. Sie besteht aus zehn enzymkatalysierten Reaktionsschritten.
Zunächst werden zwei ATP investiert. Später entstehen vier ATP. Die Nettobilanz beträgt deshalb zwei ATP. Außerdem werden zwei Moleküle NAD⁺ zu NADH reduziert.
Vereinfachte Bilanz:
Oxidative Decarboxylierung
Pyruvat wird in der Mitochondrienmatrix in eine aktivierte C₂-Einheit überführt. Dabei entsteht Acetyl-CoA. Gleichzeitig wird Kohlenstoffdioxid abgespalten und NAD⁺ reduziert.
Da aus einer Glucose zwei Pyruvatmoleküle entstehen, läuft die Reaktion zweimal ab:
Dieser Schritt verbindet die Glykolyse mit dem Citratzyklus.
Citratzyklus
Der Citratzyklus ist ein Kreisprozess. Die C₂-Einheit des Acetyl-CoA verbindet sich zunächst mit einem C₄-Körper. Nach mehreren Reaktionen wird der C₄-Körper regeneriert.
Pro Glucose entstehen im Citratzyklus insgesamt vier CO₂, sechs NADH, zwei FADH₂ und zwei energiereiche Phosphatbindungen in Form von GTP beziehungsweise ATP. Der größte Teil der Energie steckt danach noch in den reduzierten Elektronenträgern NADH und FADH₂.
Elektronenträger NADH und FADH₂
NAD⁺ und FAD nehmen Elektronen und Protonen auf. Sie wirken damit als mobile Redoxpartner.
NADH und FADH₂ transportieren energiereiche Elektronen zur Atmungskette. Dort werden sie wieder oxidiert. Die Elektronen werden schrittweise auf Moleküle mit größerer Elektronenaffinität übertragen.
Atmungskette und Chemiosmose
Die Atmungskette liegt in der inneren Mitochondrienmembran. NADH und FADH₂ geben Elektronen ab. Beim Elektronentransport wird Energie frei, mit der Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum befördert werden.
Dadurch entstehen ein Konzentrationsgefälle und eine elektrische Spannungsdifferenz. Zusammen bilden sie den elektrochemischen Protonengradienten. Beim Rückstrom der Protonen durch die ATP-Synthase wird ATP gebildet.
Am Ende nimmt Sauerstoff die Elektronen auf und reagiert mit Protonen zu Wasser. Ohne einen terminalen Elektronenakzeptor kommt die Atmungskette zum Stillstand.
Stoffbilanz und Energiebilanz
Die Stoffbilanz beschreibt, welche Stoffe verbraucht und gebildet werden. Die Energiebilanz beschreibt, wie viel nutzbare Energie in ATP konserviert wird.
Bei der Glykolyse und im Citratzyklus entstehen nur wenige ATP direkt durch Substratkettenphosphorylierung. Der größte Anteil entsteht bei der oxidativen Phosphorylierung.
Für eine eukaryotische Zelle werden häufig ungefähr 30 bis 32 ATP pro Glucose angegeben. Der genaue Wert hängt unter anderem davon ab, wie Elektronen aus dem Cytosol in das Mitochondrium übertragen werden und wie effizient die Membran gekoppelt ist.
Häufige Fehlvorstellungen
- Sauerstoff wird nicht in Energie umgewandelt. Sauerstoff wird zu Wasser reduziert und ermöglicht den Elektronenfluss.
- ATP ist kein dauerhafter Energiespeicher. Es ist ein kurzfristiger chemischer Energieträger.
- Die Glykolyse benötigt selbst keinen Sauerstoff. Sie kann ohne O₂ ablaufen, doch die aerobe Gesamtverwertung von Glucose ist auf einen Elektronenakzeptor angewiesen.
- Zellatmung ist keine unkontrollierte Verbrennung. Enzyme koppeln zahlreiche kleine Reaktionsschritte.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Welche Stoffe stehen auf der Eduktseite der vereinfachten Gesamtgleichung? (Glucose und Sauerstoff) (!Kohlenstoffdioxid und Wasser) (!ATP und Kohlenstoffdioxid) (!Pyruvat und Wasser)
Welche Aussage beschreibt die Oxidation des Kohlenstoffs korrekt? (Die mittlere Oxidationszahl steigt von null auf plus vier) (!Die mittlere Oxidationszahl sinkt von plus vier auf null) (!Der Kohlenstoff nimmt ausschließlich Protonen auf) (!Der Kohlenstoff wird zu elementarem Kohlenstoff)
Wo findet die Glykolyse bei eukaryotischen Zellen statt? (Im Cytosol) (!In der Mitochondrienmatrix) (!Im Intermembranraum) (!Im Zellkern)
Was ist die Nettobilanz an ATP in der Glykolyse pro Glucose? (Zwei ATP) (!Vier ATP) (!Sechs ATP) (!Kein ATP)
Welches Molekül entsteht bei der oxidativen Decarboxylierung als Eintrittsstoff für den Citratzyklus? (Acetyl-CoA) (!Lactat) (!Sauerstoff) (!Glucose)
Welche Hauptaufgabe haben NADH und FADH₂? (Sie übertragen energiereiche Elektronen) (!Sie spalten Glucose mechanisch) (!Sie bilden die Mitochondrienmembran) (!Sie ersetzen den Sauerstoff dauerhaft)
Welcher Stoff ist der terminale Elektronenakzeptor der aeroben Atmungskette? (Sauerstoff) (!Glucose) (!Kohlenstoffdioxid) (!Pyruvat)
Was treibt die ATP-Synthase unmittelbar an? (Der Rückstrom von Protonen) (!Die Abgabe von Kohlenstoffdioxid) (!Die Spaltung von Glucose) (!Die Aufnahme von Pyruvat)
In welchem Teilprozess entsteht der größte Anteil des ATP? (In der oxidativen Phosphorylierung) (!In der Glykolyse) (!In der oxidativen Decarboxylierung) (!In der Kohlenstoffdioxidabgabe)
Welche Aussage zur Energie ist chemisch korrekt? (Energie wird umgewandelt und teilweise in ATP konserviert) (!Energie ist ein Atom auf der Produktseite) (!Energie entsteht aus dem Nichts) (!Energie wird vollständig zu Sauerstoff)
Memory
| Glucose | energiereicher Ausgangsstoff |
| NADH | Elektronenträger |
| Glykolyse | Spaltung zu Pyruvat |
| Mitochondrienmatrix | Ort des Citratzyklus |
| Innere Mitochondrienmembran | Ort der Atmungskette |
| Sauerstoff | terminaler Elektronenakzeptor |
| ATP-Synthase | nutzt den Protonengradienten |
| Kohlenstoffdioxid | Oxidationsprodukt des Kohlenstoffs |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Chemisches Kennzeichen |
|---|---|
| Glykolyse | Glucose wird zu Pyruvat umgebaut |
| Oxidative Decarboxylierung | Pyruvat liefert Acetyl-CoA und Kohlenstoffdioxid |
| Citratzyklus | Acetylreste werden vollständig zu Kohlenstoffdioxid oxidiert |
| Atmungskette | Elektronen werden stufenweise auf Sauerstoff übertragen |
| Chemiosmose | Ein Protonengradient treibt die ATP-Synthase |
Kreuzworträtsel
| Glucose | Welcher energiereiche Einfachzucker ist der wichtigste Ausgangsstoff? |
| Pyruvat | Welches C3-Produkt entsteht am Ende der Glykolyse? |
| Mitochondrium | In welchem Zellorganell laufen die meisten Schritte ab? |
| Sauerstoff | Welcher Stoff nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf? |
| Citratzyklus | Welcher Kreisprozess oxidiert Acetylreste? |
| Chemiosmose | Wie heißt die ATP-Bildung mithilfe eines Protonengradienten? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Reaktionsgleichung: Schreibe die Gesamtgleichung der Zellatmung ab und markiere Edukte und Produkte in zwei verschiedenen Farben.
- Oxidationszahl: Bestimme die Oxidationszahlen von Sauerstoff in O₂ und H₂O und erkläre die Änderung in zwei Sätzen.
- Mitochondrium: Zeichne ein vereinfachtes Mitochondrium und beschrifte Matrix, innere Membran und Intermembranraum.
- Begriffsnetz: Verbinde die Begriffe Glucose, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Wasser und ATP zu einem sinnvollen Begriffsnetz.
Standard
- Stoffbilanz: Erstelle eine Tabelle, die für jeden Teilprozess Ausgangsstoffe, Produkte und Reaktionsort zeigt.
- Redoxpaar: Formuliere die Reduktion von NAD⁺ zu NADH und beschreibe, welche Teilchen übertragen werden.
- Erklärvideo: Produziere ein zweiminütiges Erklärvideo zur Frage, warum die Zellatmung keine einfache Verbrennung ist.
- Modellversuch: Entwickle mit Alltagsmaterialien ein Modell für Protonengradient und ATP-Synthase und dokumentiere die Grenzen des Modells.
Schwer
- Energiediagramm: Zeichne ein qualitatives Energiediagramm für direkte Glucoseverbrennung und enzymatisch gestufte Zellatmung und vergleiche beide Wege.
- Bilanzvergleich: Vergleiche aerobe Zellatmung und Milchsäuregärung hinsichtlich Stoffprodukten, Elektronenübertragung und ATP-Ausbeute.
- Forschungsfrage: Plane eine Untersuchung zum Einfluss der Temperatur auf die Zellatmungsrate von keimenden Samen und benenne Variablen sowie Kontrollen.
- Transferaufgabe: Erkläre chemisch, weshalb eine Blockade der Atmungskette auch den Citratzyklus und die ATP-Produktion beeinträchtigt.
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Lernkontrolle
- Redoxanalyse: Leite aus den Oxidationszahlen ab, welcher Reaktionspartner der Gesamtreaktion oxidiert und welcher reduziert wird.
- Kopplungsprinzip: Erkläre, weshalb die schrittweise Elektronenübertragung eine bessere Energieausnutzung ermöglicht als eine direkte Reaktion von Glucose mit Sauerstoff.
- Membranmodell: Sage voraus, wie sich eine frei für Protonen durchlässige innere Mitochondrienmembran auf ATP-Bildung, Sauerstoffverbrauch und Wärmeentwicklung auswirkt.
- Sauerstoffmangel: Begründe, warum NADH bei Sauerstoffmangel schlechter zu NAD⁺ reoxidiert werden kann und welche Folgen dies für weitere Reaktionsschritte hat.
- Stoff- und Energiebilanz: Erkläre an einem selbst gewählten Beispiel den Unterschied zwischen der Erhaltung von Atomen und der Umwandlung chemischer Energie.
- Vergleichende Chemie: Vergleiche Zellatmung und Verbrennung von Glucose hinsichtlich Gesamtbilanz, Reaktionsgeschwindigkeit, Aktivierungsenergie und Energiekopplung.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig, dass Du
- die Gesamtgleichung korrekt und ausgeglichen notierst,
- Oxidation und Reduktion mithilfe von Oxidationszahlen begründest,
- die Teilprozesse in die richtige Reihenfolge bringst,
- die Reaktionsorte in der Zelle zuordnest,
- die Funktion von NADH und FADH₂ als Elektronenträger erklärst,
- Protonengradient, ATP-Synthase und ATP-Bildung verknüpfst,
- Stoffbilanz und Energiebilanz unterscheidest,
- einen unbekannten Störfall auf die Reaktionskette überträgst.
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