Aufgaben 65 Zellstoffwechsel In der Glykolyse wird Glukose aufgespalten Verfolgen wir nun den Weg der Abbauprozesse in der Zellatmung Schritt für Schritt. Glukose muss zunächst in die Zelle geschleust werden, bevor sie im Zytoplasma abgebaut werden kann. In der Glykolyse wird die Glukose, ein Molekül aus 6 C-Atomen, dann in zwei energieärmere C3-Moleküle umgewandelt. Es entsteht in mehreren Schritten Pyruvat. Dabei laufen einige der Teilreaktionen in der Glykolyse „spiegelbildlich“ zu Reaktionen des Calvin-Zyklus ab. Zuerst muss bei der Glykolyse Energie in Form von ATP investiert werden, um das Glukosemolekül zu aktivieren. In den nächsten Schritten der Glykolyse werden aber Energie und Elektronen frei, die in Form von ATP und NADH gespeichert werden. Die Glykolyse gliedert sich also in eine Energieinvestitionsphase und eine Energiegewinnungsphase. Pro Glukosemolekül werden in der Glykolyse zwei ATP und zwei Moleküle NADH gewonnen. Glukose wird im Zytoplasma in der Glykolyse zu zwei Molekülen Pyruvat abgebaut Kompartimentierung Die Glykolyse und der Citratzyklus laufen in unterschiedlichen Teilen der Zelle ab. Im Citratzyklus wird Pyruvat abgebaut Die nächsten Schritte der Zellatmung passieren in den Kraftwerken der Zelle, den Mitochondrien (kAbb. 26). Du weißt bereits, dass Mitochondrien längliche Zellorganellen sind, die von einer doppelten Membran umschlossen werden. Das in der Glykolyse gebildete Pyruvat wird vom Zytoplasma zum weiteren Abbau in die Mitochondrien transportiert. Zunächst entsteht aus Pyruvat aktivierte Essigsäure (Acetyl-CoA, ein Molekül mit zwei C-Atomen). Das dritte C-Atom des Pyruvat wird in dieser Reaktion bereits als CO2 abgetrennt. Außerdem wird durch Übertragung von Elektronen NADH + H+ gebildet. Die aktivierte Essigsäure bindet an Oxalacetat, ein Molekül mit vier C-Atomen, und bildet so ein C6-Molekül, das Citrat (Zitronensäure) heißt. Nach diesem Molekül ist auch der gesamte Reaktionszyklus benannt: der Citratzyklus. Durch eine zyklische Abfolge von Reaktionen wird Citrat nun zu zwei CO2 und Oxalacetat abgebaut, das wiederum im ersten Schritt des Citratzyklus benötigt wird. Die Ausbeute des Citratzyklus in einem Umlauf sind ein ATP, drei NADH und ein FADH2. Pro Glukose-Molekül wurden zwei Pyruvat-Moleküle (C3) gebildet, daher muss der Citratzyklus zum Abbau eines Glukose-Moleküls zweimal durchlaufen werden. Die Gesamtausbeute liegt für ein Molekül Glukose bei zwei ATP. Das ist immer noch recht wenig, obwohl Glukose ein sehr energiereiches Molekül ist. Die Energiefreisetzung ist damit allerdings bei weitem nicht abgeschlossen. Die freigewordenen Elektronen wurden vorerst nur im NADH und FADH2 zwischengespeichert. Der endgültige Elektronenakzeptor, der Sauerstoff, wartet erst am Ende der Atmungskette. Dort passiert der Großteil der Energiefreisetzung in der Zellatmung. In den Mitochondrien wird Pyruvat im Citratzyklus zu CO2 abgebaut 1 W Glykolyse und Citratzyklus laufen in unter- schiedlichen Teilen der Zelle ab. Erläutere mögliche Vor- und Nachteile einer solchen Trennung/Kompartimentie- rung. Die Atmungskette läuft in den Mitochondrien ab Die Energiefreisetzung in der Atmungskette passiert an der inneren Mitochondrienmembran sowie im Intermembranraum (kAbb. 26). Die innere Mitochondrienmembran enthält vier große Proteinkomplexe (I–IV), die gemeinsam als Atmungskette bezeichnet werden (kAbb. 27). Diese vier Komplexe können entlang einer Elektronentransportkette Elektronen übergeben, da sie unterschiedliche Redoxpotenziale (siehe S. 58) besitzen. Der Elektronenfluss geschieht vom Intermembranraum durch die innere Mitochondrienmembran hindurch in die Mitochondrienmatrix, das ist der von der inneren Membran umschlossene Raum. Die Elektronen werden also energetisch „bergab“ weitergereicht. Einen ähnlichen Elektronentransport hast du bereits bei der Fotosynthese kennengelernt. In der Atmungskette werden die gewonnenen Elektronen auf den Sauerstoff übertragen Struktur und Funktion Die doppelte Membran, von der die Mitochondrien umschlossen sind, ist essenziell dafür, dass ein Protonengradient aufgebaut werden kann. Abb. 26: Mitochondrium. Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle. Die Atmungskette läuft an der inneren Mitochondrienmembran und im Raum zwischen den beiden Membranen ab. innere Mitochondrienmembran Intermembranraum Mitochondrienmatrix Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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