Energiebereitstellung

Question 1

Wie hoch ist die potentielle chemische Energie von 1 Gramm Glukose?

Answer 1

16 kJ = ca. 4 kcal

Question 2

Welches Enzym spaltet eine Phosphat-Gruppe vom ATP ab?

Answer 2

ATP-ase

Question 3

Erkläre Enzym?

Answer 3

• Sind Proteine, die chemische Reaktionen in der Zelle kontrollieren.
• Sie verändern ein Substrat.
• Sie verändern sich selbst dabei nicht, bzw nur unwesentlich.

Question 4

Was bedeutet Substratspezifität? (Enzyme)

Answer 4

Dass ein Enzym immer nur eine Reaktion zwischen zwei ganz bestimmten Stoffen ermöglicht!

Question 5

Erkläre Coenzyme?

Answer 5

• Sind Hilfssubstanzen, die in der Zelle als Träger für Produkte fungieren, die bei enzymatisch kontrollierten chemischen Reaktionen entstehen.
• An einem Ort der Zelle belädt sich das Coenzym, an einem anderen Ort der Zelle entlädt sich das Coenzym.
• Coenzyme können an viele Reaktionen beteiligt sein.

Question 6

Wie lange halten die ATP-Vorräte im Muskel an?

Answer 6

3 bis 4 maximale Muskelkontraktionen = 1 bis 2 Sekunden

Question 7

Was bedeutet Phosphorylierung?

Answer 7

Ein Phosphatrest wird an ein Molekül angehängt.

Question 8

Welche Möglichkeiten hat die Zelle um ATP zu resynthetisieren?

Answer 8

• Spaltung von Kreatinphosphat
• Zerlegung von Nährstoffen (Fett, Glukose)

Question 9

Formel für die Resynthese von ATP durch Kreatinphosphat?

Answer 9

KP + ADP ———> Kreatin + ATP
(Kreatinkinase)

Question 10

Wie lange halten die Kreatinphoshpatspeicher im Muskel an?

Answer 10

20 maximale Muskelkontraktionen = zwischen 3 und 9 Sekunden

Question 11

Aus welchen chemischen Bausteinen sind Fette und Kohlenhydrate zusammengesetzt?

Answer 11

• Kohlenstoff (C)
• Wasserstoff (H)
• Sauerstoff (O)

Question 12

Auf welchen 2 Wegen können Nährstoffe zerlegt werden?

Answer 12

• anaerob
• aerob

Question 13

Zu welchen energielosen Endprodukten werden Glukose + Fettsäuren auf dem aeroben Weg zerlegt?

Answer 13

• Kohlendioxyd (CO2)
• Wasser (H2O)

Question 14

Zu welchen energiereichen Endprodukten wird Glukose auf dem anaeroben Weg zerlegt?

Answer 14

2 Milchsäuremoleküle

Question 15

Formel der Palmitinsäure?

Answer 15

C15H31COOH

Question 16

Formel der Glukose?

Answer 16

C6H12O6

Question 17

Erkläre den schematischen Aufbau eines Mitochondrium?

Answer 17

• Bestehen aus durchlässiger äußeren Wand und einer inneren Wandschicht, die zu Leisten (Cristae) gefaltet ist.
• Auf den inneren Leisten sind die 3 wichtigsten Enzymsysteme angeordnet zur aeroben Energiebereitstellung (Enzyme der oxidativen Phosphorylierung)

Question 18

Welche Enzymsysteme sind in den Mitochondrien vorhanden?

Answer 18

• System der Fettzerlegung (ß-Oxidation)
• Zitronensäurezyklus
• Atmungskette

Question 19

Welche Wirkung hat Ausdauertraining auf die Mitochondrien einer Skelettmuskelzelle?

Answer 19

Zunahme der Mitochondrienzahl

Question 20

Grundpinzipien des aeroben Abbaus:

In welchen 3 Schritten läuft die aerobe Energiebereitstellung grundlegend ab?

Answer 20

1. Zerlegung von Fetten (innerhalb der Mitochondrien) und Glukose (außerhalb der Mitochondrien) in aktivierte Essigsäure (C2).
2. Abbau von aktivierter Essigsäure im Zitronensäurezyklus zu 2 Kohlendioxyd-Moleküle und 4 Paare Wasserstoffatomen. Beide CO2-Moleküle treten aus Mitochondrium durch die Zelle in die Blutbahn aus.
3. 4 Paar Wasserstoffatome aus dem Zitronensäurezyklus werden mittels Coenzyme (NAD + FAD) zur Atmungskette gebracht und auf Sauerstoff übertragen. Dadurch entsteht Wasser welches in die Blutbahn übertreten kann.

Question 21

Grundpinzipien des aeroben Abbaus:

Warum ist der Sauerstoff im Mitochondrium bei der aeroben Energiebereitstellung so wichtig?

Answer 21

Der Sauerstoff muss in der Atmungskette als Endempfänger für die Wasserstoffpaare zur Verfügung stehen. Sonst verstopft die Atmungskette und schließlich auch der Zitronensäurezyklus.

Question 22

Grundpinzipien des aeroben Abbaus:

Was ist das Ergebnis der Übertragung der Wasserstoffmoleküle von einem Molekül auf das andere?

Answer 22

Es wird jedes Mal chemische Energie frei, die dazu benützt wird ein Molekül ADP mit einem Phosphatrest zusammenzusetzen.

Question 23

Was passiert beim chemischen Vorgang “Oxidation”?

Answer 23

Einem Molekül wird Wasserstoff entzogen.

Question 24

Was passiert beim chemischen Vorgang “Reduktion”?

Answer 24

Einem Molekül wird Wasserstoff hinzugefügt.

Question 25

Wie heißt der chemische Vorgang der Resynthese von ATP über die aerobe Zerlegung von Nährstoffen?

Answer 25

oxidative Phoshorylierung

Question 26

# **Aerobe Zerlegung der Fettsäuren:** Ablauf der aeroben Zerlegung der Fettsäuren?

Answer 26

* Fettsäuren diffundieren aus dem Kapillarblut in die Muskelzelle. Zelle kann aber auch selbst Fett speichern. * Die Fettsäure wird unter Verbrauch von **2 ATP-Moleküle enzymatisch aktiviert** damit sie in Mitochondrium übertreten kann. * Bei der **Beta-Oxidation **wird die aktivierte Fettsäure mehrmals durch die Enzymgruppe geschleust. Bei jedem Mal wird ein C2-Bruchstück (**aktivierte Essigsäure**) abgespalten und jeweils 2 Paare von Wasserstoffatomen (H2) freigesetzt die von den **Coenzymen FAD (1) + NAD (1)** aufgenommen werden. Diese Wasserstoffatome werden von den Coenzymen zur **Atmungskette** gebracht. * Die aktivierte Essigsäure wird zum **Zitronensäurezyklus** gebracht. Jedes C2-Molekül wird **unter Aufnahme von Wasser** (wird in Atmungskette immer neu gebildet) in jeweils **2 CO2-Moleküle und 4 Paar coenzymgebundenen Wasserstoff (H2)** zerlegt. Das **CO2** tritt aus Mitochondrium über die Zelle ins venöse Kapillarblut über. Die 4 Wasserstoffatompaare (H2) werden mithilfe von **NAD (3) und FAD (1) zur Atmungskette** transportiert. * Bei jeder C2-Zerlegung im Zitratzyklus entsteht auch jeweils 1 Molekül einer Phosphatverbindung. Das führt zur Bildung von 1 ATP aus ADP + P1 (=**Substratkettenphosphorylierung**). * In der Atmungskette werden die gelieferten Wasserstoffatome auf den Sauerstoff (O) übertragen. Dadurch entsteht Wasser (H2O) und eine energiereiche Phosphatverbindung die jeweils 1 Molekül ATP aus ADP + P bildet (**oxidative Phosphorylierung**).

Question 27

# **Aerobe Zerlegung der Fettsäuren:** ATP-Ausbeute der gesamten aeroben Energiegewinnung aus einem Molekül Palmitinsäure (C15H31COOH)?

Answer 27

* **Fettsäurenaktivierung**: (- 2 ATP) * **ß-Oxidation:** Atmungskettenphosphorylierung 7 NAD H2 (+ 21 ATP) 7 FAD H2 (+ 14 ATP) * **Zitronensäurezyklus:** Atmungskettenphosphorylierung 24 NAD H2 ( + 72 ATP) 8 FAD H2 (+ 16 ATP) Substratkettenphosphorylierung (+ 8 ATP) * **Nettoausbeute an ATP**: 129 ATP

Question 28

# **Aerobe Zerlegung der Glukose:** Ablauf der aeroben Zerlegung der Glukose?

Answer 28

* Glukose diffundiert aus dem Blut in die Muskelzelle. * **Aktivierung**: Um zerlegt werden zu können muss sie aktiviert werden. Das geschieht durch Anlagerung eines Phosphatrestes (Phosphorylierung). Die Aktivierung kostet **1 ATP-Molekül**. Dadurch entsteht **Glukose-6-Phosphat**. * Glukose-6-Phosphat kann die Zelle nicht mehr verlassen, weil zu groß. Glukose-6-Phosphat muss ins Vorratslager (Glykogendepots) oder als Treibstoff genutzt werden. * Zur Nutzung als Treibstoff wird unter **Verbrauch von 1 ATP** ein weiterer Phosphatrest angehängt. * **Glykolyse**: Danach kommt es zur Glykolyse und das Zuckermolekül wird zu **2 Molekülen Triosephosphat (C3-Bruchstück)** zerlegt. * Diese 2 Triosephosphat Moleküle werden zu **2 Brenztraubensäure Moleküle** umgewandelt. Dabei werden durch die Substratkettenphosphorylierung **4 Moleküle ATP** gebildet und **2 Paare von Wasserstoffatomen (2H2)** auf das Coenzym NAD übertragen. * Beiden Molekülen Brentraubensäure wird unter Einfluss von dem Enzym **Pyruvatdehydrogenase** jeweils ein Paar von Wasserstoffatomen entzogen. Danach können die Moleküle in die Mitochondrien eintreten. * Im Mitochondrium wird diesen Molekülen **jeweils ein CO2-Molekül abgespalten**. Es entstehen C2-Moleküle, die zusammen mit Coenzym A **aktivierte Essigsäure (C2)** bilden. * Diese aktivierte Essigsäure durchläuft den **Zitronensäurezyklus** und die **Atmungskette** genau wie die bei der Fettsäure.

Question 29

# **Aerobe Zerlegung der Glukose:** ATP-Ausbeute der gesamten aeroben Energiegewinnung aus einem Molekül Glukose (C6H12O6)?

Answer 29

* **Glykose-Aktivierung:** Blutkreislauf (-2 ATP) Glykogenspeicher (-1 ATP) * **Glykolyse:** Substratkettenphosphorylierung (4 ATP) Atmungskettenphosphorylierung 2 NAD H2 (6 ATP) Pyruvatdehydrogenase 2 NAD H2 (6 ATP) * **Zitronensäurezyklus:** Atmungskettenphosphorylierung 6 NAD H2 (18 ATP) 2 FAD H2 (4 ATP) Substratkettenphosphorylierung (2 ATP) * **Nettoausbeute an ATP:** 39 ATP (Glykogen) 38 ATP (Glukose aus Blut)

Question 30

# **Anaerober Weg der Zuckerzerlegung im Muskel:** Ursache + Ablauf der anaeroben Zerlegung von Glukose?

Answer 30

* **Ursache:** **NAD H2** staut sich in der Zelle an, da das bei der Glykolyse entstandende NAD H2 seine Wasserstoffatome nicht an die **Atmungskette** loswerden kann, da dort **kein Sauerstoff als Endempfänger** zur Verfügung steht. Das Coenzym **NAD wird allmählich aufgebraucht** und nicht mehr durch Oxidation des NAD H2 nachgeliefert. * **Ablauf:** Die Muskelzelle löst das mit einem Kunstgriff: **Brenztraubensäure** übernimmt das **Wasserstoffatompaar** des NAD H2, so dass wieder das Coenzym NAD entsteht. Durch diese Anlagerung wird Brenztraubensäure zu **Lactat**.

Question 31

# **Anaerober Weg der Zuckerzerlegung im Muskel:** Folgen der Anhäufung von Lactat in der Muskelzelle?

Answer 31

* **Lactat** ist eine schwache **Säure**. * Dadurch wird das **Zellmilieu** saurer. * Das wiederum hat zur Folge, dass **hochsensible Enzyme** der Glykolyse bei einem bestimmten Säuerungsgrad ihre **Tätigkeit einstellen.** * Dadurch kann kein ATP mehr resynthetisiert werden und der **Muskel erschöpft**.

Question 32

# **Anaerober Weg der Zuckerzerlegung im Muskel:** Mechanismen um unerwünschte Übersäuerung der anaerob arbeitenden Zelle zu verzögern?

Answer 32

* **Puffersystem**: fangen (H+)-Ionen und (OH-)-Ionen ab und mildern dadurch Säuerungsänderung. * **Entfernung des Lactats:** Lactat tritt aus der Zelle in das Kapillarblut über.

Question 33

# **Anaerober Weg der Zuckerzerlegung im Muskel:** Was passiert mit dem Lactat wenn es aus der Zelle ins Kapillarblut übertritt?

Answer 33

Lactat wird mit dem Blut zur Leber, Herz und anderen Muskelzellen gebracht. * **Leber**: Lactat wird in einem engergieverbrauchenden enzymatisch gesteuerten Prozess benutzt um neue Glukosemoleküle aufzubauen (**Glukoneogenese**). * **Muskelzelle**: Lactact wird wieder zu **Brenztraubensäure** zurückverwandelt und kann so als zusätzlicher Treibstoff verwendet werden, in dem sie in den **Zitronensäurezyklus** und in die **Amtungskette** der Mitochondrien eingeschleust wird. * **Herzmuskelzelle**: Hat unverhältnismäßig viele Mitochondrien. Deckt bei körperlicher Arbeit 50 % des Energiebedarfs mit Lactact ab.

Question 34

# **Anaerober Weg der Zuckerzerlegung im Muskel:** ATP-Ausbeute der anaeroben Zerlegung eines Moleküls Glukose (C6H12O6) in der Muskelzelle?

Answer 34

* **Glukoseaktivierung**: Blutkreislauf (- 2 ATP) Glykogendepots (- 1 ATP) * **Glykolyse**: Substratkettenphosphorylierung (4 ATP) * **Nettoausbeute an ATP**: Glykogen (3 ATP) Glukose aus Blut (2 ATP) ## Footnote Foto ist von aerober Zerlegung von Glukose