Vorlesung 7

Question 1

Erklären Sie in allgemeinen Worten, wie Redoxreaktionen in
Energieaustauschvorgänge involviert sind (Folie 12-15)

Answer 1

• Bei Redoxreaktionen finden gekoppelt zwei Vorgänge statt: die Oxidation eines Reduktionsmittels (Abgabe von Elektronen, z.B. organische Verbindungen wie Zucker, Fette,…) und die Reduktion des Oxidationsmittels (nimmt Elektronen auf, z.B. Sauerstoff).
• Dabei wird die Aufnahme von Elektronen durch Sauerstoff durch die Abgabe von Elektronen aus organischen Verbindungen ermöglicht und setzt gespeicherte Energie frei.
• Diese Energie kann zur Synthese von chemischer Energie (ATP) verwendet werden.

Question 2

Benennen Sie die drei Ebenen der Zellatmung; bezeichnen Sie für jede von ihnen die zuständige Region der eukaryotischen Zelle, in der sie abläuft, und die Produkte, die daraus entstehen

Answer 2

1. Glykolyse:
   
   • im Zytosol, in zwei Teilschritten (energieverbrauchend, energiefreisetzung)
   • Endprodukte: 2 Pyruvat, 2 H2O, 2 NADH, 2 ATP, 2 H+
   • Verknüpfungsschritt: Aktiver Transport von Pyruvat ins Mitochondrium,
   • Pyruvatoxidation im Mitochondrium: Endprodukt Acetyl-CoA
2. Citratzyklus:
   
   • In der Matrix des Mitochondriums, in 8 Teilschritten durch spezifische Enzyme
   • Endprodukte (pro Umlauf! Pro Glucosemolekül mit zwei multiplizieren): 1 ATP, 3 NADH, 3 H+, 1 FADH2, 2 CO2
3. Oxidative Phosphorylierung (Elektronentransportkette und chemiosmotischer Prozess):
   
   • An den Cristae der Mitochondrienmembran liegt die Elektronentransportkette
   • Beim Durchlaufen der Elektronentransportkette wird ein chemiosmotischer Gradient über die innere Membran aufgebaut: H+ wird in den Intermembranraum gepumpt.
   • Sinn der Elektronentransportkette: die stark exergone Oxidation (Übertragung von Elektronen auf Sauerstoff) von organischen Molekülen in kleine Teilschritte aufzuteilen.
   • Der Gradient stellt eine protonenmotorische Kraft dar, die die ATP-Synthase antreibt.
   • Diese überträgt einen Phosphatrest auf ADP, es entsteht ATP.
   • Endprodukt: 32/34 ATP pro Glucosemolekül

Question 3

Stellen Sie die Bedeutung der Elektronentransportkette in der Zellatmung heraus, vergleichen Sie mit der Lichtreaktion der Photosynthese!

Answer 3

Zellatmung:

• Sinn der Elektronentransportkette ist es, die stark exergone Oxidation (Übertragung von Elektronen auf Sauerstoff) von organischen Molekülen in kleine Teilschritte aufzuteilen.
• So kann die “Knallgasexplosion” vermieden werden.
• Die Elektronen stammen von Elektronenüberträgern FADH2 oder NADH und werden zum Schluss auf den finalen Elektronenakzeptor O2 übertragen.

Photosynthese:

• Sinn der Elektronentransportkette ist primär der Aufbau des chemiosmotischen Gradienten zum Antrieb der ATP-Synthase und damit zur Synthese von ATP.
• Die Elektronen entstammen dem Wasser, dem sie durch Lichtenergie entrissen wurden.
• Sie werden durch einen primären Elektronenakzeptor in die Elektronentransportkette eingeschleust und nach Durchlaufen des PSI auf den Elektronenübertäger NADP+ übertragen, so dass NADPH entsteht.
  
  • der Energiefluss läuft sozusagen umgekehrt!

Question 4

Was ist “Alternative Oxidase” und was ist ihre Funktion?

Answer 4

• Normalerweise werden Elektronen über die Cytochrom-Komplexe in der Elektronentransportkette (Cytochromoxidase) auf O2 übertragen, es entsteht H2O. Diese Komplexe jedoch können von CN- und CO gehemmt werden.
• In Pflanzen gibt es eine alternative Oxidase, ein Komplex, der ebenfalls Elektronen auf O2 übertragen kann, jedoch ohne weiter zur ATP-Synthese beizutragen. Stattdessen wird Energie in Form von Hitze abgegeben.

Funktion:

• Die Hitze kann physiologisch zu Prozessen der Bestäubung verwendet werden (Aronstabgewächse, Hitze verflüchtigt Lockstoffe), und überschüssige Elektronen können abgeleitet werden. Geht einher mit mehr und größeren Mitochondrien, Anstieg der Enzyme von Citratzyklus und Elektronentransportkette.

Question 5

Wie kann die Zellatmung reguliert werden?

Answer 5

Prinzip der allosterischen Regulation / Rückkopplungshemmung:

• Die Geschwindigkeit des Stoffumsatzes durch Glykolyse oder Citratzyklus kann von Enzymen an unterschiedlichen Punkten gesteuert werden. Kleine Moleküle wirken dabei als Aktivatoren oder Inhibitoren. So wird die Stoffwechselrate gemäß den Bedürfnissen der Zelle gesteuert.
• Beispiel Phosphofruktokinase, Schlüsselenzym der Glykolyse:
  
  • AMP wirkt aktivierend: bei hohem Energiebedarf wird Glykolyse aktiviert, es wird mehr ATP synthetisiert
  • Citrat und ATP wirken inhibierend: wenn also ATP Vorräte vorhanden sind, nimmt die Aktivität von Phosphofruktokinase - und damit die Zellatmungsrate - ab.

Question 6

Welche Anpassungen auf O2-Mangel gibt es in Pflanzen?

Answer 6

• Pflanzen reagieren auf O2-Mangel mit der Bildung von Aerenchymgewebe.
• Aerenchym versorgt die Wurzeln mit O2 durch große Interzellularräume
• Es werden verstärkt Enzyme für Gärungsprozesse gebildet

Question 7

Skizzieren Sie die alkoholische Gärung!

Was sind Vor- und Nachteile von Gärungsprozessen im Vergleich zur aeroben Atmung?

Answer 7

• Eine Gärung besteht aus der Glycolyse plus zusätzlichen Reaktionen, die das NAD+ durch Elektronenübertragung vom NADH auf Pyruvat oder dessen Abkömmlinge regenerieren. Dabei handelt es sich um enzymatisch katalysierte Reaktionen.
• Pyruvat wird in zwei Schritten zu Ethanol umgesetzt.
  
  • Im ersten Schritt wird CO2 freigesetzt, im nächsten wird Acetaldehyd durch NADH zu Ethanol reduziert
• Dabei entstehen nur 2 ATP (im Vergleich zu 36 bei der Zellatmung) ⇒ energetisch ineffizient
• Unterschied zur Milchsäuregärung: Pyruvat wird unmittelbar zu Lactat reduziert. Es entsteht kein CO2!
• Vorteil: Gärung ermöglicht es Pflanzen, NAD+ zu regenerieren, und so die glykolytische ATP-Bildung aufrechtzuerhalten.
• Nachteil: energetisch ineffizient, weniger bis gar keine Biomasseproduktion, Ethanol und Lactat sind in hohen Konzentrationen Giftstoffe für die Pflanzen.