Stoffwechselphysiologie

Metabolic Physiology

Biologie Klasse 11 19 Aufgaben

StoffwechselBiochemieEnzymeATPZellatmungKerncurriculum

Enzyme sind biologische Katalysatoren: Sie setzen die Aktivierungsenergie einer Reaktion herab und wirken nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip nur auf passende Stoffe. Die Zelle gewinnt Energie schrittweise in Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette; das Endprodukt ist ATP als gemeinsame Energiewährung. Zellatmung ist damit keine „Verbrennung“ in einem Zug, sondern eine gesteuerte, schrittweise Energieumwandlung, in der Abbau (Katabolismus) und Aufbau (Anabolismus) zusammenhängen. Weil Enzyme Proteine sind, baut dieses Kapitel auf der Proteinbiosynthese auf.

Voraussetzungen (2)

Leicht

Multiple Choice #1 20s ▶ Testen

Was sind Enzyme?

● Biokatalysatoren, die die Aktivierungsenergie einer Reaktion herabsetzen
○ Energiespeicher in der Zelle
○ Bausteine der Zellmembran
○ Hormone, die Stoffwechselvorgänge regulieren

Enzyme sind Proteine (selten RNA), die biochemische Reaktionen beschleunigen, indem sie die Aktivierungsenergie senken. Sie gehen unverändert aus der Reaktion hervor und wirken substrat- und wirkungsspezifisch.

Lückentext #2 15s ▶ Testen

Das Modell, das die spezifische Passung zwischen Enzym und Substrat beschreibt, heißt ___-Prinzip.

✓ Antwort: Schlüssel-Schloss

Das Schlüssel-Schloss-Prinzip (Emil Fischer, 1894) erklärt die Substratspezifität: Das Substrat (Schlüssel) passt genau in das aktive Zentrum des Enzyms (Schloss). Das modernere Induced-Fit-Modell berücksichtigt, dass sich das aktive Zentrum bei Substratbindung anpasst.

Wahr / Falsch #3 15s ▶ Testen

Enzyme werden bei einer Reaktion verbraucht und müssen anschließend neu synthetisiert werden.

✓ Falsch

Falsch. Enzyme sind Katalysatoren und gehen unverändert aus der Reaktion hervor. Ein einzelnes Enzymmolekül kann Tausende von Reaktionen katalysieren. Deshalb wirken bereits geringe Enzymmengen sehr effektiv.

Lückentext #4 15s ▶ Testen

Bei der Glykolyse wird ein Molekül Glucose in zwei Moleküle ___ gespalten.

✓ Antwort: Pyruvat

Die Glykolyse (griech. 'Zuckerspaltung') findet im Cytoplasma statt und spaltet Glucose (C₆) in zwei Pyruvat-Moleküle (C₃). Nettobilanz: 2 ATP und 2 NADH+H⁺ pro Glucose. Glykolyse ist der älteste Stoffwechselweg und läuft anaerob ab.

Multiple Choice #5 20s ▶ Testen

Wo findet der Citratzyklus statt?

● In der Matrix der Mitochondrien
○ Im Cytoplasma
○ An der äußeren Mitochondrienmembran
○ Im Zellkern

Der Citratzyklus (auch Krebs-Zyklus) läuft in der Mitochondrienmatrix ab. Pro Durchlauf werden aus einem Acetyl-CoA: 2 CO₂, 3 NADH, 1 FADH₂ und 1 GTP (≈ ATP) gebildet. Pro Glucose durchläuft der Zyklus zweimal.

Wahr / Falsch #6 15s ▶ Testen

NADH und FADH₂ sind Reduktionsäquivalente, die Elektronen zur Atmungskette transportieren.

✓ Wahr

Richtig. NADH+H⁺ und FADH₂ nehmen bei Redoxreaktionen in Glykolyse und Citratzyklus Wasserstoff (Elektronen + Protonen) auf und geben die Elektronen an die Atmungskette ab. Die freiwerdende Energie wird zum Aufbau eines Protonengradienten genutzt.

Wahr / Falsch #7 15s ▶ Testen

Bei der Milchsäuregärung im menschlichen Muskel wird Pyruvat zu Lactat reduziert.

✓ Wahr

Richtig. Bei intensiver Muskelarbeit und Sauerstoffmangel wird Pyruvat durch Lactatdehydrogenase zu Lactat (Milchsäure) reduziert. Dabei wird NADH zu NAD⁺ reoxidiert, sodass die Glykolyse weiterlaufen kann. Die Energieausbeute ist gering (2 ATP pro Glucose).

Zahleneingabe #8 15s ▶ Testen

Bei welcher Temperatur (in °C) liegt das Temperaturoptimum der meisten menschlichen Enzyme?

✓ Antwort: 37

Die meisten menschlichen Enzyme haben ihr Temperaturoptimum bei ca. 37 °C (Körpertemperatur). Bei höheren Temperaturen denaturieren die Proteine, bei niedrigeren sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit gemäß der RGT-Regel.

Sortieren #9 20s ▶ Testen

Ordne die Energieträger nach ihrem Energiegehalt pro Gramm (aufsteigend).

✓ Antwort: Kohlenhydrate (ca. 17 kJ/g), Proteine (ca. 17 kJ/g), Fette (ca. 39 kJ/g)

Fette haben mit ca. 39 kJ/g den höchsten Energiegehalt, da sie stärker reduziert sind als Kohlenhydrate oder Proteine (je ca. 17 kJ/g). Deshalb sind Fette die effizientesten Energiespeicher des Körpers.

Zahleneingabe #10 15s ▶ Testen

Wie viele Kohlenstoffatome hat ein Molekül Pyruvat?

✓ Antwort: 3

Pyruvat (Brenztraubensäure, CH₃-CO-COO⁻) ist ein C₃-Körper. Es entsteht durch Spaltung der C₆-Glucose in der Glykolyse. Zwei Pyruvat-Moleküle pro Glucose werden anschließend in den Mitochondrien weiter abgebaut.

Mittel

Multiple Choice #1 25s ▶ Testen

Was versteht man unter kompetitiver Hemmung eines Enzyms?

● Ein Hemmstoff konkurriert mit dem Substrat um das aktive Zentrum
○ Der Hemmstoff bindet an einer anderen Stelle und verändert die Enzymstruktur
○ Das Produkt der Reaktion hemmt das Enzym
○ Das Enzym wird durch Temperaturerhöhung denaturiert

Bei kompetitiver Hemmung ähnelt der Inhibitor dem Substrat strukturell und besetzt das aktive Zentrum. Die Hemmung kann durch Erhöhung der Substratkonzentration aufgehoben werden. Die maximale Reaktionsgeschwindigkeit (Vmax) bleibt erreichbar, Km steigt.

Sortieren #2 30s ▶ Testen

Ordne die Schritte der Zellatmung in der richtigen Reihenfolge.

✓ Antwort: Glykolyse (im Cytoplasma), Oxidative Decarboxylierung (Pyruvat → Acetyl-CoA), Citratzyklus (in der Mitochondrienmatrix), Atmungskette (an der inneren Mitochondrienmembran), ATP-Synthase produziert ATP

Die Zellatmung verläuft in vier Hauptschritten: Glykolyse (Glucose → 2 Pyruvat), oxidative Decarboxylierung (Pyruvat → Acetyl-CoA), Citratzyklus (Acetyl-CoA → CO₂ + Reduktionsäquivalente), Atmungskette + oxidative Phosphorylierung (NADH/FADH₂ → ATP).

Zahleneingabe #3 20s ▶ Testen

Wie viele ATP-Moleküle werden bei der vollständigen Oxidation eines Glucose-Moleküls durch Zellatmung maximal gebildet?

✓ Antwort: 38

Die theoretische Maximalausbeute beträgt ca. 38 ATP pro Glucose: 2 ATP (Glykolyse) + 2 ATP (Citratzyklus) + 34 ATP (Atmungskette aus 10 NADH und 2 FADH₂). In der Praxis sind es oft ca. 30–32 ATP wegen Transportverlusten.

Sortieren #4 25s ▶ Testen

Ordne die Faktoren, die die Enzymaktivität beeinflussen, nach ihrer Wirkungsart (physikalisch → chemisch → regulatorisch).

✓ Antwort: Temperatur, pH-Wert, Substratkonzentration, Kompetitive Inhibitoren, Allosterische Regulation

Enzymaktivität wird durch physikalische Faktoren (Temperatur: RGT-Regel, Denaturierung), chemische Faktoren (pH-Wert, Substratkonzentration) und regulatorische Mechanismen (kompetitive/allosterische Hemmung, Endprodukthemmung) beeinflusst.

Lückentext #5 20s ▶ Testen

Die chemiosmotische Hypothese von Peter Mitchell erklärt, wie die ATP-Synthase durch einen ___ angetrieben wird.

✓ Antwort: Protonengradienten

Die Atmungskette pumpt Protonen (H⁺) aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum. Der entstehende elektrochemische Protonengradient treibt die ATP-Synthase an, die wie eine molekulare Turbine ATP aus ADP + Pᵢ synthetisiert (chemiosmotische Kopplung).

Multiple Choice #6 25s ▶ Testen

Was passiert bei der alkoholischen Gärung?

● Pyruvat wird unter anaeroben Bedingungen zu Ethanol und CO₂ umgewandelt
○ Glucose wird vollständig zu CO₂ und H₂O oxidiert
○ Fette werden in Glycerin und Fettsäuren gespalten
○ Aminosäuren werden zu Harnstoff abgebaut

Alkoholische Gärung (z. B. bei Hefepilzen) ist eine anaerobe Alternative zur Zellatmung: Pyruvat → Acetaldehyd + CO₂ → Ethanol. NADH wird dabei reoxidiert. Die Energieausbeute ist gering (nur 2 ATP aus der Glykolyse).

Multiple Choice #7 25s ▶ Testen

Was versteht man unter allosterischer Regulation?

● Ein Effektor bindet an einer anderen Stelle als dem aktiven Zentrum und verändert die Enzymkonformation
○ Das Substrat bindet direkt an das aktive Zentrum
○ Das Enzym wird durch Temperaturänderung reguliert
○ Zwei Enzyme konkurrieren um dasselbe Substrat

Allosterische Regulation erfolgt durch Bindung eines Effektormoleküls an das allosterische Zentrum (griech. 'anderer Ort'). Dies verändert die Konformation des aktiven Zentrums. Aktivatoren steigern, Inhibitoren senken die Enzymaktivität.

Wahr / Falsch #8 15s ▶ Testen

Die RGT-Regel besagt, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Temperaturerhöhung um 10 °C etwa verdoppelt.

✓ Wahr

Richtig. Die Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel (Q₁₀-Regel) besagt, dass enzymatische Reaktionen bei einer Temperaturerhöhung um 10 °C etwa doppelt so schnell ablaufen. Dies gilt nur bis zum Temperaturoptimum; darüber denaturiert das Enzym.

Schwer

Lückentext #1 20s ▶ Testen

Die Substratkonzentration, bei der ein Enzym die halbmaximale Reaktionsgeschwindigkeit erreicht, heißt ___-Konstante (Km).

✓ Antwort: Michaelis-Menten

Die Michaelis-Menten-Konstante (Km) ist ein Maß für die Affinität eines Enzyms zu seinem Substrat: Je kleiner Km, desto höher die Affinität. Bei [S] = Km erreicht das Enzym Vmax/2. Die Michaelis-Menten-Kinetik beschreibt die Beziehung zwischen Substratkonzentration und Reaktionsgeschwindigkeit.