Biologie · Klasse 7–10 · aktualisiert
Energiegewinnung in Zellen: Zellatmung und Gärung
Wie gewinnt eine Zelle ATP aus Glucose? Du vergleichst Zellatmung mit Gärung und verfolgst die Rolle des Sauerstoffs.
0 von 12 Aufgaben gelöst
Kurz gesagt
Zellen übertragen beim Abbau von Glucose einen Teil der frei werdenden Energie auf ATP. Mit Sauerstoff liefert die Zellatmung in eukaryotischen Zellen modellhaft ungefähr 30–32 ATP pro Glucose. Ohne Sauerstoff kann Gärung die Glykolyse aufrechterhalten; netto entstehen dabei 2 ATP pro Glucose.
Zellen gewinnen nutzbare Energie, indem sie Glucose schrittweise abbauen und einen Teil der frei werdenden Energie auf ATP übertragen. Mit Sauerstoff läuft die ergiebige Zellatmung ab. Ohne Sauerstoff bleiben Glykolyse und Gärung; dabei entstehen netto nur zwei ATP pro Glucose.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Bewegung und Stofftransport brauchen nutzbare Energie. ATP (Adenosintriphosphat) überträgt sie kurzfristig an Zellvorgänge. Bei seiner Hydrolyse mit Wasser entstehen ADP und anorganisches Phosphat (Pᵢ); die Gesamtreaktion macht Energie verfügbar: ATP + H₂O → ADP + Pᵢ. Mit zugeführter Energie werden ADP und Phosphat wieder zu ATP verbunden.
Bei der Zellatmung wird Glucose mit Sauerstoff schrittweise zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O. Ein Teil der frei werdenden Energie wird auf ATP übertragen; ATP ist kein Atomprodukt dieser Gleichung. Die Glykolyse im Zellplasma verbraucht unmittelbar keinen Sauerstoff. Sauerstoff nimmt erst am Ende der Atmungskette Elektronen auf.
Definition
ATP
ATP ist ein unmittelbar nutzbarer Energieträger der Zelle. Es besteht aus Adenin, Ribose und drei Phosphatgruppen.
Merke: ATP ist kein dauerhafter Energiespeicher wie ein Nährstoffvorrat. Es wird fortlaufend aus ADP aufgebaut, genutzt und wieder erneuert.
Beispiel: Orte der aeroben Energiegewinnung
- 1Die Glykolyse zerlegt Glucose im Zellplasma zu Pyruvat.
- 2Pyruvat wird in der Mitochondrienmatrix weiterverarbeitet; dort läuft auch der Citratzyklus.
- 3Die Atmungskette sitzt an der inneren Mitochondrienmembran und nutzt Sauerstoff am Ende.
Teste dich
Die Glykolyse zerlegt im Zellplasma eine Glucose mit sechs Kohlenstoffatomen in zwei Pyruvate mit je drei Kohlenstoffatomen. Zunächst setzt die Zelle 2 ATP ein. Später entstehen 4 ATP. Der Nettogewinn ist daher 4 ATP − 2 ATP = 2 ATP pro Glucose. Außerdem entstehen 2 NADH. Diese Überträger können energiereiche Elektronen zur aeroben Atmungskette bringen. Die Glykolyse selbst braucht keinen Sauerstoff. Was danach folgt, hängt von den Bedingungen ab.
Beispiel
- 1Aus einer Glucose entstehen in der Glykolyse zwei Pyruvat.
- 2Die Energiegewinnungsphase erzeugt vier ATP, doch zwei ATP wurden zuvor eingesetzt.
- 3Deshalb beträgt der Nettogewinn zwei ATP und nicht vier ATP.
Merke: Die Glykolyse selbst benötigt keinen Sauerstoff. Ob danach Zellatmung oder Gärung folgt, hängt von den weiteren Bedingungen ab.
Teste dich
Mit Sauerstoff wird Pyruvat in der Mitochondrienmatrix zu einer C2-Verbindung weiterverarbeitet; dabei entsteht CO₂. Im Citratzyklus wird das Kohlenstoffgerüst weiter abgebaut. Ein C4-Akzeptormolekül entsteht am Ende erneut. Dabei werden NADH und FADH₂ sowie eine kleine Menge ATP beziehungsweise GTP gebildet.
NADH und FADH₂ bringen Elektronen zur Atmungskette an der inneren Mitochondrienmembran. Dort wird die Energie der Elektronenübertragung für die ATP-Bildung genutzt. Sauerstoff nimmt am Ende Elektronen auf; zusammen mit Protonen entsteht Wasser. Für eukaryotische Zellen liegt die Modellbilanz bei ungefähr 30–32 ATP pro Glucose. Abweichende ältere Zahlen beruhen auf anderen Bilanzierungsannahmen. Der Vergleich bleibt eindeutig: Zellatmung liefert deutlich mehr ATP als die 2 ATP netto der Glykolyse mit Gärung.
Beispiel: Stoffe und Elektronen getrennt verfolgen
- 1Aus Glucose entstehen im Zellplasma zunächst zwei Pyruvate.
- 2Ihr Kohlenstoff endet nach weiteren Schritten als Kohlenstoffdioxid.
- 3NADH und FADH₂ bringen Elektronen zur Atmungskette.
- 4Sauerstoff nimmt die Elektronen am Ende auf; Wasser entsteht.
Teste dich
Fehlt ausreichend Sauerstoff, kann die aerobe Atmungskette nicht normal weiterlaufen. Gärung regeneriert NAD⁺ aus NADH, damit die Glykolyse fortgesetzt werden kann. Bei der Milchsäuregärung entsteht Lactat, etwa in Muskelzellen bei kurzer intensiver Belastung und unzureichender Sauerstoffversorgung. Bei Hefen kann alkoholische Gärung Ethanol und Kohlenstoffdioxid liefern. Die anschließenden Gärungsschritte bilden kein zusätzliches ATP: Die Ausbeute sind die 2 ATP netto der Glykolyse.
Vergleiche die Wege nach Sauerstoff, Endprodukten und ATP-Ausbeute. Aerobe Zellatmung endet mit CO₂ und Wasser und ist deutlich ergiebiger. Milchsäuregärung endet mit Lactat; alkoholische Gärung mit Ethanol und CO₂. Beide Gärungswege halten die Glykolyse ohne Sauerstoff aufrecht.
Merke: Gärung ist schnell ohne Sauerstoff möglich, nutzt die in Glucose enthaltene Energie aber nur zu einem kleinen Teil. Zellatmung ist deutlich ergiebiger.
| Merkmal | Zellatmung | Gärung |
|---|---|---|
| Sauerstoff | erforderlich | nicht erforderlich |
| gemeinsamer erster Schritt | Glykolyse | Glykolyse |
| weitere Verarbeitung | Citratzyklus und Atmungskette | Milchsäure- oder alkoholische Gärung |
| Endprodukte | Kohlenstoffdioxid und Wasser | Lactat oder Ethanol und Kohlenstoffdioxid |
| ATP-Ausbeute | deutlich höher | netto 2 ATP pro Glucose |
Beispiel: Bei kurzer intensiver Belastung
- 1Eine Muskelzelle braucht bei einem kurzen Sprint rasch ATP.
- 2Wenn die Sauerstoffversorgung vorübergehend nicht ausreicht, kann Lactat entstehen.
- 3Die Gärung regeneriert NAD⁺, damit die Glykolyse weiterläuft.
- 4Pro Glucose gewinnt die Zelle dabei nur 2 ATP netto.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Energiegewinnung
ATP-ADP-System
Energie aufnehmen und bereitstellen
Glykolyse
Glucose wird zu zwei Pyruvat, netto entstehen zwei ATP
Mit Sauerstoff
Citratzyklus und Atmungskette liefern deutlich mehr ATP
Ohne Sauerstoff
Gärung hält die Glykolyse aufrecht
Zellatmung
Kohlenstoffdioxid und Wasser entstehen
Milchsäuregärung
Lactat entsteht
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Zwei Wege nach der Glykolyse vergleichen
- 1Eine Glucose liefert in der Glykolyse zwei Pyruvate und 2 ATP netto.
- 2Bei ausreichendem Sauerstoff folgen in Mitochondrien weitere Abbauschritte und die Atmungskette.
- 3Die eukaryotische Modellbilanz erreicht so ungefähr 30–32 ATP pro Glucose.
- 4Ohne Sauerstoff hält Gärung die Glykolyse durch NAD⁺-Regeneration aufrecht; es bleiben 2 ATP netto.
Fehler finden
Wieviel ATP liefert der Weg ohne Sauerstoff? In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Der Gärungsschritt liefert kein weiteres ATP. Richtig: Insgesamt bleiben 2 ATP netto pro Glucose aus der Glykolyse.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Die Glykolyse läuft im ab. Mit Sauerstoff nutzt die Zelle die für eine hohe ATP-Ausbeute. Ohne Sauerstoff kann Gärung regenerieren.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback