Aufgabe Vorschlag B - Aufgaben 2.1 und 2.3 · Abitur Hessen Biologietechnik LK 2021

2.1 Stellen Sie die wesentlichen Aspekte der einzelnen Stoffwechselwege beim aeroben Abbau der Glukose dar.

Lösung: 1. Glykolyse: Findet im Cytoplasma statt. Glukose ($C_6$) wird in zwei Moleküle Pyruvat ($C_3$) zerlegt und oxidiert. Pro Mol Glukose entstehen $2\text{ Mol }\text{NADH}+\text{H}^+$ sowie durch Substratkettenphosphorylierung $2\text{ Mol ATP}$. 2. Oxidative Decarboxylierung: Pyruvat wird in die Mitochondrien transportiert. Dort wird $\text{CO}_2$ abgespalten und der verbleibende $C_2$-Körper (Essigsäure) oxidiert und an Coenzym A gebunden, wodurch Acetyl-CoA entsteht. Pro Mol Pyruvat entsteht $1\text{ Mol }\text{NADH}+\text{H}^+$. 3. Citratzyklus: Findet in der Mitochondrienmatrix statt. Acetyl-CoA reagiert mit Oxalacetat zu Citrat. Der $C_2$-Körper wird vollständig zu $\text{CO}_2$ abgebaut. Die Wasserstoffatome werden auf $\text{NAD}^+$ und FAD übertragen (Bildung von $\text{NADH}+\text{H}^+$ und $\text{FADH}_2$). Pro Durchlauf wird $1\text{ ATP}$ gebildet. 4. Atmungskette: Findet an der inneren Mitochondrienmembran statt. Die reduzierten Coenzyme ($\text{NADH}+\text{H}^+$ und $\text{FADH}_2$) werden reoxidiert; Elektronen bzw. Protonen werden auf molekularen Sauerstoff übertragen, wobei Wasser entsteht (Knallgasreaktion). Die freiwerdende Energie treibt die ATP-Synthase an ($3\text{ ATP}$ pro $\text{NADH}+\text{H}^+$, $2\text{ ATP}$ pro $\text{FADH}_2$). Gesamtbilanz: Beim vollständigen aeroben Abbau können pro Mol Glukose ca. $38\text{ Mol ATP}$ gebildet werden.

2.3 Ermitteln Sie die Ergebnisse der Experimente zum Stoffwechsel von „trainierten“ Monozyten und Makrophagen und zeigen Sie die Umstellung auf, die im Energiestoffwechsel stattgefunden hat und für einen erhöhten Substratbedarf sorgt.

Lösung: Ergebnisse der Experimente: - Sauerstoffverbrauch (Abb. 6.1): Bei mit $\beta$-Glucan trainierten Phagozyten ist der Sauerstoffverbrauch gegenüber der untrainierten Kontrollgruppe um etwa die Hälfte reduziert (von ca. $20$ auf $10\text{ pmol}/\text{s}/10^6\text{ Zellen}$). - Glukoseverbrauch (Abb. 6.2): Der Glukoseverbrauch ist bei den trainierten Phagozyten mehr als verdoppelt (ca. $0{,}75\text{ mM}$ gegenüber ca. $0{,}32\text{ mM}$ bei der Kontrolle). - Laktatproduktion (Abb. 6.3): Die Laktatproduktion ist ebenfalls mehr als verdoppelt (ca. $3{,}2\text{ mM}$ gegenüber ca. $1{,}5\text{ mM}$). - $\text{NAD}^+/\text{NADH}$-Verhältnis (Abb. 6.4): Das $\text{NAD}^+/\text{NADH}$-Verhältnis ist bei trainierten Zellen auf das Vierfache erhöht. Stoffwechselphysiologische Umstellung: - Der verringerte Sauerstoffverbrauch zeigt, dass die Atmungskette und damit auch der Citratzyklus gedrosselt ablaufen. - Pyruvat aus der Glykolyse wird überwiegend nicht mehr aerob zu Acetyl-CoA decarboxyliert, sondern anaerob durch Milchsäuregärung zu Laktat reduziert. - Dadurch wird $\text{NADH}$ wieder zu $\text{NAD}^+$ reoxidiert, was das hohe $\text{NAD}^+/\text{NADH}$-Verhältnis erklärt und die Glykolyse aufrechterhält. - Da bei der Gärung nur $2\text{ ATP}$ pro Glukose gewonnen werden (im Vergleich zu ca. $38\text{ ATP}$ aerob), ist die Energieausbeute pro Glukosemolekül wesentlich geringer. Um den hohen ATP-Bedarf für Immunfunktionen zu decken, muss viel mehr Glukose umgesetzt werden, was den stark erhöhten Substrat- und Glukoseverbrauch erklärt.