Aufgabe Vorschlag B - Aufgabe 1 (1.1 - 1.3) · Abitur Hessen Biologietechnik LK 2022

1.1 Vergleichen Sie den aeroben und den anaeroben Glukoseabbau der Hefe im Hinblick auf die Teilprozesse, deren jeweiligen Orte in der Zelle, die Endprodukte und die Energiebilanzen.

Lösung: Sowohl der aerobe als auch der anaerobe Glukoseabbau beginnen mit der Glykolyse im Cytoplasma der Hefezellen. Beim anaeroben Abbau wird Pyruvat im Cytoplasma über die alkoholische Gärung zu Ethanol und $\text{CO}_2$ abgebaut. Pro Glukose entstehen 2 Ethanol und 2 ATP. Beim aeroben Glukoseabbau folgen auf die Glykolyse die oxidative Decarboxylierung in der mitochondrialen Matrix, der Citratzyklus (Mitochondrienmatrix) sowie die Endoxidation an der inneren Mitochondrienmembran / Intermembranraum. Endprodukte sind $6\text{ CO}_2$ und $6\text{ H}_2\text{O}$ pro Glukose mit einer Ausbeute von insgesamt 38 ATP.

1.2 Reaktionsgleichungen der beiden unter anaeroben Bedingungen ablaufenden Teilprozesse in Strukturformeln

Lösung: Darstellung der Glykolyse: $\text{Glukose} + 2\text{ ADP} + 2\text{ P}_i + 2\text{ NAD}^+ \rightarrow 2\text{ Pyruvat} + 2\text{ ATP} + 2\text{ NADH}/\text{H}^+$ Darstellung der alkoholischen Gärung: $2\text{ Pyruvat} + 2\text{ NADH}/\text{H}^+ \rightarrow 2\text{ Ethanol} + 2\text{ CO}_2 + 2\text{ NAD}^+$

1.2 Erläutern Sie anhand Ihrer Darstellung die Bedeutung der alkoholischen Gärung für lebende Organismen.

Lösung: Die Gärung ermöglicht es biologischen Systemen, auch in Abwesenheit von Sauerstoff Energie (ATP) zu generieren. Über die Gärung selbst wird kein ATP produziert, aber sie dient der Rückgewinnung von $\text{NAD}^+$, welches in der Glykolyse für die ATP-Produktion benötigt wird. Würde $\text{NAD}^+$ nicht regeneriert, käme die Glykolyse zum Erliegen. Dies erhöht die Überlebenschance bei wechselnden Umweltbedingungen.

1.3 Beschreiben Sie die graphischen Darstellungen (Material 1), ordnen Sie die Kurven A und B den aeroben und anaeroben Bedingungen zu und begründen Sie Ihre Zuordnung.

Lösung: Beschreibung: - Linke Grafik: Glukosekonzentration sinkt bei Kurve A rasch und steil bis nahe null, bei Kurve B dagegen nur geringfügig und linear (ca. 80 % verbleiben). - Rechte Grafik: Ethanolkonzentration steigt bei Kurve A rasch und stark an (spiegelt den Glukoseabfall wider), bei Kurve B verharrt sie auf minimalem Niveau (ca. 5 % von A). Zuordnung und Begründung: - Kurve A = anaerobe Bedingungen: Wegen der geringen ATP-Ausbeute von 2 mol ATP/mol Glukose muss sehr viel Glukose verstoffwechselt werden, um den Energiebedarf zu decken; dabei entsteht viel Ethanol. - Kurve B = aerobe Bedingungen: Die hohe ATP-Ausbeute von ca. 38 mol ATP/mol Glukose bei vollständiger Oxidation erfordert nur geringen Glukoseverbrauch. Der Pasteur-Effekt beschreibt die Hemmung der Gärung durch Sauerstoff/Zellatmung, daher entsteht kaum Ethanol.