Stoffwechselphysiologie Teil 2 – Lernzettel für Abitur 2025 NRW (Biologie LK)

Die Fotosynthese

Grundlagen

Pflanzen betreiben Fotosynthese, um aus energiearmen Stoffen energiereiche Glucose und Sauerstoff ($O_2$) zu bilden.

• Ort: Der Prozess findet in den Chloroplasten statt.
• Bruttogleichung: $6\ CO_2 + 12\ H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6\ O_2 + 6\ H_2O$.
• Zwei Phasen: Aufgeteilt in Primärreaktionen (lichtabhängig) und Sekundärreaktionen (lichtunabhängig).

💡 Tipp: Merk dir die Formel der Fotosynthese als die genaue Umkehrung der Zellatmung.

Die Primärreaktion

Lichtabhängige Reaktion

In der Thylakoidmembran wird Lichtenergie in chemische Energie (ATP und $NADPH + H^+$) umgewandelt.

• Fotolyse des Wassers: Wasser wird gespalten, um die Elektronenlücke im Fotosystem II zu schließen; dabei entsteht $O_2$.
• Protonengradient: Der Elektronentransport pumpt $H^+$-Ionen in den Innenraum.
• ATP-Synthese: Die ATP-Synthase nutzt diesen Gradienten zur ATP-Bildung.

Beispiel:

• Spaltung von Wasser: $2\ H_2O \rightarrow 4\ H^+ + 4\ e^- + O_2$.
• Synthese: $ADP + P \rightarrow ATP$.

💡 Tipp: Der Sauerstoff, den wir atmen, ist nur ein "Abfallprodukt" der Wasserspaltung.

Der Calvin-Zyklus

Sekundärreaktion

Im Stroma der Chloroplasten wird $CO_2$ mithilfe der Produkte der Primärreaktion zu Glucose reduziert.

• CO2-Fixierung: Das Enzym RuBisCO bindet $CO_2$ an den Akzeptor RuBP.
• Reduktion: Unter Verbrauch von ATP und $NADPH + H^+$ entsteht der $C_3$-Körper GAP.
• Regeneration: Aus GAP entsteht Glucose und der Akzeptor RuBP wird regeneriert.

💡 Tipp: Für den Aufbau von einem Molekül Glucose muss der Zyklus insgesamt sechsmal durchlaufen werden.

Die Zellatmung

Energie aus Glucose

Die Zellatmung ist ein aerober Abbauweg (Dissimilation), bei dem Glucose zu $CO_2$ und $H_2O$ oxidiert wird, um ATP zu gewinnen.

• Vier Teilschritte: Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Citratzyklus und Atmungskette.
• Gesamtbilanz: $C_6H_{12}O_6 + 6\ O_2 + 36\ ADP + 36\ P \rightarrow 6\ CO_2 + 6\ H_2O + 36\ ATP$.

💡 Tipp: Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zelle, da hier der Großteil des ATPs erzeugt wird.

Die Glykolyse

Anaerober Glucoseabbau

Die Glykolyse findet im Cytoplasma statt und spaltet Glucose in zwei Moleküle Pyruvat.

• Energieinvestition: Glucose wird unter Verbrauch von 2 ATP aktiviert.
• Energiegewinnung: Es entstehen 4 ATP (Netto +2 ATP) und 2 $NADH + H^+$.
• Substratkettenphosphorylierung: Direkte Übertragung einer Phosphatgruppe auf ADP zur ATP-Gewinnung.

Beispiel:

• Start: $1\ \text{Glucose} \ (C_6)$
• Ende: $2\ \text{Pyruvat} \ (C_3)$

💡 Tipp: Die Glykolyse ist der einzige Schritt der Zellatmung, der komplett ohne Sauerstoff auskommt.

Der Citratzyklus

Oxidative Decarboxylierung & Zyklus

In der Mitochondrienmatrix wird das Pyruvat vollständig zu $CO_2$ abgebaut.

• Oxidative Decarboxylierung: Pyruvat wird zu Acetyl-CoA ($C_2$) oxidiert; dabei entsteht $CO_2$ und $NADH + H^+$.
• Zyklus: Acetyl-CoA bindet an Oxalacetat zu Citrat.
• Ausbeute: Pro zwei Acetyl-CoA entstehen $4\ CO_2$, $6\ NADH+H^+$, $2\ FADH_2$ und $2\ ATP$.

💡 Tipp: Stell dir den Citratzyklus wie ein Karussell vor, das $C_2$-Körper aufnimmt und als $CO_2$ wieder abgibt.

Die Atmungskette

Der finale ATP-Regen

An der inneren Mitochondrienmembran wird die Hauptmenge an ATP durch die Oxidation von Wasserstoffträgern erzeugt.

• Elektronentransport: $NADH$ und $FADH_2$ geben Elektronen ab, die durch Proteinkomplexe fließen und letztlich Wasser bilden.
• Protonengradient: Die freiwerdende Energie pumpt $H^+$ in den Intermembranraum.
• ATP-Synthase: Der Protonenrückfluss treibt die ATP-Synthase an, die ca. 34 ATP generiert.

💡 Tipp: Ohne Sauerstoff als finalen Elektronenempfänger bricht die gesamte Atmungskette sofort zusammen.

Gärungen

Anaerobe Energiegewinnung

Wenn Sauerstoff fehlt, nutzen Zellen die Gärung im Cytoplasma, um $NAD^+$ für die Glykolyse zu regenerieren.

• Milchsäuregärung: Pyruvat wird direkt zu Lactat reduziert (z. B. in unseren Muskeln bei Sauerstoffmangel).
• Alkoholische Gärung: Pyruvat wird zu Acetaldehyd decarboxyliert und dann zu Ethanol reduziert (z. B. bei Hefen).
• Energie: Gärungen selbst liefern kein ATP, sie sichern nur den Fortlauf der Glykolyse.

💡 Tipp: Muskelkater entsteht nicht durch Lactat, aber das saure Milieu führt zum brennenden Gefühl beim Training.