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Citratzyklus – Bedeutung und Bilanz 06:19 min

Citratzyklus – Bedeutung und Bilanz Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Citratzyklus – Bedeutung und Bilanz kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib an, wo im Citratzyklus $ATP$ gebildet wird.

    Tipps

    Durch oxidative Decarboxylierung wird $CO_2$ vom Citrat abgespalten. Dabei entsteht energiereiches $NADH$.

    Lösung

    Bei der Abspaltung des Coenzyms A wird Energie frei, die für die Bildung von $GTP$ bzw. $ATP$ genutzt wird.

  • Benenne den Zwischenschritt, der die Glykolyse und den Citratzyklus miteinander verbindet.

    Tipps

    Vom Pyruvat wird ein $CO_2$-Molekül abgespalten. Dieser Vorgang heißt Decarboxylierung.

    Vom Pyruvat werden neben $CO_2$ auch zwei Wasserstoffatome abgespalten. Bei der anschließenden Oxidation werden die Wasserstoffatome auf das $NAD^+$ übertragen, es entsteht energiereiches $NADH + H^+$.

    Lösung

    Bei der Glykolyse wird Glucose zu Pyruvat umgesetzt. Im nächsten Schritt wird vom Pyruvat $CO_2$ abgespalten (Decarboxylierung). Außerdem werden zwei Wasserstoffatome vom Pyruvat auf den Wasserstoffakzeptor $NAD^+$ übertragen und es entsteht energiereiches $NADH+H^+$ (Oxidation). Die beiden Prozesse werden unter dem Begriff oxidative Decarboxylierung zusammengefasst. Daraus geht als Produkt Acetyl-CoA hervor, welches Ausgangsstoff für den Citratzyklus ist.

  • Stelle den Ablauf des Citratzyklus grafisch dar.

    Tipps

    Das Endprodukt der Glykolyse ist Pyruvat.

    Beim Citratzyklus wird Oxalacetat mit Acetyl-CoA zu Citrat umgesetzt.

    Citrat wird über den Prozess der oxidativen Decarboxylierung zu einem $C_4$-Körper (Verbindung enthält 4 C-Atome) umgebaut. Da dieser Vorgang zweimal hintereinander stattfindet, wird auch 2x das energiereiche $NADH$ synthetisiert.

    $GTP$ wird zu $ATP$ umgebaut.

    Lösung

    Rechts siehst du den Ablauf des Citratzyklus. Der Zwischenschritt zwischen der Glykolyse (Endprodukt Pyruvat) und dem Citratzyklus, also die oxidative Decarboxylierung, wurde ausgespart.

    Hauptsächlich werden im Citratzyklus $NADH$ und $FADH_2$ synthetisiert, außerdem $GTP$ bzw. $ATP$.

  • Werte die Energieausbeute für die einzelnen Schritte der Zellatmung aus.

    Tipps

    Selbst die oxidative Decarboxylierung liefert einen Energiespeicher, allerdings nicht in Form von $ATP$.

    Lösung

    Die Energiebilanz bezieht sich auf den vollständigen Abbau von einem Molekül Glucose. Obwohl hier konkrete Zahlen aufgelistet sind, können diese variieren, da die ablaufenden biochemischen Reaktionen von vielen Faktoren abhängig sind.

    Die einzelnen Abschnitte der Zellatmung tragen direkt (Bildung von $ATP$) oder indirekt (Bildung von $NADH$ und $FADH_2$, welche während der Atmungskette zur $ATP$-Synthese beitragen) zu dieser Energiebilanz bei.

    Aus einem Molekül Glucose gewinnt der Körper also ca. $38\ ATP$, den Hauptanteil aus der Atmungskette. Die $10\ NADH$ und die $2\ FADH_2$ gehen dabei in die Atmungskette ein und tragen zur $ATP$-Synthese bei.
    Deshalb gehen diese Reduktionsäquivalente bei der Gesamtbilanz der Zellatmung verloren – „übrig“ bleiben die ca. $38\ ATP$.
    Als Faustregel kannst du dir merken, dass je Mol $NADH$ etwa $3\ ATP$ entstehen.

    Beachte: Da aus der Glykolyse zwei Moleküle Pyruvat hervorgehen, laufen nachfolgende Reaktionen doppelt ab. Es wird also beispielsweise im Citratzyklus $1\ FADH_2$ synthetisiert – da der Citratzyklus aber pro Molekül Glucose zweimal abläuft, entstehen auch $2\ FADH_2$.

  • Fasse den grundlegenden Ablauf des Citratzyklus zusammen.

    Tipps

    Das Citrat ist der Namensgeber für den Citratzyklus. Hierbei handelt es sich um ein Zwischenprodukt innerhalb des Kreislaufes. Es entsteht kurz nachdem das Acteyl-CoA in den Zyklus eintritt.

    Während die Glykolyse im Cytoplasma stattfindet, laufen alle anderen Prozesse der Zellatmung in den „Kraftwerken“ der Zelle ab.

    $NADH+H^+$ und $FADH_2$ sind sogenannte Reduktionsäquivalente.
    Bei einer Reduktion werden $H_2$ und Elektronen aufgenommen. In einer lebenden Zelle wird $H_2$ aber nie als Gas transportiert, sondern in Form von „gleichwertigen“ (= äquivalenten) Coenzymen – wie z.B. $NAD$ (bzw. beladen mit Wasserstoff: $NADH+H^+$).

    Während der Atmungskette (letzter Schritt der Zellatmung) wird der Wasserstoff, der z.B. in den Verbindungen $NADH+H^+$ und $FADH_2$ gebunden ist, auf Sauerstoff übertragen. Es entsteht Wasser und $ATP$ wird gebildet.

    Lösung

    Das Endprodukt der Glykolyse ist Pyruvat, welches während der oxidativen Decarboxylierung zu „aktivierter“ Essigsäure (kurz Acetyl-CoA) umgewandelt wird. Im Citratzyklus wird Acetyl-CoA mit Oxalacetat zu Citrat umgesetzt. Danach werden $CO_2$ und Wasserstoff abgespalten (oxidative Decarboxylierung). Der Wasserstoff wird an die beiden Überträger $NAD$ und $FAD$ gebunden. Zusätzlich wird das Coenzym A wieder abgespalten. Außerdem wird $GDP$ zu $GTP$ phosphoryliert und später zu $ATP$ umgebaut.
    Der Citratzyklus findet in der Matrix der Mitochondrien statt.

    Grundsätzlich kann man sagen, dass der Citratzyklus zum Ziel hat, möglichst viele Wasserstoffatome an $NAD$ und $FAD$ zu binden, um diese dann im nächsten Schritt der Zellatmung unter $ATP$-Bildung mit Sauerstoff ($O_2$) reagieren zu lassen.

  • Ermittle die Nettobilanz des Citratzyklus.

    Tipps
    Lösung

    Schaue dir den Ablauf des Citratzyklus an. Hier siehst du die Stoffbilanz, die du folgendermaßen aufschreiben kannst:

    Acetyl-CoA $+ 3 NAD^+ + FAD +$ $GDP + P_i + 2 H_2O$ $\longrightarrow$ $2 CO_2 + 3 NADH + 3 H^+ +$ $FADH_2 + GTP +$ CoA.

    Bestimmt ist dir aufgefallen, dass hier plötzlich noch $2 H_2O$ als Ausgangsstoffe auftauchen. Diese werden in Schulbüchern oft weggelassen, sollten der Vollständigkeit halber jedoch angegeben werden.