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Zellatmung – lebensnotwendig für alle Zellen

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Mtoto
Zellatmung – lebensnotwendig für alle Zellen
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Beschreibung Zellatmung – lebensnotwendig für alle Zellen

Zellatmung – Biologie

Vielleicht hast du schon einmal von dem wegweisenden Experiment von Joseph Priestley gehört: Stellt man eine Maus unter eine luftdicht verschlossene Glasglocke, stirbt sie nach kurzer Zeit. Stellt man sowohl eine Maus als auch eine Pflanze unter diese luftdichte Glasglocke, leben beide Organismen weiter. Woran liegt das? Die Lösung liegt in dem Zusammenspiel von Fotosynthese und der Atmung in den Zellen – der sogenannten Zellatmung.

Wo genau findet die Zellatmung statt?
Die Zellatmung findet nicht nur in Pflanzen und Tieren statt, sondern auch in Pilzen und vielen Einzellern. Alle Zellen, die Mitochondrien besitzen, betreiben Zellatmung.
Mitochondrien sind also der Ort der Zellatmung, sie werden daher auch als Kraftwerke der Zellen bezeichnet. Sie sind Zellorganellen wie die Chloroplasten. Unter dem Mikroskop sind die kugel- bis stäbchenförmigen Zellorganellen kaum zu erkennen – ihre Größe beträgt nur ein bis acht Mikrometer.
Ebenso wie die Chloroplasten sind auch die Mitochondrien durch zwei Membranen von dem Zellplasma abgegrenzt. Die innere Membran besitzt viele Ausstülpungen, welche der Oberflächenvergrößerung dienen. Hier findet die eigentliche Zellatmung, sprich die Stoff- und Energieumwandlung statt.

Was ist die Zellatmung?
Eine Definition könnte wie folgt lauten: Die Zellatmung, auch innere Atmung oder aerobe Zellatmung, ist ein Stoffwechselprozess zur Energiegewinnung in Zellen.

Als Energiequelle dient meist Traubenzucker, in der Biologie als Glucose bezeichnet. Die Glucose wird mit Sauerstoff, daher auch aerobe Zellatmung, oxidiert und zu den Endprodukten Kohlenstoffdioxid und Wasser umgesetzt. Dabei wird Energie freigesetzt, die zur Aufrechterhaltung lebensnotwendiger Prozesse genutzt wird. Eine Form der freigesetzten Energie ist Wärme.
Die Zellatmung lässt sich mit folgender Wortgleichung zusammenfassen:

$\ce{Glucose + Sauerstoff ->[{Abgabe von Wärme}][{und Energie}]}$
$\ce{Kohlenstoffdioxid + Wasser}$

Die zugehörige Formel zur Zellatmung sieht dann so aus:

$\ce{C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O}$

Pflanzen können Glucose mittels Fotosynthese selbst herstellen. Sie können die Glucose als Stärke zwischenspeichern und bei Bedarf wieder zu Glucose abbauen. Tiere können Glucose nur durch den Abbau von Glykogen, teilweise als tierische Stärke bezeichnet, gewinnen, jedoch nicht selbst herstellen. Das hängt mit der Ernährungsweise dieser Organismen zusammen.

Autotrophe und heterotrophe Ernährung

Der Unterschied zwischen der autotrophen und heterotrophen Ernährung liegt in der Art der aufgenommenen Stoffe. So nehmen Pflanzen anorganische Stoffe, wie Wasser und Kohlenstoffdioxid, zum Aufbau körpereigener, organischer Stoffe, wie Glucose, auf. Sie ernähren sich autotroph, wie alle Fotosynthese-betreibenden Organismen. Im Gegensatz dazu ernähren sich Tiere heterotroph. Sie nehmen fremde organische Stoffe zum Aufbau körpereigener organischer Stoffe auf. In Nahrungsketten und Nahrungsnetzen ernähren sich Tiere (heterotrophe Ernährungsweise) von Pflanzen (autotrophe Ernährungsweise). Nun wissen wir, wie Pflanzen und Tiere sich ernähren und zu energiereichen Nährstoffen gelangen. Diese werden in der Zellatmung in für die Zellen brauchbare Energie umgewandelt.

Bedeutung der Zellatmung im Zusammenspiel mit der Fotosynthese

Das Experiment von Joseph Priestley hat uns gezeigt, dass Zellatmung allein kein Überleben von Organismen ermöglicht – die Maus verstirbt unter der luftdichten Glasglocke, da der Sauerstoff verbraucht wird und sie erstickt. Es braucht den gegenteiligen Vorgang der Fotosynthese, um langfristig das Überleben aller Organismen auf der Erde zu sichern: Pflanzen liefern vorwiegend Sauerstoff, während Tiere den Kohlenstoffdioxid für die Fotosynthese liefern.
Wie du nun weißt, ernähren sich Pflanzen autotroph und gewinnen damit Glucose aus der Fotosynthese. Aber auch im Leben einer Pflanze gibt es Zeiten, in der sie ihre Energie nur aus der Zellatmung beziehen kann:
Keimlinge von Pflanzen ernähren sich heterotroph mittels Zellatmung von ihren Energiereserven (Näheres dazu findest du im Video Quellung und Keimung). Dazu besitzen sie besonders viele Mitochondrien. Einen Beweis für die verstärkte Zellatmung des Keimlings findet sich auch in der Bodentemperatur – diese ist rund um den Keimling erhöht. Im Boden haben sie keinen Zugang zu Sonnenlicht und können daher keine Fotosynthese betreiben, um sich autotroph zu ernähren. Die gleiche Situation finden wir in der Nacht vor. Auch hier können Pflanzen keine Fotosynthese betreiben und greifen für die Zellatmung auf die Stärkereserven zurück. So verbrauchen auch Pflanzen in der Nacht Sauerstoff, ohne neuen zu produzieren. Wie du siehst hat neben der Fotosynthese die Zellatmung für Pflanzen eine große Bedeutung für ihr Überleben.

Zellatmung –Zusammenfassung und Einordnung

Hier noch einmal die wichtigsten Fakten zur Zellatmung als Zusammenfassung:

  • Die Zellatmung dient der Energiegewinnung.
  • Dabei werden Glucose und Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser umgewandelt.
  • Die inneren Membranen der Mitochondrien sind die Orte der Zellatmung.
  • Zellatmung findet in den Zellen von Pflanzen, Tieren, Pilzen und in einigen Einzellern statt.

Dieses Video

In diesem Video wird dir die Bedeutung der Zellatmung einfach erklärt. Du lernst den Ort der Zellatmung kennen und die Wortgleichung. Außerdem beschreibt das Video die Zusammenhänge zwischen der Zellatmung und der Fotosynthese sowie der autotrophen und heterotrophen Ernährung. Wie immer kannst du dein neu gewonnenes Wissen in interaktiven Übungsaufgaben testen. Zum Thema Zellatmung steht dir auch ein Arbeitsblatt zur Verfügung.

Du möchtest mehr über die Reaktionen der Zellatmung erfahren? Einen detaillierten Ablauf findest du in dem weiterführenden Video zur Energiebilanz der Zellatmung.

Transkript Zellatmung – lebensnotwendig für alle Zellen

Hallo! Bestimmt hast du schon mal von dem Experiment von Joseph Priestley gehört. Stellt man eine Pflanze unter eine luftdicht verschlossene Glasglocke, lebt sie weiter, eine Maus jedoch nicht. Sind sowohl Maus als auch Grünpflanze unter der Glocke, leben beide weiter. Das hat mit der Atmung in den Zellen zu tun, die auch dein Körper zum Überleben braucht. In diesem Video lernst du die Wortgleichung der Zellatmung kennen, die Mitochondrien als Energieproduzenten sowie autotrophe und heterotrophe Stoffwechselprozesse und die Unterschiede bei Tag und bei Nacht. Als Erstes schauen wir uns an, was bei der Zellatmung eigentlich passiert. Darunter versteht man den Vorgang der Energieumwandlung in den Zellen. Die meisten Zellen, egal ob in Pflanzen oder Tieren, nutzen Traubenzucker, also Glucose, als Energiequelle. Diese entsteht bei den Pflanzen beim Abbau von Stärke und bei Tieren durch den Abbau von Glykogen. Glucose und Sauerstoff sind die Ausgangsstoffe, die von der Zelle in die Endprodukte Wasser und Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden. Dabei wird Energie freigesetzt für die Aufrechterhaltung der Lebensprozesse und für das Wachstum. Nebenbei entsteht auch Wärme, die an die Umwelt abgegeben wird. Deshalb ist die Temperatur in der Erde rund um diese stark atmenden Keimlinge erhöht. Keimlinge besitzen auch besonders viele Mitochondrien. Das sind die Kraftwerke der Zellen. Wie Chloroplasten haben sie zwei Membrane. Die innere besitzt viele Einstülpungen zur Oberflächenvergrößerung. An dieser inneren Membran findet die eigentliche Stoff- und Energieumwandlung statt. Diese Zellorganellen sind kugel- bis stäbchenförmig und winzig klein, nur ein bis acht Mikrometer lang und kaum unter dem Mikroskop zu erkennen. Jede Zelle enthält Mitochondrien. Will man die biologische Bedeutung von Pflanzen in diesem Zusammenhang verstehen, muss man sich mit autotropher und heterotropher Ernährung auseinandersetzen. Autotrophe Ernährung bezeichnet die Aufnahme anorganischer Stoffe zum Aufbau körpereigener, organischer Stoffe. Heterotrophe Ernährung meint hingegen die Aufnahme „fremder“, organischer Stoffe zum Aufbau körpereigener organischer Stoffe. Nimmt eine Pflanze Licht, Kohlenstoffdioxid und Wasser auf, um Fotosynthese zu betreiben, ist das also ein autotropher Prozess zum Aufbau von körpereigenem organischen Material. Frisst ein Reh diese Grünpflanze, nimmt es organische Stoffe auf. Im Laufe der Verdauung wandelt es wiederum diese „fremden“, organischen Stoffe in körpereigene, organische Stoffe um. Es ernährt sich also heterotroph. Auch Keimlinge im Boden ernähren sich heterotroph von ihren Energiereserven. Sie befinden sich noch unter der Erde. Im Dunkeln können sie noch keine Fotosynthese betreiben, also noch keine Energie gewinnen, um zu wachsen. Sie ernähren sich daher nicht autotroph, sondern heterotroph. Aufgrund des Lichts findet Fotosynthese also nur am Tage statt, die Zellatmung hingegen bei Tag und bei Nacht. Deshalb ist der Kohlenstoffdioxidgehalt der Luft nachts größer als am Tag. Im Dunkeln nehmen auch Grünpflanzen für die Zellatmung Sauerstoff auf und geben CO2 ab, ohne neuen Sauerstoff zu bilden. Bei Tag werden dann wieder Sauerstoff und Glucose aus CO2 und Wasser und unter der Zufuhr von Lichtenergie aufgebaut. Glucose wird der Zellatmung zugeführt und in Wasser, CO2 und Energie umgewandelt. Fassen wir noch einmal zusammen: Bei der Zellatmung wird bei der Umwandlung von Glucose und Sauerstoff in Kohlenstoffdioxid und Wasser Energie bereitgestellt. Nebenbei wird Wärme an die Umwelt abgegeben. Dieser Prozess findet an der inneren, stark gefalteten Mitochondrienmembran statt. Tagsüber bauen Grünpflanzen aus Wasser, Kohlenstoffdioxid und unter Einwirkung von Licht Glucose und Sauerstoff auf. Dieser Prozess der Fotosynthese ist autotroph, da aus anorganischen Stoffen körpereigene, organische aufgebaut werden. Dem gegenüber steht die heterotrophe Ernährung, bei der organische Stoffe in körpereigene, organische Stoffe umgewandelt werden. Die Glucose wird sowohl tagsüber als auch nachts bei der Zellatmung in Energie umgewandelt. Der CO2-Gehalt in der Luft ist nachts also höher. Ich hoffe, du hast viel gelernt. Tschüss!

35 Kommentare

35 Kommentare
  1. Hallo Ramona Karaduman,
    vielen Dank für deine Frage.
    Die Pflanze braucht nachts genau so Energie. Da sie nicht schläft, hat sie nicht so einen Rhythmus wie wir, dass sie nachts nichts essen muss. Sie baut ja tagsüber durch die Photosynthese ihre Energiespeicher in Form von Glucose auf.
    Viele Grüße aus der Redaktion.

    Von Amrei Rolof, vor 8 Monaten
  2. Aber muss die Pflanze nachts nicht einen Energiespeicher aufbauen? Dann ist nachts ja gar keine Bildung möglich?!

    Von Ramona Karaduman, vor 8 Monaten
  3. geiles video hat sofort kilck gemacht

    Von Angelika Grosse, vor 10 Monaten
  4. Hallo Sahra A.,
    ja, haben wir. Schau doch mal auf diese Übersichtsseite:
    https://www.sofatutor.com/biologie/zellbiologie-und-biochemische-grundlagen/stoff-und-energieumwandlungen-in-der-zelle/zellatmung-biochemische-grundlagen
    Hier findest du viele nützliche Infos und weitere Videos rund um das Thema „Zellatmung“.
    Selbstverständlich kannst du auch gerne unsere Suchfunktion nutzen und so weitere Videos zur „Glykolyse“, zum „Citratzyklus“ oder zur „Atmungskette“ finden. 
    Ich hoffe, das hilft dir weiter.
    Beste Grüße aus der Redaktion

    Von Tatjana Elbing, vor mehr als einem Jahr
  5. Habt ihr auch ein Video zu den vier Teilschritten der Zellatmung ( Glycolyse, oxidative Decarboxylierung, Citratcyclus & Endoxidation)?

    Von Sahra A., vor mehr als einem Jahr
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Zellatmung – lebensnotwendig für alle Zellen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Zellatmung – lebensnotwendig für alle Zellen kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne die Wortgleichung der Zellatmung.

    Tipps

    Welchen der angegebenen Stoffe atmest du ein, welchen atmest du aus?

    Wenn man Energie braucht, kann das helfen...

    Die Zellatmung ist die Rückreaktion der Fotosynthese!

    Lösung

    Die Zellatmung dient sehr vielen Organismen wie Pflanzen und Tieren zur Energiegewinnung. Dazu wird in den Zellen schrittweise eine Reaktion durchgeführt, die du einfach nachmachen kannst: Traubenzucker wird verbrannt, also mit Sauerstoff zur Reaktion gebracht. Da dies in den Zellen schrittweise geschieht, entstehen natürlich keine Flammen - aber es wird genauso viel Energie freigesetzt. Ein Teil davon ist für den Organismus nutzbar, ein Teil wird aber auch – wie bei der Verbrennung – als Wärmeenergie abgegeben. Auch die Reaktionsprodukte sind bei der Verbrennung von Traubenzucker und bei der Zellatmung die gleichen: neben Kohlenstoffdioxid ($CO_2$) entsteht Wasser.

  • Beschreibe Aufbau und Funktion der Mitochondrien.

    Tipps

    Wie viele Membranen kannst du in der Abbildung erkennen?

    Chloroplasten sind für die Fotosynthese zuständig.

    Alle Zellen müssen sich mit Energie versorgen!

    Lösung

    In den Mitochondrien finden wichtige Reaktionen der Zellatmung statt. Sie dienen den Zellen zur Energieversorgung, man nennt sie deshalb auch die Kraftwerke der Zellen. Obwohl sie nur wenige $\mu m$ klein sind, sind sie für die Zellen unentbehrlich. Sie kommen daher in allen tierischen und pflanzlichen Zellen vor. Mitochondrien sind in allen Zellen gleich aufgebaut: Sie bestehen aus zwei Membranen. Die innere Membran ist stark gefaltet.

  • Erkläre das Ergebnis von Priestleys Experiment.

    Tipps

    Taucher atmen aus Druckflaschen, die Sauerstoff enthalten.

    Lösung

    Die Maus ist zum Überleben auf organische Stoffe und Sauerstoff angewiesen, sie ist heterotroph. Nach kurzer Zeit unter der Glasglocke steht kein Sauerstoff mehr zur Verfügung. Sie kann daher keine Zellatmung mehr durchführen und stirbt.

    Die Pflanze ist autotroph, benötigt also zum Überleben keine organischen Stoffe. Sie benötigt für die Fotosynthese einige anorganische Stoffe, Wasser und Kohlenstoffdioxid. Beides findet sie zunächst unter der Glasglocke. Nach einer Weile geht das Kohlenstoffdioxid zur Neige. Da die Pflanze jedoch auch die Zellatmung durchführen kann, überlebt sie zunächst. Sobald nicht mehr genügend anorganische Stoffe vorhanden sind, stirbt sie aber auch.

    Beide Lebewesen gemeinsam unter der Glasglocke ergänzen sich: Da die Maus Kohlenstoffdioxid herstellt, kann die Pflanze mehr Fotosynthese betreiben und damit mehr Energie aus dem Sonnenlicht gewinnen. Die Maus erhält Sauerstoff und auch Nährstoffe von der Pflanze und überlebt daher ebenfalls länger.

  • Erkläre, warum Samen nicht zu tief in die Erde gepflanzt werden dürfen.

    Tipps

    Zur Energiegewinnung mit Fotosynthese benötigen Pflanzen Sonnenlicht!

    Glucose als Energielieferant kann ohne Fotosynthese nicht nachgeliefert werden.

    Lösung

    Pflanzen können mehr als wir Menschen: Sie können nicht nur durch Zellatmung Energie aus Glucose gewinnen, sie können die Glucose auch durch Fotosynthese selbst herstellen! Dies können sie aber nur, wenn sie ihre grünen Blätter in das Sonnenlicht halten können. Da Pflanzen erst nach einer Zeit des Wachstums Blätter bilden können, besitzen sie im Samen einen Energievorrat. Dieser Vorrat ist aber begrenzt: Hat die Pflanze ihn aufgebraucht, und noch keine Blätter gebildet, so stirbt sie ab! Glucose kann die Pflanze nur selbst bilden, aber nicht aufnehmen. Ist die im Samen gespeicherte Glucose aufgebraucht, verhungert die Pflanze daher. Wenn der Weg zum Sonnenlicht zu weit ist, kann aus einem Samen daher keine Pflanze wachsen.

  • Definiere die Begriffe autotropher Organismus und heterotropher Organismus.

    Tipps

    Das Wort autotroph stammt aus dem Griechischen und bedeutet soviel wie sich selbst ernährend.

    Das Wort heterotroph stammt ebenfalls aus dem Griechischen und bedeutet soviel wie sich von anderen ernährend.

    Als organische Stoffe werden Stoffe bezeichnet, die von Lebewesen hergestellt wurden, alle anderen Stoffe nennt man anorganische Stoffe.

    Lösung

    Nicht alle Organismen auf der Welt können von den natürlichen Stoffen, die auf unserer Erde zur Verfügung stehen, leben. Sie benötigen Nährstoffe, die von anderen Lebewesen hergestellt werden. Diese Lebewesen ernähren sich also von anderen Lebewesen. Mit dem aus dem Griechischen stammenden Fachwort bezeichnet man sie als heterotroph. Die Organismen, die zum Leben keine von anderen Lebewesen erzeugten Stoffe benötigen, ernähren sich hingegen von anorganischen Stoffen, die Sonne kann als Energiequelle dienen. Sie werden als autotroph bezeichnet.

  • Ordne die Lebewesen den autotrophen oder heterotrophen Organismen zu.

    Tipps

    Die Buche ist ein großer Baum mit vielen grünen Blättern.

    Nicht immer entsteht bei heterotropher Energiegewinnung Kohlenstoffdioxid – auch andere Stoffe wie Milchsäure oder Alkohol können als Reststoff entstehen.

    Schwefelverbindungen sind anorganische Stoffe, die viel Energie enthalten. Die Energie kann genutzt werden, um körpereigene Stoffe zu bilden.

    Musst du organische Stoffe zu dir nehmen, oder genügen dir zum Überleben anorganische Stoffe wie Salz, Kohlenstoffdioxid und Wasser?

    Lösung

    Heterotrophe Organismen nehmen organische Stoffe auf. Daraus stellen sie körpereigene Stoffe her. Sie nutzen die organischen Stoffe aber auch, um daraus Energie zu gewinnen. Diese Energie benötigen sie, da der Aufbau der körpereigenen Stoffe Energie erfordert. Der Regenwurm, der Mensch, aber auch Hefepilze und viele Bakterien nehmen organische Stoffe auf und ernähren sich daher heterotroph. Bei der Energiegewinnung können auch andere Stoffe entstehen als bei der Zellatmung, zum Beispiel Alkohol oder Methan.

    Autotrophe Organismen nehmen keine organischen Stoffe auf, sie brauchen daher eine andere Energiequelle. Pflanzen und Algen nutzen dazu die Energie des Sonnenlichtes, das sie mithilfe der Fotosynthese gewinnen. Aber auch einige anorganische Stoffe wie Schwefelverbindungen in vulkanischen Quellen enthalten Energie, die von speziellen Organismen genutzt werden kann.

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