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KURS

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SCHULE

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Schritt für Schritt

Simulation „Die Atmungskette“

Inhalt

Übersicht über das Mitochondrium und die Mitochondrienmembran S.2

Zeichenerklärung S.3

Stichwortverzeichnis S.4

Leitfaden zur Bearbeitung der Simulation „Die Atmungskette“ S.6

Bitte bearbeiten Sie die Simulation nach den Vorgaben im Leitfaden (S.6 ff)

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Stichwortverzeichnis Atmungskette

Die Atmungskette ermöglicht eine schrittweise Elektronenübertragung von Wasserstoff auf Sauerstoff und damit eine kontrollierte Freisetzung der Reaktionsenergie. Diese wird bei den Elektronenübertragungen an den Komplexen I, III und IV frei.

ATP-Synthase Ist das Protein, an dem die ATP-Synthese stattfindet. ATP-Synthese

Ist die ATP-Herstellung an der inneren Mitochondrienmembran. ATP ist ein Reaktionsprodukt der Atmungskette. ADP und Pi lagern sich an dem Köpfchen der ATP-Synthase an. Daraus wird ATP gebildet. Zur Freisetzung von ATP an der ATP-Synthase ist Energie notwendig. Diese Energie stellt der Protonengradient bereit. 3 Protonen fließen entlang ihres Konzentrationsgefälles und der Ladungsdifferenz vom Intermembranraum in die Matrix zurück. Die dabei frei werdende Energie ermöglicht die Freisetzung von ATP in die Matrix.

Cytochrom c Mobiler Elektronenüberträger transportiert jeweils ein Elektron vom Komplex III zum Komplex IV

Energie Wird beim Elektronentransport an den Komplexen der Atmungskette freigesetzt. Sie wird dazu genutzt, Protonen gegen ihren Gradienten in den Intermembranraum zu pumpen. Wird die Anzahl der Protonen im Intermembranraum zu groß, reicht die Energie des Elektronentransports nicht mehr aus, um die Protonen gegen ihren Gradienten zu befördern.

Komplex I Übernimmt 2 Protonen und 2 Elektronen von NADH+H+ (aus Glycolyse und Zitronensäurezyklus). Dabei wird NAD+ in der Mitochondrienmatrix freigesetzt. Komplex I gibt die aufgenommenen Elektronen und Protonen an Ubichinon ab. Mit dem Elektronentransport werden 4 Protonen aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum gepumpt.

Komplex II

Komplex II (Succinat-Dehydrogenase) ist das einzige Enzym des Zitronensäurezyklus, das in der inneren Mitochondrienmembran plaziert ist. Durch den Komplex II werden über das FADH2 Elektronen in die Atmungskette eingespeist. Vom FADH2 werden 2 Elektronen über den Komplex II und 2 Protonen auf Ubichinon übertragen. FAD bleibt nach der Elektronenabgabe am Komplex II gebunden. Protonen werden bei dieser Übertragung am Komplex II nicht gepumpt.

Komplex III

übernimmt 2 Elektronen und 2 Protonen vom Ubichinon. Die Elektronen werden nacheinander an Cytochrom c abgegeben. Mit der Elektronenübergabe pumpt Komplex III die zwei Protonen vom Ubichinon und zwei weitere Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum.

Komplex IV

Übernimmt Elektronen vom Cytochrom c und bindet ein Sauerstoffmolekül, dem er die Elektronen überträgt. Gleichzeitig mit der Elektronenübertragung pumpt Komplex IV 2 Protonen von der Matrix in den Intermembranraum.

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Membranpotential

Ist die Ladungsdifferenz über der inneren Mitochondrienmembran. Es kommt durch den Protonengradienten zustande. Durch die Anhäufung von positiven Ladungen im Intermembranraum lädt sich die eine Seite der Membran positiv, die andere Seite negativ auf.

NADH+H+ Transportiert Wasserstoff für die Atmungskette. NADH+H+ übergibt 2 Protonen und 2 Elektronen an den Komplex I.

Protonengradient durch die Atmungskette

Ist der vorläufige Energiespeicher der Atmungskette. Wenn Elektronen aus NADH+H+ die Atmungskette durchlaufen, werden an den Proteinkomplexen Protonen gegen ihr Konzentrationsgefälle und das Membranpotential aus der Matrix in den Intermembranraum gepumpt.

Protonengradient durch Zugabe von Protonen

Durch Zugabe von Protonen in den Intermembranraum kann ebenfalls ein Protonengradient erzeugt werden.

Sauerstoff Erhält Elektronen vom Komplex IV. Um aus einem Sauerstoffmolekül 2 Wassermoleküle bilden zu können, müssen 4 Elektronen und 4 Protonen aufgenommen werden. Die Elektronen stammen aus 2 NADH+H+, die Protonen werden aus der Mitochondrienmatrix aufgenommen.

Ubichinon Mobiler Elektronen- und Protonenüberträger vermittelt den Transport von 2 Elektronen und 2 Protonen vom Komplex I zum Komplex III

Wasser Ist ein Reaktionsprodukt der Atmungskette. 4 Elektronen aus 2 NADH+H+, 4 Protonen aus der Mitochondrienmatrix und Sauerstoff bilden zwei Wassermoleküle, die am Komplex IV in der Mitochondrienmatrix freigesetzt werden.

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Leitfaden zur Bearbeitung der Simulation „Die Atmungskette“ Einleitung: „Die Reaktionen der Atmungskette“ Beachten Sie hier den prinzipiellen Ablauf der Atmungskette:

- Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff - Stufenweise Energiefreisetzung durch die Atmungskette - Speicherung der Energie in einem Zwischenschritt - ATP-Synthese

Jetzt geht’s los:

Prägen Sie sich die Komponenten der Atmungskette ein Machen Sie sich mit den Möglichkeiten

der Simulation vertraut Klicken sie dazu auf den Button

„Beschriftung“

Klicken Sie die Info-Buttons 1, 2 und 3

Die Atmungskette

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Bevor Sie die Simulation starten: allgemeine Hinweise zum Lernen mit der Simulation

Konzentrieren Sie sich während der Animation auf die Reaktionen der Atmungskette in Feld 1

Beurteilen Sie das Ausmaß des

Sauerstoffverbrauchs im Feld 2 am Ende einer Animation

Machen Sie sich außerdem Notizen

Im Stichwortverzeichnis vorne in dieser Anleitung finden Sie außerdem Hinweise zum genauen Ablauf der Reaktionen der

Atmungskette

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im Programm

Lesen Sie die Aufgabenstellung und gehen Sie weiter zur Simulation 1. Schritt:

Wählen Sie „NADH“ aus. Bearbeitet?

ja

O2-Verbrauch

kein

gering

stark

Bemerkungen:

2. Schritt:

Klicken Sie „Substanz 2 auswählen“.

3. Schritt:

Wählen Sie „ADP+Pi“ aus. Bearbeitet?

ja

O2-Verbrauch

kein

gering

stark

Bemerkungen:

Fertig? Schätzen Sie den Sauerstoffverbrauch ab Lösen Sie Aufgabe 1

Ich habe folgende Kombinationen bearbeitet:

NADH+H+ und ADP+Pi

Erste Aufgabe

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Tipps für die Fragen zum Ablauf der Atmungskette Welche Animation beantwortet mir welche Frage?

Frage Wählen Sie ... Lesen Sie Stichwort ...

Nennen Sie die Substanz, die dem Komplex I die Elektronen zuführt.

NADH

Wohin gibt der Komplex I seine Elektronen ab?

Komplex I

Wofür wird die Energie genutzt, die am Komplex I durch die Elektronenabgabe entsteht?

Energie

Komplex I

Beschreiben Sie die Vorgänge an Komplex III und IV mit ihren eigenen Worten.

Substanz 1: NADH+H+ Komplex III

Komplex IV

Wieviele ATP-Moleküle können pro Molekül Sauerstoff (O2) gebildet werden?

Substanz 1: NADH+H+

Substanz 2: ADP+Pi

Betrachten Sie noch einmal den gesamten Ablauf!

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im Programm

Lesen Sie die Aufgabenstellung und gehen Sie weiter zur Simulation Wählen Sie als Substanz 1 „NADH“ aus.

„NADH“ bearbeitet?

ja

O2-Verbrauch

kein

gering

stark

Bemerkungen:

Wählen Sie als Substanz 2 „Medium“ aus.

„ Medium“ bearbeitet?

ja

O2-Verbrauch

kein

gering

stark

Bemerkungen:

Klicken Sie „Substanz 2 neu wählen“

Fortsetzung nächste Seite

Zweite Aufgabe

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Wählen Sie als Substanz 2 „Protonen“ aus.

„Protonen“ bearbeitet?

ja

O2-Verbrauch

kein

gering

stark

Bemerkungen:

Fertig? Vergleichen Sie den Sauerstoffverbrauch Lesen Sie die Stichworte „Protonengradient durch die Atmungskette“, „Energie“ Lösen Sie Aufgabe 2

Ich habe folgende Kombinationen bearbeitet:

NADH+H+ und Medium NADH+H+ und Protonen

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Tipps für die Frage zum Ablauf der Atmungskette Welche Animation beantwortet mir welche Frage:

Frage Wählen Sie ... Lesen Sie Stichwort ...

Wieviele Protonen werden bezogen auf zwei Moleküle NADH+H+ in den Raum zwischen den Membranen gepumpt?

Substanz 1: NADH+H+

Komplex I

Komplex III

Komplex IV

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im Programm

Lesen Sie die Aufgabenstellung und gehen Sie weiter zur Simulation Wählen Sie als Substanz 1 „Medium“ aus.

„Medium“ bearbeitet?

ja

O2-Verbrauch

kein

gering

stark

Bemerkungen:

Wählen Sie als Substanz 2 nacheinander„Medium“ und „ADP+Pi“ aus.

„Medium“ bearbeitet?

ja

O2-Verbrauch

kein

gering

stark

Bemerkungen:

„ADP+Pi“ bearbeitet?

ja

O2-Verbrauch

kein

gering

stark

Bemerkungen:

Fortsetzung nächste Seite

Ich habe folgende Kombinationen bearbeitet:

Medium und Medium Medium und ADP+Pi

Dritte Aufgabe

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Fertig? Wählen Sie als Substanz 1 „Protonen“ aus.

„Protonen“ bearbeitet?

ja

O2-Verbrauch

kein

gering

stark

Bemerkungen:

Wählen Sie als Substanz 2 nacheinander„Medium“ und „ADP+Pi“ aus.

„Medium“ bearbeitet?

ja

O2-Verbrauch

kein

gering

stark

Bemerkungen:

„ADP+Pi“ bearbeitet?

ja

O2-Verbrauch

kein

gering

stark

Bemerkungen:

Fertig? Lesen Sie die Stichworte „Protonengradient durch Zugabe von Protonen“,

„ATP-Synthese“ Lösen Sie Aufgabe 3

Ich habe folgende Kombinationen bearbeitet:

Protonen und Medium Protonen und ADP+Pi

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Tipps für die Fragen zum Ablauf der Atmungskette Welche Animation beantwortet mir welche Frage:

Frage Wählen Sie ... Lesen Sie Stichwort ...

Welcher Teilschritt der ATP-Bildung erfordert Energie?

ATP-Synthese

Protonengradient

Warum kann man den Protonengradienten als vorläufigen Energiespeicher bezeichnen?

Substanz 1: Protonen

Substanz 2: ADP+Pi

Protonengradient