Zellatmung in Hefe. Klassenstufe Oberthemen Unterthemen Anforderungsniveau Durchführungsniveau Vorbereitung

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1 Zellatmung in Hefe Bildquelle: Fotolia Klassenstufe Oberthemen Unterthemen Anforderungsniveau Durchführungsniveau Vorbereitung Biologie G-Kurs Stoffwechsel Zellatmung unterschiedlich Aufgabenstellung Die Schüler sollen den Einfluss von Temperaturschwankungen auf verschiedene Enzyme untersuchen. Wie beeinflusst beispielsweise die Temperatur die Zellatmung in der Bäckerhefe?

2 Einleitung Was ist Zellatmung? Die Zellatmung ist ein Stoffwechselweg, bei dem durch Abbau organischer Substanzen Energie gewonnen wird. Im häufigsten Fall, der aeroben Atmung, die bei allen Eukaryoten und bei vielen Prokaryoten vorliegt, wird dabei Sauerstoff (O2) als Oxidationsmittel genutzt, und als Endprodukt wird Kohlendioxid (CO2) frei. Die gewonnene Energie steht in Form von Adenosintriphosphat (ATP) für energieverbrauchende Lebensvorgänge zur Verfügung. Bei Prokaryoten kommt außerdem die anaerobe Atmung vor, bei der anstelle von Sauerstoff andere Substanzen als Oxidationsmittel dienen. Sind Hefe aerobe oder anaerobe Organismen? Hefen sind eigentlich Einzeller, die fakultative Anaerobier sind, also Organismen, die in der Lage sind, in Gegenwart von Sauerstoff aerob zu atmen und in Abwesenheit anaerob zu atmen. Wenn Sauerstoff vorhanden ist, so atmet die Hefe bevorzugt aerob dabei bildet sie 36 ATP-Moleküle pro Glukosemolekül. Im direkten Vergleich: bei der anaeroben Atmung werden nur 2 ATP produziert. Bei dieser Aktivität verwendet die Hefe den gelösten Sauerstoff und den Zucker in der Wasserlösung als Reaktionspartner in der Gleichung: C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O + Energie (Hitze, Licht, ATP, etc.) Im Laufe der Zeit sollten Sie einen Rückgang der Konzentration an gelöstem Sauerstoff in der Wasserlösung feststellen, da die Hefe diese zur Bildung von ATP verwendet. Enzyme steuern die Gesamtreaktion. Enzyme funktionieren am besten in einem bestimmten Temperaturbereich, in diesem Fall 32 bis 38 C. Sie sollten damit rechnen, dass bei niedrigeren Temperaturen weniger Sauerstoff verbraucht wird, denn obwohl aerobe Atmung auftreten kann, funktioniert das Enzym bei wärmeren Temperaturen mit maximaler Kapazität. Wenn man die Lösung zu stark erhitzt, werden die Enzyme denaturiert und funktionieren überhaupt nicht mehr. Wie unterscheiden sich Gärung und Zellatmung? Bei der Dissimilation laufen abbauende Stoffwechselprozesse ab. Zum Beispiel werden Nährstoffe wie Kohlenhydrate und Fette unter Energiegewinnung abgebaut. Hier unterscheidet man die Zellatmung (aerobe = mit Sauerstoff) und die Gärung (anaerobe = ohne Sauerstoff).

3 Glucose kann unter aeroben Bedingungen (mit Sauerstoff) vollständig oxidiert werden, d.h. sie wird ersetzt und geht schließlich in der Atmungskette eine Verbindung mit Sauerstoff ein, woraus schließlich Energie in Form von ATP gewonnen wird. Wir atmen also Sauerstoff ein, damit bei der Zellatmung die Glucose, die wir mit der Nahrung aufnehmen, zu Energie verarbeitet werden kann. Doch viele Lebewesen können, ganz oder teilweise, auch ohne Sauerstoff Energie gewinnen - wie gelingt das? Sie gewinnen die Energie unter anaeroben Bedingungen (ohne Sauerstoff). Dabei kann die Glucose jedoch nur unvollständig verarbeitet werden, wodurch viel weniger Energie gewonnen wird als bei der Zellatmung. Diesen Vorgang nennt man "Gärung". Die Gärung der Glucose beginnt, genau wie bei der Zellatmung auch, mit dem Prozess der Glykolyse im Cytoplasma der Zelle. Dabei wird ein Glucose-Molekül zu zwei Molekülen Pyruvat (Brenztraubensäure) oxidiert. Hierbei werden 2 ADP+P zu 2 ATP umgewandelt und außerdem auch 2 Moleküle NAD+ zu 2 NADH+H+ reduziert (lat.: reducere = verringern). Soweit ist die Glykolyse der Gärung mit der der Zellatmung identisch, doch nun können die Elektronen und Protonen, mit denen die NADH+ H+ Moleküle aufgeladen wurden, nicht wie in der Atmungskette der Zellatmung abgegeben werden und mit Sauerstoff zu H2O (Wasser) reagieren, da bei der Gärung ja kein Sauerstoff zur Verfügung steht. Das bedeutet, dass die zwei Moleküle ATP, die bei der Oxidation von Glucose zu Pyruvat entstanden sind, die einzige Energieausbeute der Gärung darstellen. Im Vergleich zu den ca. 32 ATP aus der Zellatmung nicht viel, aber besser als gar keine Energie. Einen groben Überblick zu den Unterschieden bei der Gärung liefert das nachfolgende Video:

4 Material & Methoden Für jeden Schüler oder jede Gruppe werden folgende Materialien benötigt: - Datenerfassungssystem - Eisbad (1 Liter Becher mit Eis gefüllt) - Sensor für gelösten Sauerstoff Art-Nr. SMART (verfügbar ab 2019) oder Art-Nr. Klassisch Wägepapiere, 3 Stück - Schnell ansprechender Temperaturfühler Art-Nr. SMART-Sensor oder Art-Nr. Klassisch Waage - Becherglas, 250 ml, 3 Stück - Heizplatte - Messzylinder - Rührstab - Zucker, 30 g - Beschriftungsband - Aktivierte Hefelösung, 45 ml - Wasserfester Stift zum Beschriften - Destilliertes Wasser, 1 L Sicherheit Bitte beachten tragen Sie bei allen Labortätigkeiten eine Schutzbrille und Handschuhe. Vorsicht beim Arbeiten mit Glas auf einer Heizplatte Verbrennungen sind möglich.

5 Durchführung Starten Sie ein neues Experiment auf dem Datenerfassungssystem und schließen Sie die Sensoren für gelösten Sauerstoff (GS) und Temperatur (T) an das System an. Hinweis: Sie können den Sensor kalibrieren, aber das ist für diese Aktivität nicht notwendig. Sie betrachten nur relative Änderungen in der GS-Konzentration. Stellen Sie die Anzeige so ein, dass der gelöste Sauerstoffs (mg/l) auf der y-achse gegen die Zeit auf der x-achse dargestellt wird. Nummerieren Sie die 250 ml Bechergläser (1-3) mit dem Beschriftungsband und dem Marker. Geben Sie in jedes der drei Bechergläser 200 ml destilliertes Wasser in Raumtemperatur: Becherglas #1 bei Raumtemperatur stehen lassen. Becherglas #2 in das Eisbad stellen und bis zur Verwendung abkühlen lassen. Becherglas #3 auf die Heizplatte stellen und auf ca. 35 C erwärmen Teil 1 Messung der Lösung bei Raumtemperatur 1. Zunächst werden die Daten in den einzelnen Versuchsaufbauten gesammelt: 2. Tauchen Sie dazu das Ende des Temperaturfühlers in das Wasser im Becherglas #1. 3. Starten Sie die Datenaufzeichnung und stellen Sie die Skala der Grafik so ein, dass Sie alle Daten auf dem Bildschirm Ihres Datenerfassungsgerätes sehen. 4. Schreiben Sie die gemessene Temperatur in Tabelle 1 5. Entfernen und spülen Sie den Temperatursensor Wie wird sich die Konzentration an gelöstem Sauerstoff nach Zugabe von Hefe zu der Lösung bei Raumtemperatur verändern?

6 Wie verändert sich die Konzentration, wenn die Lösung erwärmt wird? Erklären Sie Ihre Antwort. 1. Tauchen Sie den GS-Sensor vorsichtig in das Wasser eintauchen und rühren Sie die Lösung sanft damit um 2. Der silberne Ring am GS-Sensor sollte in Wasser eingetaucht sein, aber der Sensor sollte nicht den Boden des Bechers berühren 3. Das Wasser mit dem GS-Sensor 30 Sekunden lang sanft und kontinuierlich umrühren und erst dann 15 ml der aktivierten Hefelösung zugeben dabei ständig weiterrühren. 4. Daten für 300 Sekunden aufzeichnen und dann die Aufzeichnung stoppen 5. Spülen Sie den GS-Sensor mit sauberem Wasser und geben Sie ihn in die Vorratsflasche zurück

7 Warum müssen Sie die Konzentration an gelöstem Sauerstoffs im Wasser erst für 30 Sekunden messen, bevor Sie die Hefelösung zugeben? Teil 2 Messung der Lösung im Kalten 1. Tauchen Sie dazu das Ende des Temperaturfühlers in das Wasser im Becherglas #2. 2. Der Becher sollte während des kompletten Versuchs im Eisbad stehen 3. Starten Sie die Datenaufzeichnung und stellen Sie die Skala der Grafik so ein, dass Sie alle Daten auf dem Bildschirm Ihres Datenerfassungsgerätes sehen 4. Entfernen und spülen Sie den Temperatursensor 5. Schreiben Sie die gemessene Temperatur in Tabelle 1 6. Tauchen Sie den GS-Sensor vorsichtig in das Wasser eintauchen und rühren Sie die Lösung sanft damit um 7. Der silberne Ring am GS-Sensor sollte in Wasser eingetaucht sein, aber der Sensor sollte nicht den Boden des Bechers berühren 8. Das Wasser mit dem GS-Sensor 30 Sekunden lang sanft und kontinuierlich umrühren und erst dann 15 ml der aktivierten Hefelösung zugeben dabei ständig weiterrühren. 9. Daten für 300 Sekunden aufzeichnen und dann die Aufzeichnung stoppen 10. Spülen Sie den GS-Sensor mit sauberem Wasser und geben Sie ihn in die Vorratsflasche zurück

8 Teil 2 Messung der Lösung im Warmen 1. Tauchen Sie dazu das Ende des Temperaturfühlers in das Wasser im Becherglas #3 2. Der Becher sollte während des kompletten Versuchs auf der Heizplatte stehen. 3. Die Heizplatte wird zunächst auf Stufe 1 (niedrig) eingestellt 4. Starten Sie die Datenaufzeichnung und stellen Sie die Skala der Grafik so ein, dass Sie alle Daten auf dem Bildschirm Ihres Datenerfassungsgerätes sehen. 5. Entfernen und spülen Sie den Temperatursensor. 6. Schreiben Sie die gemessene Temperatur in Tabelle 1 Hinweis: Bevor Sie den GS-Sensor in das erwämte Wasser geben, stellen Sie bitte sicher, dass die Wassertemperatur 40 Grad nicht übersteigt der Sensor kann sonst beschädigt werden! 7. Tauchen Sie den GS-Sensor vorsichtig in das Wasser eintauchen und rühren Sie die Lösung sanft damit um 8. Der silberne Ring am GS-Sensor sollte in Wasser eingetaucht sein, aber der Sensor sollte nicht den Boden des Bechers berühren 9. Das Wasser mit dem GS-Sensor 30 Sekunden lang sanft und kontinuierlich umrühren und erst dann 15 ml der aktivierten Hefelösung zugeben dabei ständig weiterrühren. 10. Daten für 300 Sekunden aufzeichnen und dann die Aufzeichnung stoppen 11. Spülen Sie den GS-Sensor mit sauberem Wasser und geben Sie ihn in die Vorratsflasche zurück Dokumentation Dokumentieren Sie in unten stehender Tabelle Temperatur, maximale und minimale Menge an gelösten Sauerstoff (mg/l) und Berechnen Sie die Umsatzrate (mg/l -1 s -1 ) Probe Bedingung Temperatur ( C) Maximum GS (mg/l) Minimum GS (mg/l) Umsatzrate (mg/l -1 s -1 ) #1 Raum- Temperatur #2 kalte Temperatur #3 warme Temperatur

9 Zeichnen Sie eine Grafik aller drei Datenläufe. Achten Sie darauf, den Gesamtgraphen, die x- Achse und die y-achse zu beschriften und Einheiten auf den Achsen anzugeben.

10 Auswertung und Fragen Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse mit Ihren ersten Vorhersagen. Waren Ihre Vorhersagen ähnlich wie Ihre Ergebnisse? Wenn nicht, wissen Sie warum? Bei welcher Temperatur ist der GS-Wert am schnellsten gesunken? Was bedeutet das? Warum ist der Sauerstoffverbrauch ein gutes Maß für die Atmungsrate in der Hefe?

11 Was ist die Gleichung für die aerobe Zellatmung? Wenn kein Sauerstoff vorhanden ist, kann es trotzdem zur Atmung kommen. Wie heißt dieser Prozess? Welche zusätzlichen Endprodukte werden produziert? Erklären Sie den Unterschied in der Energiemenge, die bei der aeroben gegenüber der anaeroben Atmung entsteht.

12 Nennen Sie einige Lebensmittel und Getränke, die durch Fermentation hergestellt werden. Multiple-Choice-Fragen Wählen Sie die beste Antwort zu jeder der folgenden Fragen oder unvollständigen Aussagen: Die Zellatmung findet statt in: A. Nur Pflanzen B. Nur Tiere C. Nur Pflanzen und Tiere D. Alle eukaryotischen Organismen Die Zellatmung ist der Prozess, durch den Organismen: A. Energie aus Zucker für den Stoffwechsel freisetzen B. Erstellen Sie komplexe organische Moleküle aus einfachen C. Verdeckte Wärme zu chemischer Energie für die Stoffwechselarbeit D. Machen Sie mehr als einen der oben genannten Schritte Der Sauerstoffverbrauch kann als Maß für die Stoffwechselrate verwendet werden, denn er ist: A. Notwendig für maximale ATP-Produktion B. Notwendig, um den Glykogenspiegel wieder aufzufüllen C. Notwendig für die Gärung D. Erforderlich für alle Lebewesen Was wird durch den Prozess der Zellatmung an die Umwelt abgegeben? A. Sauerstoff B. Kohlendioxid C. Wasser D. Sowohl B als auch C

13 Lückentext (verwenden Sie zum Füllen die unten genannten Schlüsselbegriffe) Der Prozess, bei dem Zellen bei vorhandenem Sauerstoff Energie aus der Glukose "entnehmen", heißt. ATP-Moleküle werden während eines aeroben Beatmungszyklus produziert. Wenn kein Sauerstoff zur Verfügung steht, können die Zellen auch. Bei diesem Prozess werden deutlich weniger ATP- Moleküle produziert. Es gibt zwei Arten der anaeroben Atmung: die alkoholische und die Gärung. Die Zellatmung wird durch reguliert. Enzyme haben einen spezifischen und ph-wert, bei dem sie am effektivsten funktionieren. Der Gesamtprozess der Atmung kann in einer einfachen chemischen Gleichung zusammengefasst werden. Die Respiration ist jedoch ein komplexer, zweistufiger Prozess. Die erste Stufe findet in den der Zellen des Organismus statt. Dort werden Moleküle in kleinere Moleküle zerlegt. Sauerstoff ist an dieser Phase der Atmung nicht beteiligt und es wird nur eine geringe Menge an Energie freigesetzt. Die zweite Stufe der Atmung findet im statt. Dort werden die kleinen Moleküle in noch kleinere Moleküle zerlegt. Diese chemischen Reaktionen erfordern, und es wird viel freigesetzt. Zwei weitere Produkte der Atmung sind und Wasser. Schlüsselbegriffe 36 / 42 / aerobe Atmung / aerobe Fermentation / anaerobe Atmung / Chloroplasten / Zitronensäure / Milchsäure / Bakterien / Enzyme / ph-wert / Temperatur / Kohlendioxid / Chloroplasten / Zytoplasma / Energie / fett / Glukose / Wasserstoff / Mitochondrien / Keim / Sauerstoff

14 Literaturverzeichnis: Videos: Bilder: