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Zellatmung

Verfolge den Abbau von Glucose, die Rolle des Sauerstoffs und die Bildung von ATP.

Unsicher beim Einstieg?3 Aufgaben im freiwilligen Kurzcheck

Was kannst du schon?

Drei kurze Aufgaben helfen dir, deinen Startpunkt zu finden. Wenn du unsicher bist, wähle „Weiß ich noch nicht“.

Entscheide ohne Nachschlagen. Pro Aufgabe passt genau eine Antwort.

Lösungen mit Erklärungen

Glucose – Glucose wird schrittweise abgebaut. Sauerstoff wirkt in der Gesamtreaktion mit und nimmt am Ende der Atmungskette Elektronen auf.
Nein, die Glykolyse läuft im Cytosol – Reaktionsorte müssen unterschieden werden: Cytosol für Glykolyse, Mitochondrien für weitere Schritte bei Eukaryoten.
Nein, Energie wird umgewandelt und teilweise als Wärme abgegeben – Energie aus dem Abbau wird zum Teil für ATP-Bildung nutzbar; ein weiterer Teil wird als Wärme verteilt.

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Aus Nährstoffen wird nutzbare Energie für die Zelle

Zellen benötigen Energie für Bewegung, Stoffaufbau und Transport. Bei der aeroben Zellatmung wird Glucose mithilfe von Sauerstoff schrittweise abgebaut. Dabei entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser. Ein Teil der frei werdenden Energie wird für die Bildung von ATP nutzbar; ein weiterer Teil wird als Wärme abgegeben.

Glucose + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid + Wasser

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

Die Stoffgleichung ist eine Gesamtbilanz. ATP entsteht zusätzlich aus ADP und Phosphat durch die energetische Kopplung an den Abbau. Energie wird umgewandelt, nicht aus dem Nichts erzeugt.

ATP verbindet Energiegewinnung und Zellarbeit

Abbau energiereicher Stoffe→ ermöglichtATP-Bildung→ ermöglichtZellarbeit

ATP kurz erklärt

ATP bedeutet Adenosintriphosphat. Die Zelle bildet es aus ADP und anorganischem Phosphat. Die Hydrolyse von ATP zu ADP und Phosphat kann mit energiebedürftigen Vorgängen gekoppelt werden.

Kein Langzeitspeicher

ATP wird laufend umgesetzt und neu gebildet. Fette und Kohlenhydrate speichern Energie längerfristig; ATP stellt sie kurzfristig für viele Zellvorgänge bereit.

Der Ort: Cytosol und Mitochondrien

Die Zellatmung beginnt im Cytosol, der flüssigen Grundsubstanz außerhalb der Organellen. Weitere Schritte laufen in den Mitochondrien. Deren innere Membran ist stark gefaltet; die Falten heißen Cristae. Sie bieten viel Fläche für Atmungskette und ATP-Synthase. Der Innenraum heißt Matrix.

Auch Pflanzen und Pilze betreiben Zellatmung. Bakterien besitzen keine Mitochondrien; bei ihnen können entsprechende Membranprozesse an der Zellmembran ablaufen.

Begriffshilfe für den Zellatmungs-Explorer

Pyruvat ist eine Verbindung mit drei C-Atomen, die am Ende der Glykolyse entsteht. Acetyl-CoA trägt einen Zwei-C-Rest, der in den Citratzyklus eingeht.

NADH und FADH₂ sind die elektronenreichen Formen von Trägerstoffen. Sie geben Elektronen an die Atmungskette ab und werden dabei zu NAD⁺ beziehungsweise FAD oxidiert. GTP ist ein ATP ähnlicher Energieträger.

Oxidation bedeutet Elektronenabgabe, Reduktion Elektronenaufnahme. Beide gehören zusammen: Ein anderer Reaktionspartner nimmt die abgegebenen Elektronen auf.

Zellatmungs-Explorer: Was passiert wo?

Wähle eine Station. Verbinde ihren Ort mit der Stoffumwandlung. Die C-Bilanzen beziehen sich jeweils auf eine Glucose.

Glykolyse

Ort: Cytosol

1 Glucose → 2 Pyruvat

Die Glucose mit sechs C-Atomen wird in zwei Pyruvatmoleküle mit je drei C-Atomen überführt. Dabei entstehen netto 2 ATP und NADH als Elektronenträger. In diesem Schritt wird noch kein CO₂ frei.

Die Stationsgleichungen zeigen die Kohlenstoffbilanz, keine vollständig ausgeglichenen Einzelreaktionen. Trägerstoffe und Wasser sind dort teilweise ausgeblendet.

Die sechs C-Atome der Glucose verfolgen

1 · Glykolyse

6 C → 2 × 3 C. Noch kein CO₂: Alle sechs C-Atome stecken zusammen in zwei Pyruvatmolekülen.

2 · Pyruvatoxidation

2 × 3 C → 2 × 2 C + 2 CO₂. Zwei C-Atome werden frei, vier gelangen als Acetylreste weiter.

3 · Citratzyklus

Über zwei Umläufe werden insgesamt weitere vier CO₂ abgegeben. Gesamtbilanz: 2 + 4 = 6 CO₂ pro vollständig abgebauter Glucose.

Die Bilanz beschreibt den vollständigen Abbau. Die neu eingebrachten Acetyl-C-Atome werden im Citratzyklus nicht zwingend sofort im ersten Umlauf als CO₂ frei.

Warum Sauerstoff wichtig ist

Sauerstoff ist der letzte Elektronenakzeptor der aeroben Atmungskette. Fehlt er, können Elektronen nicht mehr auf diesem Weg weitergegeben werden. Die oxidative ATP-Bildung kommt zum Erliegen. Manche Zellen halten dann die Glykolyse durch Gärung aufrecht; die Energieausbeute ist deutlich geringer.

Zellatmung ist nicht Einatmen

Die Lungenatmung bringt Sauerstoff in den Körper und gibt CO₂ ab. Die Zellatmung sind die chemischen Vorgänge in den Zellen.

ATP-Ausbeute ist variabel

Die Glykolyse liefert netto 2 ATP. Der größte ATP-Anteil der aeroben Zellatmung entsteht über Atmungskette und ATP-Synthase. Eine pauschale feste Gesamtzahl gilt nicht für jede Zelle und jede Bedingung.

Wie das Protonengefälle ATP-Bildung antreibt

Die Atmungskette transportiert H⁺ aus der Matrix in den Intermembranraum, also zwischen die beiden Mitochondrienmembranen. Konzentrations- und Ladungsunterschied erzeugen einen elektrochemischen Gradienten. Der Rückstrom durch die ATP-Synthase in die Matrix ermöglicht ATP-Bildung. Dieses Prinzip heißt Chemiosmose.

Die innere Membran trennt die Räume und begrenzt den freien H⁺-Rückfluss. Elektronen fließen durch die Atmungskette; Protonen strömen durch die ATP-Synthase.

Bilanz-Werkstatt: Stoffmengen richtig skalieren

Für jede vollständig aerob abgebaute Glucose gelten dieselben Stoffmengenverhältnisse. Wähle eine Glucosemenge.

1 mol Glucose + 6 mol O₂ → 6 mol CO₂ + 6 mol H₂O

Alle Koeffizienten werden mit 1 multipliziert. Die angegebenen Wasserwerte sind die Nettobilanz der Gesamtreaktion.

Fotosynthese und Zellatmung: verbunden, aber verschieden

Fotosynthese

Baut aus CO₂ organische Stoffe auf und benötigt Lichtenergie. In grünen Pflanzenzellen liegt ihr Ort im Chloroplasten.

Zellatmung

Baut energiereiche Stoffe ab und ermöglicht ATP-Bildung. Sie läuft in Pflanzenzellen auch dann, wenn gleichzeitig Fotosynthese stattfindet.

Die vereinfachten Stoffbilanzen erscheinen gegensätzlich. Die Mechanismen sind aber verschieden: Zellatmung ist nicht die rückwärts laufende Fotosynthese. Stoffe können im Ökosystem kreisen; Energie wird weitergegeben und schließlich als Wärme verteilt.

Die Schritte einzeln vertiefen: Glykolyse · Citratzyklus · Atmungskette.

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Alle 18 Aufgaben mit Lösungen zum Nachlesen

1 · Erkennen und zuordnen

1. Welche Stoffe entstehen in der Gesamtbilanz der aeroben Zellatmung aus Glucose und Sauerstoff?

Kohlenstoffdioxid und Wasser
Chlorophyll und Licht
Glucose und Sauerstoff

Lösung und Erklärung

Kohlenstoffdioxid und Wasser

Beim vollständigen aeroben Abbau entstehen CO₂ und Wasser. Ein Teil der frei werdenden Energie wird für ATP-Bildung nutzbar.

2. Welcher Energieträger verbindet den Nährstoffabbau kurzfristig mit vielen Formen der Zellarbeit?

Cellulose
Kohlenstoffdioxid
ATP

Lösung und Erklärung

ATP

ATP wird laufend gebildet und umgesetzt. Sein Umsatz kann energiebedürftige Zellvorgänge antreiben.

3. Wo beginnt die Zellatmung mit der Glykolyse?

In der Zellwand
Im Cytosol
Ausschließlich in der Mitochondrienmatrix

Lösung und Erklärung

Im Cytosol

Die Glykolyse findet im Cytosol statt. Weitere Schritte folgen bei Eukaryoten in den Mitochondrien.

4. Wie heißen die Falten der inneren Mitochondrienmembran?

Cristae
Thylakoide
Ribosomen

Lösung und Erklärung

Cristae

Cristae vergrößern die innere Membranfläche, an der Atmungskette und ATP-Synthase sitzen.

5. Welche Rolle hat Sauerstoff in der aeroben Atmungskette?

Er liefert die Kohlenstoffatome der Glucose
Er ersetzt die ATP-Synthase
Er ist der letzte Elektronenakzeptor

Lösung und Erklärung

Er ist der letzte Elektronenakzeptor

Sauerstoff nimmt am Ende Elektronen auf und wird zusammen mit Protonen zu Wasser umgesetzt.

6. Wie viel CO₂ wird in der Glykolyse aus einer Glucose freigesetzt?

Sechs Moleküle
Keines
Zwei Moleküle

Lösung und Erklärung

Keines

Alle sechs C-Atome verbleiben zunächst in zwei Pyruvatmolekülen. CO₂ entsteht erst in folgenden Schritten.

2 · Anwenden und erklären

1. Eine Glucose wird vollständig aerob abgebaut. Welche CO₂-Verteilung passt?

2 CO₂ bei der Pyruvatoxidation und 4 im Citratzyklus
6 CO₂ in der Glykolyse und keines später
4 CO₂ in der Atmungskette und 2 an der ATP-Synthase

Lösung und Erklärung

2 CO₂ bei der Pyruvatoxidation und 4 im Citratzyklus

Zwei Pyruvatoxidationen setzen zusammen zwei CO₂ frei. Zwei Citratzyklus-Umläufe liefern weitere vier.

2. Welcher Sauerstoffbedarf ergibt sich für 2 mol vollständig aerob abgebaute Glucose?

6 mol O₂
2 mol O₂
12 mol O₂

Lösung und Erklärung

12 mol O₂

Das Verhältnis Glucose zu Sauerstoff ist 1 zu 6. Zwei mol Glucose benötigen daher zwölf mol O₂.

3. Warum sind viele Falten der inneren Mitochondrienmembran funktionell sinnvoll?

Sie erzeugen Sauerstoff aus CO₂
Sie bieten mehr Fläche für Atmungskette und ATP-Synthase
Sie verlagern die Glykolyse in die Zellwand

Lösung und Erklärung

Sie bieten mehr Fläche für Atmungskette und ATP-Synthase

Die große Membranfläche bietet Platz für die Proteine der oxidativen ATP-Bildung.

4. In welche Richtung strömen Protonen durch die mitochondriale ATP-Synthase bei der ATP-Bildung?

Vom Intermembranraum in die Matrix
Aus der Matrix direkt in den Zellkern
Durch die äußere Membran in die Zellwand

Lösung und Erklärung

Vom Intermembranraum in die Matrix

Die Atmungskette baut einen Gradienten auf. Der Rückstrom durch die ATP-Synthase in die Matrix treibt ATP-Bildung an.

5. Warum betreibt eine grüne Pflanzenzelle auch bei Licht Zellatmung?

Pflanzenzellen können überhaupt keine Fotosynthese betreiben
Zellatmung erzeugt das Licht für die Chloroplasten
Laufende Zellarbeit benötigt ATP, und Fotosynthese ersetzt Zellatmung nicht

Lösung und Erklärung

Laufende Zellarbeit benötigt ATP, und Fotosynthese ersetzt Zellatmung nicht

Fotosynthese und Zellatmung sind verschiedene Prozesse und können gleichzeitig stattfinden.

6. Wie entstehen aus den sechs C-Atomen einer Glucose zunächst zwei C₃-Körper?

Durch ATP-Hydrolyse zu zwei Phosphaten
Durch die Glykolyse zu zwei Pyruvatmolekülen
Durch die Atmungskette zu zwei Sauerstoffmolekülen

Lösung und Erklärung

Durch die Glykolyse zu zwei Pyruvatmolekülen

Die Glykolyse teilt das C₆-Gerüst bilanziell in zwei C₃-Gerüste, ohne dabei CO₂ abzuspalten.

3 · Prüfen und übertragen

1. Ein Schüler setzt Einatmen und Zellatmung gleich. Welche Korrektur passt?

Lungenatmung ermöglicht Gasaustausch; Zellatmung umfasst chemische Reaktionen in Zellen
Beide Begriffe bezeichnen ausschließlich Luftbewegung in der Lunge
Zellatmung findet ausschließlich im Luftraum der Lunge statt

Lösung und Erklärung

Lungenatmung ermöglicht Gasaustausch; Zellatmung umfasst chemische Reaktionen in Zellen

Sauerstoffversorgung und zelluläre Verarbeitung müssen getrennt erklärt werden.

2. Eine Bakterienzelle hat keine Mitochondrien. Welche Schlussfolgerung ist richtig?

Ohne Mitochondrien ist grundsätzlich kein Energiestoffwechsel möglich
Bakterien müssen deshalb Chloroplasten besitzen
Entsprechende Membranprozesse können bei Bakterien an der Zellmembran stattfinden

Lösung und Erklärung

Entsprechende Membranprozesse können bei Bakterien an der Zellmembran stattfinden

Mitochondrien sind nicht für jeden Organismus Voraussetzung solcher Prozesse. Bakterien können ihre Zellmembran nutzen.

3. Warum ist eine einzige feste ATP-Gesamtzahl für jede Zelle problematisch?

Jedes Glucosemolekül besitzt eine feste Anzahl fertiger ATP-Moleküle
Die tatsächliche ATP-Ausbeute hängt von Bedingungen und Zelle ab
Die Zellatmung bildet grundsätzlich kein ATP

Lösung und Erklärung

Die tatsächliche ATP-Ausbeute hängt von Bedingungen und Zelle ab

Die Gesamt-ATP-Ausbeute ist variabel. Ein fester Nettogewinn von zwei ATP gilt hier für die Glykolyse.

4. Sauerstoff fehlt. Welche Folge ist für die aerobe Atmungskette zu erwarten?

Die oxidative ATP-Bildung kommt zum Erliegen
Die Atmungskette ersetzt Sauerstoff automatisch durch Licht
Alle Zellen bilden nun durch Gärung genauso viel ATP wie vorher

Lösung und Erklärung

Die oxidative ATP-Bildung kommt zum Erliegen

Ohne letzten Elektronenakzeptor stoppt dieser aerobe Weg. Manche Zellen halten Glykolyse durch Gärung mit geringerer Ausbeute aufrecht.

5. Warum ist Zellatmung keine einfach rückwärts laufende Fotosynthese?

Beide Vorgänge laufen in denselben Proteinen bloß in anderer Richtung ab
Fotosynthese und Zellatmung haben keine Stoffe gemeinsam
Die vereinfachten Stoffbilanzen wirken gegensätzlich, die Mechanismen unterscheiden sich aber

Lösung und Erklärung

Die vereinfachten Stoffbilanzen wirken gegensätzlich, die Mechanismen unterscheiden sich aber

Die Prozesse sind über Stoffe verbunden, nutzen jedoch unterschiedliche Reaktionswege und Strukturen.

6. Weshalb ist ATP kein großer Langzeitspeicher der Zelle?

Es ersetzt alle Fette und Kohlenhydrate als dauerhafte Reserve
Es wird kurzfristig umgesetzt und fortlaufend neu gebildet
Es kann niemals Energie übertragen

Lösung und Erklärung

Es wird kurzfristig umgesetzt und fortlaufend neu gebildet

Fette und Kohlenhydrate dienen als größere Reserven. ATP vermittelt kurzfristig nutzbare Energie.

Wie sicher bist du jetzt?

Bearbeite drei weitere Aufgaben ohne Nachschlagen. Nutze die Rückmeldung, um gezielt weiterzulernen.

Entscheide ohne Nachschlagen. Pro Aufgabe passt genau eine Antwort.

Lösungen mit Erklärungen

Elektronen durchlaufen die Atmungskette; Protonen strömen durch die ATP-Synthase – Elektronentransport hilft beim Aufbau des Protonengradienten. Der gekoppelte Protonenrückstrom ermöglicht ATP-Bildung.
9 mol CO₂ – Pro mol Glucose entstehen sechs mol CO₂. 1,5 mal 6 ergibt 9 mol.
Sie betreiben Zellatmung auch während gleichzeitiger Fotosynthese – Auch Pflanzen benötigen ständig ATP. Fotosynthese und Zellatmung erfüllen verschiedene Aufgaben.

Glykolyse setzt noch kein CO₂ frei.

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2 CO₂ entstehen bei der Oxidation der zwei Pyruvatmoleküle. Weitere 4 CO₂ werden über zwei Citratzyklus-Umläufe abgegeben. Die Atmungskette produziert kein CO₂.

Zusätzlicher Begriffscheck

Kurzer Begriffscheck

Welcher Teil der Zellatmung läuft im Cytosol ab?

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Zum fachlichen Vertiefen: OpenStax · Zellatmung.

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Fotosynthese & Zellatmung verstehen – Energie in Pflanzen und Zellen einfach erklärt – Lernposter / Lernplakat als PDF

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Zellatmung: Glykolyse und Citratzyklus – kostenloses Biologie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)

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Aus Nährstoffen wird nutzbare Energie für die Zelle

ATP verbindet Energiegewinnung und Zellarbeit

ATP kurz erklärt

Kein Langzeitspeicher

Der Ort: Cytosol und Mitochondrien

Zellatmungs-Explorer: Was passiert wo?

Glykolyse

Die sechs C-Atome der Glucose verfolgen

1 · Glykolyse

2 · Pyruvatoxidation

3 · Citratzyklus

Warum Sauerstoff wichtig ist

Zellatmung ist nicht Einatmen

ATP-Ausbeute ist variabel

Wie das Protonengefälle ATP-Bildung antreibt

Bilanz-Werkstatt: Stoffmengen richtig skalieren

Fotosynthese und Zellatmung: verbunden, aber verschieden

Fotosynthese

Zellatmung

Üben & prüfen

Übe in deinem Tempo

1 · Erkennen und zuordnen

1. Welche Stoffe entstehen in der Gesamtbilanz der aeroben Zellatmung aus Glucose und Sauerstoff?

2. Welcher Energieträger verbindet den Nährstoffabbau kurzfristig mit vielen Formen der Zellarbeit?

3. Wo beginnt die Zellatmung mit der Glykolyse?

4. Wie heißen die Falten der inneren Mitochondrienmembran?

5. Welche Rolle hat Sauerstoff in der aeroben Atmungskette?

6. Wie viel CO₂ wird in der Glykolyse aus einer Glucose freigesetzt?

2 · Anwenden und erklären

1. Eine Glucose wird vollständig aerob abgebaut. Welche CO₂-Verteilung passt?

2. Welcher Sauerstoffbedarf ergibt sich für 2 mol vollständig aerob abgebaute Glucose?

3. Warum sind viele Falten der inneren Mitochondrienmembran funktionell sinnvoll?

4. In welche Richtung strömen Protonen durch die mitochondriale ATP-Synthase bei der ATP-Bildung?

5. Warum betreibt eine grüne Pflanzenzelle auch bei Licht Zellatmung?

6. Wie entstehen aus den sechs C-Atomen einer Glucose zunächst zwei C₃-Körper?

3 · Prüfen und übertragen

1. Ein Schüler setzt Einatmen und Zellatmung gleich. Welche Korrektur passt?

2. Eine Bakterienzelle hat keine Mitochondrien. Welche Schlussfolgerung ist richtig?

3. Warum ist eine einzige feste ATP-Gesamtzahl für jede Zelle problematisch?

4. Sauerstoff fehlt. Welche Folge ist für die aerobe Atmungskette zu erwarten?

5. Warum ist Zellatmung keine einfach rückwärts laufende Fotosynthese?

6. Weshalb ist ATP kein großer Langzeitspeicher der Zelle?

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Selbstcheck: Reaktionsorte und Stoffbilanzen

1 · Unterscheide Lungenatmung und Zellatmung.

2 · Ergänze die Gesamtbilanz für Glucose.

3 · Wo findet die Glykolyse statt?

4 · Warum ist die innere Mitochondrienmembran gefaltet?

5 · Welche Rolle hat O₂ in der Atmungskette?

6 · Wie viele mol O₂ benötigt der vollständige Abbau von 0,5 mol Glucose?

7 · Warum betreiben Pflanzen auch tagsüber Zellatmung?

8 · Wo entstehen beim vollständigen Glucoseabbau die sechs CO₂?

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