Zellatmung: Energie aus Traubenzucker

Einstieg: Warum wird dir beim Sport warm?

Nach einem Sprint atmest du schnell, dein Herz schlägt kräftig und dir wird warm. Deine Muskeln brauchen für die Bewegung Energie. Diese Energie steckt in der Nahrung, zum Beispiel im Traubenzucker. Aber wie kommt sie aus dem Zucker in den Muskel? Und warum brauchst du dafür Sauerstoff?

Erklärung: Was ist Zellatmung?

In fast allen Zellen von Menschen, Tieren, Pflanzen und Pilzen läuft ein Vorgang ab, bei dem Traubenzucker mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut wird. Dabei wird die im Traubenzucker gespeicherte chemische Energie freigesetzt und für die Zelle nutzbar. Dieser Vorgang heißt Zellatmung.

$\text{Traubenzucker} + \text{Sauerstoff} \rightarrow \text{Kohlenstoffdioxid} + \text{Wasser} \quad (\text{Energie wird nutzbar})$

Die Zellatmung findet in kleinen Zellbestandteilen statt, den Mitochondrien. Die freigesetzte Energie nutzt der Körper für:

• Bewegung (Muskelarbeit),
• Wachstum und den Aufbau neuer Stoffe,
• die Aufrechterhaltung der Körpertemperatur. Ein Teil der Energie wird immer als Wärme frei.

Atmung und Zellatmung sind zwei verschiedene Dinge

Wenn du durch die Nase einatmest, ist das die äußere Atmung: Die Lunge nimmt Sauerstoff aus der Luft auf und gibt Kohlenstoffdioxid ab. Das Blut transportiert den Sauerstoff zu den Zellen. Dort, in den Mitochondrien, läuft die eigentliche Zellatmung ab. Das Kohlenstoffdioxid gelangt mit dem Blut zurück zur Lunge und wird ausgeatmet. Die äußere Atmung versorgt also die Zellatmung.

Pflanzen atmen auch

Pflanzen brauchen ebenfalls Energie, zum Beispiel zum Wachsen und zum Transport von Stoffen. Deshalb betreiben alle lebenden Pflanzenzellen Zellatmung, am Tag und in der Nacht. Wurzelzellen, die nie Licht sehen, leben ausschließlich von Zellatmung. Am Tag läuft in grünen Blättern zusätzlich die Fotosynthese. Sie ist bei Licht meist schneller als die Zellatmung, deshalb geben die Blätter dann insgesamt mehr Sauerstoff ab, als sie verbrauchen. Nachts gibt es nur die Zellatmung.

Versuch: Keimende Samen atmen

Frage: Geben keimende Erbsen Kohlenstoffdioxid ab?

Nachweismittel: Kalkwasser ist eine klare Lösung. Kommt Kohlenstoffdioxid hinein, wird es milchig trüb.

Durchführung: Zwei Gläser werden mit gequollenen Erbsen gefüllt. In Glas A liegen keimende Erbsen, in Glas B Erbsen, die vorher gekocht wurden und deshalb tot sind. Die gekochten Erbsen lässt man vorher abkühlen. Beide Portionen werden kurz in eine Desinfektionslösung getaucht und abgespült, damit auf ihnen keine Bakterien oder Pilze wachsen, die selbst atmen würden. In beide Gläser kommt ein kleines Schälchen mit Kalkwasser. Die Gläser werden verschlossen und stehen einen Tag bei Zimmertemperatur.

Beobachtung: In Glas A ist das Kalkwasser trüb, in Glas B bleibt es klar.

Deutung: Die lebenden, keimenden Erbsen haben Kohlenstoffdioxid abgegeben. Sie betreiben Zellatmung, um Energie für das Keimen zu gewinnen. Die toten Erbsen sind der Kontrollansatz: Sie unterscheiden sich im Wesentlichen nur darin, dass sie nicht leben. Bleibt Glas B länger stehen, kann es trotzdem trüb werden, weil sich Bakterien und Pilze auf den toten Erbsen vermehren und atmen.

Beispiele

Beispiel 1: Ausgeatmete Luft Bläst du mit einem Strohhalm vorsichtig Luft in Kalkwasser, wird es trüb. Trag dabei eine Schutzbrille, puste nur und sauge nie an, denn Kalkwasser schädigt die Augen und darf nicht in den Mund. In der ausgeatmeten Luft ist mehr Kohlenstoffdioxid als in der eingeatmeten. Es stammt aus der Zellatmung deiner Körperzellen.

Beispiel 2: Warum ein Komposthaufen warm wird In einem Komposthaufen zersetzen Bakterien und Pilze Pflanzenreste. Sie betreiben dabei Zellatmung. Ein Teil der Energie wird als Wärme frei. Weil der Haufen dicht ist, staut sich die Wärme, und das Innere wird deutlich wärmer als die Umgebung.

Merksatz

Bei der Zellatmung wird Traubenzucker mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut. Dabei wird Energie für Bewegung, Wachstum und Körperwärme nutzbar. Die Zellatmung läuft in den Mitochondrien aller lebenden Zellen ab, auch bei Pflanzen, Tag und Nacht.

Übungen

Grundlagen

1. Schreibe die Wortgleichung der Zellatmung auf.
2. In welchem Zellbestandteil findet die Zellatmung statt?
3. Nenne drei Vorgänge im Körper, für die die Energie aus der Zellatmung genutzt wird.

Weiter

4. Erkläre den Unterschied zwischen äußerer Atmung und Zellatmung.
5. Warum enthält das Glas mit den gekochten Erbsen kein trübes Kalkwasser? Welche Aufgabe hat dieses Glas im Versuch?
6. Ein Mitschüler sagt: „Pflanzen atmen Kohlenstoffdioxid ein und Sauerstoff aus. Sie machen das Gegenteil von uns.“ Was stimmt daran, was nicht?

Knobeln

7. Eine Topfpflanze steht in einem verschlossenen Glasbehälter. Wie verändert sich der Sauerstoffgehalt im Behälter a) in einer hellen Stunde am Tag, b) in einer Stunde in der Nacht? Begründe.
8. Vergleiche die Wortgleichungen von Fotosynthese und Zellatmung. Was fällt dir auf? Formuliere einen Satz über die Energie.

Lösungen

1. Traubenzucker + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid + Wasser. Dabei wird Energie nutzbar.
2. In den Mitochondrien.
3. Zum Beispiel Bewegung der Muskeln, Wachstum und Aufbau von Stoffen, Erhaltung der Körpertemperatur.
4. Die äußere Atmung ist der Gasaustausch in der Lunge: Sauerstoff wird aufgenommen, Kohlenstoffdioxid abgegeben. Die Zellatmung ist der Abbau von Traubenzucker mit Sauerstoff in den Mitochondrien jeder Zelle, bei dem Energie nutzbar wird. Die äußere Atmung liefert den Sauerstoff für die Zellatmung und entfernt ihr Kohlenstoffdioxid.
5. Gekochte Erbsen sind tot und betreiben keine Zellatmung. Es entsteht kein Kohlenstoffdioxid. Das Glas ist der Kontrollansatz. Es zeigt, dass die Trübung in Glas A wirklich von lebenden Erbsen stammt.
6. Richtig ist: Bei Licht nehmen grüne Blätter insgesamt Kohlenstoffdioxid auf und geben Sauerstoff ab, weil die Fotosynthese schneller ist als die Zellatmung. Falsch ist, dass Pflanzen nicht atmen. Sie betreiben wie wir Zellatmung, Tag und Nacht, und verbrauchen dabei Sauerstoff. Die Fotosynthese ist ein zusätzlicher Vorgang.
7. a) Am Tag steigt der Sauerstoffgehalt. Fotosynthese und Zellatmung laufen beide ab, aber die Fotosynthese setzt mehr Sauerstoff frei, als die Zellatmung verbraucht. b) In der Nacht sinkt der Sauerstoffgehalt, weil nur Zellatmung abläuft.
8. Die Ausgangsstoffe der einen Gleichung sind die Produkte der anderen und umgekehrt. Bei der Fotosynthese wird Lichtenergie in chemische Energie des Traubenzuckers umgewandelt. Bei der Zellatmung wird diese chemische Energie wieder freigesetzt und für Lebensvorgänge nutzbar.