Zellatmung: Glykolyse und Citratzyklus

Aktives Lernen eignet sich besonders gut für dieses Thema, weil die Stoffwechselwege der Glykolyse und des Citratzyklus komplexe Abläufe mit vielen Zwischenschritten und Produkten sind. Wenn Schülerinnen und Schüler die Schritte selbst ordnen oder modellieren, verstehen sie die Zusammenhänge besser als durch reines Auswendiglernen.

• Klasse 12
• Biologie der Oberstufe: Von den Molekülen zur Biosphäre
• 4 Aktivitäten
• 30 Min.–50 Min.

Lernziele

1. Analysieren Sie die einzelnen Reaktionsschritte der Glykolyse und identifizieren Sie die entstehenden Moleküle wie Pyruvat, ATP und NADH.
2. Erklären Sie die Funktion des Citratzyklus als zentralen aeroben Stoffwechselweg zur vollständigen Oxidation von Acetyl-CoA.
3. Vergleichen Sie die Energieausbeute (ATP, NADH, FADH₂) der Glykolyse und des Citratzyklus.
4. Bewerten Sie die Bedeutung der Zwischenprodukte des Citratzyklus als Vorläufer für die Synthese von Aminosäuren und Fettsäuren.

Concept-Mapping

⏱ 30 Min.·Partnerarbeit

Karten-Sortierung: Glykolyse-Schritte

Schüler erhalten Karten mit Enzymen, Substraten und Produkten der Glykolyse. In Paaren sortieren sie diese chronologisch und begründen Übergänge. Abschließend präsentieren sie ihren Pfad und diskutieren Energiebilanz.

Vorbereitung & Details

Erklären Sie die Schritte der Glykolyse und die dabei entstehenden Produkte.

Moderationstipp: Legen Sie bei der Karten-Sortierung zur Glykolyse die Materialien so aus, dass die Schülerinnen und Schüler die Investition von 2 ATP und den Ertrag von 4 ATP sichtbar nebeneinander ablegen müssen.

Setup: Tische für große Papierformate oder Wandflächen

Materials: Begriffskarten oder Haftnotizen, Plakatpapier, Marker, Beispiel für eine Concept Map

• Verstehen
• Analysieren
• Erschaffen
• Selbstwahrnehmung
• Selbststeuerung

Concept-Mapping

⏱ 45 Min.·Kleingruppen

Stationenrotation: Citratzyklus-Phasen

Richten Sie Stationen ein: Acetyl-CoA-Eintritt, Isocitrat-Dehydrogenase, Succinat-Dehydrogenase, GTP-Bildung. Gruppen rotieren, zeichnen Diagramme und notieren Reduktionsäquivalente. Plenum fasst zusammen.

Vorbereitung & Details

Analysieren Sie den Citratzyklus als zentralen Stoffwechselweg zur Gewinnung von Reduktionsäquivalenten.

Moderationstipp: Stellen Sie bei der Stationenrotation zum Citratzyklus sicher, dass jede Gruppe eine andere Phase modelliert und die Ergebnisse anschließend im Plenum zusammenführt.

Setup: Tische für große Papierformate oder Wandflächen

Materials: Begriffskarten oder Haftnotizen, Plakatpapier, Marker, Beispiel für eine Concept Map

• Verstehen
• Analysieren
• Erschaffen
• Selbstwahrnehmung
• Selbststeuerung

Concept-Mapping

⏱ 50 Min.·Kleingruppen

Modellbau: Verknüpfte Wege

Gruppen modellieren Glykolyse mit Kugeln und Stäbchen, verbinden mit Citratzyklus. Sie markieren Vorstufen für andere Wege und berechnen Erträge. Fotodokumentation für Portfolio.

Vorbereitung & Details

Bewerten Sie die Bedeutung der Vorstufen des Citratzyklus für andere Stoffwechselwege.

Moderationstipp: Fordern Sie beim Modellbau der verknüpften Wege die Schülerinnen und Schüler auf, die Übergänge zwischen Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette durch Pfeile und Beschriftungen explizit darzustellen.

Setup: Tische für große Papierformate oder Wandflächen

Materials: Begriffskarten oder Haftnotizen, Plakatpapier, Marker, Beispiel für eine Concept Map

• Verstehen
• Analysieren
• Erschaffen
• Selbstwahrnehmung
• Selbststeuerung

Concept-Mapping

⏱ 40 Min.·Kleingruppen

Hefegärung: Glykolyse beobachten

Schüler messen CO₂-Produktion bei Glukosegärung mit Hefen, variieren Bedingungen. Sie vergleichen mit aerobem Citratzyklus und diskutieren Unterschiede in Tabellen.

Vorbereitung & Details

Erklären Sie die Schritte der Glykolyse und die dabei entstehenden Produkte.

Setup: Tische für große Papierformate oder Wandflächen

Materials: Begriffskarten oder Haftnotizen, Plakatpapier, Marker, Beispiel für eine Concept Map

• Verstehen
• Analysieren
• Erschaffen
• Selbstwahrnehmung
• Selbststeuerung

Dieses Thema unterrichten

Unterrichten Sie diesen Stoffwechselweg nicht als isolierte Abläufe, sondern als vernetzte Prozesse mit klarem Fokus auf die Energiebilanz und die räumliche Organisation in der Zelle. Vermeiden Sie es, die Glykolyse als isolierten anaeroben Prozess zu betrachten, sondern zeigen Sie stets die Verbindung zur aeroben Atmung. Nutzen Sie Alltagsbeispiele wie den Sauerteig im Hefeversuch, um die Relevanz zu verdeutlichen. Forschung zeigt, dass Schülerinnen und Schüler komplexe Stoffwechselwege besser verstehen, wenn sie die Schritte selbst aktiv konstruieren und nicht nur passiv nachvollziehen.

Was Sie erwartet

Am Ende des Hubs können die Schülerinnen und Schüler die zentralen Schritte der Glykolyse und des Citratzyklus erklären, die Kompartimentierung der Reaktionen nennen und die Bedeutung der Reduktionsäquivalente für die Atmungskette begründen. Sie erkennen die Energiebilanz und die Vernetzung mit anderen Stoffwechselwegen.

Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

Häufige Fehlvorstellung

Während der Karten-Sortierung zur Glykolyse wird oft übersehen, dass die Investition von 2 ATP für die Aktivierung der Glukose entscheidend ist.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Fordern Sie die Schülerinnen und Schüler auf, die ATP-Verbraucher (Hexokinase, Phosphofructokinase) und die ATP-Produzenten (PGK, Pyruvatkinase) farblich zu markieren und die Nettobilanz explizit zu berechnen.

Häufige Fehlvorstellung

Während der Stationenrotation zum Citratzyklus wird der Prozess manchmal als lineare Abfolge statt als Zyklus wahrgenommen.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Lassen Sie die Gruppen ihre Ergebnisse auf ein gemeinsames Plakat übertragen, das die zyklische Struktur durch einen Pfeil von Oxalacetat zurück zu Citrat visualisiert.

Häufige Fehlvorstellung

Während des Experiments zur Hefegärung wird fälschlicherweise angenommen, dass der Citratzyklus auch ohne Sauerstoff aktiv ist.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Heben Sie hervor, dass die NAD+-Regeneration in der Gärung nur über die Alkoholbildung erfolgt und vertiefen Sie dies durch den Vergleich mit der aeroben Atmung in den Mitochondrien.

Ideen zur Lernstandserhebung

Lernstandskontrolle

Nach der Karten-Sortierung zur Glykolyse geben Sie den Schülerinnen und Schülern ein Arbeitsblatt mit den Schritten der Glykolyse und des Citratzyklus. Sie sollen die Hauptprodukte und deren Orte in der Zelle eintragen und die Energiebilanz (ATP, NADH) berechnen.

Kurze Überprüfung

Während der Stationenrotation zum Citratzyklus stellen Sie eine kurze Frage: 'Warum ist der Citratzyklus auf die Atmungskette angewiesen?' Die Schülerinnen und Schüler notieren ihre Antwort auf einen Zettel und tauschen sie mit einer Partnerin oder einem Partner aus.

Diskussionsfrage

Nach dem Modellbau der verknüpften Wege diskutieren die Schülerinnen und Schüler die Aussage: 'Der Citratzyklus ist eine zentrale Drehscheibe des Stoffwechsels.' Sie nennen Beispiele für Zwischenprodukte, die für Biosynthesen genutzt werden, und halten ihre Ideen auf einem Plakat fest.

Erweiterungen & Unterstützung

• Fordern Sie frühfertigende Schülerinnen und Schüler auf, die Energiebilanz der gesamten Zellatmung (Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette) zu berechnen und mit der alleinigen Glykolyse zu vergleichen.
• Unterstützen Sie unsichere Lernende, indem Sie ihnen eine vorgefertigte Tabelle mit den Schritten der Glykolyse und des Citratzyklus geben, in die sie die Produkte und Energiebilanzen eintragen können.
• Vertiefen Sie bei extra Zeit die Regulation des Citratzyklus durch Enzymhemmung und Aktivierung und lassen Sie die Schülerinnen und Schüler selbst Inhibitoren wie ATP oder ADP in ein Modell einbauen.

Schlüsselvokabular

Glykolyse	Der erste Schritt der Zellatmung, bei dem Glukose im Zytosol in zwei Moleküle Pyruvat umgewandelt wird, wobei netto ATP und NADH entstehen.
Citratzyklus	Ein zyklischer Stoffwechselweg in der Mitochondrienmatrix, der Acetyl-CoA oxidiert und dabei CO₂, ATP (oder GTP), NADH und FADH₂ produziert.
Acetyl-CoA	Ein Molekül, das als wichtiges Bindeglied zwischen Kohlenhydrat-, Fett- und Proteinstoffwechsel dient und in den Citratzyklus eintritt.
Reduktionsäquivalente	Moleküle wie NADH und FADH₂, die energiereiche Elektronen transportieren und für die ATP-Synthese in der Atmungskette benötigt werden.
Substratkettenphosphorylierung	Ein Prozess, bei dem ATP direkt durch die Übertragung einer Phosphatgruppe von einem Substratmolekül auf ADP gebildet wird, wie in der Glykolyse und im Citratzyklus.