Zellatmung - Übersicht

Man muss einen Dauerlauf absolvieren. Er ist ganz vorn mit dabei. Auf den letzten Metern liegt er noch mal einen Sprint hin und gewinnt. Aber woher hatte Jan diese Energie? [Musik]

Energie kann auf verschiedenen Wegen gewonnen werden. Häufig passiert das durch den Abbau energiereicher Stoffe. Einer dieser Abbauprozesse ist die Zellatmung. Hier werden energiereiche organische Verbindungen wie Glucose abgebaut. Dabei entsteht Energie. Ein Teil davon wird chemisch gespeichert, und zwar in Form von Adenosintriphosphat, ATP. ATP ist ein universeller Energieträger, sozusagen ein Energiespeicher. Die Energie kann für alle Lebensvorgänge genutzt werden, wie ein Pausenbrot, das ihr euch einpackt und in der Schule ist, wenn ihr Energie braucht. Wenn ihr also zum Sprint ansetzt, dann stammt die Energie dafür von ATP, und das wird unter anderem durch die Zellatmung gewonnen.

Der Abbau energiereicher Verbindungen zur Energiegewinnung wird die Simulation genannt. Man unterscheidet verschiedene Formen. Die Zellatmung ist die aerobe Simulation, also Stoffabbau mit Sauerstoff. Daher kommt auch der Name Zellatmung. Merkt euch: In der Zellatmung werden organische Stoffe abgebaut. Ziel ist die Gewinnung von Energie in Form von ATP. Diesen Vorgang nennt man auch die Simulationen. Weil dabei Sauerstoff verbraucht wird, spricht man auch von aerober Simulation. Das gleiche sagt uns auch die Bruttogleichung der Reaktion. Wir wissen jetzt: Die Ausgangsstoffe der Zellatmung sind Glucose, also Zucker, und Sauerstoff. Beides reagiert zu Kohlenstoffdioxid, also CO2, und Wasser. Genauer gesagt wird die Glucose oxidiert, denn der Kohlenstoff in der Glucose gibt Wasserstoff ab. Auf der anderen Seite nimmt er Sauerstoff auf, und das ist oft ein Zeichen für eine Oxidation. Ganz einfach, oder?

Bevor wir weitermachen, müssen wir ein wichtiges Prinzip verstehen. Die Zellatmung besteht aus mehreren einzelnen Reaktionen. In diesen Reaktionen nehmen bestimmte Moleküle Elektronen auf. Man nennt sie deshalb Elektronentransporter oder Elektronen-Carrier. Das sind quasi Elektronentaxis. In der Zellatmung sind das NAD+ und FAD. Sie nehmen in der Glykolyse und dem Citratzyklus Wasserstoffionen auf. Aber Moment mal, ging es eben nicht um Elektronen? Richtig. Keine Sorge, das ist wirklich verwirrend. Die Elektronen stecken im Wasserstoff drin. Der Wasserstoff ist sozusagen der Autositz des Taxis. Die wichtigen Passagiere bleiben aber die Elektronen. Die Elektronentransporter speichern den Wasserstoff und deren energiegeladene Elektronen und fahren sie zur Atmungskette. Kurz gesagt: In der Zellatmung reagieren Glucose und Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Dabei nehmen Elektronentransporter Elektronen auf.

Schauen wir uns das genau an. Die Zellatmung besteht aus mehreren Teilprozessen. Das sind die Glykolyse, die oxidative Decarboxylierung, der Citratzyklus und die Atmungskette. Die Glykolyse findet im Zellplasma statt. Dort wird die Glucose zu zwei Molekülen Brenztraubensäure abgebaut. Diese Brenztraubensäure wird auch Pyruvat genannt. Dabei passiert folgendes: Aus ADP und einem Phosphatrest entsteht ATP, und aus NAD+ wird, mit den zusätzlichen Elektronen, NADH+H+. Denn wir wissen ja: Die Elektronen kommen immer mit Wasserstoff. Wir konzentrieren uns aber auf die Elektronen. Das Pyruvat gelangt jetzt in die Mitochondrien. Dort findet die oxidative Decarboxylierung statt. Das Pyruvat reagiert zu Acetyl-CoA. Dabei wird Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Zusätzlich entsteht auch hier NADH+H+. Hat sich manche von euch gerade gewundert: Die oxidative Decarboxylierung wird manchmal auch zum Citratzyklus gezählt. Das Acetyl-CoA gelangt dann in den Citratzyklus. Der wird auch Zitronensäurezyklus oder Krebszyklus genannt. Dort wird es zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut. Hier entsteht ATP, NADH+H+, und FADH2.

Die Atmungskette ist der letzte Schritt der Zellatmung. Hier werden 28 ATP-Moleküle gebildet. Zum Vergleich: In der Glykolyse und dem Citratzyklus sind es jeweils nur 2. Wie das geht? Die Atmungskette ist eine Elektronentransportkette. Ihr könnt euch das so vorstellen: In der mitochondrialen Membran sitzen sogenannte Redox-Systeme. Das sind Enzyme, die chemische Reaktionen unterstützen. Hier sehen wir die Redox-Systeme in einer schematischen Darstellung. Die Elektronentransporter NADH+H+ und FADH2 sind mit Elektronen beladen. Sie fahren zum Ort der Atmungskette und geben die energiegeladenen Elektronen ab. Deren Energie wird dann schrittweise freigesetzt und zur ATP-Bildung genutzt. Stellt es euch vor wie einen Ball, den ihr vor euch auf den Boden werft. Bei jedem Bodenkontakt gibt er etwas Energie ab. Und so ist das auch bei den Elektronen und den Redox-Systemen. Am Ende der Transportkette reagieren die Elektronen mit Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser.

Fassen wir alles zusammen: Die Zellatmung ist eine Form des Stoffabbaus. Man nennt sie auch aerobe Simulation. Glucose und Sauerstoff reagieren zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. Dabei wird Energie in Form von ATP gebildet. Die Zellatmung besteht aus der Glykolyse, der oxidativen Decarboxylierung, dem Citratzyklus und der Atmungskette. Das meiste ATP stammt aus der Atmungskette. Sie liefert 28 ATP. Die Glykolyse und der Citratzyklus liefern jeweils nur 2. Insgesamt macht das 32 ATP pro Glucosemolekül. Und daher hat Jan noch so viel Energie. So, wir hoffen, ihr habt einen guten Überblick bekommen. Haut rein!