Aerobe Zellatmung

Aeroben Zellatmung – Reaktionsort

Die Zellatmung kann in Eukaryoten und Prokaryoten stattfinden. Menschen und Pflanzen gehören zu den Eukaryoten. Pflanzen können die Kohlenhydrate für ihren Stoffwechsel mithilfe von Sonnenenergie bei der Fotosynthese selbst herstellen. Menschen hingegen sind auf Nahrung angewiesen, die Kohlenhydrate bzw. Glucose enthält. Glucose wird dann bei der Zellatmung schrittweise abgebaut.

Zum größten Teil findet die aerobe Zellatmung in den Mitochondrien statt. Bestimmt kennst du die Mitochondrien auch unter dem Begriff „Kraftwerke der Zelle“.

Aeroben Zellatmung – Energiewährung der Zelle

ATP ist ein Nukleotid mit drei Phosphatgruppen. ATP wird auch die „Energiewährung“ in unserem Körper genannt, weil es universell im Körper genutzt werden kann. Der Name von Adenosintriphosphat verrät dir schon, dass drei Phosphate an dem Nukleotid angehängt sind. Die Bindung zwischen der 2. und 3. Phosphatgruppe ist besonders energiereich. Wie ein Molekül ATP aufgebaut ist, kannst du in Abbildung 1 nachvollziehen.

Abbildung 1: Adenosintriphosphat

Wird Energie benötigt, wird diese Bindung gespalten und Energie wird frei. Dann entsteht das energiearme Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphat. Dieser Prozess ist reversibel, das heißt, dass eine Phosphatgruppe wieder an ADP angehängt werden kann. Dann ist das Molekül wieder energiegeladen.

Aeroben Zellatmung – Ablauf

Die aerobe Zellatmung besteht aus 3 Teilschritten:

1. Glykolyse
2. Citratzyklus (inkl. oxidativer Decarboxylierung)
3. Atmungskette

Bei allen drei Teilschritten wird ATP produziert. Bei der Atmungskette allerdings am meisten.

Glykolyse

Die Glykolyse findet in eukaryotischen Zellen im Cytoplasma statt. Dabei wird Glucose zu Pyruvat abgebaut. Man kann die Glykolyse in zwei Teile aufteilen. Im ersten Teil wird Energie verbraucht. Er trägt somit noch nicht zu Energiegewinnung bei. Im zweiten Teil der Glykolyse wird Energie in NADH und ATP gespeichert. Dabei entstehen 2 Pyruvat.

Wichtig ist, dass pro Mol Glucose 2 Mol Pyruvat entstehen. Das kannst du dir herleiten, indem du dir merkst, dass Glukose 6 Kohlenstoffatome besitzt und Pyruvat lediglich 3. Daher müssen zwei Pyruvat-Moleküle entstehen, da sonst Kohlenstoffatome verloren gingen. Der Ablauf der Glykolyse ist in Abbildung 2 für dich zusammengefasst dargestellt.

Die freiwerdende Energie wird bei der Glykolyse in Form von ATP gespeichert. NAD⁺ dient hier als Elektronenakzeptor. Also speichert auch NADH Energie.

Bilanz der Glykolyse

Oxidative Decarboxylierung

Die oxidative Decarboxylierung, ist die Schlüsselreaktion zwischen Glykolyse und Citratzyklus. Hier wird das Pyruvat, das Produkt der Glykolyse, in die Mitochondrien transportiert. Jetzt finden weitere Reaktionen der aeroben Zellatmung in den Mitochondrien statt.

Bei der oxidativen Decarboxylierung wird eine Carboxylgruppe abgespalten und das restliche Molekül oxidiert. Dabei wird Kohlenstoffdioxid frei, was wir über unsere Lungen ausatmen können. Es entsteht ein Acetat-Molekül. Es ist das Anion der Essigsäure, was dir die Endung -at verrät.

Bei der Oxidation des Pyruvats werden Elektronen abgegeben, die auf ${\mathrm{NAD}}^{+}$ übertragen werden. Dadurch wird ${\mathrm{NAD}}^{+}$ zu $\mathrm{NADH}+{\mathrm{H}}^{+}$ reduziert. Zuletzt wird auf das Acetat ein Coenzym A übertragen, wodurch es aktiviert wird. Das Produkt der Reaktion heißt Acetyl-CoA oder Acetyl-Coenzym-A. Die Bindung zwischen Acetyl und Coenzym A ist energiereich, weshalb das Acetyl beim Einschleusen in den Citratzyklus leicht übertragen werden kann.

Bilanz der oxidativen Decarboxylierung

Citratzyklus

Das Ausgangsmolekül ist Acetyl-CoA, das von der oxidativen Decarboxylierung bereitgestellt wird. Die Acetyl-Gruppe wird im ersten Reaktionsschritt auf Oxalacetat übertragen. Oxalacetat ist ein Akzeptormolekül, das aus 4 Kohlenstoffatomen besteht. Dabei entsteht Citrat, wonach der Zyklus benannt ist. Der Zyklus ist auch als Krebs-Zyklus, Citronensäure-Zyklus oder Tricarbonsäurezyklus bekannt.

Citrat besitzt 6 Kohlenstoffatome. Wie du an der Endung -at wieder erkennst, ist Citrat also das Anion der Citronensäure.

Den Citratzyklus oder Zitronensäurezyklus kann in zwei Phasen eingeteilt werden:

1. Abbau von Citrat
2. Wiederherstellung von Oxalacetat

Die erste Phase ist dafür zuständig, dass Kohlenstoffatome abgespalten werden und in Form von Kohlenstoffdioxid freigesetzt werden. Die zweite Phase dient dazu, das Ausgangsmolekül Oxalacetat wieder herzustellen, damit der Citratzyklus von neuem beginnen kann. Bei dem Abbauen und Wiederherstellen wird Energie frei, die aber nicht verloren geht, sondern in sogenannten Carrier-Molekülen und GTP gespeichert wird.

Carrier-Moleküle werden mit Elektronen beladen und transportieren Elektronen an ihren Zielort. Auch, wenn es erst einmal so aussieht, als würden sie Protonen (Wasserstoff) transportieren, ist es natürlich so, dass Wasserstoffatome, jeweils ein Elektron auf ihrer Schale haben. Man spricht vom Elektronentransport, da Elektronen Energieträger sind. Diese Carrier-Moleküle sind beim Citratzyklus $\mathrm{NADH}+{\mathrm{H}}^{+}$ und ${\mathrm{FADH}}_2$.

Bilanz des Citratzyklus

Atmungskette

In der Atmungskette der Zellatmung wird die in den Carrier-Molekülen gespeicherte Energie in ATP umgewandelt. Sowohl bei der Glykolyse, im Citratzyklus und der oxidativen Decarboxylierung sind solche energiegeladenen Carrier-Moleküle entstanden.

Die Atmungskette findet an der inneren Mitochondrienmembran statt. $\mathrm{NADH}+{\mathrm{H}}^{+}$ und ${\mathrm{FADH}}_2$ geben an bestimmte Membranproteine ihre Elektronen ab, die als Redoxsysteme fungieren. Der Schlüssel zur Energiegewinnung bei der Atmungskette ist eine Elektronentransportkette, bei der Schritt für Schritt Energie frei wird und in Form von ATP gespeichert wird.

Das letzte Membranprotein der Elektronentransportkette überträgt schließlich die Elektronen auf Sauerstoffmoleküle, sodass Wasser entsteht. Du fragst dich bestimmt wie aus Sauerstoffatomen und Elektronen Wasser entstehen kann? Die benötigten Wasserstoffatome befinden sich reichlich in der Mitochondrienmatrix und kommen bei dieser Reaktion aus dem Lumen hinzu.

Um den Ablauf der Atmungskette nochmal zu verbildlichen, ist in Abbildung 4 eine grobe Zusammenstellung aller Abläufe, die für dich wichtig sind.

Der Schlüssel zur ATP-Gewinnung ist eine ATP-Synthase. Bei der Elektronentransportkette werden Wasserstoffprotonen aktiv in den Intermembranraum transportiert. Dadurch besteht nun ein Konzentrationsgradient von Wasserstoffprotonen zwischen dem Intermembranraum und der Mitochondrienmatrix. Wasserstoffprotonen können die innere Mitochondrienmembran nicht ohne Hilfe durchqueren, bestreben aber einen Ausgleich des Konzentrationsgradienten. Dabei kommt die ATP-Synthase zum Einsatz, die die Protonen in die Matrix zurück pumpt. Die dabei freiwerdende Energie wird nun in ATP gespeichert.

Bilanz der Atmungskette

Aeroben Zellatmung – Energiebilanz

Jetzt wollen wir aber wissen, wie viele ATP-Moleküle pro Glucosemolekül bei der Zellatmung gebildet werden. Dafür musst du wissen, dass pro NADH-Molekül 2,5 ATP und pro ${\mathrm{FADH}}_2$-Molekül 1,5 ATP-Moleküle gebildet werden können. Durch die Glykolyse, der oxidativen Decarboxylierung und dem Citratzyklus entstehen bei der Zellatmung 10 $\mathrm{NADH}+{\mathrm{H}}^{+}$ und 2 ${\mathrm{FADH}}_2$. Darauf können wir jetzt die ATP-Menge, die bei der Atmungskette entsteht, berechnen:

10 NADH → 10 x 2,5 ATP = 25 ATP

2 FADH2 → 2 x 1,5 ATP = 3 ATP

Bei der Atmungskette entstehen also 28 ATP-Moleküle. Addieren wir nun die ATP-Moleküle, die bei der Glykolyse (2 ATP) und dem Citratzyklus (2 ATP) entstanden sind, werden pro Glucose-Molekül 32 Moleküle ATP in der Zellatmung gebildet.

Aeroben Zellatmung – Allgemeine Reaktionsgleichung