Gärung und Zellatmung: Grundlegende Stoffwechselprozesse

Die Zellatmung und Gärung sind fundamentale Stoffwechselprozesse, die der Energiegewinnung dienen. Bei der Gärung wird Glucose unter Sauerstoffmangel (anaerob) abgebaut, während die Zellatmung aerob, also unter Sauerstoffverbrauch stattfindet.

Definition: Die Glykolyse ist der erste Schritt sowohl bei der Gärung als auch bei der Zellatmung. Dabei wird Glucose zu Pyruvat abgebaut unter Gewinnung von 2 ATP und 2 NADH+H+.

Bei der alkoholischen Gärung, wie sie beispielsweise in Hefezellen stattfindet, wird das Pyruvat zu Acetaldehyd und CO₂ umgewandelt. Anschließend entsteht durch Reduktion Ethanol. Bei der Milchsäuregärung hingegen, die in Muskelzellen vorkommt, wird Pyruvat direkt zu Lactat reduziert. In beiden Fällen werden die benötigten NAD+-Moleküle regeneriert.

Der Pasteur-Effekt beschreibt die Hemmung der Gärung bei Anwesenheit von Sauerstoff. Dies ist energetisch sinnvoll, da der aerobe Stoffwechselweg pro Glucosemolekül deutlich mehr ATP liefert als die Gärung. Nur bei Sauerstoffmangel wird auf Gärung umgeschaltet.

Energetische Betrachtung der Zellatmung

Die Zellatmung läuft in mehreren energetischen Stufen ab. Bei der oxidativen Decarboxylierung und im Citratzyklus wird die chemische Energie der Glucose schrittweise freigesetzt und in Form von Reduktionsäquivalenten (NADH+H+ und FADH₂) gespeichert.

Beispiel: Die Energiefreisetzung erfolgt nicht in einem Schritt, sondern über viele kleine Teilreaktionen. Dies ermöglicht eine effiziente Energiekonservierung in Form von ATP.

ATP ist der universelle Energieträger in allen Lebewesen. Seine Bildung erfolgt durch Substratkettenphosphorylierung im Citratzyklus und hauptsächlich durch oxidative Phosphorylierung in der Atmungskette. Die ATP-Synthese wird dabei durch die Kopplung von exergonen und endergonen Reaktionen ermöglicht.

Die Atmungskette und ATP-Synthese in der Zellatmung

Die Zellatmung ist ein fundamentaler Prozess, bei dem Glucose vollständig abgebaut und Energie in Form von ATP gewonnen wird. Die Energiebilanz der Zellatmung zeigt sich besonders in der Atmungskette, die in der inneren Mitochondrienmembran stattfindet.

Definition: Die Atmungskette ist eine Sequenz von Proteinkomplexen in der inneren Mitochondrienmembran, die den kontrollierten Elektronentransport und die ATP-Produktion ermöglicht.

In der Atmungskette spielen vier große Proteinkomplexe eine zentrale Rolle. Diese Komplexe transportieren Elektronen von NADH+H⁺ und FADH₂, die aus der Glykolyse, der oxidativen Decarboxylierung und dem Citratzyklus stammen. Der Elektronentransport erfolgt stufenweise über verschiedene Redoxsysteme, wodurch die Energiefreisetzung kontrolliert wird.

Der Prozess beginnt bei Komplex I, der Elektronen von NADH+H⁺ aufnimmt und auf Ubichinon überträgt. Die Elektronen wandern dann von Komplex zu Komplex, wobei die Redoxpotenziale zunehmend positiver werden. Am Ende der Kette werden die Elektronen auf Sauerstoff übertragen, der mit Protonen zu Wasser reagiert.

Highlight: Während des Elektronentransports pumpen die Komplexe I, III und IV Protonen aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum, wodurch ein Protonengradient entsteht.