Zellatmung im Überblick

Die Zellatmung wandelt energiereiche Moleküle wie Glucose in energiearme anorganische Verbindungen (CO₂ und H₂O) um. Dieser Prozess benötigt Sauerstoff und verläuft über mehrere zusammenhängende Stoffwechselwege.

Das Mitochondrium ist der Hauptschauplatz der Zellatmung. Es besteht aus einer äußeren und einer inneren Membran, dem Intermembranraum, der Matrix und den Cristae. In der Matrix befinden sich mitochondriale DNA und Ribosomen.

Die Zellatmung gliedert sich in vier Hauptschritte: Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Citratzyklus und Atmungskette. Bei diesen Prozessen spielen die Energieträger NADH+H⁺, FADH₂ und ATP eine zentrale Rolle.

💡 Wichtig zu verstehen: Bei der Zellatmung finden ständig Redoxreaktionen statt - Oxidation (Elektronenabgabe) und Reduktion (Elektronenaufnahme) können dabei nicht einzeln ablaufen, sondern sind immer gekoppelt.

Orte und Stoffumsatz der Zellatmung

Die Glykolyse findet im Cytoplasma statt. Aus Glucose (C₆) entstehen hier zwei Pyruvat-Moleküle (C₃), 2 ATP und 2 NADH+H⁺. Diese erste Phase benötigt keinen Sauerstoff.

In der oxidativen Decarboxylierung wird das Pyruvat im Mitochondrium weiterverarbeitet. Dabei werden CO₂ abgespalten und weitere NADH+H⁺-Moleküle gebildet.

Der Citratzyklus läuft in der Mitochondrienmatrix ab. Hier entstehen 6 NADH+H⁺ und 2 FADH₂, die Elektronen für die Atmungskette liefern.

Die Atmungskette an der inneren Mitochondrienmembran ist der letzte Schritt. Hier werden mit Hilfe von Sauerstoff (O₂) Wasser (H₂O) gebildet und die meisten ATP-Moleküle erzeugt.

💡 Merksatz für die Gesamtreaktion: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + Energie (ATP)

Die Glykolyse

Die Glykolyse ist der erste Schritt der Zellatmung und findet im Cytoplasma statt. Hier wird ein Glucose-Molekül (C₆) zu zwei Pyruvat-Molekülen (C₃) abgebaut.

Der Prozess beginnt mit einer Energieinvestitionsphase (endergonisch): Zunächst wird ein ATP verbraucht, um Glucose zu phosphorylieren. Das Enzym Hexokinase überträgt eine Phosphatgruppe auf Glucose, wodurch Glucose-6-Phosphat entsteht. Dieses kann die Zelle nicht mehr verlassen. Nach Umwandlung in Fructose-6-Phosphat erfolgt eine weitere Phosphorylierung unter ATP-Verbrauch.

In der Energiegewinnungsphase (exergonisch) wird das Molekül gespalten. Aus den entstandenen C₃-Molekülen (GAP und DHAP) kann nur GAP weiterreagieren, daher wird DHAP zu GAP umgewandelt. Bei der weiteren Verarbeitung werden Elektronen auf NAD⁺ übertragen $NADH+H⁺ entsteht$ und ATP gewonnen.

💡 Energiebilanz der Glykolyse: Aus einem Glucose-Molekül entstehen 2 ATP (netto), 2 Pyruvat und 2 NADH+H⁺.

Glykolyse und Oxidative Decarboxylierung

In der Endphase der Glykolyse wird durch weitere Umwandlungen der C₃-Moleküle zusätzliches ATP gebildet. Die Phosphatgruppen werden auf ADP übertragen und es entstehen insgesamt zwei Pyruvatmoleküle als Endprodukt.

Die Gesamtgleichung der Glykolyse lautet: Glucose + 2 NAD⁺ + 2 ADP + Pi → 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH + H⁺. Die entstandenen Pyruvatmoleküle werden anschließend mit Hilfe eines Carriers in die Mitochondrienmatrix transportiert.

Die oxidative Decarboxylierung ist der zweite Schritt der Zellatmung und findet in der Mitochondrienmatrix statt. Der Pyruvatdehydrogenase-Komplex spaltet ein CO₂-Molekül vom Pyruvat ab. Dabei werden Elektronen freigesetzt und NAD⁺ zu NADH+H⁺ reduziert.

Der verbleibende C₂-Körper wird an Coenzym A gebunden, wodurch Acetyl-CoA entsteht. Die Gleichung lautet: Pyruvat (C₃) → CO₂ + Acetyl-CoA (C₂).

💡 Achtung: Schwermetalle wie Quecksilber können den Pyruvatdehydrogenase-Komplex hemmen und dadurch die Energiegewinnung der Zelle stören!

Der Citratzyklus

Der Citratzyklus $auch Krebs-Zyklus genannt$ ist der dritte Schritt der Zellatmung. Hier werden die verbliebenen C-Atome des Pyruvats vollständig zu CO₂ abgebaut, wobei Energie in Form von Redoxäquivalenten $NADH+H⁺ und FADH₂$ gewonnen wird.

Der Zyklus beginnt, wenn Acetyl-CoA seine C₂-Gruppe auf Oxalacetat überträgt und Citrat (C₆) bildet. In einer Serie von enzymatischen Reaktionen wird Citrat schrittweise abgebaut, wobei CO₂ freigesetzt und Elektronen auf NAD⁺ und FAD übertragen werden.

Bei jedem Durchlauf des Zyklus entsteht ein ATP-Molekül, 3 NADH+H⁺ und 1 FADH₂. Da aus jedem Glucose-Molekül zwei Pyruvat-Moleküle hervorgehen, durchläuft der Citratzyklus pro Glucose zweimal.

💡 Energiebilanz des Citratzyklus: Aus zwei Pyruvat entstehen insgesamt 6 NADH+H⁺, 2 FADH₂, 2 ATP und 6 CO₂. Die gebildeten Redoxäquivalente transportieren die Energie weiter zur Atmungskette.

Die Atmungskette

Die Atmungskette ist der letzte und energiereichste Abschnitt der Zellatmung. Sie findet an der inneren Mitochondrienmembran statt und nutzt die Energie aus NADH+H⁺ und FADH₂, die im Citratzyklus gebildet wurden.

Der Prozess beginnt, wenn NADH+H⁺ und FADH₂ Elektronen an die Proteinkomplexe der Atmungskette abgeben. Diese Elektronen werden über mehrere Transportproteine (Komplex 1, Ubichinon, Komplex 3, Cytochrom C, Komplex 4) weitergegeben. Bei diesen Redoxreaktionen wird Energie frei, die genutzt wird, um Protonen (H⁺) aus der Matrix in den Intermembranraum zu pumpen.

Dadurch entsteht ein Protonengradient - eine höhere Protonenkonzentration im Intermembranraum als in der Matrix. Die Protonen strömen durch die ATP-Synthase zurück in die Matrix und treiben dabei die Synthese von ATP aus ADP und Phosphat an.

💡 Der Sauerstoff als finaler Elektronenakzeptor: Am Ende der Atmungskette werden die Elektronen auf Sauerstoff übertragen, der zusammen mit Protonen zu Wasser reagiert. Ohne Sauerstoff kommt die Atmungskette zum Erliegen!

Regulation der Zellatmung

Die Zellatmung unterliegt einer präzisen Regulation, um den Energiehaushalt der Zelle im Gleichgewicht zu halten. Ein Schlüsselenzym ist die Phosphofructokinase, die in der Glykolyse den Umbau von Fructose-6-Phosphat zu Fructose-1,6-bisphosphat katalysiert.

Dieses Enzym wird durch negative Rückkopplung reguliert: Bei hoher ATP-Konzentration in der Zelle lagern sich ATP-Moleküle als negative Effektoren an das regulatorische Zentrum des Enzyms an und hemmen seine Aktivität. Die Glykolyse wird gedrosselt, wenn genügend Energie vorhanden ist.

Bei niedriger Energieversorgung wirkt ADP als positiver Effektor auf die Phosphofructokinase und aktiviert die Glykolyse. Dadurch wird mehr Pyruvat für die nachfolgenden Schritte der Zellatmung bereitgestellt.

💡 Homöostase: Durch diese Regulationsmechanismen wird die Homöostase - das Gleichgewicht des Energiehaushalts - in der Zelle aufrechterhalten. Die Zellatmung passt sich flexibel an den Energiebedarf an.