Zellatmung: Von Glucose zu ATP

Deine Zellen sind wie kleine Kraftwerke, die ständig ATP als Energiewährung produzieren müssen. Die Glykolyse startet diesen Prozess im Zellplasma, wo Glucose schrittweise abgebaut wird.

Bei der Glykolyse wird erst zweimal ATP investiert, um Glucose zu aktivieren und in Fructose-1,6-biphosphat umzuwandeln. Dann wird dieses Molekül gespalten und weiter abgebaut, wodurch am Ende mehr ATP zurückgewonnen wird als investiert wurde.

Der Citratzyklus läuft in der Mitochondrienmatrix ab und ist wie ein Recycling-Kreislauf. Pyruvat aus der Glykolyse wird zu Acetyl-CoA umgewandelt, das dann mit Oxalacetat zu Citrat reagiert. In acht Schritten wird Citrat wieder zu Oxalacetat abgebaut.

Merktipp: Pro Glucose entstehen in Glykolyse + Citratzyklus nur 4 ATP direkt - das meiste kommt erst in der Atmungskette!

Die Atmungskette an der inneren Mitochondrienmembran ist der Hauptenergielieferant. NADH und FADH₂ aus den vorherigen Schritten geben ihre Elektronen an Enzymkomplexe ab. Dabei werden Protonen in den Intermembranraum gepumpt, wodurch ein Konzentrationsgefälle entsteht. Wenn diese Protonen durch die ATP-Synthase zurückfließen, wird ATP produziert - insgesamt etwa 28 ATP pro Glucose-Molekül.

Gärung und Bierbrauen

Wenn kein Sauerstoff verfügbar ist, müssen deine Zellen auf Gärung umschalten - ein weniger effizienter, aber lebensrettender Notfallmodus. Statt 28 ATP gibt es nur 2 ATP pro Glucose, aber das reicht zum Überleben.

Bei der alkoholischen Gärung spaltet Hefe CO₂ vom Pyruvat ab und reduziert das entstehende Ethanal zu Ethanol. Die Milchsäuregärung in deinen Muskeln wandelt Pyruvat direkt zu Lactat um - deshalb brennen deine Muskeln bei intensivem Training.

Der Pasteur-Effekt zeigt, dass Hefe unter anaeroben Bedingungen viel mehr Glucose verbraucht als unter aeroben. Das liegt daran, dass sie ohne Sauerstoff viel weniger ATP pro Glucose bekommt und deshalb mehr "Treibstoff" braucht.

Hefe ist ein fakultativer Anaerobier - sie kann sowohl mit als auch ohne Sauerstoff leben. Beim Bierbrauen nutzt man diese Eigenschaft: Zuerst werden Enzyme aus gekeimter Gerste (Malz) freigesetzt, die Stärke zu Glucose spalten. Dann vergärt die Hefe diesen Zucker zu Alkohol und CO₂.

Wusstest du: Hefe kann nur bis zu 19% Alkohol produzieren - danach vergiftet sie sich selbst!

Die wichtigsten Energieträger sind ATP (die Energiewährung), NAD⁺ (transportiert hauptsächlich Elektronen und Protonen) und FAD (transportiert ebenfalls Elektronen).