Energiegewinnung in Zellen: Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette

Kataboler Stoffwechsel

Der katabolische Stoffwechsel konzentriert sich auf den Abbau komplexer Moleküle in einfachere Verbindungen, wobei Energie freigesetzt wird. Im Gegensatz dazu ist der anabole Stoffwechsel für den Aufbau von Molekülen und die Speicherung von Energie zuständig.

Zu den wichtigsten katabolen Prozessen gehören die Glykolyse (Umwandlung von Glukose in Pyruvat), die Lipolyse (Zerlegung von Fettmolekülen in Fettsäure und Glycerol) und die Proteolyse (Abbau von Proteinen in Aminosäuren).

Die Zellatmung ist ein zentraler kataboler Prozess, der in den Mitochondrien stattfindet. Hier wird Pyruvat durch eine Reihe von Reaktionen in den Citratzyklus und die Atmungskette eingeführt. In der Atmungskette dient Sauerstoff als Elektronenakzeptor, wobei eine große Menge ATP durch oxidative Phosphorylierung entsteht.

💡 Merke: Die Zellatmung ist ein aerober Prozess, der Sauerstoff benötigt. Dabei wird Glukose zu CO₂ und H₂O abgebaut, wobei insgesamt 38 ATP-Moleküle produziert werden können (2 ATP aus der Glykolyse, 2 ATP aus dem Citratzyklus und 34 ATP aus der Atmungskette).

Glykolyse und oxidative Decarboxylierung

Die Glykolyse findet im Zytoplasma statt und wandelt ein Glukosemolekül in zwei Pyruvatmoleküle um. Dabei wird die Energie der Glukose in Form von ATP und NADH gespeichert. Dieser Prozess funktioniert sowohl unter aeroben als auch anaeroben Bedingungen.

Der Ablauf der Glykolyse umfasst 10 enzymkatalysierte Einzelreaktionen in zwei Phasen:

1. Vorbereitungsphase: Die Zelle investiert 2 ATP, um Glukose in 2 GAP-Moleküle zu spalten
2. Ertragsphase: GAP wird in 5 Schritten zu Pyruvat abgebaut, wobei 4 ATP und 2 NADH gewonnen werden

Die oxidative Decarboxylierung findet in der Matrix der Mitochondrien statt und benötigt Sauerstoff. Dabei wird Pyruvat aus dem Zytoplasma in die Mitochondrien transportiert, wo durch Oxidation CO₂ abgespalten wird und Acetat entsteht. Das Acetat wird durch die Übertragung von Coenzym A aktiviert, wodurch das energiereiche Acetyl-Coenzym A entsteht.

💡 Energiebilanz im Überblick: Aus einem Glukosemolekül entstehen durch die Glykolyse 2 Pyruvatmoleküle, 2 ATP und 2 NADH. Bei der oxidativen Decarboxylierung entstehen aus 2 Pyruvat dann 2 Acetyl-CoA, 2 NADH und 2 CO₂.

Citratzyklus

Der Citratzyklus läuft in der Matrix der Mitochondrien ab und ist ein Kreislauf, in dem Acetyl-CoA zu verschiedenen Zwischenprodukten umgewandelt wird. Der Zyklus beginnt, wenn Acetyl-CoA seine Acetylgruppe auf das Akzeptormolekül Oxalacetat überträgt, wodurch Citrat entsteht.

Der Zyklus besteht aus acht Einzelreaktionen, die in zwei Hälften aufgeteilt werden können:

1. Die erste Hälfte (vier Reaktionen) ist für den Abbau des Kohlenstoffgerüstes des Citrats verantwortlich, wobei CO₂ abgespalten wird
2. Die zweite Hälfte (vier Reaktionen) dient zur Wiederherstellung des Akzeptormoleküls Oxalacetat, damit der Kreislauf erneut durchlaufen werden kann

Während des Citratzyklus wird ein Teil der freiwerdenden Energie in Form von GTP sowie in den Elektronencarrier-Molekülen NADH und FADH₂ gespeichert. Da aus einem Glukosemolekül zwei Acetyl-CoA-Moleküle entstehen, wird der Citratzyklus pro Glukosemolekül zweimal durchlaufen.

💡 Wichtig für Klausuren: Die Gesamtbilanz des Citratzyklus für ein Glukosemolekül umfasst 6 NADH, 2 FADH₂ und 2 GTP (die zu 2 ATP umgewandelt werden). Diese Energieträger werden anschließend in der Atmungskette zur ATP-Produktion genutzt.

Atmungskette

Die Atmungskette findet in der inneren Mitochondrienmembran statt und wird auch als oxidative Phosphorylierung bezeichnet. In diesem Prozess wird die in den Elektronencarriern NADH und FADH₂ gespeicherte Energie in ATP umgewandelt.

Die aus Glykolyse, oxidativer Decarboxylierung und Citratzyklus stammenden Elektronen werden an bestimmte Membrankomplexe abgegeben. Vier große und zwei kleinere mobile Proteine bilden eine Art Kette (Elektronentransportkette), durch die die Elektronen von einer Stufe zur nächsten gehen und dabei kontrolliert Energie freisetzen.

Ein wesentlicher Teil des Prozesses ist der Aufbau eines Protonengradienten: Die Protonen werden aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum gepumpt, wodurch ein Konzentrationsunterschied entsteht. Die Protonen können nur durch das Kanalprotein ATP-Synthase zurück in die Matrix gelangen, wobei ihre Bewegung mit der Synthese von ATP aus ADP und Phosphat gekoppelt ist.

💡 Energieausbeute der Atmungskette: Pro Elektronenpaar von NADH werden 2,5 ATP-Moleküle gebildet, während FADH₂ nur 1,5 ATP liefert. Insgesamt entstehen aus den 10 NADH und 2 FADH₂, die aus dem Abbau eines Glukosemoleküls stammen, etwa 28 ATP-Moleküle in der Atmungskette.