Bilanz der Glykolyse und Übergang zum Citratzyklus

Die Gesamtbilanz der Glykolyse zeigt, dass nur ein kleiner Teil der in Glucose gespeicherten Energie direkt genutzt wird:

Pro Molekül Glucose entstehen:

• Zwei Moleküle NADH + H⁺
• Zwei Moleküle ATP durch Substratkettenphosphorylierung

Highlight: Der Großteil der Energie ist noch im Pyruvat enthalten und wird in den folgenden Schritten der Zellatmung genutzt.

Oxidative Decarboxylierung

Unter aeroben Bedingungen wird Pyruvat in die Mitochondrien transportiert, wo es in der Matrix weiter abgebaut wird:

1. Abspaltung eines CO₂-Moleküls vom Pyruvat
2. Reaktion mit Coenzym A zu Acetyl-CoA (aktivierte Essigsäure)
3. Übertragung von Wasserstoff auf NAD⁺, Bildung von NADH + H⁺

Vocabulary: Oxidative Decarboxylierung - Abspaltung von CO₂ unter gleichzeitiger Oxidation

Pro Glucose-Molekül entstehen hier zwei weitere NADH + H⁺.

Der Citratzyklus - zentraler Stoffwechselweg

Der Citratzyklus, auch Krebs-Zyklus genannt, findet in der Mitochondrienmatrix statt und ist ein zyklischer Prozess, bei dem pro Durchgang zwei Kohlenstoffatome zu CO₂ oxidiert werden.

Ablauf des Citratzyklus:

1. Einschleusung der Acetylgruppe von Acetyl-CoA
2. Bildung von Citrat (C6-Molekül)
3. Schrittweise Oxidation und Decarboxylierung
4. Regeneration des Ausgangsmoleküls Oxalacetat

Example: Das bei der Oxidation entstehende CO₂ diffundiert aus den Zellen, gelangt über das Blut in die Lunge und wird ausgeatmet.

Hauptgewinn des Citratzyklus sind Reduktionsäquivalente in Form von NADH + H⁺ und FADH₂, die in der Atmungskette zur ATP-Produktion genutzt werden.

Bilanz des Citratzyklus und die Atmungskette

Energieausbeute des Citratzyklus

Pro Molekül Acetyl-CoA entstehen im Citratzyklus:

• 1 Molekül GTP (äquivalent zu ATP)
• 3 Moleküle NADH + H⁺
• 1 Molekül FADH₂

Highlight: Da pro Glucose-Molekül zwei Acetyl-CoA in den Citratzyklus eingeschleust werden, muss diese Bilanz verdoppelt werden.

Die Atmungskette - finale ATP-Produktion

Die Atmungskette ist der letzte Schritt der Zellatmung und findet an der inneren Mitochondrienmembran statt. Hier wird die in den Reduktionsäquivalenten NADH + H⁺ und FADH₂ gespeicherte Energie zur ATP-Synthese genutzt.

Ablauf der Atmungskette:

1. Trennung von Elektronen und Protonen aus NADH + H⁺ und FADH₂
2. Elektronentransport über eine Kette von Enzymkomplexen
3. Gekoppelter Protonentransport aus der Matrix in den Intermembranraum
4. Aufbau eines Protonengradienten
5. ATP-Synthese durch ATP-Synthase, angetrieben durch den Protonengradienten

Vocabulary: Oxidative Phosphorylierung - ATP-Bildung durch Kopplung von Elektronentransport und Protonengradient

Die Atmungskette ist hocheffizient und produziert den Großteil des in der Zellatmung gewonnenen ATPs.

Definition: Die Zellatmung ist ein mehrstufiger Prozess des Energiestoffwechsels, bei dem Nährstoffe wie Glucose unter Sauerstoffverbrauch zu CO₂ und H₂O abgebaut und dabei große Mengen ATP gewonnen werden.

Die Gesamtbilanz der Zellatmung zeigt, dass theoretisch bis zu 38 ATP-Moleküle pro Glucose-Molekül entstehen können, in der Praxis sind es aufgrund von Verlusten etwa 30-32 ATP.

Citratzyklus und Atmungskette

Der Citratzyklus einfach erklärt ist ein zyklischer Prozess in der Mitochondrienmatrix.

Definition: Die oxidative Decarboxylierung verbindet die Glykolyse mit dem Citratzyklus durch Umwandlung von Pyruvat zu Acetyl-CoA.

Die Citratzyklus Bilanz pro Glucose-Molekül ergibt:

• 6 NADH+H⁺
• 2 FADH₂
• 2 GTP/ATP

Highlight: Die Atmungskette ist der finale Schritt der Glykolyse Citratzyklus Atmungskette und erzeugt den Großteil des ATP.

Aufbau und Funktion der Mitochondrien

Mitochondrien sind die Organellen der Zellatmung, in denen der Großteil der zellulären Energie in Form von ATP produziert wird. Sie besitzen eine charakteristische Struktur, die optimal für ihre Funktion angepasst ist.

Definition: Mitochondrien sind die "Kraftwerke der Zelle", in denen durch oxidativen Abbau von Nährstoffen Energie in Form von ATP gewonnen wird.

Mitochondrien sind von zwei Membranen umgeben:

• Die äußere Membran ist glatt
• Die innere Membran weist zahlreiche Einfaltungen auf, die sogenannten Cristae

Diese Struktur unterteilt das Mitochondrium in zwei Bereiche:

1. Den Intermembranraum zwischen äußerer und innerer Membran
2. Die Matrix im Inneren, umschlossen von der inneren Membran

Highlight: In der Matrix befinden sich Ribosomen, mitochondriale DNA und zahlreiche Enzyme des Kohlenhydrat- und Lipidstoffwechsels.

Zellen mit hoher Stoffwechselaktivität, wie beispielsweise Leberzellen, besitzen besonders viele Mitochondrien - über 1000 pro Zelle.

Die Glykolyse - erster Schritt der Zellatmung

Die Glykolyse ist der wichtigste Abbauweg für Kohlenhydrate im Stoffwechsel und findet im Cytoplasma statt.

Vocabulary: Glykolyse - Abbau von Glucose zu Pyruvat unter Energiegewinnung

Ablauf der Glykolyse:

1. Glucose (C6) wird in zwei Triose-Moleküle (C3) umgewandelt
2. Endprodukt ist Brenztraubensäure bzw. deren Anion Pyruvat
3. Es werden geringe Mengen ATP und NADH + H⁺ gebildet

Wichtige Schritte:

• Aktivierung der Glucose durch Phosphorylierung
• Umwandlung in Fructose-1,6-bisphosphat unter ATP-Verbrauch
• Spaltung in zwei Triosephosphate
• Oxidation von Glycerinaldehyd-3-phosphat zu 1,3-Bisphosphoglycerat
• Bildung von ATP durch Substratkettenphosphorylierung

Example: Die Phosphorylierung der Glucose zu Glucose-6-phosphat verhindert, dass diese die Zellmembran wieder passieren kann.