Glykolyse: Der erste Schritt der Zellatmung

Die Glykolyse ist der erste Schritt der Zellatmung und findet im Cytoplasma der Zelle statt. Sie besteht aus zwei Hauptphasen: der Energieinvestition und der Energiefreisetzung.

Definition: Glykolyse - Ein anaerober Stoffwechselweg, bei dem Glukose zu Pyruvat abgebaut wird.

Die Bilanzgleichung der Glykolyse lautet:

Glucose + 2 NAD⁺ + 2 ADP + Pi → 2 Pyruvat + 2 NADH + H⁺ + 2 ATP

Bei diesem Prozess werden pro Mol Glukose zwei Mol ATP gebildet. Im Vergleich zur vollständigen Verbrennung von Glukose (ΔH = -2825 kJ/mol) ist die Energieausbeute der Glykolyse jedoch gering.

Example: Der Wirkungsgrad der Glykolyse beträgt nur etwa 2% der theoretisch verfügbaren Energie aus der Glukose.

Die verbleibende Energie ist noch in den Produkten der Glykolyse, dem Pyruvat und den reduzierten Coenzymen, gespeichert. Diese werden in den nächsten Schritten der Zellatmung weiter verarbeitet.

Oxidative Decarboxylierung

Die oxidative Decarboxylierung ist das Bindeglied zwischen Glykolyse und Citratzyklus. Sie findet in der Membran der Mitochondrien statt und wandelt Pyruvat in Acetyl-CoA um.

Highlight: Die oxidative Decarboxylierung Pyruvat erfolgt in drei Schritten:

1. Abspaltung der Carboxylgruppe als CO₂
2. Oxidation des verbleibenden Fragments zur Acetylgruppe
3. Bindung von Coenzym A an die Acetylgruppe zur Bildung von Acetyl-CoA

Das bei diesem Prozess entstehende Acetyl-CoA ist energiereich, instabil und sehr reaktionsfreudig. Es spielt eine zentrale Rolle im nächsten Schritt der Zellatmung, dem Citratzyklus.

Gesamtbilanz der Zellatmung: Maximale Energieausbeute

Die Stoff- und Energiebilanz der Zellatmung zeigt die beeindruckende Effizienz dieses Prozesses. Hier ist die Aufschlüsselung der ATP-Produktion in den verschiedenen Phasen:

1. Glykolyse: 2 Mol ATP (2% Wirkungsgrad)
2. Oxidative Decarboxylierung: Keine direkte ATP-Produktion, aber Bildung von 2 NADH + H⁺
3. Citratzyklus: 2 Mol ATP (2% Wirkungsgrad), 6 NADH + H⁺, 2 FADH₂
4. Atmungskette:
   • 10 NADH + H⁺ → 30 ATP
   • 2 FADH₂ → 4 ATP

Highlight: Die Gesamtbilanz Zellatmung ergibt theoretisch 38 Mol ATP pro Mol Glukose. In der Praxis werden jedoch 36 Mol ATP produziert, da 2 ATP für den Transport von Pyruvat ins Mitochondrium benötigt werden.

Diese Energiebilanz Zellatmung zeigt, dass der Großteil des ATP (34 Mol) in der Atmungskette produziert wird. Dies unterstreicht die Bedeutung der oxidativen Phosphorylierung für die Energiegewinnung in eukaryotischen Zellen.

Example: Die Frage "Zellatmung 32 oder 38 ATP" lässt sich so beantworten: Theoretisch werden 38 ATP produziert, praktisch sind es aufgrund des Energieaufwands für den Pyruvat-Transport 36 ATP.

Die Zellatmung ist somit ein hocheffizienter Prozess zur Energiegewinnung, der es Organismen ermöglicht, die in Nährstoffen gespeicherte chemische Energie optimal zu nutzen.