Citratzyklus und oxidative Decarboxylierung

Der Citratzyklus, auch Krebs-Zyklus genannt, ist der zweite Hauptschritt der Zellatmung und findet in der Mitochondrien-Matrix statt.

Oxidative Decarboxylierung

Bevor der eigentliche Citratzyklus beginnt, durchläuft das Pyruvat einen vorbereitenden Schritt:

Definition: Die oxidative Decarboxylierung ist die Abspaltung von CO₂ aus der Carboxylgruppe des Pyruvats unter Bildung von Acetyl-CoA.

Pyruvat (C3) reagiert unter CO₂-Abspaltung mit Coenzym A zu Acetyl-CoA (C2), welches den Ausgangspunkt für den Citratzyklus bildet.

Ablauf des Citratzyklus

Der Citratzyklus läuft in mehreren Schritten ab:

1. Übertragung von Acetyl-CoA auf Oxalacetat unter Wasserverbrauch
2. Bildung von Citrat (C6-Verbindung)
3. Schrittweiser Abbau über verschiedene Zwischenprodukte zurück zu Oxalacetat

Highlight: Bei jedem Durchlauf des Citratzyklus entstehen pro Acetyl-CoA 3 NADH + 3H⁺, 1 FADH₂ und 1 GTP als Nebenprodukte.

Die Reaktionsgleichung des Citratzyklus lautet: 2 Pyruvat + 8NAD⁺ + 6H₂O + 2GDP + 2P + 2FAD + 2H⁺ → 6CO₂ + 2 GTP + 8NADH + 8H⁺ + 2FADH₂

Vocabulary: GTP (Guanosintriphosphat) ist ein Energieträger ähnlich dem ATP.

Der Citratzyklus fungiert als zentrale Drehscheibe des Stoffwechsels:

• Einschleusung und Herstellung von Aminosäuren
• Zerlegung und Herstellung von Fettsäuren
• Ausgangspunkt für die Synthese wichtiger Biomoleküle wie Porphyrine und DNA-Basen

Atmungskette und Energiebilanz der Zellatmung

Die Atmungskette ist der letzte und energiereichste Schritt der Zellatmung. Sie findet in der inneren Mitochondrienmembran statt.

Ablauf der Atmungskette

1. Am ersten Enzymkomplex werden pro NADH+H⁺ jeweils 2 Elektronen und 2 Protonen freigesetzt.
2. Die Elektronen wandern über die Elektronentransportkette.
3. Gleichzeitig werden Protonen aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum gepumpt.
4. Am vierten Enzymkomplex reagieren die Elektronen mit Protonen und Sauerstoff zu Wasser.
5. Der entstandene Protonengradient treibt die ATP-Synthase an, die ATP produziert.

Highlight: Die Atmungskette ist der Hauptort der ATP-Produktion in der Zelle.

Die Reaktionsgleichung der Atmungskette lautet: 10NADH + 10H⁺ + 2FADH₂ + 6O₂ + 34ADP + 34P → 10NAD⁺ + 2FAD + 34ATP + 12H₂O

Gärung als alternativer Weg

Unter anaeroben Bedingungen kann die Zelle auf Gärungsprozesse zurückgreifen:

1. Alkoholische Gärung: C₆H₁₂O₆ → 2CH₃CH₂OH + 2CO₂
2. Milchsäuregärung: C₆H₁₂O₆ → 2CH₃CHOHCOOH

Example: Alkoholische Gärung findet bei der Bier- und Weinherstellung statt, während Milchsäuregärung bei der Produktion von Käse, Quark und Sauerkraut eine Rolle spielt.

Die Gärung ermöglicht es der Zelle, auch ohne Sauerstoff ATP zu produzieren, allerdings in geringeren Mengen als bei der aeroben Atmung.

Vocabulary: Anaerob bedeutet "ohne Sauerstoff".

Die Gesamtbilanz der Zellatmung zeigt, dass aus einem Glucose-Molekül theoretisch bis zu 38 ATP gewonnen werden können, in der Praxis sind es aufgrund von Verlusten eher 30-32 ATP.

Die Atmungskette und Gärung

Die Atmungskette einfach erklärt ist der finale Schritt der aeroben Energiegewinnung.

Definition: Die Atmungskette Funktion besteht in der kontrollierten Oxidation von NADH und FADH₂ zur ATP-Synthese.

Highlight: Die Atmungskette Bilanz zeigt die Bildung von 34 ATP aus den Reduktionsäquivalenten.

Example: Bei der alkoholischen Gärung entsteht Ethanol (wichtig für Bier- und Weinherstellung), bei der Milchsäuregärung Lactat (relevant für Muskelzellen bei Überanstrengung).

Vocabulary: Die Atmungskette Produkte sind ATP, Wasser und regenerierte Coenzyme.

Grundlagen der Zellatmung

Die Zellatmung ist ein fundamentaler Prozess in lebenden Zellen, bei dem energiereiche organische Stoffe unter Sauerstoffverbrauch in energiearme anorganische Stoffe umgewandelt werden. Dieser Vorgang lässt sich in drei miteinander gekoppelte Teilprozesse unterteilen: Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette.

Glykolyse

Die Glykolyse ist der erste Schritt der Zellatmung und findet im Cytoplasma statt.

Definition: Die Glykolyse ist der Abbau von Glucose zu Pyruvat unter Energiegewinnung.

Die Reaktionsgleichung der Glykolyse lautet: Glucose + 2NAD⁺ + 2P → Pyruvat + 2NADH + 2H⁺ + 2ATP

Der Ablauf der Glykolyse umfasst mehrere wichtige Schritte:

1. Aktivierung der Glucose durch Übertragung von Phosphatgruppen
2. Spaltung des C6-Körpers in zwei C3-Körper
3. Umwandlung zu Pyruvat als Endprodukt

Highlight: Die Glykolyse kann auch unter anaeroben Bedingungen ablaufen und ist für einige Zelltypen wie Erythrozyten die Hauptenergiequelle.

Die Energiebilanz der Glykolyse zeigt einen Nettogewinn von 2 ATP pro Glucose-Molekül, da anfänglich 2 ATP investiert werden müssen.

Example: In Nierenmark, Spermien und Erythrozyten wird Energie hauptsächlich aus der Glykolyse gewonnen.