Aerobe und anaerobe Atmung: Ein umfassender Überblick

Aerobe Atmung: Schritte und Bedeutung

Die aerobe Zellatmung umfasst die Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA, den Krebszyklus (Zitronensäurezyklus), die Elektronentransportkette und die oxidative Phosphorylierung. Dabei wird Brenztraubensäure (aus der Glykolyse) vollständig zu CO2 und Wasser oxidiert, wobei O2 als finaler Elektronenakzeptor dient. Die Schritte sind:

1. Umwandlung von Brenztraubensäure in Acetyl-CoA: Eine oxidative Decarboxylierung, katalysiert durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Multienzymkomplex in der mitochondrialen Matrix.
2. Krebszyklus (Zitronensäurezyklus): Eine Reihe von Reaktionen, in denen organische Säuren oxidiert werden. Dieser Zyklus findet in der mitochondrialen Matrix statt, wo sich die notwendigen Enzyme befinden.
3. Elektronentransportkette: Eine Reihe von Enzymen (Oxidoreduktasen), die Elektronen aus den katabolen Phasen sammeln und zum finalen Akzeptor (O2) transportieren. Dies geschieht in der inneren Membran der mitochondrialen Cristae.
4. Oxidative Phosphorylierung: ATP-Produktion in den Mitochondrien durch die Energie, die bei der Elektronentransportkette freigesetzt wird. ATP wird durch das Enzym ATP-Synthase synthetisiert, das mit der inneren Membran der Mitochondrien verbunden ist.

Aerobe Atmung: Prozess der Glukoseoxidation

Die aerobe Atmung ist der Prozess der vollständigen Oxidation von Glukose in den Mitochondrien. Das bei der Glykolyse entstehende Pyruvat wird durch oxidative Decarboxylierung zu CO2 und Wasser oxidiert. Reduzierte Nukleotide (NADH und FADH2) übertragen Elektronen auf O2 (den finalen Akzeptor) über die Elektronentransportkette. Zusätzlich wird durch oxidative Phosphorylierung ATP erzeugt. Der Prozess liefert je nach Zelltyp 36 oder 38 ATP-Moleküle.

Anaerobe Glykolyse

Die anaerobe Glykolyse ist eine Reihe von Reaktionen, die im Zytosol der Zelle ablaufen. Dabei wird Glukose (6C) zu zwei Molekülen Pyruvat (3C) abgebaut. Die Glykolyse wird von fast allen Zellen genutzt, um Energie aus Glukose zu gewinnen. Es ist ein primitiver Stoffwechselweg, der sowohl in prokaryotischen als auch in eukaryotischen Zellen vorkommt. Das Endergebnis sind 2 Moleküle Pyruvat, 2 ATP, 2 NADH und 2 H+.

Gärung

Die Gärung beeinträchtigt nicht die Elektronentransportkette. Der finale Akzeptor für Protonen und Elektronen ist immer eine organische Verbindung. Es ist ein anaerober Prozess, da kein O2 beteiligt ist. Die Energieausbeute ist sehr gering, da nur 2 ATP durch Substratkettenphosphorylierung während der Glykolyse gewonnen werden. Es ist typisch für Organismen wie Hefen.

• Alkoholische Gärung: Der finale Akzeptor ist eine einfache organische Verbindung, die zu einer anderen organischen Verbindung reduziert wird. Dabei entsteht Ethanol durch das Enzym Alkoholdehydrogenase aus dem Pyruvat der Glykolyse.
• Milchsäuregärung: Der finale Akzeptor ist eine einfache organische Verbindung, die zu einer anderen organischen Verbindung reduziert wird. Dabei entsteht Milchsäure aus dem Pyruvat der Glykolyse.

Diese Prozesse sind unvollständig, da die Endprodukte immer noch energiereiche Verbindungen enthalten.

Photosysteme und Photophosphorylierung

Photosysteme sind Funktionseinheiten in der Thylakoidmembran, die für die Aufnahme von Sonnenenergie und die Freisetzung energiereicher Elektronen verantwortlich sind. Ein Photosystem besteht aus einem Antennenkomplex, einem Reaktionszentrum sowie einem Elektronendonator und -akzeptor. Der Antennenkomplex enthält Pigmente wie Chlorophyll, Xanthophylle und Carotinoide, die Licht absorbieren. Die Photophosphorylierung ist die ATP-Synthese, die durch Licht ausgelöst wird und in der Thylakoidmembran stattfindet. Es gibt zwei Arten:

• Zyklische Photophosphorylierung: Nur Photosystem I (PSI) ist beteiligt. Es findet keine Photolyse von Wasser statt, kein O2 wird freigesetzt, und es werden keine reduzierten Coenzyme (NADPH + H+) erzeugt.
• Azyklische Photophosphorylierung: Beide Photosysteme (PSI und PSII) sind beteiligt. Es kommt zur Photolyse von Wasser, Freisetzung von O2 und reduzierten Coenzymen (NADPH + H+).

Oxidative Phosphorylierung und Photophosphorylierung: Gemeinsamkeiten

Während der Dunkelphase der Photosynthese und der Zellatmung wird Energie freigesetzt, die zur ATP-Synthese genutzt wird. Die oxidative Phosphorylierung ist die ATP-Produktion in den Mitochondrien, die durch die Energie angetrieben wird, die während des Elektronentransports freigesetzt wird. ATP wird durch das Enzym ATP-Synthase synthetisiert, das mit der inneren Membran der Mitochondrien verbunden ist. Die Photophosphorylierung in den Chloroplasten ist die ATP-Produktion durch die ATP-Synthase, die mit der Thylakoidmembran verbunden ist.