Stoffwechsel und Aerobe Atmung: Phasen & Energiebilanz

Stoffwechsel: Grundlagen

Der Stoffwechsel umfasst alle chemischen Umwandlungen und Energieprozesse, die in lebenden Organismen auftreten. Jede dieser Transformationen erfordert die Beteiligung eines Enzyms, das das Substrat in ein Produkt umwandelt, welches wiederum in andere Reaktionen, wie z. B. die Proteinsynthese, einfließen kann.

Wichtige Akteure im Stoffwechsel

Enzyme: Biologische Katalysatoren

Enzyme sind biologische Katalysatoren, die spezifische Reaktionen beschleunigen. Wichtige Klassen sind:

• Hydrolasen
• Lyasen
• Transferasen
• Isomerasen
• Oxidoreduktasen
• Synthetasen

Vitamine

Vitamine sind wichtig für den Stoffwechsel von Biomolekülen. Sie werden unterteilt in:

• Wasserlöslich: B-Komplex und Vitamin C
• Fettlöslich: Vitamin A, D, E, K

Aerobe Atmung

Die aerobe Atmung ist ein zentraler Stoffwechselweg zur Energiegewinnung in Anwesenheit von Sauerstoff. Sie umfasst die folgenden Phasen:

Phasen der Aeroben Atmung

1. Glykolyse und Pyruvatoxidation

   In dieser Phase wird Glucose schrittweise abgebaut, zunächst zur Glykolyse im Cytoplasma, gefolgt von der Umwandlung von Pyruvat zu Acetyl-CoA in den Mitochondrien.

2. Citratzyklus (Krebs-Zyklus)

   Acetyl-CoA tritt in den Citratzyklus ein, bindet an Oxalacetat in der mitochondrialen Matrix und bildet Citrat. Nach aufeinanderfolgenden Transformationen werden die zwei Kohlenstoffatome des Acetyl-CoA vollständig zu zwei CO₂ oxidiert. Dabei wird 1 ATP direkt gebildet und 3 Moleküle NADH sowie 1 Molekül FADH₂ reduziert.

3. Atmungskette und Oxidative Phosphorylierung

   Die Moleküle NADH und FADH₂ aus dem Citratzyklus werden durch eine Kette von Elektronentransportern in den mitochondrialen Cristae oxidiert. Der letzte Akzeptor ist O₂ aus der Atmosphäre, wobei ein Molekül H₂O gebildet wird. Dabei wird eine große Menge Energie freigesetzt, die durch komplexe Prozesse des Protonenpumpens genutzt wird. Die Rückkehr der Protonen durch die ATP-Synthase ermöglicht die Synthese von ATP (oxidative Phosphorylierung).

Energiebilanz der Aeroben Atmung

Die Energiebilanz der aeroben Atmung wird pro Molekül Glucose berechnet, basierend auf den klassischen ATP-Ausbeuten (NADH = 3 ATP, FADH₂ = 2 ATP):

• Bilanz Phase 1 (Glykolyse & Pyruvatoxidation)

  2 ATP (direkt) + 2 NADH (extramit.) * 2 ATP/NADH + 2 NADH (intramit.) * 3 ATP/NADH = 2 + 4 + 6 = 12 ATP

• Bilanz Phase 2 (Citratzyklus)

  2 ATP (direkt) pro Molekül Glucose (da zwei Acetyl-CoA eintreten).

• Bilanz Phase 3 (Atmungskette & Oxidative Phosphorylierung)

  Aus den 6 NADH und 2 FADH₂ aus dem Citratzyklus: (6 * 3 ATP/NADH) + (2 * 2 ATP/FADH₂) = 18 + 4 = 22 ATP

• Gesamtbilanz

  Beim vollständigen aeroben Abbau eines Moleküls Glucose werden insgesamt 12 + 2 + 22 = 36 ATP-Moleküle gewonnen.