Stoffwechsel: Atmung vs. Photosynthese

Unterschiede: Atmung & Photosynthese

Ein Vergleich der beiden zentralen Stoffwechselprozesse:

• Ort: Zellatmung findet hauptsächlich in den Mitochondrien (in tierischen und pflanzlichen Zellen) statt. Photosynthese läuft in den Chloroplasten (in pflanzlichen Zellen und Algen) ab.
• Prozesstyp: Zellatmung ist ein kataboler (abbauender) Prozess, bei dem energiereiche Moleküle zerlegt werden. Photosynthese ist ein anaboler (aufbauender) Prozess, bei dem aus energiearmen anorganischen Stoffen energiereiche organische Stoffe aufgebaut werden.
• Edukte (Ausgangsstoffe):
  • Atmung: Glucose, Fettsäuren, Aminosäuren, Sauerstoff (O₂)
  • Photosynthese: Kohlendioxid (CO₂), Wasser (H₂O), Lichtenergie; zusätzlich anorganische Stoffe wie Nitrate und Sulfate für den Aufbau von Aminosäuren und Proteinen.
• Produkte (Endstoffe):
  • Atmung: Kohlendioxid (CO₂), Wasser (H₂O), ATP (chemische Energie)
  • Photosynthese: Glucose, Sauerstoff (O₂); daraus können weitere organische Moleküle wie Fettsäuren und Aminosäuren synthetisiert werden.
• Energieumwandlung: Bei der Atmung wird chemische Energie aus organischen Molekülen freigesetzt und in ATP gespeichert. Bei der Photosynthese wird Lichtenergie in chemische Energie (in Form von Glucose) umgewandelt.
• Phosphorylierung (ATP-Bildung): Bei der Atmung erfolgt die ATP-Bildung durch Substratkettenphosphorylierung und oxidative Phosphorylierung (Atmungskette). Bei der Photosynthese erfolgt sie durch Photophosphorylierung.
• Phasen:
  • Atmung: Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Citratzyklus (Krebs-Zyklus), Endoxidation (Atmungskette).
  • Photosynthese: Lichtabhängige Reaktionen und lichtunabhängige Reaktionen (Calvin-Zyklus).

Katabolismus (Abbauende Prozesse)

Zellatmung

Der Abbau organischer Stoffe zur Energiegewinnung.

1. Aerobe Atmung

Findet unter Anwesenheit von Sauerstoff (O₂) statt. Ausgangsstoffe wie Glucose (über Pyruvat), Fettsäuren und Aminosäuren werden vollständig zu CO₂ und Wasser oxidiert, wobei viel ATP gewonnen wird.

2. Anaerobe Atmung / Gärung (Fermentation)

Findet ohne Sauerstoff statt. Pyruvat wird zu anderen organischen Verbindungen umgesetzt. Es handelt sich um eine unvollständige Oxidation, bei der deutlich weniger Energie (ATP) gewonnen wird als bei der aeroben Atmung.

Arten der Gärung:

• A) Milchsäuregärung: Glucose wird zu Milchsäure (Lactat) abgebaut. Dies geschieht z. B. in Muskelzellen bei Sauerstoffmangel (führt zu Muskelkater) und durch Milchsäurebakterien (Lactobacillus) bei der Herstellung von Joghurt und Käse.
• B) Alkoholische Gärung: Glucose wird zu Ethanol (Alkohol) und CO₂ abgebaut. Hefen führen diesen Prozess durch, genutzt zur Herstellung von Wein, Bier und anderen alkoholischen Getränken sowie beim Backen (CO₂ lockert den Teig).
• C) Buttersäuregärung: Stärke oder Cellulose werden zu Buttersäure abgebaut, was einen unangenehmen Geruch verursacht.
• D) Fäulnis: Der anaerobe Abbau von Proteinen durch Mikroorganismen, wobei oft übelriechende Gase entstehen.

Glykolyse

Die Umwandlung eines Moleküls Glucose (C6) in zwei Moleküle Pyruvat (C3). Dieser Prozess findet im Zytoplasma statt. Der Nettogewinn beträgt 2 ATP und 2 NADH pro Molekül Glucose.

Beta-Oxidation (Fettsäureabbau / Lynen-Spirale)

Der schrittweise Abbau von Fettsäuren zu Acetyl-CoA in der mitochondrialen Matrix. Pro Durchlauf (Spirale) wird ein Acetyl-CoA-Molekül (C2) abgespalten und es entstehen NADH und FADH₂. Das Glycerin aus Fetten wird zu einer Zwischenstufe der Glykolyse umgewandelt.

Oxidative Decarboxylierung & Citratzyklus

Der Übergang von Pyruvat zu Acetyl-CoA (oxidative Decarboxylierung) findet in der mitochondrialen Matrix statt, dabei entsteht NADH und CO₂. Das Acetyl-CoA tritt dann in den Citratzyklus (auch Krebs-Zyklus genannt) ein. Pro Umlauf des Zyklus (pro Acetyl-CoA) entstehen: 3 NADH + 1 FADH₂ + 1 GTP (entspricht 1 ATP) sowie 2 Moleküle CO₂. Der Zyklus liefert auch wichtige Vorläufermoleküle für Biosynthesen (z. B. für Aminosäuren).

Atmungskette (Oxidative Phosphorylierung)

Ein Elektronentransportprozess in der inneren Mitochondrienmembran. Elektronen von den reduzierten Coenzymen (NADH und FADH₂ aus den vorherigen Schritten) werden über eine Kette von Proteinkomplexen auf den finalen Elektronenakzeptor Sauerstoff (O₂) übertragen, wobei Wasser (H₂O) entsteht. Die dabei freigesetzte Energie wird genutzt, um Protonen in den Intermembranraum zu pumpen. Der Rückfluss dieser Protonen durch die ATP-Synthase treibt die Synthese von ATP an. Pro NADH entstehen ca. 2,5 ATP, pro FADH₂ ca. 1,5 ATP.

Anabolismus (Aufbauende Prozesse)

Glukoneogenese

Die Synthese von Glucose aus Nicht-Kohlenhydrat-Vorläufern (z. B. Lactat, Glycerin, bestimmte Aminosäuren). Dies ist teilweise die Umkehrung der Glykolyse, umgeht aber deren irreversible Schritte durch andere Enzyme. Findet hauptsächlich in Leber und Nieren statt.

Glykogenese

Die Synthese von Glykogen (Speicherform der Glucose) aus Glucose-Molekülen. Findet vor allem in Leber und Muskeln statt.

Fettsäuresynthese

Der Aufbau von Fettsäuren aus Acetyl-CoA. Dieser Prozess findet im Zytoplasma statt und ist nicht einfach die Umkehrung der Beta-Oxidation, sondern nutzt einen anderen Satz von Enzymen und Reaktionen.

Aminosäuresynthese

Der Aufbau von Aminosäuren aus Vorläufermolekülen des zentralen Stoffwechsels (z. B. aus Zwischenprodukten der Glykolyse oder des Citratzyklus). Es gibt spezifische Synthesewege für jede Aminosäure.