Zellatmung und DNA: ATP-Produktion, Atmungsarten und Genom-Info

Zellatmung: Überblick und Prozesse

Zellatmung bezeichnet die Summe der biochemischen Reaktionen in den meisten Zellen, bei denen Brenztraubensäure (Pyruvat), die durch die Glykolyse erzeugt wird, zu Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) abgebaut wird und dabei Energie in Form von ATP freisetzt. Typischerweise werden in eukaryotischen Zellen bis zu 38 Moleküle ATP pro Glukosemolekül angegeben. Die vereinfachte Reaktionsgleichung lautet: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O.

Stufen der Zellatmung

• Glykolyse (im Cytosol): Abbau von Glukose zu Pyruvat und Gewinnung von reduziertem NADH.
• Oxidation von Pyruvat und Tricarbonsäurezyklus (Krebs-Zyklus, in den Mitochondrien): Weiterer Abbau, Freisetzung von CO₂ und Bildung von NADH/FADH₂.
• Atmungskette und oxidative Phosphorylierung (in der inneren Mitochondrienmembran): Elektronentransport auf O₂ (bei aerober Atmung) und gekoppelte ATP-Synthese aus ADP.

Arten der Zellatmung

Zellatmung kann nach der Rolle von Sauerstoff unterschieden werden:

• Aerobe Atmung: Hier wird O₂ als terminaler Elektronenakzeptor verwendet. Diese Form ist weit verbreitet und charakteristisch für zahlreiche Bakterien und eukaryotische Organismen mit Mitochondrien. Solche Organismen werden als aerob bezeichnet, da sie O₂ benötigen.
• Anaerobe Atmung: Sauerstoff ist nicht beteiligt; statt O₂ werden andere terminale Elektronenakzeptoren verwendet, die meist anorganischer Natur sind und oft als Stoffwechselprodukte anderer Organismen vorkommen. Ein Beispiel ist das Sulfat-Anion SO₄²⁻, das zu H₂S reduziert werden kann:

Anaerobe Atmung ist vor allem ein Merkmal vieler Prokaryoten, die Böden und Sedimente besiedeln; einige dieser Prozesse sind für biogeochemische Kreisläufe von großer Bedeutung. Anaerobe Atmung ist nicht mit Fermentation zu verwechseln: Bei der Fermentation wird ein internes Redox-Molekül als Elektronenakzeptor verwendet, während bei der anaeroben Atmung ein externer Akzeptor benötigt wird.

DNA: Träger der Erbinformation

Die Träger der DNA-Informationen:

1. Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist das genetische Material aller zellulären Organismen und der meisten Viren. Die DNA trägt die Information für die direkte Synthese von Proteinen und die Replikation, die für Zellteilung und Vererbung erforderlich ist.
2. In den meisten eukaryotischen Zellen ist die DNA in den Chromosomen im Zellkern organisiert.
3. Die beiden Stränge der DNA werden durch Wasserstoffbrücken zwischen den Basen zusammengehalten; daraus entstehen die Basenpaare.
4. Die Genomgröße wird üblicherweise in der Gesamtheit der Basenpaare angegeben. Beim Menschen enthält das Genom etwa 3 Milliarden Basenpaare.
5. Bei jeder Zellteilung wird das gesamte Genom verdoppelt. Im Falle des menschlichen Genoms erfolgt diese Verdopplung im Zellkern. Während der Zellteilung werden die DNA-Stränge entwirrt und die Basenpaarbindungen gelöst, sodass sich die Stränge trennen können. Jeder Strang dient als Vorlage für die Synthese eines neuen komplementären Strangs durch Anlagerung freier Nukleotide an die passenden komplementären Basen.
6. Es gibt eine strenge Basenpaarungsregel: Adenin–Thymin (A–T) und Cytosin–Guanin (C–G). Jede Tochterzelle erhält einen alten und einen neu synthetisierten Strang.
7. Ein einzelnes DNA-Molekül enthält viele Gene, die die physikalische und funktionelle Grundlage der Erblichkeit bilden.
8. Ein Gen ist eine bestimmte Sequenz von Nukleotidbasen, die die Information für den Bau von Proteinen trägt, welche strukturelle Bestandteile von Zellen und Geweben sowie Enzyme für wesentliche biochemische Reaktionen liefern.
9. Die drei Milliarden Basenpaare des menschlichen Genoms sind in 23 verschiedenen physisch getrennten Einheiten organisiert, die als Chromosomen bezeichnet werden. Alle Gene sind linear entlang der Chromosomen angeordnet.
10. Der Zellkern vieler menschlicher Zellen enthält zwei Chromosomensätze, je einen von jedem Elternteil. Ein vollständiger Satz besteht aus 23 einzelnen Chromosomen: 22 Autosomen und einem Geschlechtschromosom (X oder Y). Eine normale Frau hat zwei X-Chromosomen (XX), ein normaler Mann hat ein X- und ein Y-Chromosom (XY).
11. Chromosomen bestehen etwa zu gleichen Teilen aus Proteinen und DNA. Die chromosomale DNA enthält im Durchschnitt große Mengen an Basen; einzelne Chromosomen können zum Beispiel im Mittel hunderte Millionen Basenpaare umfassen.
12. Chromosomenfehlbildungen umfassen den Verlust oder die zusätzliche Kopie von Chromosomen, Fusionen und Translokationen, die meist mikroskopisch nachweisbar sind. So wird das Down-Syndrom (früher auch Mongolismus genannt) durch eine dritte Kopie des Chromosoms 21 erkannt (Trisomie 21).
13. Weitere Veränderungen sind so subtil, dass sie nur durch molekulare Analysen erkannt werden; diese werden als Mutationen bezeichnet. Viele Mutationen sind an Krankheiten wie zystischer Fibrose, Sichelzellanämie, einer Veranlagung für bestimmte Krebsarten und anderen schweren Erkrankungen beteiligt.
14. Jeder Mensch besitzt in seinen Chromosomen für jedes Gen ein väterliches und ein mütterliches Allel. Wenn beide Allele die gleiche Ausprägung für ein Merkmal tragen, spricht man von homozygot, bei unterschiedlicher Ausprägung von heterozygot. Ein Allel kann gegenüber dem anderen dominieren (dominant) oder nicht sichtbar sein (rezessiv).
15. Die zellulären Maschinen, die Proteine synthetisieren, übersetzen die Codes in Ketten von Aminosäuren, die die molekularen Proteine bilden. Mehr als 1.100 genetische Störungen sind mit identifizierten Mutationen assoziiert.