Zellatmung einfach erklärt: ATP-Synthese & Gärungsprozesse

Zellatmung: Energieproduktion und Gärungsprozesse

Unter der Zellatmung versteht man den Abbau von Kohlenhydraten, beginnend mit Glucose. Dabei wird Energie frei, die in Form von ATP gebunden werden kann.

1. Die Glykolyse

• In den ersten Schritten der Glykolyse werden zwei ATP verbraucht.
• Nur eines dieser Moleküle kann direkt weiterverarbeitet werden; das andere muss sich erst umformen, bevor es ebenfalls weiterverarbeitet wird.
• In der zweiten Hälfte der Glykolyse werden vier ATP und zwei NADH+H⁺ gewonnen (je zwei ATP und ein NADH+H⁺ pro C₃-Körper).
• Da in der ersten Hälfte der Glykolyse jedoch zwei ATP verbraucht wurden, entstehen netto bei der Glykolyse nur zwei ATP und zwei NADH+H⁺.
• Insgesamt entstehen pro Glucosemolekül zwei Moleküle Pyruvat, zwei ATP und zwei NADH+H⁺.

2. Die oxidative Decarboxylierung

• Pyruvat tritt mithilfe eines Transportproteins in das Mitochondrium ein.
• An einem Multienzymkomplex wird nun vom Pyruvat CO₂ abgespalten.
• Zwei Elektronen werden abgegeben und mit zwei Protonen auf NAD⁺ übertragen; es entsteht NADH+H⁺.
• Das restliche Molekül wird nun an Coenzym A gebunden, wobei Acetyl-CoA (aktivierte Essigsäure) entsteht.
• Da aus der Glucose zwei Pyruvat-Moleküle entstanden sind, müssen alle Zahlen verdoppelt werden: zwei CO₂, zwei NADH+H⁺ und zwei Acetyl-CoA.

3. Der Citratzyklus

• Die aktivierte Essigsäure (Acetyl-CoA) ist ein C₂-Körper. Sie tritt in den Citratzyklus ein, indem sie sich mit dem C₄-Körper Oxalacetat (Oxalessigsäure) verbindet.
• Es entsteht der C₆-Körper Zitronensäure (C₂ + C₄ = C₆).
• Die Zitronensäure (Citrat) formt sich zu Isocitrat um.
• Nun werden zweimal CO₂ abgespalten und NADH+H⁺ gebildet.
• Anschließend wird ein ATP gewonnen und ein FADH₂ gebildet.
• Zum Schluss wird noch einmal NADH+H⁺ gebildet. Hierbei entsteht wieder der C₄-Körper Oxalacetat.
• Oxalacetat kann wieder aktivierte Essigsäure binden, wodurch sich der Zyklus schließt.
• Pro Durchlauf des Citratzyklus werden zwei CO₂, drei NADH+H⁺, ein FADH₂ und ein ATP gebildet.
• Diese Zahlen müssen verdoppelt werden, da sie sich auf das ursprüngliche Glucosemolekül beziehen. Im Citratzyklus entstehen somit: vier CO₂, sechs NADH+H⁺, zwei FADH₂ und zwei ATP.
• Rechnet man die oxidative Decarboxylierung und den Citratzyklus zusammen, ergeben sich: sechs CO₂, acht NADH+H⁺, zwei FADH₂ und zwei ATP.

4. Die Atmungskette

• In der Atmungskette werden die Redoxäquivalente NADH+H⁺ und FADH₂ genutzt, um Energieäquivalente (ATP) zu bilden.
• Dazu geben die Redoxäquivalente ihre Elektronen an Multienzymkomplexe in der inneren Mitochondrienmembran ab.
• Die Protonen der Redoxäquivalente werden zunächst in die Matrix abgegeben.
• Die Elektronen werden innerhalb der inneren Mitochondrienmembran von einem Molekül zum nächsten weitergegeben. Es handelt sich um eine Kette von Redoxsystemen (vier große Multienzymkomplexe und zwei kleinere Moleküle sind daran beteiligt).
• Bei der Weitergabe der Elektronen wird Energie frei. Diese kann genutzt werden, um an mehreren Stellen Protonen (H⁺) auf die andere Seite der inneren Membran zu transportieren: von der Matrix des Mitochondriums in den Intermembranraum (zwischen Außenmembran und Innenmembran).
• Durch den Transport der Protonen in den Intermembranraum entsteht ein sehr großer Konzentrationsunterschied. In diesem Konzentrationsgefälle steckt viel Energie.
• Bestimmte Enzyme, die ATP-Synthasen, besitzen einen Kanal für Protonen. Sie lassen die Protonen aus dem Intermembranraum zurück in die Matrix diffundieren. Mit der dabei frei werdenden Energie bilden sie ATP.
• Aus den Protonen entsteht zusammen mit Sauerstoff Wasser.
• Die beiden Elektronen von NADH+H⁺ werden bereits am Anfang an den ersten Multienzymkomplex eingeschleust. Durch sie können zweimal drei Protonen in den Intermembranraum transportiert werden. Dies führt zur Bildung von drei ATP durch die ATP-Synthase.
• Die beiden Elektronen von FADH₂ sorgen jeweils nur für den Transport von zwei Protonen auf die andere Seite, was zur Bildung von zwei ATP führt.

Zusammenfassung der Zellatmung

• Das Kohlenstoffgerüst des Zuckers (Glucose besteht unter anderem aus sechs C-Atomen) wird abgebaut: (Glykolyse: C₆ → C₃; oxidative Decarboxylierung: C₃ → C₂; Citratzyklus: C₂ → C₁).
• Wasserstoffatome werden zusammen mit Elektronen zunächst auf Reduktionsäquivalente übertragen.
• Die Reduktionsäquivalente werden genutzt, um in der Atmungskette Protonen (H⁺) in den Intermembranraum zu transportieren.
• Es entsteht ein Konzentrationsunterschied von Protonen an der inneren Mitochondrienmembran.
• Wenn ATP-Synthasen die Protonen in die Matrix zurückdiffundieren lassen, können sie dabei ATP bilden.

Gärung: Energieproduktion ohne Sauerstoff

Wenn in der Umgebung nicht genug Sauerstoff vorhanden ist, kann der letzte Schritt der Zellatmung, die Atmungskette, nicht stattfinden. Es fehlt der Sauerstoff, auf den am Ende der Atmungskette die Elektronen übertragen werden können.

Wenn die Atmungskette ohne Sauerstoff nicht mehr funktioniert, können die Reduktionsäquivalente aus dem Citratzyklus und der Glykolyse nicht mehr verbraucht werden. Es häufen sich also NADH+H⁺ und FADH₂ an. Infolgedessen kann auch der Citratzyklus nicht mehr stattfinden, da Isocitrat nicht weiter abgebaut werden kann.

Der Organismus benötigt eine Alternative, um weiterhin Energie gewinnen zu können. Diese Alternative ist die Gärung, die in die alkoholische Gärung und die Milchsäuregärung unterteilt wird.

Bei der Gärung findet zunächst die Glykolyse statt. Dabei werden netto zwei ATP gebildet. Das Endprodukt der Glykolyse ist Pyruvat.

Alkoholische Gärung

• Bei der alkoholischen Gärung wird vom Pyruvat zunächst ein CO₂ abgespalten und Ethanal gebildet.
• Ethanal wird mithilfe von NADH+H⁺ in Ethanol umgewandelt.
• Dabei wird NAD⁺ gebildet, das anschließend wieder für die Glykolyse verwendet werden kann.
• Der einzige Energiegewinn der alkoholischen Gärung ist somit das ATP, das in der Glykolyse gebildet wird.

Milchsäuregärung

• Bei der Milchsäuregärung wird das Pyruvat mithilfe von NADH+H⁺ zu Lactat umgewandelt.
• Auch hier wird wieder NAD⁺ gebildet, das anschließend für die Glykolyse verwendet werden kann.
• Somit ist auch hier das ATP der Glykolyse der einzige Energiegewinn.