Die Zellatmung: Energiegewinnung in Zellen und Pflanzen

Grundlagen der Zellatmung

Lebewesen benötigen einen konstanten Energiefluss, den die Zellen in Form von chemischer Energie nutzen. Die Zellatmung ist der Prozess, der von den meisten tierischen und pflanzlichen Zellen verwendet wird. Dabei handelt es sich um den Abbau von Biomolekülen (Glukose, Fette, Proteine), um die notwendige Energie freizusetzen, damit der Organismus seine lebenswichtigen Funktionen erfüllen kann.

Der Prozess der Glykolyse und ATP-Gewinnung

Beim Abbau von Glukose (Glykolyse) wird Brenztraubensäure gebildet. Diese Säure wird in Kohlendioxid und Wasser gespalten, wobei 36 ATP-Moleküle entstehen. Die Zellatmung ist ein Teil des Stoffwechsels – genauer gesagt des Katabolismus –, bei dem die Energie verschiedener Biomoleküle kontrolliert freigesetzt wird.

Während der Atmung wird ein Teil dieser Energie zur Synthese (Produktion) von ATP verwendet, welches wiederum für die Erhaltung und Entwicklung des Körpers (Anabolismus) genutzt wird. Die Zellatmung ist ein Prozess, bei dem Zellen Nährstoffe aus der Nahrung oxidieren, um Energie freizusetzen. Infolgedessen wird der Kohlenstoff in diesen Nährstoffen oxidiert, das heißt, er wird als Kohlendioxid durch die Atmung an die Atmosphäre abgegeben.

Aerobe Atmung und Gasaustausch

Für den vollständigen Ablauf der Zellatmung ist die Anwesenheit von Sauerstoff entscheidend (aerobe Atmung). Tiere nehmen diesen durch spezialisierte Organe (Lungen, Kiemen) aus der Atmosphäre auf. Pflanzen nutzen hierfür ein System namens Spaltöffnungen in den Blättern, welches später genauer erklärt wird.

Verhältnis von Atmung und Photosynthese

Die Atmung findet über 24 Stunden hinweg statt. Die Menge an Sauerstoff, die Pflanzen als Folge der Atmung aus der Atmosphäre aufnehmen, ist geringer als die Menge, die bei der Photosynthese abgegeben wird. Auch das freigesetzte Kohlendioxid ist weniger als die resorbierte Menge. Nachts, wenn die Pflanzen keine Photosynthese betreiben, kehrt sich dieses Verhältnis um.

Während die Photosynthese der Pflanzen Kohlenhydrate produziert, die für die Zellatmung notwendig sind, bietet die Atmung den Prozess, bei dem der Energieinhalt dieser Kohlenhydrate kontrolliert freigesetzt wird. In der aeroben Atmung umfasst der Glukoseabbau eine Reihe von Reaktionen. Die allgemeine chemische Gleichung kann durch die folgende Formel dargestellt werden, welche das Gegenteil der Photosynthese beschreibt:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + ATP

Ort der Zellatmung: Die Mitochondrien

Die Zellatmung erfolgt innerhalb der Mitochondrien, kleiner Organellen im Zytoplasma eukaryotischer Zellen. Diese Strukturen, die länglich und flach geformt sind, verarbeiten Sauerstoff sowie Kohlenhydrate, Fettsäuren und Proteine aus der Nahrung und wandeln sie in Energie um.

Typen der Zellatmung

Die Zellatmung kann in zwei Typen unterteilt werden, abhängig von der Gegenwart von Sauerstoff:

• Aerobe Atmung: Nutzt O₂ als Akzeptor von Elektronen, die aus organischen Stoffen gewonnen werden. Es ist die am weitesten verbreitete Form der Atmung, charakteristisch für eine Gruppe von Bakterien und für Eukaryonten. Organismen, die Sauerstoff benötigen, werden als Aerobier bezeichnet.
• Anaerobe Atmung: Sauerstoff ist nicht beteiligt; stattdessen werden andere terminale Elektronenakzeptoren genutzt, in der Regel Mineralstoffe. Die anaerobe Atmung ist charakteristisch für einige Prokaryoten, die allgemein in Böden und Sedimenten leben, und ist von großer Bedeutung in biogeochemischen Kreisläufen. Organismen, die keinen Sauerstoff benötigen, werden Anaerobier genannt.

Die Funktion der Spaltöffnungen bei Pflanzen

Wie oben erwähnt, erfolgt bei Pflanzen der Austausch der Gase durch die Spaltöffnungen (griechisch: Stoma = Mund). Diese bestehen aus zwei großen Schließzellen, die von Nebenzellen umgeben sind und kleine Poren in den Blättern bilden. Sie befinden sich auf beiden Blattseiten, wobei es insgesamt mehr Spaltöffnungen auf der Blattunterseite gibt.

Die Trennung zwischen den beiden Zellen reguliert die Gesamtgröße der Poren. Durch die Spaltöffnungen findet der Gasaustausch mit der Umwelt statt. Sauerstoff und Kohlendioxid werden mit der Atmosphäre ausgetauscht, sodass Pflanzen die Prozesse der Photosynthese und Atmung durchführen können. Jedoch verursacht die Öffnung auch den Verlust von Wasser in Dampfform durch einen Mechanismus namens Transpiration. Daher wird das Öffnen und Schließen der Spaltöffnungen sorgfältig durch Umweltfaktoren wie Licht, die Konzentration von Kohlendioxid und die Verfügbarkeit von Wasser reguliert. Die Spaltöffnungen öffnen sich, wenn die Lichtintensität zunimmt, und schließen sich, wenn sie abnimmt.