Der zelluläre Stoffwechsel: Mitochondrien, ATP und Atmung

Der zelluläre Stoffwechsel und die Rolle der Mitochondrien

Der zelluläre Stoffwechsel lässt sich verstehen, indem man Mitochondrien als die „zentralen Kraftwerke“ der Zellen betrachtet. Dort werden einige Moleküle wie Glucose oxidiert, aufgebrochen und in kleinere Stücke zerlegt. Im Zusammenspiel spalten sich Wasserstoffatome ab, wodurch Elektronen freigesetzt werden, die oft von Protonen begleitet werden (ein Proton + ein Elektronen = ein Wasserstoffatom). Diese Wasserstoffatome verbinden sich mit Sauerstoff und bilden in ihrer Form Wassermoleküle.

Oxidations- und Reduktionsreaktionen

Bei den chemischen Reaktionen handelt es sich nicht um einfache Transformationen, sondern um Energieübertragungen: Hier wird die Energie aus den Bindungen einer Substanz auf andere Moleküle übertragen. Dabei werden viele Elektronen auf andere Atome oder Moleküle übertragen – dieser Prozess wird als Oxidation bezeichnet. Der Verlust von Elektronen wird wie eine Oxidation verstanden (wenn ein Atom oder Molekül rostet, verliert es Elektronen). Da Sauerstoff stark Elektronen anzieht, fungiert er als der „Elektronenakzeptor“. Der Gewinn von Elektronen wird als Reduktion bezeichnet. Diese Reaktionen sind als Oxidations-Reduktions-Reaktionen oder kurz als Redoxreaktionen bekannt, bei denen ein Elektron oft von einem Proton (einem Wasserstoffatom) begleitet wird. In einigen Fällen umfasst die Oxidation somit den Verlust von Wasserstoffatomen (nicht nur von Elektronen) und die Reduktion den Gewinn von Wasserstoffatomen.

Daher besteht die Hauptfunktion der Mitochondrien darin, diese Reaktion durchzuführen:
Nährsubstanzen + O₂ → CO₂ + H₂O + Energie (ATP)

Dieses Zusammenspiel wird als oxidative Phosphorylierung bezeichnet. Für diesen Prozess werden ADP, P und O₂ benötigt, was zur Produktion von H₂O, CO₂ und ATP (Adenin + Ribose + 3 Phosphate) führt. Das ATP-Molekül ist extrem energiereich im Inneren der Mitochondrien synthetisiert, weshalb die im ATP gespeicherte Energie für Prozesse verwendet wird, die von der Zelle benötigte Energie bereitstellen. Um Energie freizusetzen, zerfällt ATP in ADP und Phosphat.

Da Zellen große Mengen an Energie benötigen (z. B. Spermatozoen), enthalten sie entsprechend viele Mitochondrien. In einigen Zellen wandern die Mitochondrien gezielt dorthin, wo Energie benötigt wird. Da sie dort unter Verbrauch von O₂ Substanzen zu CO₂ abbauen, gelten die Mitochondrien als verantwortlich für die zelluläre Atmung. Da dieses Zusammenspiel viele Schritte beinhaltet, wird jeder einzelne von einem spezifischen Enzym reguliert.

Zusammenfassend kann man sagen, dass die Mitochondrien Energie-Transduktions-Organellen sind. Die Energie der Nahrung ist in chemischen Bindungen gespeichert. Diese Energie wird schrittweise durch Abbauprozesse freigesetzt, die in den Zellen ablaufen. Die Energie wird nicht plötzlich in einer Form freigesetzt, sondern schrittweise, genau dort und dann, wenn sie benötigt wird. Das gemeinsame Bindeglied dieser Prozesse, die Energie erfordern, ist das Molekül ATP.

Der zelluläre Stoffwechsel im Überblick

Alle Zellen benötigen Energie für ihre Funktionen. Die Nahrung ist die Quelle und Energie, um neue Strukturen aufzubauen. Durch die Verdauung werden große Nahrungs-Makromoleküle in immer kleinere Stücke zerlegt. Diese abgebauten Stoffe werden zu den Zellen transportiert, wo die Energie gewonnen wird (das eigentliche Ziel der Ernährung). Infolgedessen laufen im Körper zahlreiche Reaktionen ab, die als Stoffwechsel (Metabolismus) bezeichnet werden.

Katabolismus und Anabolismus

Der Stoffwechsel umfasst alle Reaktionen zur Gewinnung von Substanzen, bereits verdauten Stoffen, Energie und Bausteinen.
Der Prozess des Abbaus großer Makromoleküle in viel kleinere wird als Katabolismus bezeichnet. Demgegenüber steht der Prozess der Synthese und des Aufbaus unter Einsatz von biologischer Energie, der als Anabolismus bekannt ist.

• Katabolismus: Abbau (unter Freisetzung von Energie)
• Stoffwechsel
• Anabolismus: Synthese (unter Verbrauch von Energie)

Der Katabolismus liefert die Energie, die die Zelle für die Synthese oder Herstellung neuer Verbindungen (Anabolismus) nutzt. Das gemeinsame Bindeglied dieser Prozesse ist das ATP-Molekül.
Doch was passiert mit der Energie, die bei den Reaktionen erzeugt wird und nicht für die Prozesse verbraucht wird? Ein Teil davon wird als Wärme abgegeben. Tatsächlich werden etwa 50 % der in der Zelle eingeschlossenen Energie durch dieses „Energie-Auffang-Mechanismus“ genutzt. Dieser Mechanismus wird durch die reversible Umwandlung des Moleküls ATP in ADP und umgekehrt dargestellt.

ATP speichert Energie in seinen Bindungen, um sie später zu verwenden. Um Energie freizusetzen, zerfällt ATP in ADP + P. ADP kann sich jedoch weiter in AMP + P aufspalten und ebenfalls Energie liefern. Bekanntermaßen treten solche Prozesse beim Anabolismus auf.

Daher ist ATP das Molekül, das Katabolismus und Anabolismus miteinander verknüpft. Der Katabolismus speichert Energie als ATP, welches dann den Anabolismus antreibt. ATP hat somit eine doppelte Funktion: Einerseits speichert es Energie und andererseits gibt es diese dort ab, wo sie benötigt wird.

Zellen speichern in der Regel kein ATP in großen Mengen. Es wird kontinuierlich abgebaut und wieder aufgebaut, sodass an einem Tag eine Menge synthetisiert und abgebaut wird, die dem eigenen Körpergewicht entspricht.

Abbau und Zellatmung

Der Abbau umfasst alle Reaktionen, bei denen Nahrungsmoleküle in kleinere Teile zerlegt und Energie freigesetzt wird. In den meisten Fällen findet der Abbau in den Mitochondrien statt, die Enzyme enthalten, welche diesen Bruch erleichtern. Dieser Abbau erfolgt schrittweise, um Zellschäden zu vermeiden. Beispielsweise erfordert der Glucoseabbau etwa 30 aufeinanderfolgende Schritte, bei denen jeweils spezifische Enzyme wirken.
Nährsubstanz + O₂ → CO₂ + H₂O + Energie (ATP)

Zellatmung

Die Reaktionen der Zellatmung sind Oxidationsprozesse. Die chemische Energie der Nahrung wird in nutzbare Energie für die Zelle umgewandelt. Diese Oxidation organischer Moleküle ist die Hauptquelle, aus der Zellen Energie gewinnen. Dies kann auf zwei Arten geschehen:

• Aerobe Atmung: Die Moleküle werden vollständig abgebaut. Das organische Ausgangsmolekül wird zu anorganischen Molekülen abgebaut. Die Atmung erfolgt unter Beteiligung von Sauerstoff, wobei mehr Energie freigesetzt wird als bei der anaeroben Atmung.
• Anaerobe Atmung: Energie wird ohne Beteiligung von Sauerstoff gewonnen. Der vollständige Abbau findet nicht statt, es entstehen Zwischenprodukte. Man kann zwei Subtypen unterscheiden: die eigentliche anaerobe Atmung und die Gärung. Dies kommt bei anaeroben Organismen sowie bei einigen Einzellern vor.

Reaktionsübersichten:

• Aerobe Atmung: Glucose + O₂ → CO₂ + H₂O + Energie
• Anaerobe Atmung / Gärung: Glucose → CO₂ + Ethylalkohol + Energie
• Anaerobe Atmung: Glucose → CO₂ + Milchsäure + Energie

Die Meisten liefern Energie über Kohlenhydrate. In den Mitochondrien werden Kohlenhydrate enzymatisch abgebaut, um die Energie für die ATP-Synthese zu liefern. Der Glucosekatabolismus ist für Wirbeltiere fundamental. Die Gesamtbilanz des Abbaus lautet:
C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + Energie

Dabei werden ca. 686 kcal pro Mol Glucose gewonnen. Bei der Oxidation von Glucose geben die Atome Elektronen ab, die vom Sauerstoff aufgenommen werden; dies liefert Wasser und die Energie zur Synthese von viel ATP. Dabei lassen sich drei Phasen unterscheiden: Glykolyse, Citratzyklus (Krebs-Zyklus) und oxidative Phosphorylierung. Während Glykolyse und Citratzyklus Kohlenstoffatome abspalten, um CO₂ zu bilden, dient die oxidative Phosphorylierung dazu, Elektronen auf Sauerstoff zu übertragen, um Wasser zu bilden und ATP zu synthetisieren.

Bekanntermaßen findet die Glykolyse im Zytoplasma statt, während die Zellatmung in den Mitochondrien abläuft.

Glykolyse

Die Glykolyse ist eine Reihe von Reaktionen, bei denen ein Glucose-Molekül in zwei Brenztraubensäure-Moleküle (C₃H₄O₃) umgewandelt wird.
C₆H₁₂O₆ → 2 CH₃-CO-COOH

Dies findet immer im Zytoplasma und unter anaeroben Bedingungen (ohne Sauerstoff) statt und ist für alle Zellen universell. Bei der Glykolyse werden zwei ATP-Moleküle gebildet. Der Prozess umfasst etwa 9 Schritte, bei denen jeweils spezifische Enzyme beteiligt sind.

Von der Brenztraubensäure aus kann die Glykolyse einen aeroben oder anaeroben Weg einschlagen. Der aerobe Weg umfasst den Citratzyklus und die oxidative Phosphorylierung.

In Gegenwart von Sauerstoff durchdringt die Brenztraubensäure die mitochondriale Membran und wird im Inneren der Mitochondrien in schrittweisen Reaktionen vollständig abgebaut. Dies geschieht in zwei Schritten: dem Citratzyklus (auch Krebs-Zyklus genannt), der im Inneren der Mitochondrien unter Beteiligung spezifischer Enzyme abläuft, gefolgt von der oxidativen Phosphorylierung.
2 CH₃-CO-COOH → 6CO₂ + 6H₂O + Energie (bis zu 38 ATP)

Der Citratzyklus (Krebs-Zyklus)

Im Citratzyklus wird das Molekül der Brenztraubensäure oxidiert und verliert Kohlenstoff, wodurch es sich in Essigsäure (mit 2 Kohlenstoffatomen) umwandelt.
Beim Eintritt in den Krebs-Zyklus verbindet sich die Essigsäure (2C) mit Oxalessigsäure (4C) und bildet Citronensäure (6C). Im weiteren Verlauf werden Kohlenstoffatome abgespalten (zuerst entsteht eine Verbindung mit 5C, dann mit 4C), bis schließlich wieder Oxalessigsäure (4C) entsteht und der Zyklus von vorn beginnt.