Zellatmung
IB 4 · Stoff- und Energiewechsel · Q-Phase
Inhaltsverzeichnis
Überblick Zellatmung
Abb. 1: Mitochondrium – Ort der Zellatmung (Cristae = Atmungskette, Matrix = Zitronensäurezyklus)
Was ist Zellatmung?
Die Zellatmung (aerobe Atmung) ist die schrittweise Oxidation von Glucose zu CO₂ und H₂O unter Freisetzung von Energie, die in Form von ATP gespeichert wird. Sie findet in Zytoplasma und Mitochondrien statt.
Zytoplasma; Glucose → 2 Brenztraubensäure; 2 ATP Nettogewinn; 2 NADH+H⁺
Mitochondrien-Matrix; Brenztraubensäure → Acetyl-CoA + CO₂; 2 NADH+H⁺
Mitochondrien-Matrix; 6 NADH+H⁺, 2 FADH₂, 2 ATP pro Glucose
Innere Mitochondrienmembran; NADH+H⁺ und FADH₂ → 34 ATP; H₂O entsteht
Glykolyse
Wo und was?
Die Glykolyse findet im Zytoplasma statt. Glucose (C6) wird in 7 Schritten in 2 Moleküle Brenztraubensäure (Pyruvat, C3) gespalten. Es werden 2 ATP investiert und 4 ATP gewonnen (Nettogewinn: 2 ATP).
Ablauf der Glykolyse
Glucose (C6) + ATP → Glucose-6-phosphat (Phosphorylierung, Energieinvestition)
Glucose-6-phosphat → Fructose-6-phosphat (Isomerisierung)
Fructose-6-phosphat + ATP → Fructose-1,6-bisphosphat (2. Phosphorylierung)
Fructose-1,6-bisphosphat → 2× Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P, C3) (Spaltung)
2× G3P + 2 NAD⁺ → 2× 1,3-Bisphosphoglycerat + 2 NADH+H⁺
2× 1,3-BPG + 2 ADP → 2× 3-Phosphoglycerat + 2 ATP (Substratkettenphosphorylierung)
Weitere Schritte → 2× Brenztraubensäure + 2 ATP (Substratkettenphosphorylierung)
Oxidative Decarboxylierung
Übergang zum Zitronensäurezyklus
Die oxidative Decarboxylierung findet in der Mitochondrien-Matrix statt. Brenztraubensäure (C3) wird zu Acetyl-CoA (C2) umgewandelt, wobei CO₂ abgespalten und NAD⁺ zu NADH+H⁺ reduziert wird.
Ablauf (pro Brenztraubensäure)
Brenztraubensäure diffundiert aus dem Zytoplasma in die Mitochondrien-Matrix
Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex: Brenztraubensäure (C3) → Acetyl-CoA (C2) + CO₂
Dabei wird NAD⁺ zu NADH+H⁺ reduziert
CO₂ wird als Abfallprodukt über die Lunge ausgeatmet
Zitronensäurezyklus (Krebs-Zyklus)
Wo und was?
Der Zitronensäurezyklus findet in der Mitochondrien-Matrix statt. Acetyl-CoA (C2) wird vollständig zu CO₂ oxidiert. Pro Zyklus entstehen 3 NADH+H⁺, 1 FADH₂ und 1 ATP. Da 2 Acetyl-CoA pro Glucose entstehen, läuft der Zyklus 2× ab.
Ablauf des Zitronensäurezyklus
Acetyl-CoA (C2) + Oxalessigsäure (C4) → Zitronensäure (C6) (Kondensation)
Zitronensäure (C6) → α-Ketoglutarsäure (C5) + CO₂ + NADH+H⁺
α-Ketoglutarsäure (C5) → Bernsteinsäure-CoA (C4) + CO₂ + NADH+H⁺
Bernsteinsäure-CoA → Bernsteinsäure + ATP (Substratkettenphosphorylierung)
Bernsteinsäure → Fumarsäure + FADH₂ (FAD⁺ wird zu FADH₂ reduziert)
Fumarsäure → Äpfelsäure → Oxalessigsäure + NADH+H⁺ (Zyklus beginnt neu)
Atmungskette & oxidative Phosphorylierung
Wo und was?
Die Atmungskette findet in der inneren Mitochondrienmembran statt. NADH+H⁺ und FADH₂ geben ihre Elektronen ab. Diese wandern über Proteinkomplexe zur Sauerstoff. Dabei werden H⁺-Ionen in den Intermembranraum gepumpt → Protonengradient → ATP-Synthase → ATP.
Ablauf der Atmungskette
NADH+H⁺ gibt Elektronen an Komplex I (NADH-Dehydrogenase) ab → NAD⁺ entsteht; H⁺ werden in Intermembranraum gepumpt
FADH₂ gibt Elektronen an Komplex II (Succinat-Dehydrogenase) ab → FAD⁺ entsteht (kein H⁺-Pumpen)
Elektronen wandern über Ubichinon (Q) zu Komplex III → weitere H⁺ werden gepumpt
Elektronen wandern über Cytochrom c zu Komplex IV → weitere H⁺ werden gepumpt
Komplex IV: Elektronen + H⁺ + O₂ → H₂O (Atemsauerstoff wird verbraucht)
Protonengradient: hohe H⁺-Konzentration im Intermembranraum, niedrig in Matrix
ATP-Synthase (Komplex V): H⁺ strömen zurück in Matrix → Rotationsmotor → ATP-Synthese
Mitochondrium-Aufbau (Relevanz für Atmungskette)
- Ort der Atmungskette
- Enthält Enzymkomplexe I–V
- Stark gefaltet (Cristae) → große Oberfläche
- Undurchlässig für H⁺ (außer durch ATP-Synthase)
- Zwischen Innen- und Außenmembran
- H⁺-Ionen werden hier angereichert
- Wässrig, leicht saure Lösung
- Protonengradient treibt ATP-Synthese an
Anaerobe Atmung & Gärung
Wenn kein Sauerstoff vorhanden ist
Ohne Sauerstoff kann die Atmungskette nicht ablaufen. NADH+H⁺ muss trotzdem wieder zu NAD⁺ regeneriert werden, damit die Glykolyse weiterlaufen kann. Dies geschieht durch Gärung.
Milchsäuregärung vs. Alkoholgärung
- Pyruvat + NADH+H⁺ → Milchsäure + NAD⁺
- In Muskelzellen bei Sauerstoffmangel
- Auch in Milchsäurebakterien (Joghurt, Käse)
- Nur 2 ATP pro Glucose (Glykolyse)
- Pyruvat → Acetaldehyd + CO₂ → Ethanol + NADH+H⁺ → NAD⁺
- In Hefen und manchen Pflanzen
- Basis für Bier, Wein, Brot
- Nur 2 ATP pro Glucose (Glykolyse)