Zellatmung – wie erhalten unsere Zellen Sauerstoff?

Wir haben uns auf unserer Website bereits mehrfach mit Themen des Zellstoffwechsels beschäftigt. Heute wollen wir uns mit einem davon befassen, nämlich der aeroben Zellatmung. In früheren Artikeln haben wir uns auf einige ihrer Phasen konzentriert, wie den Krebs-Zyklus oder die Glykolyse. Es ist also an der Zeit, das bisher erworbene Wissen zu bündeln und zusammenzufassen. Wir laden Sie ein, weiterzulesen.

Was ist Zellatmung?

Die Zellatmung ist der grundlegende und wichtigste Prozess in einer Zelle. Durch sie erhält die Zelle die Energie, die sie braucht, um richtig zu funktionieren.

Während dieses Prozesses wird der Zelle Sauerstoff zugeführt, ebenso wie Glukose, die aus der Nahrungsaufnahme stammt. Gleichzeitig werden Kohlendioxid und Wasser ausgeschieden, die als Produkte der Reaktion entstehen.

Im heutigen Artikel werden wir uns hauptsächlich mit der aeroben Atmung befassen, aber es sei daran erinnert, dass auch anaerobe Organismen nach dem Abbau der Nahrung in einem Prozess, der als Gärung bezeichnet wird, Energie gewinnen.

Was sind die Phasen der Zellatmung?

Wir können zwischen den vier wichtigsten Phasen der aeroben Zellatmung unterscheiden. Der Krebszyklus und die Glykolyse wurden bereits in früheren Artikeln behandelt, so dass wir diese Prozesse diesmal nur kurz in Erinnerung rufen werden. Stattdessen werden wir zwei Vorgänge genauer beschreiben, die in unseren Arbeiten bisher nicht vorkamen: die Brückenreaktion und die Atmungskette.

Dabei unterscheiden wir zwischen den folgenden Stufen:

1. Glykolyse.
2. Pyruvat-Decarboxylierung.
3. Krebszyklus.
4. Atmungskette

Glykolyse:

Hierbei handelt es sich um einen Prozess, der vollständig im Zytosol der Zelle abläuft und bei dem ein Molekül Glukose in zwei Moleküle Pyruvat umgewandelt wird. Darüber hinaus werden vier ATP-Moleküle synthetisiert, von denen zwei bereits in den ersten Phasen der Glykolyse verbraucht werden.

Man kann die Glykolyse auch als ein Beispiel für die Substratphosphorylierung bezeichnen, da das bei diesem Prozess gewonnene Pyruvat anschließend in das Innere des Mitochondriums transportiert wird.

Dort findet die nächste Stufe der Zellatmung statt, auf die wir gleich näher eingehen werden.

Pyruvat-Decarboxylierung:

Die Pyruvat-Decarboxylierung hat auch einen anderen Namen – oxidative Decarboxylierung von Pyruvat. Bei diesem Prozess wird Acetyl-CoA gebildet, das für die nachfolgenden Prozesse der Zellatmung benötigt wird. Diese Art von Reaktion wird durch den multi-enzymatischen Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex PDHC katalysiert.

Die Pyruvat-Decarboxylierung findet in der Mitochondrienmatrix statt. Die einzelnen Schritte sind im Folgenden aufgeführt:

1. Pyruvat wird zu einem Hydroxyethylderivat decarboxyliert, das an das aktive Kohlenstoffatom von Thiaminpyrophosphat, dem Pyruvat-Decarboxylase-Konesym, gebunden wird.
2. Das Hydroxyethylderivat wird durch Übertragung in die Disulfidform der Liponsäure oxidiert. Diese Säure ist kovalent an die Dihydrolipoat-Acetyltransferase gebunden.
3. Die an die Seitenkette der Liponsäure gebundene Acetylgruppe wird auf CoA übertragen.
4. Die Sulfhydrylform der Liponsäure wird durch die Dihydrolipoatdehydrogenase oxidiert. Die Rekonstitution der oxidierten Form der Liponsäure findet statt.
5. FADH2 wird zu FAD oxidiert und NAD+ wird zu NADH + H+ oxidiert.

Krebs-Zyklus:

Der Krebs-Zyklus ist eine Reihe von Umwandlungen, bei denen Kohlendioxid und ein Wasserstoffatom entstehen. Diese beiden Produkte werden dann mit Hilfe von NADH+ und FADH2 in die nächste Stufe der Zellatmung überführt. Der gesamte oben beschriebene Prozess findet in der Mitochondrienmatrix statt.

Atmungskette:

Die Atmungskette kann in zwei Phasen unterteilt werden: die Elektronentransportkette und die Chemiosmose.

1. NADH+ und FADH2 übertragen die durch die Glykolyse und den Krebszyklus erzeugten energiereichen Elektronen an die Elektronentransportkette. Diese ist in die innere Mitochondrienmembran eingebettet.
2. Die Transporter, aus denen die Atmungskette besteht, sind in vier Komplexen zusammengefasst. Zwei davon sind mobil und übertragen Elektronen zwischen den großen Komplexen. Während die Komplexe Elektronen aufnehmen, werden Protonen aus der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum gepumpt.
3. Bei der Chemiosmose fließen die Protonen über die ATP-Synthase ihren Gradienten hinunter. Die ATP-Synthase nutzt die aus dem Membrangradienten der Wasserstoffionen gewonnene Energie. Das Ergebnis ist die Phosphorylierung von ADP und die Bildung von ATP.

Energiegewinntabelle der Zellatmung:

Quellen

1. https://www.britannica.com/science/cellular-respiration
2. https://www.osmosis.org/answers/cellular-respiration
3. https://education.nationalgeographic.org/resource/cellular-respiration-infographic/
4. Urry, L. A., Cain, M. L. 1., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., Reece, J. B., & Campbell, N. A. (2017). Campbell biology. Eleventh edition. New York, NY, Pearson Education, Inc.
5. MLA. Harvey, Richard A., Ph. D. Lippincott’s Illustrated Reviews: Biochemistry. Philadelphia: Wolters Kluwer Health, 2011