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Elektronenschaukel

Die beiden Coenzyme NAD + und FAD übertragen Elektronen aus den Wasserstoffatomen der Glucose auf die Elektronentransportkette zur Energiegewinnung. Dieses Auf- und Abladen der Elektronen wird als Elektronenschaukel bezeichnet.

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Die Atmungskette ist die zentrale Reaktionskette der Zellatmung. Innerhalb ihrer Reaktionen wird die Hauptmenge an ATP (Energie) für die Zelle gebildet. Ihre Reaktionen finden bei Eukaryoten an der inneren Mitochondrienmembran statt. Im Verlauf der Atmungskette werden Elektronen von NADH auf Sauerstoff übertragen, der mit zwei Protonen ( H + ) zu Wasser reduziert. Die direkte Oxidation von Wasserstoff (Knallgasreaktion) verläuft explosionsartig und ist deshalb als zelluläre Energiequelle ungeeignet. Durch die Atmungskette wird diese Reaktion in zahlreiche Einzelschritte zerlegt, wodurch die in kleineren Mengen frei werdende Energie in für die Zelle kontrollierbaren Portionen anfällt. Die Überführung der Energie in ATP macht sie für die Zelle verwertbar.

Ausgangssubstrat, das bei vielen Reaktionen des Zellstoffwechsels anfällt und als gebundener Wasserstoff aufzufassen ist, ist NADH. Die auf verschiedenen Wegen in die Atmungskette gelangenden Elektronen werden nun von NADH schrittweise auf Sauerstoff ( O 2 ) übertragen. Charakteristisch für die ablaufende Kaskade von Redoxreaktionen ist der ständige Wechsel zwischen oxidierter und reduzierter Form der einzelnen Komponenten.

NAD + ist das Coenzym des Enzyms Dehydrogenase. Sein chemischer Name ist Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid. Aufgebaut ist es aus zwei verbundenen Nucleotiden.
Dieses Molekül arbeitet als Elektronenschaukel. Es nimmt zwei enzymatisch übertragene Elektronen sowie ein Proton eines organischen Substrates auf und wird dabei zu NADH reduziert. Das zweite vom Substrat abgespaltene Proton bleibt in Lösung, woraus die Schreibweise
NADH   +   H + resultiert. In der Atmungskette gibt es die Elektronen wieder ab und steht dann als oxidierte Form NAD + dem Prozess wieder zur Verfügung.

  • Wirkungsprinzip der Elektronenschaukel
Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH): "Elektronenschaukel." In: Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH). URL: http://www.lernhelfer.de/index.php/schuelerlexikon/biologie-abitur/artikel/elektronenschaukel (Abgerufen: 01. July 2025, 10:23 UTC)

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Glykolyse

Glykolyse wurde von den griechischen Wörtern glycos = süß und lysis = Auflösung abgeleitet. Damit ist die Zuckerspaltung gemeint. Sie findet im Cytoplasma der Zellen statt. Bei der aeroben Glykolyse (Sauerstoffanwesenheit) wird ein Glucosemolekül mit 6 C-Atomen unter Energiegewinn in Form von ATP in zwei Pyruvat-Ionen mit 3 C-Atomen gespalten. Pyruvate sind die Anionen der Brenztraubensäure, welche im Citronensäurezyklus weiter verwertet werden. Unter anaeroben Bedingungen (Sauerstoffabwesenheit) ist das Endprodukt der Glykolyse Lactat (Milchsäure) oder Ethanol. Dieser Weg der anaeroben Verwertung von Glucose ist der älteste biochemische Mechanismus zur Energiegewinnung, welcher auch die Entwicklung von lebenden Organismen in sauerstofffreier Atmosphäre ermöglichte.

Harnstoffzyklus

Eiweiße und Nucleinsäuren enthalten Stickstoff in Form von Aminogruppen ( NH 2 − ). Beim Abbau dieser Moleküle im Stoffwechsel entsteht giftiges Ammoniak NH 3 , das gelöst in Form von Ammoniumionen NH 4 + vorliegt. Durch die Bildung von Harnstoff unter Bindung von NH 4 + in den Leberzellen in zyklischen Reaktionen erfolgt ein Unschädlichmachen des Ammoniaks (Entgiftung) und ein Abführen aus dem Körper. Einer der dabei entstehenden Stoffe, Fumarat, stellt die Verbindung zum Citratzyklus her. Über Fumarat kann der Harnstoffzyklus auch zur Gluconeogenese sowie zur Bildung von Citrat und Oxalat dienen.

Zellatmung

Zellen nehmen zu ihrer Energieversorgung Glucose (Traubenzucker) auf, welche im Cytoplasma und in den Mitochondrien von Eukaryoten vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut wird. Am Ende des Abbauweges gewinnt die Zelle mit Hilfe der frei werdenden Energie die energiereiche Verbindung ATP, die für viele Stoffwechselvorgänge als universelle Energiequelle für den Organismus erforderlich ist. Zur Zellatmung zählen die Prozesse der Glykolyse, des Citratzyklus und der Atmungskette.

Citratzyklus

Der Citratzyklus ist eine 1937 von H.A. KREBS, G. MARTIUS und F. KNOPP etwa gleichzeitig entdeckte zyklische biochemische Reaktionskette, welche in allen lebenden Zellen abläuft. Er verläuft unter Beteiligung von Zitronensäure (Citrat), die zum Zwecke der Gewinnung von Reduktionsäquivalenten in andere organische Säuren umgewandelt wird. Er oxidiert in acht Schritten Acetyl-Reste zu Wasser und Kohlenstoffdioxid. Die dabei gewonnenen Reaktionsprodukte werden an die Atmungskette weitergegeben. Durch anschließende oxidative Phosphorylierung gewinnt die Zelle aus diesem Vorgang 10 ATP pro Acetyl-Gruppe.

Außerdem erfüllt der Citratzyklus eine Schlüsselfunktion im intermediären Stoffwechsel der Zelle. Er verbindet den energieliefernden Endabbau des aus dem Protein-, Fett- und Kohlenhydratstoffwechsel stammenden Zwischenprodukts Acetyl-Coenzym A mit der Erzeugung zahlreicher Vorstufen für anabole Biosynthesewege.

Der Einfluss freier Radikale auf das Altern

Mit der Entstehung der Vielzelligkeit und der damit verbundenen Differenzierung von Zellen in Keimbahn- und Körperzellen ist für die Körperzellen ein Alterungsprozess verbunden, der zum Tod der Zellen und des vielzelligen Organismus führt. Keimzellen (Ei- und Spermazellen) sind potenziell unsterblich, d.h. sie können sich unbegrenzt weiter teilen. Bei ungünstigen Umwelteinflüssen zeigen aber auch diese Zellen Alterungserscheinungen, welche jedoch bei günstigen Bedingungen wieder beseitigt werden können.
Man hat herausgefunden, dass während des Elektronentransportes in der Atmungskette Peroxidionen ( O 2 − ) entstehen können, die über Wasserstoffperoxid aggressive freie Radikale bilden. Diese Radikale zerstören Proteine, Lipide und DNA. Mit dem Altern nimmt ihre Zahl zu und führt zur Einschränkung der ATP-Produktion. Gegenwärtig läuft die Forschung auf Hochtouren, um Schutzenzyme zu finden, die die freien Radikale ohne negative Folgen abfangen können.

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