Zellatmung

Zellatmung im Überblick

Die Vorgänge der Glykolyse, des Citratzyklus und der Atmungskette, bei denen die in der Glucose enthaltene Energie in ATP umgewandelt wird, sind sehr kompliziert. Deshalb sollen zunächst einige grundsätzliche Vorgänge erläutert werden, die man nicht aus dem Auge verlieren darf. Dabei wollen wir zwei Fragen nachgehen:

1. Auf welche Weise gelangt die Energie der Glucose in das ATP?
2. Wie entstehen die Reaktionsprodukte ${\text{H}}_{\text{2}}\text{O}$ und ${\text{CO}}_{\text{2}}$?

Die Wasserstoffbindungen im Glucosemolekül sind energiereich. Da Glucose und andere Nährstoffmoleküle viele H-Atome besitzen, gehören sie zu den energiereichen Stoffen.
In der Glykolyse werden die reaktionsträgeren Glucosemoleküle durch Anlagerung von Phosphat zunächst reaktionsfreudiger gemacht (Phosphorylierung). Außerdem wird die ${\text{C}}_{\text{6}}\text{-Verbindung}$ in 2 ${\text{C}}_{\text{3}}\text{-Verbindungen}$gespalten. Bei einer dieser Reaktionen geben Wasserstoffatome ihre Elektronen ab. Es entstehen Protonen ${\text{H}}^{\text{+}}$:

$\text{2H}\to {\text{2H}}^{\text{+}}{\text{+ 2e}}^{\text{-}}$.

Bevor die Elektronen in der Atmungskette auf den Sauerstoff übertragen werden, nimmt das C${\text{NAD}}^{\text{+}}{\text{+ 2H}}^{\text{+}}{\text{+ 2e}}^{\text{-}}\to {\text{NADH + H}}^{\text{+}}$oenzym ${\text{NAD}}^{\text{+}}$ sie auf:

Es entsteht NADH, die übrigen Protonen werden an die Umgebung abgegeben. Die Energie befindet sich nun im NADH-Molekül, das als Reduktionsäquivalent bezeichnet wird.

Im Citratzyklus werden schrittweise die Kohlenstoff- und Sauerstoffatome als ${\text{CO}}_{\text{2}}$ abgegeben und aus der Zelle heraus transportiert. Weitere H-Atome übertragen ihre Elektronen wieder auf das ${\text{NAD}}^{\text{+}}$.
Der Citratzyklus ist die Drehscheibe des Stoffwechsels. Aus ihm geht eine ${\text{C}}_{\text{4}}\text{-Verbindung}$ (Oxalacetat) hervor, die dann mit der ${\text{C}}_{\text{2}}\text{-Verbindung}$ (Azetyl-CoA) reagiert. Diese ${\text{C}}_{\text{6}}\text{-Verbindung}$ (Citrat) wird wieder zu einer ${\text{C}}_{\text{4}}\text{-Verbindung}$ abgebaut, indem ${\text{CO}}_{\text{2}}$ abgespalten wird und Elektronen aus dem Wasserstoff an ${\text{NAD}}^{\text{+}}$ und FAD übertragen werden.

Im letzten Teil der Zellatmung, der Atmungskette, beginnt der Verbrauch des Sauerstoffs. Das Reduktionsäquivalent NADH gibt seine Elektronen ab und wird wieder zu ${\text{NAD}}^{\text{+}}$:

$\text{NADH}\to {\text{e}}^{\text{-}}{\text{+ NAD}}^{\text{+}}$.

Die Elektronen werden in der Elektronentransportkette energetisch „bergab“ transportiert. Dabei wird Energie frei, die zum Transport von Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum dient. Diese Protonen strömen dann mit dem Konzentrationsgefälle durch die ATP-Synthase-Komplexe. Die freiwerdende Energie wird in ATP gebunden:

$\text{ADP + P + Energie}\stackrel{}{\to }\text{ATP}$

Schließlich werden die Elektronen auf den Sauerstoff übertragen, sodass Oxidionen entstehen, die mit den Protonen ${\text{2H}}^{\text{+}}$zu Wasser reagieren:

${\text{2H}}^{\text{+}}+{\text{O}}^{\text{2-}}\to {\text{H}}_{\text{2}}\text{O}$.

So entstehen aus einem Molekül Glucose 38 Moleküle ATP.

${\text{NAD}}^{\text{+}}$ ist das Coenzym von Dehydrogenase. Sein chemischer Name ist Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid. Dieses Molekül arbeitet als Elektronenschaukel. Es nimmt die Elektronen auf und wird zu NADH reduziert. In der Atmungskette gibt es die Elektronen wieder ab und steht dann als oxidierte Form ${\text{NAD}}^{\text{+}}$ dem Prozess wieder zur Verfügung.