Cytologie

Zellatmung

Was ist die Zellatmung, wie läuft sie ab und was ist ihre Energiebilanz? Das erfährst du in diesem Beitrag. 

Du lernst lieber auf audiovisuellem Weg? Dann schaue dir gerne unser anschauliches Video zu dem Thema an.

Inhaltsübersicht

Zellatmung einfach erklärt

Zellatmung, innere oder aerobe Atmung ist ein Stoffwechselprozess zum Ziel der Energiegewinnung in Eukaryoten  und Prokaryoten . Die Voraussetzung dafür ist, dass Sauerstoff vorhanden sein muss. Hierbei wird hauptsächlich der Einfachzucker Glucose (Traubenzucker) in vielen Teilschritten enzymatisch abgebaut und dabei zu Kohlenstoffdioxid oxidiert . Sauerstoff hingegen wird zu Wasser reduziert. Die Formel der Zellatmung lässt sich mit folgender Gleichung darstellen:

C_6O_6H_1_2 + 6 O_2 \longrightarrow 6 CO_2  +  6 H_2O

Ein Teil der dabei freigesetzten Energie kann in chemischer Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) gespeichert werden. Sie kann dann vom Körper für verschiedene Stoffwechselvorgänge genutzt werden. 

Die Teilreaktionen der Zellatmung sind die Glykolyse , die oxidative Decarboxylierung , der Citratzyklus  und die Atmungskette .  Insgesamt werden in der Zellatmung pro Molekül Glucose 30-32 ATP- Moleküle gewonnen. 

Definition

Zellatmung (eng. cellular respiration) ist ein kataboler (=abbauender) Stoffwechselweg, bei dem Energie in Form von 30-32 ATP- Molekülen gewonnen wird. Aus Zucker und Sauerstoff entstehen in Redoxreaktionen Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die Zellatmung setzt sich aus den Teilprozessen Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Citratzyklus und Atmungskette zusammen. 

Zellatmung Überblick

Unter Zellatmung in der Biologie kannst du einen Stoffwechselprozess verstehen, der zur Energiegewinnung beiträgt. Diese Energie kommt aus dem Abbau komplexer organischer Stoffe wie beispielsweise Kohlenhydraten. Darunter kannst du dir lange Ketten aus kleinen Zuckerbausteinen vorstellen, die miteinander verknüpft sind. Sie kommen zum Beispiel in Brot, Nudeln, Süßigkeiten oder Obst vor. Pflanzen sind in der Lage, Betriebsstoffe über die Photosynthese selbst herzustellen. Wir Menschen und Tiere nehmen diese dann über unsere Nahrung auf.

Diese großen energiereichen Verbindungen (=Makromoleküle) müssen zunächst mithilfe von Enzymen zu kleinen Bausteinen (Monomere) zerlegt werden. Das läuft in unseren Verdauungsorganen ab. Diese Monomere sind im Fall des Kohlenhydratabbaus zum größten Teil Glucose. Die Zellen nehmen diesen Zucker auf und dort erfolgt eine weitere Zerlegung mithilfe von Enzymen: die Zellatmung.

Das allgemeine Prinzip der Zellatmung lautet, dass eine energiereiche Verbindung (Glucose) zu energieärmeren Verbindungen schrittweise abgebaut – genauer gesagt oxidiert – wird. Es finden also Redoxreaktionen statt. Du kannst unter Redoxreaktionen eine Elektronenaufnahme (=Reduktion) und eine Elektronenabgabe (=Oxidation) verstehen. Der Begriff Atmung kommt daher, da Sauerstoff als letzter Elektronenakzeptor beteiligt ist. Deshalb kannst du hier auch von der aeroben Zellatmung sprechen. Die anaerobe Zellatmung hingegen kannst du bei manchen Prokaryoten finden. Sie benutzen statt Sauerstoff einen anderen Elektronenakzeptor. 

Es handelt sich bei der Zellatmung quasi um eine Verbrennungsreaktion: Ein Glucosemolekül wird vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser „verbrannt“. Die Reaktionsgleichung dazu lautet:

C_6O_6H_1_2 + 6 O_2 \longrightarrow 6 CO_2  +  6 H_2O

ATP (Adenenosintriphosphat)

Die Energie, die bei dieser Verbrennung frei wird, wird zum Teil für die Synthese einer nutzbaren Energiewährung für unseren Körper verwendet. Hier ist vom ATP (Adenosintriphosphat) die Rede. Du kannst dir darunter ein Nukleotid mit 3 Phosphatgruppen vorstellen. Die Bindung zwischen der zweiten und dritten Phosphatgruppe ist sehr energiereich. Wenn diese abgespalten wird, entstehen ADP (Adenosindiphosphat) und Phosphat. Die freiwerdende Energie kann dann Vorgänge wie die Muskelkontraktion oder Transportprozesse an Membranen ermöglichen. Sie ermöglicht dir zum Beispiel dich beim Sport richtig auszupowern oder dir den Ablauf der Zellatmung einzuprägen.

Elektronencarrier

Ein anderer Weg, die bei der Zellatmung freiwerdende Energie zu speichern, erfolgt in Form von Elektronentransfer. Bei den Oxidationsreaktionen werden Elektronen abgegeben. Bestimmte Elektronencarrier-Moleküle (Oxidationsmittel) nehmen diese Elektronen auf und werden dadurch reduziert. In der Zellatmung kommen hier NAD+ und FAD vor. Unter Elektronenbeladung entstehen dann NADH und FADH2. Im letzten Schritt der Zellatmung geben die Carrier ihre Elektronen bereitwillig an den elektronegativen Sauerstoff ab. 

%<img class="" src="https://th.bing.com/th/id/OIP.U6Cv-gRKPxHaAKiCmYjBUQHaGK?pid=Api&rs=1" alt="Quellbild anzeigen" width="233" height="194" />

Zellatmung Schritte

Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbrennungsreaktionen ist die Zellatmung in viele kontrollierbare Teilprozesse gegliedert. Die einzelnen Schritte der Zellatmung lauten: 

Schaue dir für mehr Informationen gerne unsere einzelnen Beiträge dazu an. Im Folgenden geben wir dir aber bereits einen super Überblick über die einzelnen Teilschritte in der Zellatmung. 

Glykolyse

Startpunkt der Zellatmung ist die Glykolyse. Sie findet im Zytoplasma bei Eukaryoten und Prokaryoten statt. Sie kann sowohl unter aeroben als auch unter anaeorben Bedingungen (mit bzw. ohne Luftsauerstoff) ablaufen. Das aus sechs Kohlenstoffatomen bestehende Molekül Glucose wird hier teilweise oxidiert. Dabei entstehen zwei C3-Moleküle  Diese Endprodukte kannst du als Pyruvat (C_3H_3O_3) bezeichnen (= Anion der Brenztraubensäure).  Die in der Glucose enthaltene Energie wird in Form von ATP und den Elektronencarrier-Molekülen NADH gespeichert. 

Ablauf

Die Glykolyse besteht aus 10 enzymkatalysierten Einzelreaktionen. Du kannst sie in 2 Abschnitte unterteilen: Die Vorbereitungsphase und die Ertragsphase

Die Vorbereitungsphase kannst du auch als Energieinvestitionsphase bezeichnen. Wie der Name bereits bekannt gibt, investiert die Zelle hier zunächst Energie in Form von 2 ATP-Molekülen. Die Vorbereitungsphase hat also quasi keinen direkten energetischen Nutzen. Sie dient aber dazu, Glucose zu zwei C3-Molekülen (Glycerinaldehyd-3-phosphat; GAP) umzuwandeln, die im zweiten wichtigen Abschnitt der Glykolyse gebraucht werden. 

Die Ertragsphase oder auch Energiegewinnungsphase beinhaltet einen Abbau von GAP in 5 Schritten zu Pyruvat (C3-Körper). Dabei werden 4 Moleküle ATP und 2 Moleküle NADH gewonnen. Wie du siehst, ist der Energiegewinn doppelt so hoch, wie in der Vorbereitungsphase verbraucht wurde. 

 

%<img class="" src="https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d5/Glycolysis_overview.svg/2000px-Glycolysis_overview.svg.png" alt="Quellbild anzeigen" width="99" height="155" />

Bilanz

Die Bruttogleichung (Gesamtbilanz) der Glykolyse in Form einer Reaktionsgleichung schaut folgendermaßen aus: 

Glucose + 2 NAD++ 2 ADP + Pi    \longrightarrow 2 Pyruvat + 2 NADH + 2H+ + 2 ATP

Aus einem Molekül Glucose entstehen also 2 Moleküle Pyruvat, 2 Moleküle ATP und 2 Moleküle NADH

Oxidative Decarboxylierung

Weiter geht es mit der oxidativen Decarboxylierung: Pyruvat wird zunächst vom Zytoplasma aktiv in die Matrix der Mitochondrien transportiert. Dort findet eine weitere Oxidation statt. Dabei wird Kohlenstoffdioxid (CO2) abgespalten und Acetat entsteht. 

Anschließend wird das Acetat noch aktiviert, indem eine bestimmte Gruppe (Coenzym A)  übertragen wird. Es entsteht ein Molekül, das du als Acetyl-Coenzym A bezeichnen kannst. Die Bindung zwischen Acetat und Coenzym A ist sehr energiereich, weshalb die Acetylgruppe leicht übertragen werden kann. Das ist für den weiteren Verlauf der Zellatmung von Bedeutung. 

Diese Pyruvatoxidation kann allerdings nur eintreten, wenn Sauerstoff vorhanden ist. Ist das nicht der Fall, findet die sogenannte anaerobe Atmung oder auch Gärung%Verweis (Milchsäuregärung%Verweis oder alkoholische Gärung%Verweis) statt. Allerdings ist sie bezüglich des Energiegewinns nicht so effizient wie die Zellatmung. Die Bilanz der oxidativen Decarboxylierung sieht folgendermaßen aus:

2 Pyruvat + 2 NAD+ + 2 CoA + 2 H+ \longrightarrow 2 Acetyl-CoA + 2 NADH + 2 CO2

Wenn wir von einem Molekül Glucose ausgehen, entstehen aus 2 Molekülen Pyruvat 2 Moleküle Acetyl-CoA, 2 Moleküle NADH und 2 Moleküle gasförmiges Kohlenstoffdioxid. 

%Bild oxidative Decarboxylierung Schema

Citratzyklus

Das entstandene Acetyl-CoA stellt den Ausgangspunkt für den nachfolgenden Stoffwechselweg – den Citratzyklus (Krebs-Zyklus) – dar.  Er findet bei Eukaryoten in der Matrix der Mitochondrien statt. Bei Prokaryoten ereignet er sich im Zellplasma. 

Ablauf

Acetyl-CoA überträgt mithilfe eines Enzyms seine Acetylgruppe auf ein Akzeptormolekül (Oxalacetat), das aus 4 Kohlenstoffatomen aufgebaut ist. Es entsteht das C6-Molekül Citrat (= Salz der Zitronensäure).

Du kannst den Krebs-Zyklus in zwei Phasen einteilen. Die erste Hälfte (= 4 Einzelreaktionen) ist für den Abbau des Kohlenstoffgerüstes in Form von Kohlenstoffdioxidabspaltung  zuständig. Die zweite Hälfte (= 4 Einzelreaktionen) dient dazu, das Akzeptormolekül Oxalacetat wiederherzustellen, damit der Kreislauf von Neuem durchlaufen werden kann.

Ein Teil der dabei frei werdenden Energie wird in Form von GTP und in den Elektronencarrier-Molekülen NADH und FADH2 gespeichert. GTP ist ähnlich wie ATP aufgebaut und kann einfach in dieses umgewandelt werden. 

Du kannst den Citratzyklus auch als Drehkreuz des Stoffwechsels bezeichnen. Dieser Name kommt zustande, da er neben der Energiegewinnung  auch Vorstufen für Biosynthesen anderer Moleküle wie Aminosäuren oder Nucleotide bereitstellt. Es handelt sich also um einen amphibolen (= Katabol + anabol) Stoffwechselweg. 

 

%<img class="" src="https://s3-eu-west-1.amazonaws.com/images.sofatutor.com/content_images/images/684/original/Citratzyklus.jpg?1488542327" alt="Quellbild anzeigen" width="183" height="153" />

Bilanz

Die Nettobilanz für ein Acetyl-CoA-Molekül im Citratzyklus lautet: 

Acetyl-CoA + 3 NAD++ FAD + GDP + P+ 2 H_2O \longrightarrow 2 CO_2 + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + CoA-SH 

Aus jedem Glucosemolekül, das zuvor in der Glykolyse und der oxidativen Decarboxylierung abgebaut wird, entstehen zwei Acetyl-CoA Moleküle. Deshalb wird der Zyklus pro Molekül Glucose auch zweimal durchlaufen. 

Atmungskette

Bisher haben wir lediglich 4 ATP-Moleküle aus einem Glucose-Molekül generiert. Das ändert sich jetzt! 2 ATP-Moleküle stammen aus der Glykolyse und die anderen zwei aus jeweils zwei Durchläufen des Citratzyklus. Nach dem Citratzyklus folgt jetzt aber die Atmungskette. Sie findet in der inneren Mitochondrienmembran statt. Die Energie, die in den Elektronencarrier-Molekülen gespeichert ist, wird hier in ATP-Moleküle umgewandelt. Dabei werden die Elektronen der NADH und FADH2-Carrier, die aus der Glykolyse, der oxidativen Decarboxylierung und dem Citratzyklus stammen, an bestimmte Membrankomplexe abgegeben. Diese transportieren die Elektronen zu Sauerstoff, wodurch dieser zu Wasser reduziert wird. 

Ablauf

Die Atmungskette kannst du dir als miteinander wechselwirkende Bestandteile vorstellen, die in der Membran lokalisiert sind. Vier große und zwei kleinere mobile Proteine transportieren die abgegebenen Elektronen – wie eine Art Kette (Elektronentransportkette).  

Die Transportkette ist wie eine Art absteigende Treppe aufgebaut, bei der die Elektronen  von Stufe zu Stufe wandern. Mit jeder Stufe wird eine kleine und kontrollierbare Energiemenge freigesetzt. Die von den Elektronencarriern abgegeben Elektronen fließen dabei also „bergab“ von einem hohem  auf ein niedrigeres Energieniveau (= Energiegefälle). Das letzte Redoxsystem überträgt die Elektronen auf Sauerstoffmoleküle. Gemeinsam mit Wasserstoffprotonen (H+) reagieren sie dann zu Wasser. 

Die beim Elektronenfluss frei werdende Energie führt außerdem zu einem aktiven Transport von Protonen (H+) aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum. Dadurch entsteht ein Konzentrationsunterschied (Konzentrationsgradient): Im Intermembranraum sind viele Protonen, in der Matrix hingegen wenige.  

Da die Mitochondrienmembran als Barriere wirkt, sind die Protonen quasi im Intermembranraum „gefangen“. Sie können nur durch ein Kanalprotein – die ATP-Synthase – zurück in die Mitochondrienmatrix gelangen, um den Konzentrations- und Ladungsunterschied auszugleichen. Die ATP-Synthase koppelt diese Diffusion der Protonen mit der Synthese von ATP aus ADP und Phosphat.  

Den Gesamtprozess aus Elektronentransportkette und ATP-Synthese kannst du auch als oxidative Phosphorylierung bezeichnen. 

%<img class="" src="https://d1u2r2pnzqmal.cloudfront.net/content_images/images/686/original/Atmungskette.jpg?1488542688" alt="Quellbild anzeigen" width="239" height="164" />

Bilanz

Pro Elektronenpaar, das in der Atmungskette von NADH auf Sauerstoff übertragen wird, können 2,5 ATP-Moleküle gebildet werden. Die Oxidation von FADH2 sorgt für den Gewinn von 1,5 ATP Molekülen.  

Insgesamt stehen 10 NADH (zwei aus der Glykolyse , zwei aus der Pyruvatoxidation und sechs aus dem Citratzyklus) und 2 FADH2  zur Verfügung. Bei der oxidativen Phosphorylierung entstehen also 28 ATP Moleküle

Zellatmung Schema

%<img class="" src="https://www3.hhu.de/biodidaktik/Hefe/allg/bilder/gaerung/dissimueb.jpg" alt="Quellbild anzeigen" width="326" height="196" />

Das Schema der Zellatmung zeigt, dass ein Molekül Glucose über die Schritte Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Citratzyklus und Atmungskette zu Kohlenstoffdioxid und nutzbarer Energie (ATP) abgebaut wurde. Der Ort der Zellatmung sind die Mitochondrien. Beachte hier aber, dass die Glykolyse im Zellplasma stattfindet und das Abbauprodukt Pyruvat in die Mitochondrien transportiert wird.

Zellatmung Bilanz 

Ein Molekül Glucose sorgt in der Zellatmung für die Bildung von 30-32 Molekülen ATP. In der folgenden Tabelle sind die jeweiligen Coenzym- und ATP-Ausbeuten für die Teilprozesse der Zellatmung aufgeführt.

In der Glykolyse werden 2 ATP-Moleküle und 2 NADH-Moleküle generiert. Aus letzteren werden in der Atmungskette dann 3  oder 5 ATP-Moleküle gewonnen. Je nach Transportart in die Mitochondrien werden nämlich schon 2 ATP-Moleküle verbraucht.  Die oxidative Decarboxylierung stellt 2 NADH-Moleküle bereit, woraus 5 ATP-Moleküle in der Atmungskette hergestellt werden. Im Citratzyklus beträgt der Energiegewinn 2 Moleküle ATP. Aus den 6 NADH-Molekülen werden 15 ATP Moleküle und aus den 2  FADH2 Molekülen 3 ATP generiert. Du siehst also, dass die Bilanz der Zellatmung 10 Moleküle NADH, 2 Moleküle  FADH2 und 30-32 Moleküle ATP beträgt.

Schritt Coenzym-Ausbeute ATP-Ausbeute
Glykolyse Vorbereitungsphase  

-2 ATP

Glykolyse Ertragsphase

 

2 NADH

+4 ATP

+3 oder+ 5 ATP

oxidative Decarboxylierung 2 NADH +5 ATP
Citratzyklus

 

6 NADH

2 FADH2

+ 2 ATP

15 ATP

3 ATP

Gesamtbilanz

10 NADH

2 FADH2

30 – 32 Moleküle ATP

 

Hallo, leider nutzt du einen AdBlocker.

Auf Studyflix bieten wir dir kostenlos hochwertige Bildung an. Dies können wir nur durch die Unterstützung unserer Werbepartner tun.

Schalte bitte deinen Adblocker für Studyflix aus oder füge uns zu deinen Ausnahmen hinzu. Das tut dir nicht weh und hilft uns weiter.

Danke!
Dein Studyflix-Team

Wenn du nicht weißt, wie du deinen Adblocker deaktivierst oder Studyflix zu den Ausnahmen hinzufügst, findest du hier eine kurze Anleitung. Bitte lade anschließend die Seite neu.