Physiologie und Anatomie
Zellatmung
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Zellatmung einfach erklärt

Die Zellatmung (auch biologische Oxidation/aerobe Atmung/innere Atmung ) ist ein Stoffwechselvorgang, der für die Energiegewinnung in Zellen verantwortlich ist. Er erzeugt Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat ) und findet zum größten Teil in den Mitochondrien statt. 

Die Teilprozesse der Zellatmung sind:

  1. die Glykolyse
  2. die Oxidative Decarboxylierung
  3. der Citratzyklus (Zitronensäurezyklus/Krebs-Zyklus)
  4. die Atmungskette

Bei der Zellatmung wird der Einfachzucker Glucose (Traubenzucker) in mehreren Teilschritten durch Enzyme abgebaut. Als Voraussetzung für den Vorgang muss Sauerstoff vorhanden sein. Bei dem Prozess entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die Formel der Zellatmung lässt sich mit folgender Gleichung darstellen: 

C6O6H12 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O

Ein Teil der dabei gewonnenen Energie kann der Organismus später für die Funktion der Organe nutzen.

Zellatmung Definition

Zellatmung (eng. cellular respiration) ist ein kataboler (= abbauender) Stoffwechselweg, bei dem Energie in Form von 30 bis 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 

Grundsätzlich wird bei der Zellatmung eine energiereiche Verbindung, nämlich Glucose, schrittweise zu energieärmeren Verbindungen abgebaut (oxidiert). Es finden also Redoxreaktionen statt.

Die Gesamtbilanz der Zellatmung lautet: 

C6O6H12 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O

Dabei wird Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) frei. Sie entsteht dadurch, dass in den verschiedenen Stoffwechselprozessen ADP (Adenosindiphosphat) um eine Phosphatgruppe ergänzt wird (Phosphorylierung).

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. Die können vom Körper dann als Energie genutzt werden.

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Zellatmung: Ablauf und Energiebilanz

Merke: Die Zellatmung findet sowohl bei Eukaryoten als auch bei Prokaryoten , also Zellen mit und ohne Zellkern, statt.

ATP (Adenosintriphosphat)

Ein Teil der Energie, die durch die Zellatmung frei wird, kann der Körper für die Synthese von ATP (Adenosintriphosphat) verwenden. Dabei handelt es sich um eine nutzbare EnergiewährungDie freiwerdende Energie kann dann beispielsweise Vorgänge, wie die Muskelkontraktion oder Transportprozesse an Membranen, ermöglichen.

Das ATP ist ein Nukleotid mit 3 Phosphatgruppen. Es besteht also aus einer Base (hier Adenin), einem Zuckermolekül (Ribose) und einem Phosphatrest, Damit ähnelt der Energieträger den Bausteinen deiner DNA . Die Bindung zwischen der zweiten und der dritten Phosphatgruppe ist dabei sehr energiereich. Wird sie gespalten, entstehen ADP (Adenosindiphosphat) und Phosphat.

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Energiegewinnung durch Spaltung von ATP

Elektronencarrier 

Die bei der Zellatmung freiwerdende Energie kann mithilfe von Elektronencarriern und der Reduktion von bestimmten Coenzymen in Form von ATP gespeichert werden. Das funktioniert so:

  1. Während der Zellatmung werden bei den Oxidationsreaktionen Elektronen abgegeben.
  2. Bestimmte Elektronencarrier-Moleküle (Oxidationsmittel) nehmen diese Elektronen auf und werden dadurch reduziert. In der Zellatmung kommen hier NAD+ und FAD (Coenzyme) vor. Unter Elektronenbeladung (Reduktion) entstehen dann NADH und FADH2.
  3. Im letzten Schritt der Zellatmung geben die Carrier ihre Elektronen bereitwillig an den elektronegativen Sauerstoff ab. Dadurch kann zusätzliches ATP erzeugt werden.

Zellatmung Schritte 

Die Zellatmung ist in verschiedene Teilprozesse gegliedert. Die einzelnen Schritte bzw. Phasen der Zellatmung lauten: 

Im Folgenden haben wir dir die Schritte kurz und einfach erklärt!

Glykolyse 

Die Glykolyse ist der erste Schritt der Zellatmung. Das wichtigste zu diesem Prozess findest du hier auf einen Blick:

  • Bei der Glykolyse läuft eine Oxidation ab. Dabei werden das aus einem Molekül Glucose zwei Moleküle Pyruvat (C3H3O3) gebildet. Es handelt sich dabei um das Anion der Brenztraubensäure.
  • Die in der Glucose enthaltene Energie wird in Form von ATP und den Elektronencarrier-Molekülen NADH gespeichert. 
  • Der Prozess findet sowohl bei Eukaryoten als auch bei Prokaryoten im Zytoplasma statt.
  • Sie kann sowohl unter aeroben als auch unter anaeorben Bedingungen (mit bzw. ohne Luftsauerstoff) ablaufen.

Ablauf der Glykolyse

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

  1. Vorbereitungsphase (Energieinvestitionsphase): Hier investiert die Zelle zunächst Energie in Form von 2 ATP-Molekülen. Sie hat also keinen direkten energetischen Nutzen, dient aber dazu Glucose zu zwei C3-Molekülen (Glycerinaldehyd-3-phosphat; GAP) zu spalten. Die werden wiederum im zweiten wichtigen Abschnitt der Glykolyse gebraucht. 
  2. Ertragsphase (Energiegewinnungsphase): Hier wird GAP in fünf Schritten zu Pyruvat (C3-Körper) abgebaut. Dabei werden 4 Moleküle ATP und 2 Moleküle NADH gewonnen. Es wird also bereits mehr Energie gewonnen als zuvor verbraucht wurde.
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Ablauf/Schema der Glykolyse

Bilanz der Glykolyse

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

Glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + Pi → 2 Pyruvat + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP

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

Oxidative Decarboxylierung 

Auf die Glykolyse folgt die oxidative Decarboxylierung. Hierbei wird aus dem Pyruvat das Acetat hergestellt, welches in den folgenden Schritten der Zellatmung weiter umgewandelt wird.

Wichtig: Die Pyruvatoxidation kann nur dann stattfinden, wenn Sauerstoff vorhanden ist. Ist das nicht der Fall, findet die sogenannte anaerobe Atmung oder auch Gärung (Milchsäuregärung oder alkoholische Gärung ) statt. Im Vergleich zur Zellatmung ist dieser Weg des Energiegewinns hingegen weniger effizient. 

Ablauf der oxidativen Decarboxylierung

Die oxidative Decarboxylierung läuft folgendermaßen ab:

  1. Zunächst wird das Pyruvat vom Zytoplasma in die Matrix der Mitochondrien transportiert.
  2. Dort findet schließlich eine weitere Oxidation statt, bei der Kohlenstoffdioxid (CO2) abgespalten wird und Acetat entsteht.
  3. 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.
  4. 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.
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Ablauf der oxidativen Decarboxylierung

Bilanz der oxidativen Decarboxylierung

Die Bilanz der oxidativen Decarboxylierung sieht folgendermaßen aus:

2 Pyruvat + 2 NAD+ + 2 CoA + 2 H+ → 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. 

Citratzyklus 

Der Citratzyklus (Krebs-Zyklus) ist der Stoffwechselweg, der auf die oxidative Decarboxylierung folgt. Dabei entstehen aus dem Acetyl-CoA in einem Kreislauf verschiedene Zwischenprodukte. Bei ihrer Herstellung wird Energie erzeugt.

Bei Eukaryoten findet der Citratzyklus in der Matrix der Mitochondrien statt, bei Prokaryoten läuft er hingegen im Zellplasma ab.

Ablauf des Citratzyklus

Der Citratzyklus, auch Krebs-Zyklus genannt, findet in mehreren Schritten statt, die zusammen einen Kreislauf bilden. Wichtig ist dabei vor allem der erste Schritt: Dabei entsteht das sogenannte Citrat (Salz der Zitronensäure), indem das Acetyl-CoA seine Acetylgruppe auf ein Akzeptormolekül (Oxalacetat) überträgt.

Das Citrat ist für die weiteren Schritte notwendig. Sie finden grundsätzlich in zwei Phasen statt:

  1. Die erste Hälfte besteht aus vier Einzelreaktionen und ist für den Abbau des Kohlenstoffgerüstes (Citrats) in Form von Kohlenstoffdioxidabspaltung zuständig.
  2. Die zweite Hälfte besteht ebenfalls aus vier Einzelreaktionen und dient der Wiederherstellung des Akzeptormoleküls Oxalacetat. Nur, wenn dieser Prozess abgeschlossen wird, kann der Kreislauf von Neuem durchlaufen werden.

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.

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Ablauf Citratzyklus

Du kannst den Citratzyklus auch als Drehkreuz des Stoffwechsels bezeichnen. Das ist der Fall, da er neben der Energiegewinnung auch Vorstufen für Biosynthesen anderer Moleküle, wie Aminosäuren oder Nucleotide, bereitstellt. Es handelt sich also gleichzeitig um einen abbauenden (katabolen) und einen aufbauenden (anabolen) Stoffwechselweg — das nennst du auch amphibol.

Bilanz des Citratzyklus

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

Acetyl-CoA + 3 NAD++ FAD + GDP + P+ 2 H2O → 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + 2 CO2 + 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 zweimal durchlaufen. Aus einem Molekül Glucose entstehen deshalb insgesamt 6 Moleküle NADH, 2 Moleküle FADH2, 2 Moleküle GTP, die zu 2 Moleküle ATP umgewandelt werden, sowie Kohlenstoffdioxid und das Coenzym A.

Atmungskette 

Die Atmungskette ist der Schritt der Zellatmung, bei dem die in den Elektronencarriern (NAD+ und FADH) gespeicherte Energie in ATP-Moleküle umgewandelt wird.

Dabei werden die Elektronen der NADH und FADH2-Carrier, die aus der Glykolyse, der oxidativen Decarboxylierung und dem Citratzyklus stammen, an bestimmte Membrankomplexe abgegeben. Durch sie wird aus ADP ATP gebildet und Sauerstoff zu Wasser reduziert. Der Vorgang findet in der inneren Mitochondrienmembran statt.

Ablauf der Atmungskette

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 einer Stufe zur Nächsten wandern.
  • Mit jeder Stufe wird eine kleine und kontrollierbare Energiemenge freigesetzt. Die von den Elektronencarriern (NADH und FADH2) 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
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Ablauf/Schema der Atmungskette

Die beim Elektronenfluss frei werdende Energie führt außerdem zu einem aktiven Transport von Protonen (H+). Der Prozess gehört streng genommen nicht mehr zur Atmungskette führt aber dazu, dass ATP erzeugt wird:

  • Die Protonen bewegen sich aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum. Dadurch entsteht ein Konzentrationsunterschied (Konzentrationsgradient): Im Intermembranraum sind viele Protonen, in der Matrix sind 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. Dadurch wird die Energie auf den universellen Energieträger ATP übertragen.

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

Bilanz der Atmungskette

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 (2 aus der Glykolyse , 2 aus der Pyruvatoxidation und 6 aus dem Citratzyklus) und 2 FADH2 (aus dem Citratzyklus) zur Verfügung. Bei der Atmungskette entstehen also 28 ATP Moleküle.

Für die Atmungskette ergibt sich die folgende Bilanz:

10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 32 ADP + 32 Pi + 6 O2 → 10 NAD+ + 2 FAD + 12 H2O + 32 ATP

Zellatmung Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich beobachten, dass ein Molekül Glucose in der Zellatmung über die Schritte Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Citratzyklus und Atmungskette zu Kohlenstoffdioxid und nutzbarer Energie (ATP) abgebaut wurde.

Der Ort, an dem die Zellatmung stattfindet, sind die Mitochondrien. Beachte hier aber, dass die Glykolyse im Zellplasma stattfindet und das Abbauprodukt Pyruvat in die Mitochondrien transportiert wird.

Zellatmung Bilanz 

Bei der Zellatmung sorgt ein Molekül Glucose für die Bildung von 30-32 Molekülen ATP. Es wird also viel Energie für den Körper erzeugt.

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Energiebilanz der Atmungskette

In den einzelnen Prozessen der Zellatmung wird folgende Menge an Energie gewonnen:

  • Glykolyse: 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.
  • Oxidative Decarboxylierung: Die oxidative Decarboxylierung stellt 2 NADH-Moleküle bereit, woraus 5 ATP-Moleküle in der Atmungskette hergestellt werden.
  • Citratzyklus: Im Citratzyklus beträgt der Energiegewinn 2 Moleküle ATP. Außerdem werden 6 NADH-Moleküle erzeugt, aus denen 15 ATP Moleküle gebildet werden können. Aus den entstandenen 2 FADH2 Molekülen werden später (während der oxidativen Phosphorylierung) 3 ATP generiert.
  • Atmungskette: Während der Atmungskette wird keine Energie erzeugt. Stattdessen wird hierbei die Energie, die durch die vorherigen Schritte in den Elektronencarriern gespeichert ist, in nutzbare Energie in Form von ATP umgewandelt. Es entstehen während des Prozesses insgesamt 26-28 ATP-Moleküle.

Zellatmung Energiebilanz Tabelle

Hier haben wir die Energiebilanz der einzelnen Prozesse und die Gesamtbilanz der Zellatmung für dich in einer Tabelle zusammengefasst:

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 und 2 FADH2 30-32 Moleküle ATP

Bedeutung der Zellatmung

In der Biologie kannst du unter Zellatmung einen Stoffwechselprozess verstehen, der zur Energiegewinnung beiträgt. Die Energie kommt aus dem Abbau komplexer organischer Stoffe, wie beispielsweise Kohlenhydraten. Das sind lange Ketten aus kleinen Zuckerbausteinen, die miteinander verknüpft sind und zum Beispiel in Brot, Nudeln oder Obst vorkommen.

Schon gewusst? Pflanzen sind in der Lage, die notwendigen Stoffe über die Photosynthese selbst herzustellen. Wir Menschen und Tiere nehmen sie hingegen über die Nahrung auf.

Die energiereichen Verbindungen (= Makromoleküle) müssen dann zunächst mithilfe von Enzymen zu kleinen Bausteinen (Monomere) zerlegt werden. Das läuft in unseren Verdauungsorganen ab. Bei den Monomeren handelt es sich im Fall des Kohlenhydratabbaus zum größten Teil um Glucose. Die Zellen nehmen den Zucker auf und zerlegen ihn noch weiter — und zwar während der Zellatmung. Nur so kannst du die Energie aus der Nahrung überhaupt nutzen, um beispielsweise deine Muskeln zu bewegen.

Glykolyse

Die Zellatmung ist in viele kontrollierbare Teilprozesse gegliedert. Dazu gehören die Glykolyse , die oxidative Decarboxylierung , der Citratzyklus und die Atmungskette .

Schau dir unsere Beiträge zu den einzelnen Stoffwechselwegen an und erfahre ganz detailliert, wie sie ablaufen. Fang am besten gleich mit der Glykolyse an!

Glykolyse
Zum Video: Glykolyse

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