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Schritte der Zellatmung

Zellatmung ist ein Stoffwechselweg, bei dem Glukose abgebaut und ATP produziert wird. Die Phasen der Zellatmung sind Glykolyse, oxidative Decarboxylierung, Citrat- oder Krebszyklus und oxidative Phosphorylierung.

Einführung

Die Zellatmung ist eine der elegantesten, majestätischsten und faszinierendsten Stoffwechselwege der Welt. Gleichzeitig ist sie auch einer der kompliziertesten. Als ich zum ersten Mal davon erfuhr, fühlte ich mich, als wäre ich gestolpert und in einen Kanister voller Buchstabensuppe mit Organische-Chemie-Geschmack gefallen!
Glücklicherweise ist die Zellatmung nicht mehr so beängstigend, wenn man sie erst einmal kennt. Beginnen wir damit, uns die Zellatmung auf einer oberflächlichen Ebene anzuschauen, indem wir durch die vier Hauptphasen gehen und verfolgen, wie sie miteinander verbunden sind.

Schritte der Zellatmung

Überblick über die Schritte der Zellatmung.
  1. Glykolyse. Glukose aus sechs Kohlenstoffatomen wird in zwei Pyruvate (jeweils drei Kohlenstoffe) umgewandelt. ATP und NADH werden hergestellt. Diese Reaktionen finden im Cytosol statt.
  2. Oxidative Decarboxylierung. Pyruvat wandert in die mitochondriale Matrix und wird in ein Molekül aus zwei Kohlenstoffatomen umgewandelt, das an Coenzym A gebunden ist und als Acetyl-CoA bezeichnet wird. Kohlendioxid wird freigesetzt und NADH wird hergestellt.
  3. Citratzyklus. Das Acetyl-CoA bindet an ein Molekül mit vier Kohlenstoffatomen und durchläuft einen Zyklus von Reaktionen, wobei schließlich wieder das Ausgangsmolekül mit vier Kohlenstoffatomen entsteht. ATP (oder in einigen Fällen GTP), NADH und FADH_2 werden hergestellt und Kohlendioxid wird freigesetzt. Diese Reaktionen finden in der mitochondrialen Matrix statt.
  4. Oxidative Phosphorylierung. Die NADH und FADH_2, die in den anderen Phasen hergestellt werden, geben ihre Elektronen an die Elektronentransportkette in der inneren Mitochondrienmembran ab. Wenn sich Elektronen entlang der Kette bewegen, wird Energie freigesetzt und verwendet, um Protonen aus der Matrix heraus und in den Intermembranraum zu pumpen, wobei ein Gradient gebildet wird. Die Protonen fließen durch ein ATP-Synthase genanntes Enzym in die Matrix zurück und bilden ATP. Am Ende der Elektronentransportkette nimmt Sauerstoff Elektronen und Protonen auf, um Wasser zu bilden.
Während der Zellatmung wird ein Glukosemolekül Schritt für Schritt in Kohlendioxid und Wasser zerlegt. Auf dem Weg wird etwas ATP direkt in den Reaktionen produziert, die Glukose umwandeln. Eine viel größere Menge ATP wird jedoch später in einem "oxidative Phosphorylierung" genannten Prozess hergestellt. Die oxidative Phosphorylierung wird durch die Bewegung von Elektronen durch die Elektronentransportkette angetrieben, eine Reihe von Proteinen, die in die innere Membran des Mitochondriums eingebettet sind.
Diese Elektronen stammen ursprünglich aus der Glukose und werden von den Elektronenträgern NAD+ und FAD zur Elektronentransportkette transportiert, die dann zu NADH und FADH2 werden, wenn sie Elektronen aufnehmen. Für die Verständlichkeit: Dies geschieht in der Abbildung oben, wenn dort + NADH oder + FADH2 steht. Das Molekül erscheint nicht vollkommen neu, es wird nur in seine elektronentragende Form umgewandelt:
NAD+ + 2e + 2H+ NADH + H+
FAD + 2e + 2H+ FADH2
Um zu verstehen, wie ein Glukosemolekül in Kohlendioxid umgewandelt und wie seine Energie als ATP und NADH/FADH2 in einer deiner Körperzellen gewonnen wird, gehen wir Schritt für Schritt durch die vier Phasen der Zellatmung.
  1. Glykolyse. In der Glykolyse unterliegt die Glukose - ein Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen - einer Reihe von chemischen Umwandlungen. Am Ende wird es in zwei Pyruvat-Moleküle, organische Moleküle mit je drei Kohlenstoffatomen, umgewandelt. In diesen Reaktionen wird ATP hergestellt und NAD+ in NADH umgewandelt.
  2. Oxidative Decarboxylierung. Jedes Pyruvat aus der Glykolyse wandert in die mitochondriale Matrix – das innerste Kompartiment der Mitochondrien. Dort wird es in ein Molekül mit zwei Kohlenstoffen, das an Coenzym A gebunden ist, das sogenannte Acetyl-CoA. umgewandelt. Kohlendioxid wird freigesetzt und NADH wird erzeugt.
  3. Citratzyklus. Das in der vorherigen Phase hergestellte Acetyl-CoA bindet an ein Molekül mit vier Kohlenstoffatomen und durchläuft einen Zyklus von Reaktionen, bei dem schließlich wieder das Ausgangsmolekül mit vier Kohlenstoffatomen gebildet wird. ATP, NADH und FADH2 werden hergestellt und Kohlendioxid wird freigesetzt.
  4. Oxidative Phosphorylierung. Die in den anderen Phasen hergestellten NADH und FADH2 geben ihre Elektronen in die Elektronentransportkette ab und kehren in ihre "leeren" Formen zurück (NAD+ und FAD). Wenn sich die Elektronen entlang der Kette bewegen, wird Energie freigesetzt und verwendet, um Protonen aus der Matrix herauszupumpen und einen Gradienten zu bilden. Protonen fließen durch ein Enzym namens ATP-Synthase in die Matrix zurück, wobei ATP gebildet wird. Am Ende der Elektronentransportkette nimmt Sauerstoff Elektronen und und Protonen auf, um Wasser zu bilden.
Die Glykolyse kann auch ohne Sauerstoff ablaufen. Dieser Vorgang wird dann als Gärung bezeichnet. Die anderen drei Phasen der Zellatmung – die oxidative Decarboxylierung, der Citratzyklus und die oxidative Phosphorylierung – benötigen Sauerstoff, um ablaufen zu können. Nur die oxidative Phosphorylierung verwendet Sauerstoff direkt, aber die anderen beiden Phasen können nicht ohne die oxidative Phosphorylierung ablaufen.
Jede Phase der Zellatmung wird in anderen Artikeln und Videos auf der Website ausführlicher behandelt. Schau dir das Übersichtsvideo an oder spring direkt zu einem Artikel über eine bestimmte Phase, indem du die Links oben verwendest.

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