Zellatmung: Energiegewinnung in Zellen

Zellatmung: Zentraler Prozess der Energiegewinnung

• Die Zellatmung ist ein zentraler Prozess zur Energiegewinnung in eukaryotischen Zellen.
• Glukose wird vollständig zu Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) oxidiert, um ATP zu erzeugen.
• Die Gesamtgleichung lautet: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + Energie (ATP + Wärme).

Glykolyse (im Zytoplasma)

• Glukose (C₆) wird in Pyruvat (C₃) gespalten.
• Nettobilanz der Glykolyse: 2 ATP, 2 NADH + H⁺, 2 Pyruvat.

Zitratzyklus (in der Mitochondrienmatrix)

• Pyruvat wird zu Acetyl-CoA (C₂) umgewandelt, das mit Oxalacetat (C₄) reagiert und über mehrere Zwischenschritte CO₂ freisetzt.
• Energieträger des Zitratzyklus: 6 NADH + H⁺, 2 FADH₂, 2 ATP, 4 CO₂.

Atmungskette (in der inneren Mitochondrienmembran)

• NADH und FADH₂ übertragen Elektronen auf eine Reihe von Proteinkomplexen.
• Protonen werden in den Intermembranraum gepumpt, wodurch ein Protonengradient entsteht.
• Sauerstoff (O₂) dient als Elektronenakzeptor und bildet mit Protonen Wasser (H₂O).

ATP-Bilanz

• Glykolyse: 2 ATP
• Zitratzyklus: 2 ATP
• Atmungskette: ca. 28-34 ATP
• Gesamt: ca. 32-38 ATP pro Glukose

Bedeutung der Zellatmung

• Hauptquelle für ATP in Zellen.
• Versorgt Prozesse wie Muskelkontraktion, Nervensignale und Biosynthesen mit Energie.
• Hohe Effizienz im Vergleich zur anaeroben Gärung (nur 2 ATP pro Glukose).
• Die Zellatmung ist essenziell für die Energieversorgung der Zellen.
• Die schrittweise Oxidation von Glukose erzeugt Elektronen, die über die Atmungskette zur ATP-Produktion genutzt werden.
• Das chemiosmotische Modell erklärt, wie der Protonengradient zur ATP-Bildung führt.

Glykolyse (C-Körperschema)

• Die Glykolyse findet im Zytoplasma statt und ist der erste Schritt der Zellatmung.
• Glukose (C₆-Körper) wird in zwei Moleküle Pyruvat (C₃-Körper) zerlegt.

Wichtige Reaktionsschritte der Glykolyse

• Investitionsphase: Glukose (C₆) wird durch Phosphorylierung aktiviert (Einsatz von 2 ATP). Fruktose-1,6-bisphosphat entsteht.
• Spaltung: Das C₆-Zucker-Molekül wird in zwei C₃-Moleküle aufgespalten (Glycerinaldehyd-3-phosphat).
• Energiegewinnungsphase: Die C₃-Moleküle werden oxidiert, NADH und ATP werden gebildet.
  • G3P wird oxidiert zu NAD wird zu NADH reduziert.
  • Substratkettenphosphorylierung erzeugt 4 ATP (netto 2 ATP)
  • Endprodukt: 2 Pyruvat, 2 ATP, (netto) 2 NADH + H⁺

Ziel der Glykolyse

• Abbau von Glukose (C₆) zu Pyruvat (C₃) und Gewinnung von ATP und NADH.

Rolle von NAD⁺/NADH/H⁺

• NAD⁺ nimmt Elektronen und Protonen auf (wird reduziert) und wird zu NADH/H⁺.
• NADH/H⁺ speichert diese Elektronen und gibt sie später in der Atmungskette wieder ab, um ATP (Energie) zu erzeugen.
• NAD⁺ ist die oxidierte Form, NADH/H⁺ ist die reduzierte Form (trägt Elektronen).

NAD⁺ Reduktion im Zitratzyklus

• Im Zitratzyklus gibt es drei Stellen, an denen NAD⁺ reduziert wird:
  • Isocitrat → α-Ketoglutarat: Isocitrat wird oxidiert, wobei NAD⁺ zu NADH/H⁺ reduziert und CO₂ abgespalten wird. Diese Reaktion liefert Elektronen für die Atmungskette.
  • α-Ketoglutarat → Succinyl-CoA: α-Ketoglutarat wird oxidiert, NAD⁺ nimmt Elektronen auf und wird zu NADH/H⁺. Wieder wird CO₂ abgespalten. Diese Umwandlung macht die Energie aus α-Ketoglutarat für den weiteren Zyklus nutzbar.
  • Malat → Oxalacetat: Malat wird oxidiert, NAD⁺ nimmt Elektronen auf und wird zu NADH/H⁺. Dadurch entsteht wieder Oxalacetat, das für den nächsten Zyklus gebraucht wird.
• Das erzeugte NADH/H⁺ geht in die Atmungskette, wo es für ATP-Produktion genutzt wird.
• NAD⁺ wird im Citratzyklus dreimal zu NADH/H⁺ reduziert. Das reduzierte NADH/H⁺ geht dann in die Atmungskette, wo es Elektronen abgibt und ATP erzeugt.

NADH/H⁺ in der Atmungskette

• NADH/H⁺ geht in die Atmungskette (innere Mitochondrienmembran).
• Dort gibt es seine Elektronen an die Elektronentransportkette ab.
• Die Energie der Elektronen wird genutzt, um Protonen (H⁺) nach außen zu pumpen, was einen Protonengradienten erzeugt.
• Dieser Protonengradient treibt die ATP-Synthase an, die ATP aus ADP + Pᵢ produziert.
• Am Ende der Kette nehmen Sauerstoff (O₂) und Protonen (H⁺) die Elektronen auf und bilden Wasser (H₂O).

Regeneration von NAD⁺

• NADH/H⁺ wird wieder zu NAD⁺ regeneriert, damit es erneut im Citratzyklus genutzt werden kann.
• Ohne diesen Kreislauf könnte der Citratzyklus nicht weiterlaufen und keine Energie produziert werden.

Atmungskette: Ort und Funktion

• Die Atmungskette findet in der inneren Mitochondrienmembran statt.
• Sie ist der letzte Schritt der Zellatmung und dient der Energiegewinnung in Form von ATP.

Beteiligte Elemente der Atmungskette

• NADH und FADH₂ als Elektronenspender:
  • NADH gibt Elektronen (2 e⁻) an den Komplex I ab, wodurch NAD⁺ entsteht.
  • FADH₂ gibt seine Elektronen an den Komplex II ab und wird zu FAD oxidiert.
• Transport der Elektronen durch die Enzymkomplexe:
  • Die Elektronen wandern von Komplex I → Ubichinon (U) → Komplex III → Cytochrom C (C) → Komplex IV.
• Protonenpumpen und Aufbau eines Protonengradienten:
  • Komplexe I, III und IV pumpen H⁺-Ionen in den Intermembranraum.
  • Dadurch entsteht ein Konzentrations- und Ladungsgradient (außen mehr H⁺, innen weniger H⁺).
• Reduktion von Sauerstoff zu Wasser:
  • Am Komplex IV reagieren die Elektronen mit Sauerstoff (O₂) und Protonen (H⁺) aus der Matrix, wodurch Wasser (H₂O) entsteht.

Bedeutung fuer die Zelle der Atmungskette

• Durch den Protonengradienten wird die ATP-Synthase ermöglicht, da die Protonen durch dieses Enzym zurück in die Matrix strömen
• Dies ist der Hauptmechanismus zur ATP-Gewinnung in aeroben Organismen

Alternativer Ueberblick ueber die Zellatmung

• Der Citratzyklus liefert NADH, das in der Mitochondrienmatrix zu NAD⁺ oxidiert wird. Dabei werden Elektronen (e⁻) freigesetzt, die durch die Enzymkomplexe der Atmungskette wandern.
• Diese Elektronen ermöglichen den Transport von Protonen (H⁺) aus der Matrix in den Intermembranraum, wodurch ein Protonengradient entsteht.
• Sauerstoff (O₂) dient als finaler Elektronenakzeptor, indem er Elektronen und Protonen aufnimmt und Wasser (H₂O) bildet.
• Der Protonengradient treibt die ATP-Synthase an, die ATP aus ADP und Pᵢ (Phosphat) produziert – der wichtigste Prozess zur Energiegewinnung in der Zelle.

Schritte zur Erzeugung von Energie

• Schritte des Prozesses:
  • Elektronenübertragung: NADH und FADH₂ geben Elektronen an die Atmungskette ab.
  • Protonentransport: H⁺-Ionen werden in den Intermembranraum gepumpt.
  • Sauerstoff als Elektronenakzeptor: O₂ nimmt Elektronen und Protonen auf und bildet H₂O.
  • ATP-Synthese: Der Protonengradient ermöglicht die ATP-Synthese durch die ATP-Synthase.

Chemich-osmotische Modell

• Das chemiosmotische Modell beschreibt, wie durch den Protonengradienten über der inneren Mitochondrienmembran ATP synthetisiert wird.

• Der Grundsatz lautet: Die Atmungskette pumpt H⁺-Ionen aus der Matrix in den Intermembranraum, wodurch ein elektrochemisches Potenzial (Protonengradient) erzeugt wird. Die Protonen strömen durch die ATP-Synthase zurück in die Matrix, wodurch die Synthese von ATP aud ADP und Pᵢ angetrieben wird.