Was ist Katabolismus?
Der Katabolismus ist eine Gruppe von Stoffwechselprozessen, bei denen große und komplexe Moleküle (Kohlenhydrate, Lipide...) in kleinere und einfachere Moleküle (Glukose, Fettsäuren...) zerlegt werden und dabei Energie freigesetzt wird. Innerhalb des Katabolismus sticht die aerobe Zellatmung hervor, da sie große Mengen an Energie erzeugt.
Diese Energie wird in Form von ATP freigesetzt und von den Zellen verwendet, um verschiedene lebenswichtige Funktionen wie Wachstum, Gewebereparatur, Muskelkontraktion und Aufrechterhaltung der Körpertemperatur zu erfüllen.
Beim Abbau von ATP-Molekülen wird Energie für die Synthese von Proteinen, DNA, RNA und anderen wichtigen Makromolekülen freigesetzt.
Was ist Zellatmung?
Die Zellatmung ist eine Gruppe von Stoffwechselprozessen, mit denen die Zellen Nährstoffe, hauptsächlich Glukose, in nutzbare Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) umwandeln. Dieser Prozess ist grundlegend für das Funktionieren von Zellen und damit von lebenden Organismen.
Die Zellatmung kann aerob oder anaerob sein. In diesem Artikel werden wir uns auf die aerobe Zellatmung konzentrieren, die aus den folgenden Schritten besteht:
- Glukolyse: Zersetzt Glukose in ein einfacheres Molekül (Pyruvat), das dann in Acetyl-CoA umgewandelt wird. Dieses Molekül wird im Krebs-Zyklus aufgespalten, um große Mengen an Energie zu gewinnen.
- Pyruvat-Decarboxylierung: Jedes Pyruvat-Molekül wird in Acetyl-CoA umgewandelt, wobei CO₂ und NADH entstehen.
- Krebs-Zyklus: Die Reaktionen, aus denen dieser Zyklus besteht, sind für den Zellstoffwechsel von entscheidender Bedeutung, da er aus Acetyl-CoA-Molekülen hochenergetische Moleküle freisetzt.
- Elektronentransportkette: Elektronen aus den im vorherigen Schritt erzeugten Molekülen werden freigesetzt, wobei große Mengen an Energie in Form von ATP entstehen.
Glykolyse. Beginn der Zellatmung
Die Glykolyse findet im Zytoplasma der Zelle statt und besteht aus dem Abbau von Glukose, wobei zwei Pyruvatmoleküle, zwei Moleküle ATP und zwei Moleküle NADH als Endprodukte entstehen.
Die Glykolyse ist ein zentraler Weg im Energiestoffwechsel, der schnell Energie in Form von ATP liefert und durch die Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA Zwischenprodukte erzeugt, die in anderen Stoffwechselwegen wie dem Krebszyklus verwendet werden können.
Dieser Prozess hat zwei Phasen:
- Die Energiewendephase: In dieser Phase werden zwei ATP-Moleküle verbraucht, um Glukose in reaktivere Zwischenprodukte zu phosphorylieren.
- Die Energieerzeugungsphase: In dieser Phase werden die zuvor erzeugten Moleküle in Pyruvat umgewandelt, wobei zwei Moleküle ATP und zwei Moleküle NADH entstehen.
Die allgemeine Gleichung lautet:
Glucose + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2Pyruvat + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O.
Decarboxylierung von Pyruvat
Die Pyruvat-Decarboxylierung ist ein wichtiger Stoffwechselprozess, bei dem Pyruvat, das Endprodukt der Glykolyse, in Acetyl-CoA umgewandelt wird. Dieser Prozess ist eine Übergangsstufe, die die Glykolyse mit dem Krebszyklus verbindet.
Dieser Prozess findet in der mitochondrialen Matrix eukaryontischer Zellen statt, wo Pyruvat (ein 3-Kohlenstoff-Molekül) eine Carboxylgruppe in Form von Kohlendioxid verliert, was zur Bildung eines 2-Kohlenstoff-Moleküls führt.
Das entstehende Zweikohlenstoffmolekül wird oxidiert, und die bei dieser Reaktion freigesetzten Elektronen werden auf NAD+ übertragen, um NADH zu bilden. Das Zwei-Kohlenstoff-Molekül, nun in Form einer Acetylgruppe, bindet sich an Coenzym A (CoA) und bildet Acetyl-CoA.
Allgemeine Gleichung:
Pyruvat + NAD + CoA → Acetyl-CoA + CO2 + NADH + H+.
Krebs-Zyklus. Entscheidender Prozess der Zellatmung
Der Krebs-Zyklus, auch bekannt als Zitronensäurezyklus oder Tricarbonsäurezyklus (TCA), ist eine Reihe von chemischen Reaktionen, die in der mitochondrialen Matrix eukaryontischer Zellen und im Zytoplasma von Prokaryonten stattfinden.
Es ist einwichtiger Bestandteil des Zellstoffwechsels und spielt eine zentrale Rolle bei der Energiegewinnung durch die vollständige Oxidation von Acetyl-CoA-Molekülen. Bei dieser Reihe von Reaktionen wird Energie in Form von ATP, NADH und FADH2-Molekülen freigesetzt.
Seine Hauptfunktion besteht darin, Energie in Form von ATP und energiereichen Elektronen zu erzeugen, die von den Molekülen NADH und FADH2 transportiert werden, um anschließend weitere ATP-Moleküle in der Elektronenkette zu erzeugen.
Allgemeine Gleichung:
Acetyl-CoA + 3NAD + FAD + GDP + Pi + 2H2O → 2CO2 + 1GTP + 3NADH + FADH2+ 3H+.
Elektronentransportkette
Die Elektronentransportkette (ETC), auch bekannt als Atmungskette, ist die letzte Stufe der aeroben Zellatmung und findet in der inneren Membran der Mitochondrien in eukaryotischen Zellen statt. Ihre Hauptaufgabe ist die Herstellung von ATP durch oxidative Phosphorylierung unter Verwendung der von NADH und FADH₂ gespendeten Elektronen, die bei der Glykolyse, der Pyruvat-Decarboxylierung und dem Krebszyklus entstehen.
<Hochenergetische Elektronen aus NADH und FADH₂ werden durch eine Reihe von Proteinkomplexen in der inneren Mitochondrienmembran übertragen. Die bei diesen Schritten freigesetzte Energie wird genutzt, um Protonen (H⁺) in den Intermembranraum zu pumpen, wodurch ein Protonengradient entsteht. Die Protonen fließen über die ATP-Synthase, die die ATP-Synthese antreibt, zurück in die mitochondriale Matrix.
Die allgemeine Gleichung lautet:
NADH + H+ + O2 → NAD + H2O + 3ATP
FADH2 + O2 → FAD + H2O + 2ATP
Unter Berücksichtigung der oben genannten Prozesse lautet die Gesamtgleichung der zellulären aeroben Atmung:
C6H12O6+ 6O2→ 6CO2 + 6H2O + ATP (36-38 Moleküle)
