Dieses Video bildet das erste Video einer Videoreihe, in der es um das Thema Zellatmung geht. Dieses Video soll lediglich eine Einführung geben. Die einzelnen, mit der Zellatmung verknüpften Stoffwechselwege oder aber vorangeschalteten oder alternativen Stoffwechselwege werden Gegenstand weiterer Videos zu dieser Reihe.
Was bedeutet eigentlich Zellatmung? Wie ihr wisst, gewinnen die allermeisten Organismen und auch wir Menschen ihre Energie aus Nährstoffen, die durch die Photosynthese produziert werden. Über den Prozess der Photosynthese nutzen die Pflanzen die Strahlungsenergie der Sonne, um energiereiche organische Verbindungen herzustellen. Allen voran der Zuckerglucose. Energie kann bei diesem Prozess der Photosynthese nicht verloren gehen.
Das heißt, die Strahlungsenergie, die von den Pflanzen absorbiert bzw. aufgefangen wird, wird über eine Vielzahl an Stoffwechselreaktionen in organische Verbindungen gespeichert. Die Strahlungsenergie steckt nun als chemische Energie zum Beispiel in den Glucosemolekülen.
Diese Energie nutzen auch wir Menschen, denn wir benötigen sie, um über lebensnotwendige, energieaufwendige Stoffwechselprozesse anzutreiben und aufrechtzuerhalten. Und wie nutzen wir sie? Über die Aufnahme und Verstoffwechselung von Nahrung. Ganz gleich, ob es sich dabei um pflanzliche oder tierische Nahrung handelt.
Denn auch die in den Tieren gespeicherte Energie stammt ursprünglich von den Pflanzen. Bei der Aufnahme der Nahrung nehmen wir zwar ganz verschiedene energiereiche Stoffe zu uns, viele von ihnen müssen jedoch zunächst in Glucose umgewandelt werden, um die in ihnen enthaltene Energie freizusetzen. Die entscheidende Frage ist nun, wie können wir die in den chemischen Verbindungen der Glucose steckende Energie nutzen?
Drei Stoffwechselprozesse spielen für das Einfangen der Energie aus Glucose eine entscheidende Rolle. Die Glykolyse, die Zellatmung und die Gerung. In allen Zellen sämtlicher Organismen beginnt der Glucoseabbau mit der Glykolyse. Einem Stoffwechselprozess, bei dem ein Molekül Glucose in zwei Moleküle Pyruvat als Endprodukt umgewandelt wird. Das Pyruvat wiederum kann zwei Wege einschlagen.
Zum einen kann es in Anwesenheit von Sauerstoff über den Prozess der Zellatmung zu CO2 und H2O umgewandelt werden. Zur Zellatmung gehören wiederum eine Abfolge von Stoffwechselreaktionen, nämlich die Pyruvatoxidation bzw. oxidative Dekarboxylierung, der Citratzyklus und die Atmungskette bzw.
auch Elektrontransportkette. Jedes Pyruvatmolekül wird in drei Moleküle CO2 umgewandelt. Weil aber aus einem Molekül Glucose zwei Moleküle Pyruvat entstehen, sind es folglich auch sechs Moleküle CO2 pro Glukosemolekül. Im Laufe dieses Prozesses, vor allem aber in der Atmungskette, wird ein Großteil der Energie, die in den chemischen Verbindungen des Pyruvats gespeichert ist, freigesetzt und in den ATP gespeichert.
Genauer gesagt in 32 ATP-Molekülen pro Glukosemolekül. Es würde an dieser Stelle zu weit führen, auf ATP detailliert einzugehen, aber für das Verständnis ist wichtig, Die in unserer Nahrung gespeicherte Energie wird über den Prozess der Zellatmung freigesetzt. Sie steht nun der Zelle zur Verfügung, um energieaufwendige Prozesse anzutreiben.
Allerdings wäre die Energie vor allem bei körperlicher Belastung sehr schnell aufgebraucht. Damit dies nicht passiert, wird die Energie in ATP, auch als Energiewährung und oder Energietaxi bezeichnet, gespeichert. Denn so kann die in ATP gespeicherte Energie erstens bei Bedarf erst freigesetzt werden und zweitens als Art Taxi auch an einem vollkommen anderen Ort der Zelle transportiert werden, nämlich da, wo Energie dann benötigt wird.
Zurück zu der Darstellung. Zum anderen kann das Pyruvat, insofern kein Sauerstoff vorhanden ist, über den Prozess der Gärung in Milchsäure oder Ethanol umgewandelt werden. Beide Moleküle sind noch recht energiereich.
Dieser unvollständige Glukoseabbau setzt also deutlich weniger Energie frei als bei der Zellatmung. Folglich fällt die ATP-Ausbeute mit nur zwei Molekülen vergleichsweise gering aus. Welcher dieser beiden Wege eingeschlagen wird, ist also in einem hohen Maße von der Verfügbarkeit von Sauerstoff aus der Umgebung abhängig.
Von den insgesamt fünf Stoffwechselwegen laufen vier unter aeroben Bedingungen ab. Weiterhin lässt sich der Ablauf der einzelnen Stoffwechselwege unterschiedlichen Bereichen in der Zelle zuordnen. Während die Glykolyse und auch die Gehrung im Zytoplasma stattfindet, läuft die Pyruvatoxidation und die Atmungskette in der inneren Mitochondrienmembran und der Citratzyklus in der Matrix der Mitochondrien ab. Die Stoffbilanz der Zellatmung lässt sich durch folgende Summengleichung zusammenfassen. Aus einem Molekül Glucose mit der chemischen Summenformel C6H12O6 und 6 Molekülen Sauerstoff werden 6 Moleküle CO2 und 6 mal H2O.
Dabei liefern Glykolyse und Zellatmung bis zu 32 ATP-Moleküle pro Glucosemolekül. Um die Herkunft von ATP-Molekülen zurückverfolgen zu können, habe ich euch in dieser Abbildung die ATP-Ausbeute in den jeweiligen Teilschritten mal dargestellt. Und auch, wo welche andere Stoffe gebildet werden.
An dieser Stelle erkennt ihr auch Stoffe, die wir bisher noch ganz außen vor gelassen haben, und zwar die Coenzyme NADH und FADH2. Und ihr seht, dass die Produktion dieser Stoffe für den weiteren Verlauf der Zellatmung sehr nützlich ist. Werden diese Coenzyme doch in der Atmungskette wieder benötigt?
Um die Funktionen dieser beiden Coenzyme als Elektronenüberträger gut nachvollziehen zu können, ist folgendes wichtig. Wir haben uns in diesem Video angeschaut, wie die Energie, die in einem Molekül Glucose steckt, freigesetzt wird, über den Prozess der Glykolyse und der Zellatmung. Chemisch betrachtet gewinnen die Zellen die Energie dabei durch einen Prozess, den man als Oxidation bezeichnet.
Im Laufe der Oxidation ändert sich die Menge an freier Energie. Während Glucose reduziert vorliegt und eine große freie Energie hat, wird diese Energie im Laufe der Oxidation freigesetzt. Denn die Endprodukte CO2 und H2O, die stark oxidiert sind, haben eine geringe freie Energie.
Die Oxidation bezeichnet im engeren chemischen Sinne die Abgabe von Elektronen. In der Biologie kann man den Begriff hingegen auch für die Abgabe von Wasserstoffatomen verwenden, weil die Abgabe eines Wasserstoffatoms immer auch mit der Abgabe von Elektronen einhergeht. Glucose gibt während seiner Oxidation also Wasserstoffatome und damit Elektronen ab. Das NAD-Plus-Molekül fungiert dabei als Transportmolekül. Es nimmt die zwei Elektronen und ein Wasserstoffproton auf, es wird dadurch reduziert und transportiert sie zum Ort der Atmungskette und überträgt sie dort wiederum auf andere Stoffe.
Auch der Begriff Redoxreaktion, den ihr bestimmt kennt, ergibt jetzt Sinn. Denn die Reduktion, zum Beispiel von NAD+, zu NADH+++, also der Aufnahme von Elektronen, ist auch immer eine Oxidation, also die Abgabe von Elektronen, verbunden. Insgesamt lässt sich also im Hinblick auf den Glucoseabbau und damit verbunden die Energiebereitstellung in der Zelle festhalten, die freie Energie. die bei der Oxidation von Glucose freigesetzt wird, wird von der Zelle in Form von ATP gespeichert. An der Synthese von ATP durch den Abbau von Glucose sind fünf Stoffwechselwege beteiligt, die die Energie für die unzähligen anderen Reaktionen bereitstellen, welche in lebenden Zellen ablaufen.
Bei dem Prozess der Oxidation werden Elektronen abgegeben. Diese werden auf die Elektronenüberträgerstoffe NAD plus und FADH übertragen. In der Atmungskette wiederum werden die Elektronen in einer Elektronentransportkette über eine Vielzahl von Redoxreaktionen weitergegeben. Bei diesem komplexen Prozess, bei dem auch die Rolle des Sauerstoffs als finaler Elektronenakzeptor deutlich wird und den wir uns in einem weiteren Video anschauen werden, wird viel Energie freigesetzt, die folglich auch in besonders vielen ATP-Molekülen gespeichert werden kann.