Abbauender Stoffwechsel – Zellatmung & ATP-Synthese

Das Wichtigste in Kürze

Die Zellatmung umfasst alle Prozesse im Körper, bei der Stoffe abgebaut werden, sodass Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) entsteht. Bestandteile der Zellatmung sind die Glykolyse, der Citronensäurezyklus, die Atmungskette und die ATP-Synthese. In all diesen Schritten wird Glukose in ATP umgewandelt. Pro Glukosemolekül entstehen insgesamt $$32$$​ ATP-Moleküle.

​$$10NADH + 10 H^+ + 2FADH_2 + 32ADP + 32 P_i + 6O_2 → 10NAD^+ + 2FAD + 12H_2O + 32ATP$$​​

Die Zellatmung

​​Glykolyse

Der erste Schritt der Zellatmung ist die Glykolyse, welche im Zellplasma abläuft. Pro Glukosemolekül entstehen $$2$$​ ATP Moleküle, sowie $$2$$​ Reduktionsäquivalente: $$NADH+H^+$$ und $$FADH_2$$​.

​$${Glukose + 2NAD^+ + 2ADP + 2P_i → 2Brenztraubensäure + 2NADH + H^+ + 2ATP}$$​​

• Glukose wird durch Diffusion von den Zellen im Körper aufgenommen.
• Aktivierung: es wird zweimal ein Phosphatrest ($$P_i$$​) an Glukose gebunden, sodass es nicht mehr aus der Zelle raus kann.
• Zerlegung des Fruktosemoleküls durch Hydrolyse in zwei $$C_3$$​-Moleküle
• Die zwei $$C_3$$​-Moleküle werden oxidiert (exergonische Reaktion) und zwei Moleküle $$NAD^+$$​ werden zu zwei $$NADH + H^+$$  reduziert.

Nach diesen Schritten wurde bereits ein Teil der Energie frei, jedoch kann die Brenztraubensäure auch noch energetisch nutzbar gemacht werden. Pro Glukosemolekül entstehen zwei Moleküle Brenztraubensäure, weshalb die folgenden Schritte zweimal pro Glukosemolekül ablaufen. Der vollständige Abbau der Brenztraubensäure zu Kohlenstoffdioxid ($$CO_2)$$​ ist nur möglich, wenn Sauerstoff ($$O_2$$) vorhanden ist und kann in den Citronensäurezyklus und die Atmungskette unterteilt werden.

Citronensäurezyklus

• Die Brenztraubensäure wird aus dem Zellplasma mithilfe von Transportmolekülen in die Mitochondrienmatrix im Innenraum des Mitochondriums bewegt.
• Die Brenztraubensäure wird für die nächsten Schritte mit einer Redox-Reaktion zu Acetyl-Coenzym A aktiviert, außerdem entsteht ein Reduktionsäquivalent ($$NADH+H^+$$​) und Kohlenstoffdioxid.
• Citronensäurezyklus: Citronensäure ($$C_6$$​) entsteht, indem der $$C_2$$​ -Körper Acetyl-Coenzym-A sich mit dem $$C_4$$​ -Körper Oxalessigsäure verbindet und dabei CoA abspaltet.
• Übertragung von Wasserstoff aus dem $$C_2$$​-Körper und aus angelagertem Wasser auf $$NAD^+$$​ und $$FAD$$​ , sodass Oxalsäure als Endprodukt entsteht.
• Der Zyklus kann wieder von Neuem beginnen, da nun Oxalsäure wieder mit Acetyl-Coenzym-A verbunden werden kann. In einem Zwischenschritt entsteht ein Molekül ATP aus ADP und $$P_i$$​.

Atmungskette / Oxidative Phosphorylierung

Bis hier konnten insgesamt vier ATP-Moleküle als Energie aus einem Glucosemolekül gewonnen werden. Aus den Reduktionsäquivalenten $$NADH+H^+$$​ und $$FADH_2$$​ wird in den letzten Schritten weitere Energie gewonnen, wobei Sauerstoff benötigt wird und außerdem Wasser gebildet wird.

Die Atmungskette ist der letzte Schritt der Zellatmung und findet in den Mitochondrien statt. In der inneren Membran der Mitochondrien befinden sich verschiedene Proteinkomplexe.

• An Proteinkomplex I lagert sich das $$NADH+H^+$$​ an, an den Proteinkomplex II das $$FADH_2$$​.
• Die Elektronen der Reduktionsäquivalente werden im Proteinkomplex weiter gegeben und aufgrund ihrer elektrischen Ladung werden die $$H^+$$-Ionen vom Innenraum der Mitochondrienmatrix in den Raum zwischen innerer und äußerer Mitochondrienmembran (Intermembranraum) transportiert.
• Die übrigen Proteinkomplexe geben die Elektronen bis zum Proteinkomplex IV weiter. Jedes $$NADH+H^+$$​ führt zum Übertritt von $$6H^+$$-Ionen in den Intermembranraum, und $$4H^+$$-Ionen für $$FADH_2$$​.
• $$NAD^+$$​und $$FAD$$​ stehen dann wieder für die Glykolyse und den Citronensäurezyklus zur Verfügung.
• Energie wird somit durch einen Protonengradienten, welcher durch die $$H^+$$-Ionen Konzentrationsdifferenz entsteht, auf beiden Seiten der Mitochondrienmembran gespeichert. Die Ionen von $$NADH+H^+$$​ und $$FADH_2$$​ werden am Ende der Atmungskette auf Sauerstoff übertragen und es entsteht $$H_2O$$​ (Wasser).
• Es entstehen weitere $$28$$​ ATP Moleküle.
  

Nvrhanden ist und kann in den Citronensäurezyklus und die Atmungskette unterteilt werden

ATP-Synthese

Ein weiterer Proteinkomplex in der inneren Mitochondrienmembran ist die ATP-Synthase. Durch die Konzentrationsdifferenzn von H+ Ionen wird ATP gebildet. Durch den Fluss von $$H^+$$​-Ionen wird eine endergone Reaktion von ADP (Adenosindiphosphat) und Phosphat ($$P_i$$) angetrieben. Dabei entsteht ATP und Wasser, und die Konzentrationsdifferenz der $$H^+$$​-Ionen sinkt wieder.
Für jedes Glukosemolekül entstehen $$32$$​ ATP Moleküle. Die $$O_2^-$$-Ionen verbinden sich mit $$H^+$$​-Ionen zu Wasser. Solange genug Glukose abgebaut wird, entstehen genügend Reduktionsäquivalente, sodass die Konzentrationsdifferenz erhalten bleibt.

Bilanz der Zellatmung​

Ein Molekül Glukose sorgt in der Zellatmung für $$32$$​ ATP Moleküle.

​$$10NADH + 10 H^+ + 2FADH_2 + 32ADP + 32 P_i + 6O_2 → 10NAD^+ + 2FAD + 12H_2O + 32ATP$$​​

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