Big Bang HTL 4, Schulbuch

Stoffwechsel 4 Biochemie und Biotechnologie (IV. Jahrgang, 7. Semester) 53 In dieser Ausbeute sind Transportverluste schon einge- rechnet. CLIL – Cellular respiration During cellular respiration, a glucose molecule is gradually broken down into carbon dioxide and water. Along the way, some ATP is produced directly in the reactions that trans- form glucose. Much more ATP, however, is produced later in a process called oxidative phosphorylation. Oxidative phos- phorylation is powered by the movement of electrons through the electron transport chain, a series of proteins embedded in the inner membrane of the mitochondrion. Abb. 4.14: Overview of cellular respiration To see how a glucose molecule is converted into carbon dioxide and how its energy is harvested as ATP and NADH in one of your body’s cells, let’s walk, step by step, through the four stages of cellular respiration. 1. Glycolysis . In glycolysis, glucose—a six-carbon sugar— undergoes a series of chemical transformations. In the end, it is converted into two molecules of pyruvate, a three-carbon organic acid. In these reactions, ATP is made, and NAD is converted to NADH. 2. Pyruvate oxidation . Each pyruvate from glycolysis goes into the mitochondrial matrix—the innermost compart- ment of mitochondria. There, it’s converted into a two- carbon molecule bound to coenzyme A, known as acetyl CoA. Carbon dioxide is released and NADH is generated. 3. Citric acid cycle. The acetyl CoA made in the last step combines with a four-carbon molecule and goes through a cycle of reactions, ultimately regenerating the four- carbon starting molecule. ATP, NADH and FADH are pro- duced, and carbon dioxide is released. 4. Oxidative phosphorylation . The NADH and FADH made in other steps deposit their electrons in the electron trans- port chain, turning back into their “empty” forms. As elec- trons move down the chain, energy is released and used to pump protons out of the matrix, forming a gradient. Protons flow back into the matrix through an enzyme cal- led ATP synthase, making ATP. At the end of the electron transport chain, oxygen accepts electrons and takes up protons to form water. i Abb. 4.13: Atmungskette Mit der frei werdenden Energie wird dann ATP gebildet. Dies geschieht aber nicht direkt, sondern über den Aufbau eines H + -Ionengradienten an der inneren Mitochondrienmem- bran. Dieser Gradient (bzw. der Drang diesen auszugleichen) liefert die Energie zur Bildung großer Mengen an ATP (2,5 pro NADH, 1,5 pro FADH). Ort: Innere Mitochondrienmembran Details: Bisher war die Ausbeute an ATP gerade mal 4 ATP pro Glucosemolekül. Die wirklich große Menge an ATP ent- steht erst im letzten Schritt der Zellatmung, der Atmungs- kette genannt wird. Zusätzlich zu den 4 ATP sind im Laufe der bisherigen Reaktionen auch viele NADH freigesetzt worden. Die darin transportierten Elektronen können nun genutzt werden weitere ATP zu bilden. In der inneren Mitochondrienmembran befinden sich eine Vielzahl von Proteinkomplexen, die organische Moleküle (Coenzyme) enthalten. Diese Coenzyme können die e - vom NADH über- nehmen und weitergeben. NADH wird dabei wieder zum NAD + und steht nun in den anderen Reaktionen der Zellat- mung wieder zur Aufnahme von e – zur Verfügung. So wan- dern die e – vom NADH über viele Moleküle durch die Mem- bran zum Sauerstoff , der dadurch reduziert wird. Mit H + entsteht Wasser. Man spricht deshalb von einer Elektronen- transportkette. Die wichtigste Aufgabe dieser Elektronentransportkette ist der Aufbau eines H + -Gradienten , also eines Konzentrations- unterschiedes an der Membran. Diesen Unterschied kann ein weiterer Proteinkomplex in der Membran, die ATP- Synthase, nutzen. Die H + -Ionen können durch diese hin- durchfließen, um die H + -Konzentration wieder auszuglei- chen. Dabei rotiert der Proteinkomplex in der Membran wodurch er sehr stark an die Turbine eines Wasserkraftwer- kes erinnert. Mit Hilfe dieser Drehung kann ATP gebildet werden. Der Elektronen- und H + -Transport der Atmungskette ist in Abb. 4.8 dargestellt. ( F11 ) Die Atmungskette ist in der Lage 2,5 ATP pro NADH und 1,5 ATP pro FADH zu bilden. Dies führt zu einer Nettoausbeu- te von weiteren 28 ATP Molekülen. In Summe mit der ATP Gewinnung der Glycolyse und des Citratcyclus ergeben sich 32 ATP/Glucose (siehe Abb. 4.5). Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv