Aufgaben 64 Der Ablauf der Zellatmung Die Zellatmung besteht aus einer langen Abfolge von biochemischen Reaktionen, die teilweise im Zytoplasma der Zellen und teilweise in den Mitochondrien ablaufen. Einen Überblick über die beteiligten Schritte gibt dir Abbildung 25. Wir verfolgen den Abbau des energiereichen, organischen Moleküls Glukose (Traubenzucker), um zu verstehen, wie daraus Energie in den Zellen verfügbar gemacht werden kann. Die Zellatmung besteht aus mehreren Prozessen: der Glykolyse, die im Zytoplasma abläuft, dem Citratzyklus (auch genannt Krebszyklus1), der in den Mitochondrien abläuft, und der Atmungskette, die ebenso in den Mitochondrien, den „Kraftwerken“ der Zelle, abläuft. Bei der Glykolyse wird Glukose oxidiert und in Pyruvat gespalten. Im nächsten Schritt wird Pyruvat in die Mitochondrien transportiert, oxidiert, aktiviert und schließlich in den Citratzyklus eingespeist. In den bisherigen Abbauschritten wurden CO2 und Elektronen freigesetzt. Die freigewordenen Elektronen wurden aber sofort an Überträgermoleküle (NADH, FADH2 1) gebunden, sie sind auf diese Weise zwischengespeichert. Im letzten Schritt der Zellatmung, in der Atmungskette, werden diese Elektronen nun genutzt: Durch die Übertragung der Elektronen an den Sauerstoff geschieht der Großteil der Energieumwandlung durch Aufbau von ATP. In den nächsten Abschnitten wirst du mehr zu den einzelnen Schritte der Zellatmung (Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette) erfahren. Zuerst aber betrachten wir noch die gesamte Energiebilanz aller Schritte der Zellatmung. ½ O2 H2O NADH e– e– NADH e– e– NADH e– e– FADH2 e– e– ATP ATP CO2 ATP ATP CO2 + 12-mal 2 2 6 2 Acetylrest als Acetyl-CoA Citratzyklus Oxalacetat Citrat Pyruvatoxidation Pyruvat Glykolyse Glukose Atmungskette 2 2 2 4 2 34 2 Summe C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 38 24 e– + 2H+ + 2H+ + 2H+ + 6 H+ Abb. 25: Energieumwandlung in der Zellatmung. Auch Glykolyse und Citratzyklus liefern Beiträge zur Energiefreisetzung. Der Großteil des ATP wird aber in der Atmungskette gewonnen. 1 FAD/FADH 2: Flavin-Adenin-Dinukleotid; Elektronen übertragendes Coenzym; Im Gegensatz zu NAD+ kann FAD einzelne Elektronen übertragen. 2 Hans A. Krebs: in Deutschland geborener britischer Biochemiker, 1900–1981; Er erforschte die Zellatmung und entdeckte den Krebszyklus oder Citratzyklus, der nach ihm benannt ist. Für seine Forschungsarbeit wurde ihm 1953 der Nobelpreis verliehen. Reaktionen, bei denen Elektronen aufgenommen bzw. abgegeben werden nennt man Reduktion bzw. Oxidation Die Energiebilanz der Zellatmung Die Energie, die aus einem Molekül Glukose umgewandelt werden kann, beträgt 38 Moleküle ATP. Die Summenformel und die einzelnen Beiträge der Teilreaktionen der Zellatmung siehst du in Abbildung 25. Von den 38 ATP-Molekülen stammen zwei aus der Glykolyse, zwei aus dem Citratzyklus (bei zwei Umläufen, da pro Glukose-Molekül zwei Moleküle Pyruvat entstehen). Die restlichen 34 ATP werden in der Atmungskette in den Mitochondrien erzeugt. Jedes gewonnene NADH ist also drei ATP wert. Jedes FADH2 erbringt nur zwei ATP. Diese Bilanz gilt für alle pflanzlichen Zellen, aber nicht für alle tierischen Zellen. In manchen Zellen, wie zB in unseren Skelettmuskeln, werden nur 36 ATP Moleküle pro Molekül Glukose erzeugt. Der Grund dafür ist, dass der Transport der bei der Glykolyse gewonnenen Elektronen in die Mitochondrien bei tierischen Zellen etwas anders funktioniert als bei Pflanzen. Pro Molekül Glukose werden in der Zellatmung 38 Moleküle ATP gewonnen 1 S Bei der Zellatmung deiner Körperzellen entstehen CO2 und H2O als Endprodukte. Stelle eine Vermutung an, welche der beiden Verbindungen den eingeatmeten Sauerstoff enthält und begründe deine Schlussfolgerung. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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