Nachdem die aufgenommenen Kohlenhydrate zu Glukose abgebaut wurden und über den Blutzucker in die Zellen gelangten, beginnt die aerobe Atmung beziehungsweise Zellatmung. Bei der aeroben Atmung wird i.d.R. D-Glucose unter Energiegewinnung in Form von ATP metabolisiert, wobei Sauerstoff als letztes Oxidationsmittel dient. Die einzelnen Prozesse werden hierbei von Enzymen katalysiert.
Die Zellatmung besteht aus folgenden Prozessen:
Zytoplasma
Die Hexose Glucose wird zu 2 Molekülen des C3-Körpers Pyruvat abgebaut.
Zuerst wird die Glucose in der Energiegewinnungsphase zweimal phosphoryliert (eine Phosphatgruppe wird angelagert) und durch eine Isomerase umgewandelt. Zwei ATP werden verbraucht.
Die Hexose wird in zwei C3 Körper gespalten, dann beginnt die Energiegewinnungsphase. Pro C3 Körper entstehen bei der Reaktion zu Pyruvat 2 Moleküle ATP durch die Phosphorylierung von ADP und 1 NADH / H+ durch die Reduktion von NAD+.
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Energieinvestitionsphase |
Energiegewinnungsphase |
Weitere Produkte |
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2x ADP aus ATP |
4x ATP aus ADP |
2x Pyruvat |
2 ATP
2 NADH/H+
Mitochondrienmatrix
Es entsteht aus Pyruvat Acetyl-Coa, indem CO2 abgespalten wird und die erzeugte Energie genutzt wird, um das entstandene Acetat mit dem Coenzym A zu verbinden. Zudem wird 1 NADH/H+ pro Pyruvat Molekül aus NAD+ und 2 H Atomen gewonnen.
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Energieträger |
weitere Produkte |
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2 NADH/H+ |
2x Acetyl Coa (auch aktivierte Essigsäure) |
Mitochondrienmatrix
In einem zyklischen Vorgang werden erst Acetyl Coa und Oxalacetat zum namensgebenden Citrat verbunden. Danach wird das Citrat wieder zu Oxalacetat abgebaut. Hierbei entstehen:
2x CO2
3x NADH/H+ aus NAD+
1x FADH2 aus FAD
1x GTP aus GDP
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Energieträger |
weitere Produkte |
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6x NADH/H+ 2x FADH2 |
2x GTP (wird zu ATP umgewandelt) |
innere Mitochondrienmembran, Intermembranraum
10 NADH/H+, 2 FADH2
Aus dem NADH/H+ und dem FADH2 wird in der Atmungskette Energie in Form von ATP gewonnen. Dies geschieht über vier Multienzymkomplexe und die ATP-Synthase in der inneren Mitochondrienmembran. Das NADH + H+ und das FADH2 reduzieren jeweils einen Multienzymkomplex und werden unter Abgabe von zwei Elektronen und Protonen selbst zu NAD+ und FAD oxidiert. Der Multienzymkomplex gibt die in der Redoxreaktion erhaltenen Elektronen an den nächsten Multienzymkomplex weiter, wobei das Energieniveau der Elektronen sinkt und Energie frei wird. Durch die Energie werden Protonen in den Intermembranraum befördert. Am vierten Komplex werden die Elektronen auf ein Sauerstoffatom übertragen. Ein Anion entsteht, welches mit zwei Protonen zu Wasser reagiert. Im Intermembranraum ist die Protonenkonzentration höher. Der Protonengradient (elektrochemischer Gradient) führt zur Chemiosmose, die Protonen diffundieren durch die ATP-Synthase zurück und betreiben die Synthese von ca. 34 ATP pro Glucose Molekül. Aufgrund der Antreibung einer Phosphorylierung von ADP durch die Oxidation von NADH und FADH2 spricht man von einer oxidativen Phosphorylierung. Bei der Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff wird sozusagen eine kontrollierte Knallgasreaktion durchgeführt.
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Energieträger |
weitere Produkte |
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ca. 34 ATP |
ca. 12 H2O |
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Prozess |
erzeugte ATP |
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Glykolyse |
2x ATP |
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Citratzyklus |
2x ATP |
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Atmungskette |
ca. 34x ATP |
Je nach Zellart variiert die Ausbeute je nach Effizienz der Transportvorgänge. Der Transport der NADH/H+ aus der Glykolyse vom Cytoplasma in das Mitochondrium kann unterschiedlich effizient sein:
Bei einem Glycerin-3-Phosphat-Shuttle ist die Ausbeute pro NADH/H+ aus der Glykolyse 1,5 ATP, bei Malat-Aspartat-Shuttles 2,5 ATP.
Bei einem Verlust von 2 ATP durch Transportvorgänge ergeben sich:
2 ATP + 2 ATP + 34 ATP - 2 ATP = 36 ATP
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