Atmungskette

1. Allgemeines zur Verdauung

Wenn man in der 8. oder 9. Klasse Biologie-Unterricht oder in der Stufe 11 Ernährungslehre hat, so lernt man in der Unterrichtsreihe über das menschliche Verdauungssystem sicherlich, dass es drei Nährstoffe gibt, die vom menschlichen Körper verwertet werden können, nämlich Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße.

Der menschliche Körper kann drei Nährstoffe verwerten:

  • Kohlenhydrate
  • Fette
  • Eiweiße

Mit der Nahrung gelangen diese Nährstoffe in unseren Magen, dann in unseren Darm. Dort werden die Nährstoffe verdaut. Mit Hilfe bestimmter Enzyme werden die Nährstoffe in ihre Bausteine zerlegt, Kohlenhydrate in Glucose, Fette in Glycerin und Fettsäuren und Eiweiße in Aminosäuren.

Bei der Verdauuung werden die Nährstoffe in ihre Bausteine zerlegt:

  • Kohlenhydrate in Glucose
  • Fette in Glycerin und Fettsäuren
  • Eiweiße in Amiosäuren

Die Bausteine gelangen dann in den Blutkreislauf und von dort in die einzelnen Zellen.

Wie Sie sicherlich ebenfalls aus dem Biologie- oder Ernährungslehreunterricht wissen, unterteilt man die Nährstoffe in Brennstoffe und Baustoffe. Eiweiße gehören zu den Baustoffen, während Kohlenhydrate und Fette zu den Brennstoffen gehören.

Nährstoffe werden unterteilt in Baustoffe und Brennstoffe:

  • Baustoffe sind Eiweiße
  • Brennstoffe sind Kohlenhydrate und Fette

Die Brennstoffe heißen so, weil sie in den Zellen des Körpers "verbrannt" werden. Allerdings sind dafür keine höheren Temperaturen notwendig, sondern mit Hilfe bestimmter Enzyme kann diese Verbrennung bei normaler Körpertemperatur stattfinden.

2. Allgemeines zur Oxidation der Glucose

Wir wollen uns jetzt näher mit der "Verbrennung" der Kohlenhydrate beschäftigen. Alle Kohlenhydrate werden zunächst in ihre Bausteine zerlegt, nämlich in Glucose- und Fructose-Moleküle. Die Fructose ist beispielsweise ein Bestandteil des Disaccharids Saccharose, den meisten von Ihnen auch als "Haushaltszucker" oder "Rohrzucker" bekannt. In den Zellen wird die Fructose aber recht schnell in Glucose umgewandelt. Beide Moleküle haben die gleiche Summenformel, sind also - chemisch gesehen - Isomere (gleiche Summenformel, aber unterschiedliche Strukturformel).

Betrachten wir nun die berühmte Gleichung, die Sie sicherlich auch aus Ihrem Biologie- oder Ernährungslehre-Unterricht kennen:

C6H12O6 + 6 O2 ===> 6 CO2 + 6 H2O + Energie

Diese Gleichung beschreibt, wie in der Zelle der Glucose C6H12O6 unter Verbrauch von Sauerstoff O2 und Gewinnung von Energie zu Kohlendioxid CO2 und Wasser H2O abgebaut wird.

Chemisch gesehen handelt es sich um eine Oxidation des Glucose-Moleküls, denn es wird a) Sauerstoff zugeführt und b) Wasserstoff abgespalten.

Unter einer Oxidation versteht man einen der folgenden drei Prozesse:

  • Aufnahme von Sauerstoff
  • Abgabe von Wasserstoff
  • Abgabe von Elektronen

3. Ziel der aeroben Oxidation ist die Gewinnung von ATP

Leider ist diese aerobe Oxidation (aerob = Aufnahme von Sauerstoff) der Glucose recht komplex, die oben gezeigte Reaktionsgleichung ist quasi nur die Zusammenfassung eines Prozesses, der in vielen Einzelschritten an unterschiedlichen Orten der Zelle abläuft, im Cytoplasma, im Plasma der Mitochondrien und in der Membran der Mitochondrien. Ziel dieser aeroben Oxidation ist letzten Endes nicht die Gewinnung von Kohlendioxid und Wasser, wie es die Reaktionsgleichung vielleicht nahe legt, sondern die Synthese von ATP.

ATP = Adenosintriphosphat, die universelle Energiewährung der Zelle.

ATP besteht aus einem großen organischen Molekül, dem Adenosin, das mit drei Phosphatgruppen verbunden ist. Die Bindungen zwischen den Phosphatgruppen sind sehr energiereich, daher kann man ATP als Energiespeicher ansehen.

Wird eine der drei Phosphatgruppen aus dem ATP abgespalten, so wird die gespeicherte Bindungsenergie freigesetzt und kann für andere Stoffwechselprozesse genutzt werden.

ATP + H2O ===> ADP + Pi + Energie

Diese Reaktionsgleichung zeigt Ihnen, wie das ATP-Molekül gespalten wird. Dabei entstehen ADP (Adenosindiphosphat) und ein anorganischer Phosphatrest Pi (i = inorganic).

Das ADP ist immer noch energiereich und kann daher weiterreagieren:

ADP + H2O ===> AMP + Pi + Energie

Es entstehen AMP (Adenosinmonophosphat), Phosphat und Energie. Allerdings ist dieser Reaktion nicht so häufig wie die Spaltung von ATP in ADP und Phosphat.

Irgendwann ist das gespeicherte ATP der Zellen aufgebraucht, und neues ATP muss hergestellt werden. Wie geht das?

Wenn ATP "verbraucht" wird, entsteht ja ADP. Nun ist die Reaktion

ATP + H2O ===> ADP + Pi + Energie

reversibel, also "rückgängig machbar":

ADP + Pi + Energie ===> ATP + H2O

Dies ist die Aufgabe der Mitochondrien, der "Kraftwerke" der Zelle. Unter Verbrauch von Energie wird an ein ADP-Molekül wieder ein anorganischer Phosphatrest angebaut. Aber woher kommt diese Energie?

Jetzt sind wir wieder beim Anfangsthema, der Oxidation von Glucose. Betrachten Sie dazu folgendes Schema:

Die Glucose wird aerob oxidiert, dabei entsehen als "Abfallprodukte" Kohlendioxid und Wasser. Die dabei frei gesetzte Reaktionsenergie wird von bestimmten Enzymen genutzt, um in den Mitochondrien ATP aus ADP und Phosphat herzustellen. Das so gewonnene ATP kann dann wiederum verwendet werden, um andere endotherme Stoffwechselreaktionen anzutreiben.

4. Die Atmungskette

Das Schema der ATP-Gewinnung ist sehr stark vereinfacht; in Wirklichkeit ist die aerobe Oxidation in drei Abschnitte unterteilt, von denen die Glycolyse nur der erste ist.

In der Glycolyse wird die Glucose in zwei kleinere organische Moleküle mit je 3 C-Atomen zerlegt, und etwas Energie wird dabei gewonnen.

Der zweite Schritt des aeroben Glucose-Abbaus ist der Citratzyklus (Zitronensäurezyklus). Hier werden die C3-Moleküle aus der Glycoloyse weiter oxidiert, und dabei wird jede Menge Wasserstoff gewonnen - allerdings kein gasförmiger, sondern chemisch gebundender Wasserstoff.

FAD, NAD, NADP = Coenzyme, die in der Lage sind, Wasserstoff chemisch zu binden. Dabei enstehen dann die reduzierten Formen FADH2, NADH2 und NADPH2.

FAD + 2 H ===> FADH2

Diese Reaktionen sind reversibel, können also auch in der umgekehrten Richtung ablaufen. Die reduzierten Coenzyme können also den gespeicherten Wasserstoff auf andere Moleküle übertragen, die reduziert werden sollen:

FADH2 + X ===> 2 FAD + XH2

Dieser chemisch gebundene Wasserstoff reagiert nun im dritten Schritt - der Atmungskette - mit Sauerstoff. Bei dieser stark exothermen Reaktion (vergleichbar mit den Prozessen, die auch in einer Rakete ablaufen) wird sehr viel ATP gewonnen:

Prozesse in einer Rakete:

2 H2 + O2 ===> 2 H2O + Energie

Prozesse in der Atmungskette:

2 NADH2 + O2 ===> 2 NAD + 2 H2O + Energie

ADP + Pi + Energie ===> ATP

Und damit hat die Zelle ihre eigentliches Ziel erreicht: Gewinnung von möglichst viel ATP aus der Glucose.

Aerobe Oxidation der Glucose

Ziel: Gewinnung von ATP aus ADP, Pi und Energie.

Weg: Oxidation von Glucose (Glycolyse, Citratzyklus) liefert chemisch gebundenen Wasserstoff (und CO2 als Abfallprodukt), der dann in der Atmungskette mit dem Luftsauerstoff zu Wasser reagiert. Dabei wird viel Energie frei, die zur ATP-Gewinnung genutzt wird.

Dies war nur ein erster Einstieg in das Thema "aerobe Dissimilation". Wenn Sie mehr darüber lesen wollen, klicken Sie bitte die entsprechenden Abschnitte an: Glycolyse - Citratzyklus - Atmungskette.

Die Stellung der Atmungskette im Stoffwechsel.





(C) Ulrich Helmich, November 2003, verändert und ergänzt im Oktober 2009





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