Die Rolle von Sauerstoff bei der Zellatmung

Warum ist Sauerstoff bei der Zellatmung wichtig?

Die Zellatmung ist der Prozess, mit dem Zellen die in Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen gespeicherte Energie abrufen. Glukose und andere Moleküle werden abgebaut, und aus der freigesetzten Energie wird ein weiteres Molekül namens Adenosintriphosphat (ATP) hergestellt, die "Energiewährung" der Zelle. Während unsere Zellen mithilfe der Gärung ATP ohne Sauerstoff herstellen können, ist die Zellatmung weitaus effizienter – so dass Menschen und die meisten anderen Tiere schnell sterben, wenn ihnen Sauerstoff entzogen wird.

Funktionsweise der Zellatmung

Die Zellatmung beginnt mit der Glykolyse, bei der ein Glukosemolekül im Zytoplasma der Zelle gespalten wird. Die wichtigsten Schritte in der Zellatmung finden jedoch in den Mitochondrien statt, den Kraftwerken der Zelle, in denen Elektronen eine Reihe von in die Membran eingebetteten Proteinen passieren, die als Elektronentransportkette bezeichnet werden. Jedes Protein verwendet einen Teil der Energie aus dieser Übertragung, um Wasserstoffionen in den Raum zwischen der inneren und der äußeren Membran des Mitochondriums zu pumpen. Durch die Konzentration von Wasserstoffionen in diesem Raum erzeugt das Mitochondrium einen Gradient, mit dem ATP erzeugt werden kann, ähnlich wie Wasser bergauf gepumpt wird, um eine Turbine anzutreiben. Das ATP wird dann anderen Prozessen in der Zelle zur Energiegewinnung zur Verfügung gestellt.

Rolle des Sauerstoffs und Gärung

Am Ende der Elektronentransportkette in den Mitochondrien werden Elektronen an Sauerstoff (O2) abgegeben, der sich mit Wasserstoffionen zu Wasser verbindet. Ohne die O2-Moleküle zur Aufnahme der Elektronen könnte die Elektronentransportkette nicht funktionieren.

Zellatmung bezieht sich im Allgemeinen auf aerobe Atmung, wobei Zellen den oben beschriebenen Prozess zur Herstellung von ATP verwenden. Wenn jedoch kein Sauerstoff verfügbar ist, können unsere Zellen durch Milchsäuregärung immer noch eine begrenzte Menge ATP produzieren. In diesem Prozess nutzt die Zelle die Glykolyse, um Glukose aufzubrechen (genau wie bei der aeroben Atmung), und spendet Elektronen an ein Zuckermolekül namens Pyruvat, das sich bildet, wenn Glukose abgebaut wird. Diese Reaktion führt zu einem Nebenprodukt namens Milchsäure.

Die aerobe Atmung liefert viel mehr ATP als die Milchsäuregärung. Bei der Gärung nimmt das Pyruvat Elektronen aus der Glykolyse auf. Bei der aeroben Atmung hingegen wird das Pyruvat noch weiter abgebaut, um mehr ATP in den Mitochondrien zu produzieren. Infolgedessen kann die aerobe Atmung bis zu 19-mal mehr ATP pro Glucosemolekül erzeugen als die Milchsäuregärung.

Sauerstoff ist wichtig, weil er die aerobe Atmung ermöglicht, indem er Elektronen von der Glukose aufnimmt und die Transportkette in den Mitochondrien antreibt. Manchmal ist in einigen Muskelzellen kein Sauerstoff verfügbar (normalerweise während schwerer körperlicher Betätigung). In solchen Situationen kehren die Muskelzellen vorübergehend zur Milchsäuregärung zurück, die weitaus weniger Energie liefert.