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Es gibt zwei Arten der zellulären Atmung: aerobe und anaerobe. Aerobe Atmung kann nur in Anwesenheit von Sauerstoff stattfinden. Anaerobe Atmung, auch Gärung genannt, kann ohne Sauerstoff stattfinden. Zelluläre Atmung ist eine Reihe von metabolischen Prozessen, die Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) erzeugen. ATP ist eine effiziente Form gespeicherter Energie, die leicht von Zellen genutzt werden kann. Aerobe Atmung erzeugt die meisten ATP. Etwa 36 ATP-Moleküle werden in den kombinierten Prozessen der aeroben Atmung produziert. Diese Prozesse sind: Glykolyse, Citratzyklus und oxidativer Phosphorylierung.
Glykolyse ist der erste Schritt sowohl in der aeroben als auch in der anaeroben Atmung. Glykolyse erfolgt im Zytosol der Zelle. Sie kann in Anwesenheit von Sauerstoff oder in einer anaeroben Umgebung stattfinden. Glykolyse erfordert keinen Sauerstoff und wird auch nicht durch Sauerstoff gehemmt. Glykolyse ist ein Prozess, der mit einem hochenergetischen Molekül wie Zucker, Protein oder Lipid beginnt und es in Pyruvat abbaut. Pyruvat ist ein wichtiges Zwischenmolekül, das den nächsten Schritt der Atmung antreibt.
Glykolyse führt auch zu zwei netto ATP-Molekülen, Wasser, anorganischem Phosphat und zwei NADHs. NADH, Nicotinamidadenindinukleotid, ist ein Coenzym, das in den verbleibenden Schritten der Atmung verwendet wird. NADH ist besonders wichtig in den Oxidations-Reduktions-Reaktionen der Elektronentransportkette.
Der Citratzyklus ist der zweite Schritt der aeroben Atmung. Der Citratzyklus, auch Zitronensäurezyklus genannt, ist eine Reihe von Reaktionen, die zu nur einem Molekül ATP führt. Der Citratzyklus erfolgt in der Matrix der Mitochondrien, die Organellen oder einzeln membrangebundene Strukturen sind, die die Energiekraftwerke der Zelle sind. Die Pyruvat- und NADH-Moleküle, die durch Glykolyse produziert werden, gelangen durch erleichterte Diffusion in die Matrix des Mitochondriums. Sobald sie im Mitochondrium sind, wird Pyruvat in Acetyl-CoA umgewandelt. Das Acetyl-CoA tritt in den Citratzyklus ein, wo es in Zitronensäure umgewandelt wird. Eine Reihe von Reaktionen folgt, die mehr Kohlendioxid, NADH und FADH – Flavinadenindinukleotid – ein weiteres Coenzym, das wichtig für den letzten Schritt der aeroben Atmung ist, produzieren.
Der letzte Schritt der aeroben Atmung ist der oxidativen Phosphorylierung. Oxidative Phosphorylierung hat drei wichtige Teile. Erstens gibt es eine Reihe von Proteinen, die in der inneren Mitochondrienmembran eingebettet sind. Diese Proteine nehmen Elektronen auf, die von NADH oder FADH2 gespendet werden, und leiten sie weiter an den finalen Elektronenakzeptor. Diese Gruppe von Proteinen wird manchmal einfach als ETC oder Elektronentransportkette bezeichnet. Zweitens werden, während Elektronen durch die Kette wandern, Protonen in den inneren Mitochondrienraum gepumpt. Die hohe Konzentration von Protonen erzeugt die protonmotive Kraft. Drittens wollen die Protonen, angetrieben von der protonmotiven Kraft, zurück in die Mitochondrienmatrix zu einem Bereich mit niedriger Konzentration reisen. Aber sie können nicht einfach durch die Membran diffundieren. Stattdessen finden sie Durchgang durch die Membran durch ein spezielles Protein namens ATP-Synthase. Die Energie der Protonen, die durch die ATP-Synthase wandern, treibt die ATP-Erzeugung an. Sauerstoff treibt die oxidative Phosphorylierung an, weil er der finale Elektronenakzeptor in der ETC ist.
Anaerobe Atmung oder Gärung erfolgt ohne Sauerstoff. Gärung reduziert Pyruvat, das durch Glykolyse gebildet wird, zu Milchsäure oder Ethanol. Die Gärung erzeugt nur zwei ATP-Moleküle. Viele Organismen nutzen Gärung für ihre Energieproduktion. Hefe nutzt Gärung. Einige Bakterien, die nicht in sauerstoffhaltigen Umgebungen überleben können, nutzen Gärung. Menschen nutzen ebenfalls Gärung.
Ihre roten Blutkörperchen nutzen Gärung, um Energie zu erzeugen. Dies ermöglicht es ihnen, Sauerstoff zu allen Körpergeweben zu transportieren, ohne ihn zu verbrauchen. Gärung findet auch in Skelettmuskelfasern statt. Gespeicherter ATP und Sauerstoff wird schnell von einer aktiven Muskelzelle aufgebraucht. Diese einzigartigen Zellen können jedoch die Atmung in Abwesenheit von Sauerstoff fortsetzen. Sie spüren das Ergebnis der Gärung, wenn sich Milchsäure in Ihren Muskeln ansammelt und sie zu Krämpfen bringt. Wenn Ihre Muskeln sich wieder ausruhen, wird die Milchsäure von Ihrer Leber in Glukose umgewandelt.
Sie sind bereits mit den Abfallprodukten der zellulären Atmung vertraut, obwohl Sie es vielleicht nicht merken. Jedes Mal, wenn Sie ausatmen, geben Sie Kohlendioxid und Wasser frei, die zusammen mit ATP die Hauptprodukte der zellulären Atmung sind. Ihre Lungen erfüllen eine wichtige Funktion in den Prozessen des zellulären Stoffwechsels – sie stellen die Oberfläche für den Gasaustausch bereit, auf den Ihre Zellen angewiesen sind, um die zelluläre Atmung abzuschließen. Wenn Ihr Körper sich nicht von Kohlendioxid befreien kann, werden Ihre Zellen vergiftet. Wenn Ihre Zellen keinen Sauerstoff erhalten, werden die Funktionen Ihres Körpers zusammenbrechen.
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