Die Zellatmung ist der Prozess, den Zellen nutzen, um Energie zu gewinnen, die in Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen gespeichert ist. Glukose und andere Moleküle werden abgebaut, und die freigesetzte Energie wird verwendet, um ein weiteres Molekül namens Adenosintriphosphat (ATP), die „Währung der Zelle“, herzustellen. Während unsere Zellen Gärung nutzen können, um ATP ohne Sauerstoff herzustellen, ist die Zellatmung weitaus effizienter – so sehr, dass Menschen und die meisten anderen Tiere schnell sterben, wenn ihnen Sauerstoff entzogen wird.
Wie die Zellatmung funktioniert
- Die Zellatmung beginnt mit der Glykolyse, bei der ein Glukosemolekül im Zytoplasma der Zelle gespalten wird. Die wichtigsten Schritte der Zellatmung finden jedoch in den Mitochondrien, den Kraftwerken der Zelle, statt, wo Elektronen entlang einer Reihe von membrangebundenen Proteinen, der sogenannten Elektronentransportkette, weitergegeben werden. Jedes Protein nutzt einen Teil der Energie dieses Transfers, um Wasserstoffionen in den Raum zwischen den inneren und äußeren Membranen der Mitochondrien zu pumpen. Durch die Konzentration von Wasserstoffionen in diesem Raum schafft das Mitochondrium einen Gradient, den es nutzen kann, um ATP herzustellen, ähnlich wie Wasser bergauf gepumpt wird, um eine Turbine anzutreiben. Das ATP wird dann anderen Prozessen in der Zelle für Energie zur Verfügung gestellt.
Rolle des Sauerstoffs
- Am Ende der Elektronentransportkette in den Mitochondrien werden Elektronen an Sauerstoff (O2) gespendet, der sich mit Wasserstoffionen zu Wasser verbindet. Ohne O2-Moleküle, um die Elektronen aufzunehmen, könnte die Elektronentransportkette nicht funktionieren.
Gärung
- Die Zellatmung bezieht sich im Allgemeinen auf aerobe Atmung, bei der Zellen den oben beschriebenen Prozess nutzen, um ATP herzustellen. Wenn Sauerstoff jedoch nicht verfügbar ist, können unsere Zellen dennoch eine begrenzte Menge ATP durch Milchsäuregärung herstellen. Bei diesem Prozess nutzt die Zelle die Glykolyse, um Glukose aufzuteilen (genau wie bei der aeroben Atmung) und spendet Elektronen an ein Zuckermolekül namens Pyruvat, das entsteht, wenn Glukose abgebaut wird. Diese Reaktion ergibt ein Nebenprodukt namens Milchsäure.
Gärung vs. aerobe Atmung
- Die aerobe Atmung ergibt viel mehr ATP als die Milchsäuregärung. Bei der Gärung nimmt Pyruvat Elektronen aus der Glykolyse auf; bei der aeroben Atmung hingegen wird Pyruvat noch weiter abgebaut, um in den Mitochondrien mehr ATP herzustellen. Infolgedessen kann die aerobe Atmung bis zu 19-mal mehr ATP pro Glukosemolekül erzeugen als die Milchsäuregärung.
Warum Sauerstoff wichtig ist
- Sauerstoff ist wichtig, weil er die aerobe Atmung ermöglicht, indem er Elektronen aus der Transportkette in den Mitochondrien aufnimmt. Manchmal ist Sauerstoff in einigen Ihrer Muskelzellen nicht verfügbar (typischerweise bei schwerer körperlicher Betätigung); in solchen Fällen kehren die Muskelzellen vorübergehend zur Milchsäuregärung zurück, die weitaus weniger Energie liefert.
