Aerobische Atmung

Definition

Aerobische Atmung ist der Prozess, bei dem Organismen Sauerstoff verwenden, um Brennstoff, wie Fette und Zucker, in chemische Energie umzuwandeln. Im Gegensatz dazu wird bei der anaeroben Atmung kein Sauerstoff verwendet.

Die Atmung wird von allen Zellen genutzt, um Brennstoff in Energie umzuwandeln, die für die zellulären Prozesse verwendet werden kann. Das Produkt der Atmung ist ein Molekül namens Adenosintriphosphat (ATP), das die in seinen Phosphatbindungen gespeicherte Energie nutzt, um chemische Reaktionen anzutreiben. Es wird oft als die „Währung“ der Zelle bezeichnet.

Die aerobe Atmung ist viel effizienter und produziert ATP viel schneller als die anaerobe Atmung. Das liegt daran, dass Sauerstoff ein hervorragender Elektronenakzeptor für die chemischen Reaktionen ist, die an der Erzeugung von ATP beteiligt sind.

Aerob vs. Anaerob

Ähnlichkeiten

Beide, die aerobe und die anaerobe Atmung, sind Methoden zur Energiegewinnung. Sie beginnen auch beide auf die gleiche Weise, nämlich mit dem Prozess der Glykolyse. „Glykolyse“ bedeutet wörtlich „Zuckerspaltung“ und beinhaltet die Aufspaltung eines Zuckermoleküls in zwei kleinere Moleküle.

Bei der Glykolyse werden zwei ATP-Moleküle verbraucht und vier produziert. Daraus ergibt sich ein Nettogewinn von zwei ATP-Molekülen für jedes Zuckermolekül, das durch die Glykolyse abgebaut wird. Hier enden die Ähnlichkeiten zwischen aerober und anaerober Atmung.

In Zellen, die über Sauerstoff verfügen und aerob atmen können, wird ein Zuckermolekül in zwei Pyruvatmoleküle aufgespalten. In Zellen, die keinen Sauerstoff haben, wird das Zuckermolekül in andere Formen wie Laktat zerlegt.

Unterschiede

Nach der Glykolyse können die verschiedenen Atmungsprozesse unterschiedliche Wege einschlagen:

• Zellen, die die aerobe Atmung nutzen, setzen ihre Elektronenübertragungskette in einem hocheffizienten Prozess fort, der am Ende 38 Moleküle ATP aus jedem Zuckermolekül liefert.
• Zellen, denen Sauerstoff entzogen wird, die aber normalerweise keine anaerobe Atmung betreiben, wie unsere eigenen Muskelzellen, können die Endprodukte der Glykolyse liegen lassen und erhalten nur zwei ATP pro gespaltenem Zuckermolekül. Dies ist eine ineffiziente Methode der Energiegewinnung durch Atmung.
• Zellen, die für die anaerobe Atmung gemacht sind, wie viele Arten von Bakterien, können die Elektronentransferkette fortsetzen, um mehr Energie aus den Endprodukten der Glykolyse zu gewinnen.

Nach der Glykolyse können Zellen, die keinen Sauerstoff für die Atmung verwenden, sondern zu einem Elektronentransportzug übergehen, einen anderen Elektronenakzeptor, wie Sulfat oder Nitrat, verwenden, um ihre Reaktion voranzutreiben.

Diese Prozesse stellen eine Art der anaeroben Atmung dar, die „Fermentation“ genannt wird. Bei einigen Arten von Gärungsreaktionen entstehen Alkohol und Kohlendioxid. Auf diese Weise werden alkoholische Getränke und Brot hergestellt.

Bei der aeroben Atmung hingegen wird das Pyruvat, das bei der Glykolyse übrig bleibt, auf einem ganz anderen chemischen Weg weitergeleitet, dessen Schritte im Folgenden ausführlich beschrieben werden.

Schritte der aeroben Atmung

Gesamtgleichung

Die Gleichung für die aerobe Atmung beschreibt die Reaktanten und Produkte aller Schritte, einschließlich der Glykolyse. Diese Gleichung lautet:

1 Glucose + 6 O2 → 6 CO2+ 6 H2O + 38 ATP

Zusammengefasst werden 1 Molekül Glucose mit sechs Kohlenstoffatomen und 6 Moleküle Sauerstoff in 6 Moleküle Kohlendioxid, 6 Moleküle Wasser und 38 Moleküle ATP umgewandelt. Die Reaktionen der aeroben Atmung lassen sich in vier Stufen unterteilen, die im Folgenden beschrieben werden.

Glykolyse

Die Glykolyse ist die erste Stufe der aeroben Atmung und findet im Zytoplasma der Zelle statt. Dabei wird ein Zuckermolekül mit sechs Kohlenstoffen in zwei Pyruvatmoleküle mit drei Kohlenstoffen gespalten. Bei diesem Prozess entstehen zwei ATP-Moleküle.

Die Gesamtgleichung lautet wie folgt:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 PI + 2 NAD+ → 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

Dieser Prozess reduziert den Co-Faktor NAD+ zu NADH. Dies ist wichtig, da NADH später im Prozess der Zellatmung die Bildung von viel mehr ATP durch die Elektronentransportkette der Mitochondrien antreibt.

In der nächsten Stufe wird Pyruvat verarbeitet, um es mit Hilfe des Prozesses der oxidativen Decarboxylierung in Brennstoff für den Zitronensäurezyklus umzuwandeln.

Oxidative Decarboxylierung von Pyruvat

2 (Pyruvat- + Coenzym A + NAD+ → Acetyl CoA + CO2 + NADH)

Die oxidative Decarboxylierung, manchmal auch als Verbindungsreaktion oder Übergangsreaktion bezeichnet, ist das Bindeglied zwischen der Glykolyse und dem Zitronensäurezyklus. Pyruvat wird über ein als Pyruvat-Translokase bekanntes Protein in die mitochondriale Matrix transferiert. Hier wird das Pyruvat mit Coenzym A kombiniert, um ein Kohlendioxidmolekül freizusetzen und Acetyl-CoA zu bilden.

Diese Übergangsreaktion ist wichtig, weil Acetyl-CoA ein idealer Brennstoff für den Zitronensäurezyklus ist, der wiederum den Prozess der oxidativen Phosphorylierung in den Mitochondrien antreibt, bei dem große Mengen an ATP erzeugt werden.

Bei dieser Reaktion wird auch mehr NADH gebildet. Das bedeutet mehr Brennstoff, um später im Prozess der Zellatmung mehr ATP zu erzeugen.

Zitronensäurezyklus

Der Zitronensäurezyklus, auch Tricarbonsäurezyklus oder Krebszyklus genannt, ist eine Reihe von Redoxreaktionen, die mit Acetyl-CoA beginnen. Diese Reaktionen finden in der Matrix der Mitochondrien von eukaryotischen Zellen statt. In prokaryotischen Zellen findet er im Zytoplasma statt. Die Gesamtreaktion läuft wie folgt ab:

2 (ACETYL COA + 3 NAD+ + FAD + ADP + PI → CO2 + 3 NADH + FADH2 + ATP + H+ + COENZYME A)

Die Reaktion läuft für jedes Glukosemolekül zweimal ab, da zwei Pyruvate und somit zwei Moleküle Acetyl CoA entstehen, die in den Zitronensäurezyklus gelangen.

Es werden sowohl NADH als auch FADH2 – ein weiterer Elektronenträger für die Elektronentransportkette – gebildet. Das gesamte NADH und FADH2, das in den vorangegangenen Schritten gebildet wurde, kommt nun im Prozess der oxidativen Phosphorylierung zum Einsatz.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei jeder Runde des Zyklus zwei Kohlenstoffe in Form von Acetyl-CoA in die Reaktion eingehen. Dabei entstehen zwei Moleküle Kohlendioxid. Die Reaktionen erzeugen drei Moleküle NADH und ein Molekül FADH. Es entsteht ein Molekül ATP.

Oxidative Phosphorylierung

Die oxidative Phosphorylierung ist die primäre Energiebereitstellungsstufe der aeroben Atmung. Sie nutzt die gefalteten Membranen in den Mitochondrien der Zelle, um große Mengen an ATP zu produzieren.

34 (ADP + PI+ NADH + 1/2 O2 + 2H+ → ATP + NAD+ + 2 H2O)

Bei diesem Prozess spenden NADH und FADH2 die Elektronen, die sie in den vorangegangenen Schritten der Zellatmung aus Glukose gewonnen haben, an die Elektronentransportkette in der Membran der Mitochondrien.

Die Elektronentransportkette besteht aus einer Reihe von Proteinkomplexen, die in die Mitochondrienmembran eingebettet sind, darunter Komplex I, Q, Komplex III, Cytochrom C und Komplex IV.

Sie alle dienen letztlich dazu, Elektronen von höheren auf niedrigere Energieniveaus zu übertragen und die dabei freigesetzte Energie zu ernten. Diese Energie wird verwendet, um Protonenpumpen anzutreiben, die die ATP-Bildung vorantreiben.

Gleich wie die Natrium-Kalium-Pumpe der Zellmembran werden die Protonenpumpen der Mitochondrienmembran verwendet, um einen Konzentrationsgradienten zu erzeugen, der für andere Prozesse genutzt werden kann.

Die Protonen, die mit Hilfe der aus NADH und FADH2 gewonnenen Energie durch die Membran transportiert werden, „wollen“ durch Kanalproteine aus dem Bereich hoher Konzentration in den Bereich niedriger Konzentration gelangen.

Besonders handelt es sich bei den Kanalproteinen um ATP-Synthesen, d.h. um Enzyme, die ATP herstellen. Wenn Protonen die ATP-Synthase passieren, treiben sie die Bildung von ATP an.

Dieser Prozess ist der Grund, warum die Mitochondrien als „die Kraftwerke der Zelle“ bezeichnet werden. Die Elektronentransportkette der Mitochondrien stellt fast 90 % des gesamten ATP her, das von der Zelle durch den Abbau von Nahrung produziert wird.

Dies ist auch der Schritt, für den Sauerstoff benötigt wird. Ohne Sauerstoffmoleküle, die die verbrauchten Elektronen am Ende der Elektronentransportkette aufnehmen, würden sich die Elektronen zurückstauen, und der Prozess der ATP-Erzeugung könnte nicht fortgesetzt werden.

Aerobische Atmung und Gewichtsverlust

Aerobische Atmung ist der Prozess, durch den viele Zellen, einschließlich unserer eigenen, unter Verwendung von Nahrung und Sauerstoff Energie erzeugen. Dabei entsteht auch Kohlendioxid, das unser Körper wieder loswerden muss.

Die aerobe Atmung ist der Grund, warum wir sowohl Nahrung als auch Sauerstoff brauchen, denn beide sind erforderlich, um das ATP zu produzieren, das unsere Zellen funktionieren lässt. Wir atmen O2 ein und atmen die gleiche Anzahl von CO2-Molekülen aus. Woher kommt das Kohlenstoffatom? Es stammt aus der Nahrung, z. B. aus Zucker und Fett, die Sie gegessen haben.

Das ist auch der Grund, warum Sie bei kalorienverbrennenden Aktivitäten härter und schneller atmen. Ihr Körper verbraucht sowohl Sauerstoff als auch Zucker schneller als normal und produziert mehr ATP, um Ihre Zellen mit Energie zu versorgen, sowie mehr CO2-Abfallprodukte.

Obwohl unsere Zellen normalerweise Sauerstoff für die Atmung verwenden, können unsere Zellen, wenn wir ATP schneller verbrauchen als wir Sauerstoffmoleküle zu unseren Zellen bekommen, anaerobe Atmung durchführen, um ihren Bedarf für ein paar Minuten zu decken.

Spaßfakt: Der Aufbau von Laktat aus der anaeroben Atmung ist ein Grund, warum sich die Muskeln nach intensivem Training wund anfühlen können!

Funktion der aeroben Atmung

Die aerobe Atmung liefert Energie für alle zellulären Prozesse. Die Reaktionen erzeugen ATP, das dann für andere lebenserhaltende Funktionen wie Wachstum, Reparatur und Wartung verwendet wird. ATP treibt zum Beispiel die Natrium-Kalium-Pumpe an, die es uns ermöglicht, uns zu bewegen, zu denken und die Welt um uns herum wahrzunehmen. ATP treibt die Tätigkeit vieler Enzyme und die Tätigkeit zahlloser anderer Proteine an, die das Leben erhalten!

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