Biologie 10/ Zellatmung

Glykolyse: Zuckerspaltung
Gärung: Abbau von Zuckermolekülen ohne Mitwirkung von Sauerstoff

Zellatmung: Aerobe Energiegewinnung

ATP: Energieträger

Citratzyklus: Energieliefernde Oxidation org. Moleküle

Atmungskette: ermöglicht Elektronenfluss vom NADH/FADH2 zum molekularen Sauerstoff

Energiefreisetzung und Stoffabbau durch Gärung und biologische Oxidation.
Da die Energiefreisetzung durch Oxidationen erfolgt, wird sie auch als ZellAtmung bezeichnet.

Da der bei der Verbrennung von 1 mol Glucose freiwerdende Energiebetrag sehr groß ist, wird der Abbau in viele
Einzelschritte zerlegt.

Falls kein O₂ mehr vorhanden ist entsteht anstelle von Pyrofat Lactat

ATP ist der Energieträger aus biochemischen Reaktionen Struktur: Nukleinsäure Adenin verkettet mit einem Zucker
(Pentose/Ribose, Mitte) = Adenosin und dieser wiederum mit drei Phosphaten, die einzeln abgespalten werden können und dabei Energie produziert. Siehe linkes Bild

NAD+ ist in vielen exergonen Oxidationen von Metaboliten der Elektronenakzeptor. Es ist daher wie ATP ein Überträger von freier Enthalpie. Jedes NADH (die reduzierte Form von NAD+) repräsentiert gespeicherte Energie, die angezapft werden kann, um ATP zu synthetisieren. Siehe rechtes Bild

Kopplung der ATP-Hydrolyse mit der chemischen Reaktion treibt diese an. linkes Bild

Kopplung der ATP-Hydrolyse mit Transportvorgängen und mechanischer Arbeit treibt diese an. Siehe rechtes Bild 

Aufbau Mitochondrien:
Vier Kompartimente:
-äußere Membran
-innere Membran
-Intermembranraum
-Matrix

siehe linkes Bild

Aufbau Chloroplasten:
-äußere Membran
-innere Membran
-Intermembranraum
-Thylakoid
-Stroma

siehe rechtes Bild 

Aerobe Energiegewinnung: Zellatmung
Aerobe Organismen besitzen Mitochondrien, in denen die bei der Glykolyse gebildeten Reduktionsäquivalente NADH/H+ rezykliert werden können. 
Die Elektronen werden dabei auf Sauerstoff übertragen, wobei Wasser entsteht. Außerdem wird die Glucose vollständig bis zum CO2 abgebaut.
Den gesamten Vorgang von der Glucose über die Glycolyse und die zusätzlichen Abbauschritte in den Mitochondrien nennt man Zellatmung.

1. Abbau makromolekularer Stoffe in ihre Grundbausteine
2. Glycolyse: In einer Kette von Reaktionen wird Traubenzucker bis zur Stufe der "aktivierten Essigsäure" (aerob) unter Bildung von ATP und NADH/H+ abgebaut.
3. Citronensäurecyclus: ein Kreislaufprozeß, in dem die "aktivierte Essigsäure" bis zu CO2 und NADH/H+ zerlegt wird.
4. Endoxidation in der Atmungskette, bei der der Wasserstoff des NADH/H+ durch Sauerstoff zu Wasser unter ATPBildung oxidiert wird.

Ablauf Glycolyse:
Unter der Glycolyse im engeren Sinn versteht man den Abbau von Glucose (Traubenzucker) bis zur Stufe des Lactats (Milchsäure), ohne dass dazu Sauerstoff benötigt wird.
Die Glykolyse findet im Zellplasma statt und wird durch elf nacheinander wirkende Enzyme katalysiert.

Citratzyklus:
Ein Acetyl-CoA-Molekül wird in den Citratzyklus eingeschleust.
Gleichung: Acetyl-CoA + 3 NAD+  + FAD + GDP + P  -> 2 CO2  + CoA + 3 NADH/H+  + FADH2  + GTP
(GTP ist dem ATP analog und kann, wenn nötig in dieses umgewandelt werden)

NADH und FADH₂ speichern den größten Teil der aus der Glucose stammenden Energie.
Die im Zyklus gebildeten Coenzyme NADH und FADH₂ geben die den Nahrungsmolekülen entzogenen Elektronen an die Elektronentransportkette weiter.

 Ist Abschluss der biochemischen Energiefreisetzung, da in diesem Prozess die bei der Glykolyse und dem       Citrat-Zyklus reduzierten Coenzyme NADH/H+ und FADH ₂ wieder oxidiert werden. Die daraus entstandene Energie wird wieder als ATP gespeichert.

• läuft an der inneren Mitochondrien
-Membran
• Oxidationsmittel Sauerstoff
(Elektronen fliessen von org. Molekülen zum Sauerstoff)

Die Atmungskette ist ein Energiewandler, der den exergonen Fluß von Elektronen aus dem NADH und dem FADH₂ hin zum Sauerstoff für das Pumpen von Protonen aus dem Matrixraum in den Intermembranraum der Mitochondrien durch die Membran benutzt

• Befinden sich in der inneren Membran der Mitochondrien bei eukary. Zellen & in der Plasmamembran in prokary.
Zellen
• ATP -Synthase koppelt den Rückfluss von H+ mit der Synthese von ATP aus ADP und Pi.

Ca. 40 % der Energie in einem Glucosemolekül wird während der Zellatmung auf ATP übertragen
Was ist mit dem Rest? Wärmeverlust

Siehe Bild 

Pyruvat wird in zwei Schritten zu Ethanol umgesetzt:
• Im ersten Schritt wird Kohlendioxid (C1) freigesetzt
• Im zweiten Acetaldehyd durch NADH zu Ethanol reduziert

Alkoholische Gärung:

• Anaerobe Atmung nutzt eine Elektronentransportkette mit einem anderen Elektronenakzeptor als Sauerstoff, z.B. das Sulfatanion (SO_4^2-)
• Durch Gärung (Fermentation) kann chemische Energie sowohl ohne Sauerstoff als auch ohne eine Elektronentransportkette, also ganz ohne Zellatmung, gewonnen werden
• Eine Gärung besteht aus der Glycolyse plus zusätzlichen Reaktionen, die das NAD+ durch Elektronenübertragung vom NADH auf Pyruvat oder dessen Abkömmlinge regenerieren 
• Verbreitete und industriell genutzte Formen sind die alkoholische Gärung, die Essigsäuregärung und die Milchsäuregärung

Milchsäure Gärung:

• Im Verlauf der MiIchsäuregärung wird das Pyruvat ohne vorherige Decarboxylierung unmittelbar durch NADH zum Endprodukt Lactat reduziert; CO₂ wird hier also nicht freigesetzt
• Die Milchsäuregärung nutzt die Lebensmittelindustrie zur Herstellung von Joghurt, Quark und Käse
• Menschliche Muskelzellen erzeugen ATP durch Milchsäuregärung, wenn Sauerstoff knapp ist

Pyruvat / Brenztraubensäure ist eine Schlüsselsubstanz sowohl im anaeroben wie im aeroben Stoffwechsel

• Glucose, Aminosäuren,Fettsäuren und Glycerin werden zum gemeinsamen Zwischenprodukt Acteyl-CoA  abgebaut.
• Die Acetylgruppe wird im Citratcyclus unter gleichzeitiger Reduktion von NAD+ und FAD zu CO₂ oxidiert.
• Die Rückoxidation von NADH und FADH2 durch O2 während der oxidativen Phosphorylierung liefern H₂O und ATP.