Zellatmung

Wenn du Treppen steigst, dich konzentrierst oder im Sportunterricht sprintest, brauchen deine Zellen ständig Energie. Diese Energie kommt nicht direkt als „Zucker-Power“ bei deinen Muskeln an. Deine Zellen müssen Nährstoffe erst in eine nutzbare Form umwandeln. Genau dabei hilft die Zellatmung.

Deine Lernziele

• Du kannst erklären, wozu Zellatmung dient.
• Du kennst die Ausgangsstoffe und Produkte der Zellatmung.
• Du kannst die vier Hauptschritte in die richtige Reihenfolge bringen.
• Du verstehst, warum Mitochondrien und ATP wichtig sind.

Wozu Zellen Energie brauchen

Eine Zelle ist die kleinste lebende Einheit eines Lebewesens. Sie baut Stoffe auf, transportiert Teilchen, teilt sich und hält ihre inneren Bedingungen stabil. Für all das braucht sie Energie.

Energie bedeutet in der Biologie: die Fähigkeit, Arbeit zu leisten. Eine Muskelzelle braucht Energie zum Zusammenziehen. Eine Nervenzelle braucht Energie, um Signale weiterzugeben. Eine Pflanzenzelle braucht Energie zum Wachsen.

Damit Energie in der Zelle gut genutzt werden kann, wird sie in einem kleinen Molekül gespeichert: ATP. ATP ist der wichtigste kurzfristige Energieträger der Zelle. Du kannst es dir wie einen aufgeladenen Akku vorstellen, der an vielen Stellen in der Zelle schnell Energie abgeben kann.

Definition

ATP steht für Adenosintriphosphat. Es ist ein Molekül, das Energie kurzfristig speichert und bei Bedarf wieder abgibt.

Beispiel

Wenn du deinen Arm hebst, ziehen sich Muskelzellen zusammen. Dafür verbrauchen sie ATP. Danach muss die Zelle neues ATP herstellen, damit die Bewegung weitergehen kann.

Merke

ATP ist nicht die Nahrung selbst. ATP ist die Energieform, mit der die Zelle direkt arbeiten kann.

Was Zellatmung bedeutet

Wenn du Brot, Nudeln, Obst oder Kartoffeln isst, gelangen Nährstoffe in deinen Körper. Ein besonders wichtiger Zucker ist Glucose. Glucose ist ein Einfachzucker, also ein kleiner Zuckerbaustein. Er enthält viel chemisch gespeicherte Energie.

Zellatmung ist der Vorgang, bei dem Zellen Glucose mit Sauerstoff schrittweise abbauen und dabei ATP herstellen. Dabei entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser. Kohlenstoffdioxid atmest du später aus.

Definition

Zellatmung ist ein Stoffwechselvorgang, bei dem Zellen aus Glucose und Sauerstoff nutzbare Energie in Form von ATP gewinnen. Dabei entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser.

Stoffwechsel nennt man alle chemischen Vorgänge in einem Lebewesen. Zellatmung gehört zum abbauenden Stoffwechsel, weil ein energiereicher Stoff zerlegt wird. Das passiert aber nicht in einem einzigen heftigen Schritt, sondern kontrolliert in vielen kleinen Schritten.

Die vereinfachte Wortgleichung lautet:

Glucose + Sauerstoff -> Kohlenstoffdioxid + Wasser + Energie

Als Reaktionsgleichung schreibt man häufig:

Beispiel

Eine Körperzelle nimmt Glucose aus dem Blut auf. Sauerstoff kommt über die Atmung ins Blut und wird ebenfalls zur Zelle gebracht. Die Zelle baut Glucose ab und gewinnt daraus ATP. Kohlenstoffdioxid wird zurück ins Blut abgegeben und später ausgeatmet.

Merke

Zellatmung heißt nicht, dass eine Zelle mit einer Lunge atmet. Es bedeutet: Die Zelle nutzt Sauerstoff, um aus Glucose ATP zu gewinnen.

Wo Zellatmung stattfindet

In eukaryotischen Zellen, also Zellen mit Zellkern, läuft die Zellatmung an zwei wichtigen Orten ab. Zytoplasma ist die zähflüssige Grundsubstanz der Zelle. Dort beginnt die Zellatmung. Mitochondrien sind Zellorganellen, in denen der größte Teil der ATP-Bildung stattfindet.

Definition

Mitochondrien sind Zellorganellen, in denen Zellen besonders viel ATP herstellen. Deshalb nennt man sie oft die Kraftwerke der Zelle.

Die Glykolyse läuft im Zytoplasma ab. Die späteren Schritte finden bei Pflanzen, Tieren, Pilzen und vielen Einzellern größtenteils in den Mitochondrien statt. Bakterien haben keine Mitochondrien. Sie können ähnliche Vorgänge an ihrer Zellmembran und im Zellplasma durchführen.

Beispiel

Eine Muskelzelle enthält viele Mitochondrien, weil sie oft viel ATP braucht. Eine Fettzelle braucht im Alltag weniger schnelle Bewegungsenergie und hat deshalb meist andere Schwerpunkte im Stoffwechsel.

Gut zu wissen

Pflanzen betreiben ebenfalls Zellatmung. Sie stellen Glucose durch Fotosynthese her, bauen Glucose aber auch wieder ab, um ATP zu gewinnen. Fotosynthese und Zellatmung sind also nicht dasselbe.

Die vier Schritte der Zellatmung

Die Zellatmung ist leichter, wenn du sie als Weg durch vier Stationen siehst. Jede Station bereitet die nächste vor. Am Anfang wird Glucose zerlegt. Am Ende wird mit Sauerstoff sehr viel ATP gebildet.

Glykolyse bedeutet Zuckerzerlegung. Dabei wird ein Molekül Glucose im Zytoplasma in zwei kleinere Moleküle namens Pyruvat gespalten. Pyruvat ist ein kleines Zwischenprodukt, das in die nächsten Schritte weitergegeben wird. Bei der Glykolyse entstehen netto 2 ATP und 2 NADH.

NADH ist ein Elektronenträger. Ein Elektronenträger ist ein Molekül, das energiereiche Elektronen kurz aufnimmt und später wieder abgibt. Du kannst NADH wie einen Lieferwagen für Energiepakete betrachten.

Beispiel

Bei der Glykolyse investiert die Zelle zuerst etwas ATP, damit Glucose reaktionsbereit wird. Danach gewinnt sie mehr ATP zurück. Das ist wie beim Backen: Erst musst du Zutaten vorbereiten, danach bekommst du das fertige Ergebnis.

Nach der Glykolyse folgt die oxidative Decarboxylierung. Oxidativ bedeutet hier: Elektronen werden übertragen. Decarboxylierung bedeutet: Kohlenstoffdioxid wird abgespalten. Aus Pyruvat entsteht Acetyl-CoA. Acetyl-CoA ist ein aktiviertes Zwischenprodukt, das in den Citratzyklus eintritt.

Der Citratzyklus ist ein kreisförmiger Reaktionsweg in der Mitochondrienmatrix. Mitochondrienmatrix nennt man den Innenraum des Mitochondriums. Im Citratzyklus wird Acetyl-CoA weiter abgebaut. Dabei entstehen Kohlenstoffdioxid, NADH, FADH2 und etwas direktes ATP beziehungsweise GTP.

FADH2 ist ebenfalls ein Elektronenträger. Er speichert weniger nutzbare Energie als NADH, ist aber für die Atmungskette trotzdem wichtig.

Die Atmungskette ist der letzte große Schritt. Sie liegt in der inneren Membran der Mitochondrien. Dort geben NADH und FADH2 ihre Elektronen ab. Sauerstoff nimmt die Elektronen am Ende auf und wird mit Wasserstoffteilchen zu Wasser. Gleichzeitig entsteht ein Protonengefälle, das die ATP-Synthase antreibt.

Die ATP-Synthase ist ein Enzym in der inneren Mitochondrienmembran. Ein Enzym ist ein Stoff, der eine chemische Reaktion beschleunigt. Die ATP-Synthase baut aus ADP und Phosphat neues ATP.

Merke

Reihenfolge: Glykolyse -> oxidative Decarboxylierung -> Citratzyklus -> Atmungskette.

Energiebilanz und Bedeutung

Die Zellatmung ist so wichtig, weil sie aus einem Molekül Glucose viel ATP gewinnen kann. Bei eukaryotischen Zellen entstehen meistens etwa 30 bis 32 ATP pro Glucose. Die genaue Zahl kann schwanken, weil der Transport von Elektronenträgern und die Kopplung in den Mitochondrien nicht immer gleich ablaufen.

Die ersten Schritte liefern nur wenig direktes ATP. Der größte Teil entsteht in der Atmungskette. Dort wird die Energie aus NADH und FADH2 genutzt, um viele ATP-Moleküle aufzubauen.

Beispiel

Wenn du langsam gehst, reicht die Sauerstoffversorgung deiner Muskeln meistens gut aus. Deine Zellen können Glucose aerob abbauen und viel ATP gewinnen. Bei sehr starker Belastung kann kurzfristig zu wenig Sauerstoff in den Muskelzellen ankommen. Dann muss die Zelle teilweise auf weniger ergiebige Wege ausweichen.

Aerob bedeutet: mit Sauerstoff. Anaerob bedeutet: ohne Sauerstoff. Die vollständige Zellatmung ist aerob und liefert viel ATP. Ohne Sauerstoff kann die Zelle zwar kurzfristig weiter Energie gewinnen, aber deutlich weniger.

Definition

Aerobe Zellatmung ist Zellatmung mit Sauerstoff. Sie baut Glucose vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser ab und liefert viel ATP.

Merke

Je vollständiger Glucose mit Sauerstoff abgebaut wird, desto mehr nutzbares ATP kann die Zelle gewinnen.

Zellatmung und Fotosynthese

Zellatmung und Fotosynthese werden oft verwechselt, weil ähnliche Stoffe vorkommen. Sie haben aber entgegengesetzte Richtungen.

Bei der Fotosynthese nutzen Pflanzenzellen Lichtenergie, um aus Kohlenstoffdioxid und Wasser Glucose und Sauerstoff aufzubauen. Dabei wird Energie in Glucose gespeichert. Bei der Zellatmung wird Glucose wieder abgebaut. Dabei wird gespeicherte Energie als ATP verfügbar gemacht.

Beispiel

Ein Baum stellt tagsüber in seinen Blättern Glucose her. Diese Glucose kann später in seinen Zellen durch Zellatmung abgebaut werden. So bekommt auch eine Wurzelzelle Energie, obwohl sie selbst kein Licht bekommt.

Zusammenfassung

Die Zellatmung ist der kontrollierte Abbau von Glucose mit Sauerstoff. Dabei entstehen Kohlenstoffdioxid, Wasser und vor allem ATP. ATP ist die Energieform, mit der Zellen direkt arbeiten können.

Die Zellatmung beginnt mit der Glykolyse im Zytoplasma. Danach folgen oxidative Decarboxylierung, Citratzyklus und Atmungskette größtenteils in den Mitochondrien. NADH und FADH2 bringen energiereiche Elektronen zur Atmungskette, wo der größte Teil des ATP entsteht.

Die Gesamtgleichung lautet vereinfacht:

Merke

Kurz gesagt: Zellatmung macht aus der Energie in Glucose die direkt nutzbare Energie in ATP.