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Zellatmung – Überblick des Prozesses mit Stoff- und Energiebilanz

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Mtoto
Zellatmung – Überblick des Prozesses mit Stoff- und Energiebilanz
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Beschreibung Zellatmung – Überblick des Prozesses mit Stoff- und Energiebilanz

Inhalt

Stoff- und Energiebilanz der Zellatmung

Vielleicht kennst du schon den Tipp, vor Klassenarbeiten schnell noch ein Stück Traubenzucker zu essen, damit dein Gehirn ausreichend Energie zur Verfügung hat. Doch warum gerade Zucker? Jeden Tag nehmen wir Nahrung in Form von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen zu uns. Sie liefern unserem Körper die notwendige Energie für unseren Stoffwechsel sowie den Aufbau von Zellen. Vor allem Kohlenhydrate – dazu zählt auch Traubenzucker – werden schnell in Energie umgesetzt. Der Prozess zur Energiegewinnung heißt Zellatmung. Im Folgenden wollen wir uns insbesondere die Stoff- und Energiebilanz der Zellatmung genauer anschauen.

Vorwissen
Für ein besseres Verständnis solltest du dich mit chemischen Gleichungen, insbesondere Redoxreaktionen, bereits auskennen. Auch Vorwissen zum Aufbau der Zelle im Allgemeinen ist hilfreich sowie zum Aufbau des Mitochondriums.

Zellatmung – Schritte

Die Zellatmung setzt sich aus zahlreichen biochemischen Prozessen zusammen, in deren Verlauf Adenosintriphosphat, kurz ATP, generiert wird. ATP kannst du dir als die Energiewährung der Zelle vorstellen. Verschaffen wir uns als Erstes einen Überblick über die einzelnen Teilprozesse und ihre Wirkorte.

Teilprozess Wirkort
Glykolyse Zytoplasma
oxidative
Decarboxylierung
Matrix des Mitochondriums
Citratzyklus Matrix des Mitochondriums
Atmungskette innere Membran des Mitochondriums


Glykolyse – der Abbau von Traubenzucker

Traubenzucker ist ein Trivialname für Glucose. Diese kann sofort in der Glykolyse verstoffwechselt werden. Andere komplexere Kohlenhydrate müssen zuvor durch Enzyme verdaut werden, das heißt in ihre Monomere zerlegt werden. Daher ist die Wirkung von Traubenzucker auf unseren Stoffwechsel so schnell.

Die Glykolyse setzt 1 Mol Glucose $(\ce{C6H12O6})$ zu 2 Mol Pyruvat $(\ce{C3H4O3})$ um. Dabei werden in den ersten Teilschritten zunächst 2 Mol ATP verbraucht und dann 4 Mol ATP gebildet. Die Gesamtreaktion der Glykolyse lautet wie folgt:

$\ce{C6H12O6 + 2ADP + 2P_i + 2NAD+ ->}$
$\ce{2 C3H4O3 + 2 ATP + 2 (NADH + H+)}$

$\ce{NAD+}$ und $\ce{NADH + H+}$ sind ein Redoxpaar. Während $\ce{NAD+}$ in Reaktionen als Oxidationsmittel dient und zwei Elektronen und ein Proton $(\ce{H+})$ aufnehmen kann, ist die reduzierte Form $\ce{(NADH + H+)}$ ein Energielieferant in der Atmungskette.


Oxidative Decarboxylierung – Transport von Pyruvat

Das in der Glykolyse entstandene Pyruvat wird in der Matrix des Mitochondriums an das Coenzym A (CoA) gebunden, es entsteht Acetyl-CoA ($\ce{CH3CO-CoA}$, auch „aktivierte“ Essigsäure). Dabei wird je Mol Pyruvat 1 Mol Kohlenstoffdioxid freigesetzt und 1 Mol $\ce{(NADH + H+)}$ gebildet. Diesen Prozess nennt man deshalb oxidative Decarboxylierung, da zum einen Pyruvat decarboxyliert wird – $\ce{CO2}$ wird freigesetzt – und zum anderen durch $\ce{NAD+}$ oxidiert wird. Die Gesamtreaktion der oxidativen Decarboxylierung sieht so aus:

$\ce{2 C3H4O3 + 2 NAD+ + 2CoA-SH ->}$
$\ce{2 CH3CO-CoA + 2 CO2 + 2 (NADH + H+)}$


Citratzyklus – die Drehscheibe des Stoffwechsels

Der Citratzyklus hat viele Namen: Die Begriffe Krebs-Zyklus, Zitronensäurezyklus und Tricarbonsäurezyklus bezeichnen denselben cyclischen Stoffwechselprozess. Dieser findet ebenfalls in der Matrix der Mitochondrien statt. In ihm werden die Abbauprodukte der Fette, Kohlenhydrate und Aminosäuren verwertet. Den detaillierten Verlauf lernst du im Video Citratzyklus kennen. Verkürzt kann man sagen, dass pro Reaktionszyklus 1 Mol Acetyl-CoA zu 2 Mol Kohlenstoffdioxid umgesetzt wird, dabei entstehen 3 Mol $\ce{(NADH + H+)}$, 1 Mol $\ce{FADH2}$ und 1 Mol $\ce{GTP}$.

$\ce{CH3CO-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + P_i + 3 H2O ->}$
$\ce{2 CO2 + 3 (NADH+H+) + FADH2 + GTP + CoA-SH}$

Im Citratzyklus wird kein ATP gebildet, jedoch werden energiereiche Elektronen für die Atmungskette in Form der Coenzyme $\ce{(NADH + H+)}$ und $\ce{FADH2}$ gespeichert. Wir erinnern uns: Pro Mol Glucose entstehen 2 Mol Pyruvat und in der Folge 2 Mol Acetyl-CoA. Der Citratzyklus findet demzufolge pro Mol Glucose zweimal statt.

$\ce{2 CH3CO-CoA + 6 NAD+ + 2 FAD + 2 GDP + 2 P_i + 6 H2O ->}$
$\ce{4 CO2 + 6 (NADH + H+) + 2 FADH2 + 2 GTP + 2 CoA-SH}$


Atmungskette – Transport der Elektronen

Die Atmungskette ist der entscheidende Schritt der Energiegewinnung. Dabei handelt es sich um eine Elektronentransportkette an der inneren Mitochondrienmembran. Die bisher gewonnenen Elektronen, die in den Coenzymen $\ce{(NADH + H+)}$ und $\ce{FADH2}$ gespeichert sind, werden über verschiedene Enzymkomplexe innerhalb der inneren Mitochondrienmembran transportiert. Die Übertragung der Elektronen erfolgt am Enzymkomplex I nach folgender Reaktion:

$\ce{NADH -> NAD+ + 2 e- + H+ }$

Zudem werden an jedem Enzymkomplex Protonen $(\ce{H+})$ aktiv aus der Matrix gepumpt. Es entsteht ein Protonengradient. Das heißt, in der Matrix wird eine negative Ladung aufgebaut, während im Intermembranraum (zwischen äußerer und innerer Mitochondrienmembran) eine positive Ladung entsteht. Entlang des Gradienten fließen die Protonen – getrieben durch die Diffusion – zurück in die Matrix. Die ATP‑Synthase, ein Enzymkomplex in der inneren Membran, funktioniert wie eine Turbine, ähnlich der in einem Wasserkraftwerk. Sie macht sich den Protonenfluss und die dabei entstehende Energie zunutze und bildet ATP durch Phosphorylierung von ADP. Die ATP‑Synthase ist also ein Energiewandler.

$\ce{ADP + P_i ->[{ATP-Synthase}]ATP}$

Wie viele Mol ATP aus den Redoxäquivalenten $\ce{(NADH + H+)}$ und $\ce{FADH2}$ entstehen, ist ganz unterschiedlich. Eine detaillierte Aufschlüsselung findest du in der Zusammenfassung.

Doch wohin fließen letztendlich die Elektronen der Coenzyme? Sie werden am Enzymkomplex IV auf Sauerstoff übertragen. Sauerstoff wird dadurch reduziert und nimmt sukzessive Protonen in Form von $(\ce{H+})$ aus der Matrix auf – es entsteht Wasser.

$\ce{1 O2 + 4 H+ + 4e- ->2H2O}$

Die Reaktion ist dir vielleicht als Knallgasprobe bekannt und liefert viel Energie. Diese wird hier genutzt, um weitere Protonen aus der Matrix zu pumpen und den Protonengradienten aufrechtzuerhalten. Die Gesamtgleichung der Atmungskette sieht wie folgt aus:

$\ce{10 (NADH + H+) + 2 FADH2 + 26 (ADP + P_i) + 6 O2 ->}$
$\ce{10 NAD+ + 2 FAD + 12 H2O + 26 ATP}$

Zusammenfassung – Bilanz der Zellatmung

Wie wir gerade gelernt haben, ist die Zellatmung ein sehr komplexer Stoffwechselprozess, der sich aus vielen Teilschritten zusammensetzt. Betrachten wir daher zusammenfassend die Stoff- und Energiebilanz der Zellatmung.

Die Stoffbilanz fällt für jeden Teilprozess der Zellatmung sehr unterschiedlich aus. Während die Prozesse Glykolyse und Atmungskette direkt über die ATP-Bildung zur Energiegewinnung beitragen, erfolgt bei der oxidativen Decarboxylierung und dem Citratzyklus der Beitrag zu Energiegewinnung indirekt über die Bildung von $\ce{(NADH + H+)}$ und $\ce{FADH2}$.

Betrachten wir die Energiebilanz eines jeden Teilschritts für 1 Mol Glucose:

  • Glykolyse: $\ce{\color{red}{2 ATP}}$ und $\ce{2 NADH+H+}$
  • Oxidative Decarboxylierung: $\ce{2 (NADH + H+)}$
  • Citratzyklus: $\ce{6 (NADH + H+)}$, $\ce{2 FADH2}$ und $\ce{\color{red}{2 GTP}}$

In der Atmungskette werden die Redoxäquivalente $\ce{(NADH + H+)}$ und $\ce{FADH2}$ zu $\ce{ATP}$ umgewandelt.

  • $\ce{2 (NADH + H+)}$ aus der Glykolyse liefern $\ce{\color{red}{3 ATP}}$.
  • $\ce{2 (NADH + H+)}$ aus der oxidativen Decarboxylierung liefern $\ce{\color{red}{5 ATP}}$.
  • $\ce{6 (NADH + H+)}$ aus dem Citratzyklus liefern $\ce{\color{red}{15 ATP}}$.
  • $\ce{2 FADH2}$ aus dem Citratzyklus liefern $\ce{\color{red}{3 ATP}}$.

Da GTP energetisch gesehen ATP gleichwertig ist – sie können in die jeweils andere Form umgewandelt werden $(\ce{GTP + ADP -> GDP + ATP})$ –, liefert die Zellatmung zusammenfassend 30 ATP. Frühere Werte von 36 bis 38 ATP wurden durch neuere Untersuchungen überholt. Betrachten wir abschließend die Stoffbilanz der Zellatmung, ergibt sich folgende Gesamtgleichung:

$\ce{C6H12O6 +6O2 + 6H2O -> 6CO2 + 12H2O}$


Fette und Aminosäuren

Bisher haben wir uns nur den Abbau der Glucose angeschaut, also von Kohlenhydraten. Nun nehmen wir aber auch Fette und Proteine mit unserer Nahrung auf. Wie tragen diese Nahrungsbestandteile zur Energiegewinnung bei? Fette werden in Fettsäuren und Glycerin zerlegt, während Proteine in ihre Bausteine, die Aminosäuren, zerlegt werden. Glycerin wird in der Glykolyse abgebaut, Fettsäuren werden zu Acetyl-CoA gespalten und im Citratzyklus verwendet. Aminosäuren gehen meist direkt in die Proteinbiosynthese über und werden wiederverwendet. Nur wenn die Zelle „hungert“, werden Aminosäuren in der Zellatmung verwendet.

Dieses Video

Dieses Video gibt dir eine Übersicht über die Zellatmung. Schritt für Schritt werden dir die Teilprozesse und Wirkorte der Zellatmung erklärt. Es wird insbesondere die Stoffbilanz der Zellatmung betrachtet. So erfährst du, welche Mengen an Ausgangsstoffen eingesetzt werden und welche Mengen an Produkten entstehen. Außerdem kennst du nun die Energiebilanz für jeden Teilschritt der Zellatmung. Zusätzlich erfährst du, wie Proteine und Fette in den Stoffwechselprozess Eingang finden. Zu dem Thema Stoff- und Energiebilanz der Zellatmung stehen dir interaktive Übungsaufgaben und ein Arbeitsblatt zur Verfügung.

Transkript Zellatmung – Überblick des Prozesses mit Stoff- und Energiebilanz

Hallo. Um uns zu ernähren, nehmen wir jeden Tag Kohlenhydrate, Fette und Proteine auf. Aus all diesen Stoffen wird Energie für unseren Stoffwechsel und den Aufbau von Zellen gewonnen. Vor allem Kohlenhydrate werden schnell in Energie umgesetzt. Der gesamte Prozess heißt Zellatmung. Doch wie sieht sie eigentlich aus, die Stoff- und Energiebilanz? In diesem Video werden die Teilprozesse beschrieben, samt ihrer Wirkorte, Ausgangsstoffe, Produkte und Stoffbilanzen. Außerdem lernst du die Summenformel der Zellatmung und wie Proteine und Fette genutzt werden. Verschaffen wir uns als erstes einen Überblick über die einzelnen Teilprozesse und ihre Wirkorte. Dazu müssen wir einen Blick in die Zelle werfen. Das Kohlenstoffgerüst eines Mols Glukose wird zuerst durch die Glykolyse im Cytoplasma zerlegt. Über viele Teilschritte werden zuerst zwei ATP verbraucht und dann vier gebildet. Es entstehen also 2 ATP, zwei Mol NADH und zwei H+, 2 Mol Wasser und 2 Mol Pyruvat. Pyruvat wird aus dem Cytoplasma in das Mitochondrium transportiert und an das Coenzym A gebunden. Dabei entstehen noch mal 2 NAHD und H+, außerdem 2 Mol Kohlenstoffdioxid und 2 Acetyl-CoA. Diesen Prozess nennt man oxidative Decarboxylierung, da jeweils ein C-Atom abgespalten wird. Jetzt kann der Citratzyklus beginnen. Im Mitochondrium wird Acetyl-CoA weiter zerlegt. Da hier 2 Mol vorhanden sind, findet der Citratzyklus pro Mol Glucose zwei Mal statt. Insgesamt werden also 2 FAD und 6 NAD+ eingebracht und in energiereiche 2 FADH2 und 6 NADH + H+ umgewandelt. Bei den oxidativen Decarboxylierungen werden insgesamt 4 CO2 abgespalten. Über das Zwischenprodukt GTP, wenden 2 ATP gebildet. Außerdem entstehen 6 Mol Wasser. Jetzt kommen wir zum entscheidenden Schritt, der Atmungskette an der inneren Mitochondrienmembran. Hier wird die in den bisher gewonnenen 10 Mol NADH und H+ und 2 Mol FADH2 gespeicherte Energie konserviert. Im Zuge der Elektronentransportkette, werden Elektronen von diesen Stoffen von einem Enzymkomplex zum nächsten transportiert. Dabei werden Protonen aus der Mitochondrienmatrix in den internen Membranraum gepumpt, sodass ein Ladungs- und Konzentrationsgefälle entsteht. Dieses wird mit Hilfe der ATP-Synthase ausgeglichen, die wie eine kleine Turbine angetrieben wird. Pro NADH und H+ entstehen 3 ATP, pro FADH2 2 ATP. Hier werden also insgesamt 34 ATP gebildet. Außerdem 12 Mol Wasser aus 6 Mol Sauerstoff, sowie 10 NAD+ und 2 FAD, die wieder in Glykolyse und Citratzyklus Verwendung finden. Die Stoffbilanz für jeden Teilprozess fällt sehr unterschiedlich aus. Entweder wird direkt über die ATP-Bildung zur Energiegewinnung beigetragen oder indirekt über die Bildung von NADH und FADH2. Berücksichtigt man bei der Glykolyse die NADH entstehen insgesamt 8 ATP. Die oxidative Decarboxylierung bringt demnach 6 ATP ein. Der Citratzyklus bereitet den Weg für das meiste ATP. Aus 6 NADH und 2 FADH2 werden 22 ATP gebildet. Plus die zwei direkt gebildeten ATP macht das 24 ATP. Diese Zahl ist jedoch nicht ganz konstant, manchmal entstehen nur 22 ATP. Ein Mol Glukose liefert also 36-38 Mol ATP. Das entspricht ca. 1100 kJ. Die etwas ausführlichere Summenformel sieht dann wie folgt aus: Während der Atmungskette entstehen insgesamt 36 - 28 ATP, 6 CO2 und 12 H2O. Aus einem Mol Glucose, 6 O2, 6 H2O und 38 ADP+P. Bisher haben wir uns nur den Abbau der Glukose angeschaut, also von Kohlenhydraten. Nun nehmen wir aber auch Fette und Proteine mit unserer Nahrung auf. Was passiert mit diesen Molekülen? Zunächst werden sie gespalten. Proteine in Aminosäuren und Fette in Glycerin und Fettsäuren. Alle diese neu entstandenen Stoffe können nun in Teilprozesse der Atmungskette eingehen und so für die Energiegewinnung genutzt werden. Glycerin wird in der Glykolyse abgebaut, Fettsäuren werden zu Acetyl-CoA gespalten und gehen in den Citratzyklus ein. Aminosäuren dienen hauptsächlich dem Aufbau von körpereigenen Proteinen. Bei Bedarf werden sie umbaut, und gehen in Glykolyse, oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus ein. Zuvor muss die Aminogruppe abgespalten und als Harnsäure oder Harnstoff ausgeschieden werden. Der Citratzyklus wird auch als Drehscheibe des Stoffwechsels bezeichnet, da er mit anderen Prozessen wie der Gärung und dem Pentosephosphatweg verbunden ist. Außerdem werden Zwischenprodukte, wie Pyruvat, Acetyl-CoA, und Glycerinaldehyd als Baustoffe des Körpers genutzt. Fassen wir noch einmal zusammen. Während der Atmungskette entstehen insgesamt 36 - 38 ATP, 6 CO2 und 12 H2O aus einem Mol Glukose, 6 O2, 6 H2O und 38 ADP und P. Während Glykolyse und Citratzyklus werden hauptsächlich NADH und H+ sowie FADH2 gebildet, deren gespeicherte Energie später in der Atmungskette als ATP konserviert wird. Die Glykolyse findet im Cytoplasma der Zellen statt. Durch oxidative Decarboxylierung wird das Endprodukt in die Mitochondrien transportiert, wo der Citratzyklus stattfindet. An der inneren Mitochondrienmembran wird ein Protonengradient aufgebaut. Das geschieht im Zuge der Atmungskette. Fette und Proteine werden in Fettsäuren, Glycerin und Aminosäuren zerlegt und können so in die verschiedenen Teilprozesse der Zellatmung eingehen. Tschüss und bis zum nächsten Mal.

4 Kommentare

4 Kommentare
  1. sollen wir hier was lernen oder IHRE videos bewerten :(((

    Von David E., vor fast 2 Jahren
  2. wie wird bei Cytratzyklus 4 CO2 abgespaltet danke!!

    Von Hannanakhla, vor fast 3 Jahren
  3. Hallo :)

    ja da hast du Recht. Im Video wird dies bei 1:20 kurz erwähnt und dort entstehen insgesamt auch die 36 ATP. Die folgende Stoffbilanz schließt dann wieder die Schwankung im Citrtazyklus mit ein. Schau es dir am besten einfach nochmal an :)

    Von Marcel S., vor fast 7 Jahren
  4. Also wir haben gelernt dass immer nur 36 ATP aus einem Glucose entstehen, weil die nadh aus der Glykolyse auf dem Weg ins Mitochondrium Energie verlieren...

    Von Kernsbox, vor fast 7 Jahren

Zellatmung – Überblick des Prozesses mit Stoff- und Energiebilanz Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Zellatmung – Überblick des Prozesses mit Stoff- und Energiebilanz kannst du es wiederholen und üben.
  • Benenne die Schritte der Zellatmung.

    Tipps

    Zuerst wird die Glukose zerlegt.

    Lösung

    In der Glykolyse wird Glukose zerlegt, dies findet im Cytoplasma statt. Es ensteht u.a. Pyruvat. Dieses wird ins Mitochondrium transportiert und an Acetyl-CoA gebunden. Diesen Prozess nennt man oxidative Decarboxylierung. Das Acetyl-CoA wird im Citratzyklus weiter zerlegt. In der Atmungskette wird die Energie konserviert.

  • Benenne die ATP- Menge der Teilprozesse.

    Tipps

    1 mol Glucose bringt 36 bis 38 mol ATP.

    Lösung

    Die Stoffbilanz für die Teilprozesse der Zellatmung ist sehr unterschiedlich.

    Bei der Glykolyse werden 8 mol ATP gebildet.

    Die oxidative Decarboxylierung bringt 6 mol ATP ein und im Citratzyklus werden zwischen 22 und 24 mol ATP gebildet.

    Somit liefert 1 mol Glucose zwischen 36 und 38 mol ATP.

  • Vergleiche die Atmung und die Gärung miteinander.

    Tipps

    Der Abbauweg der Gärung ist sehr kurz.

    Lösung

    Bei der Zellatmung entstehen 38 mol ATP. In der anaeroben Umgebung findet alkoholische Gärung statt, bei der nur 2 mol ATP gewonnen werden.

    Die Endprodukte der Gärung sind noch sehr energiereich. Diese können aber nicht von den Organismen genutzt werden. Demzufolge ist die Gärung wesentlich weniger effektiv als die Atmung.

  • Erkläre die Fotosynthese der Pflanzen.

    Tipps

    Die Pflanzen produzieren den Sauerstoff, den wir einatmen.

    Lösung

    Die Fotosynthese ist ein sehr wichtiger Prozess der Pflanzen. Durch diesen Prozess wird der Sauerstoff hergestellt, den wir einatmen. Ort der Fotosynthese sind die Chloroplasten. Der Farbstoff, Chlorophyll, fängt die Lichtenergie der Sonne auf, diese wird in chemische Energie umgewandelt.

  • Bestimme die Abbauprodukte und die Wirkungsorte der Stoffe.

    Tipps

    Glycerin ist ein Zuckeralkohol.

    Lösung

    In dem Video hast du auch erfahren, was mit Fetten und Proteinen passiert, die wir mit der Nahrung aufnehmen.

    Auch diese Stoffe werden gespalten. Proteine werden in Aminosäuren und Fette werden in Fettsäuren und Glycerin gespalten.

    Das Glycerin geht in die Glykolyse ein, Fettsäuren werden zu Acetyl-CoA gespalten, ehe sie in den Citratzyklus übernommen werden. Die Aminosäuren dienen vor allem dem Aufbau körpereigener Proteine.

  • Begründe die entwicklungsgeschichtliche Verwandtschaft der Mitochondrien und Chloroplasten.

    Tipps

    Diese Abbildung zeigt dir die Endosymbiontentheorie. Hier siehst du, wie ein Chloroplast entstanden ist.

    Lösung

    Ende des 19. Jahrhunderts machten Wissenschaftler die Entdeckung, dass Plastiden und Mitochondrien sich unabhängig vom Zellzyklus durch Zellteilung vermehren können. Daraufhin nahm man an, dass diese Organellen von freilebenden Einzellern abstammen. In der Endosymbiontentheorie fast man dies wie folgt zusammen: Große organellfreie Prokraryoten nahmen bakterienähnliche Organismen auf und verdauten diese nicht.

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