AEROBE ATMUNG: EIGENSCHAFTEN, STADIEN UND ORGANISMEN - BIOLOGIE - 2025

Die aerobe Atmung oder Aerobic ist ein biologischer Prozess, bei dem Energie organischer Moleküle - hauptsächlich Glucose - durch eine Reihe von Oxidationsreaktionen gewonnen wird, wobei der endgültige Elektronenakzeptor Sauerstoff ist.

Dieser Prozess ist bei der überwiegenden Mehrheit der organischen Wesen, insbesondere der Eukaryoten, vorhanden. Alle Tiere, Pflanzen und Pilze atmen aerob. Zusätzlich zeigen einige Bakterien auch einen aeroben Stoffwechsel.

Bei Eukaryoten befindet sich die Maschinerie für die Zellatmung in den Mitochondrien.
Quelle: Nationales Institut für Humangenomforschung (NHGRI) aus Bethesda, MD, USA, über Wikimedia Commons

Im Allgemeinen wird der Prozess der Energiegewinnung aus dem Glucosemolekül in Glykolyse (dieser Schritt ist sowohl auf dem aeroben als auch auf den anaeroben Weg üblich), den Krebszyklus und die Elektronentransportkette unterteilt.

Das Konzept der aeroben Atmung steht der anaeroben Atmung entgegen. In letzterem ist der Endakzeptor der Elektronen eine andere anorganische Substanz, die sich von Sauerstoff unterscheidet. Es ist typisch für einige Prokaryoten.

Was ist Sauerstoff?

Bevor der Prozess der aeroben Atmung diskutiert wird, müssen bestimmte Aspekte des Sauerstoffmoleküls bekannt sein.

Es ist ein chemisches Element, das im Periodensystem mit dem Buchstaben O und der Ordnungszahl 8 dargestellt ist. Unter Standardbedingungen von Temperatur und Druck neigt Sauerstoff dazu, paarweise zu binden, wodurch das Disauerstoffmolekül entsteht.

Dieses Gas, das aus zwei Sauerstoffatomen besteht, hat keine Farbe, keinen Geruch oder Geschmack und wird durch die Formel O _{2 dargestellt} . In der Atmosphäre ist es eine herausragende Komponente und notwendig, um die meisten Lebensformen auf der Erde zu erhalten.

Dank der gasförmigen Natur von Sauerstoff kann das Molekül Zellmembranen frei durchqueren - sowohl die äußere Membran, die die Zelle von der extrazellulären Umgebung trennt, als auch die Membranen der subzellulären Kompartimente, einschließlich der Mitochondrien.

Atmungseigenschaften

Zellen verwenden die Moleküle, die wir über unsere Nahrung aufnehmen, als eine Art „Treibstoff“ für die Atemwege.

Die Zellatmung ist der Energieerzeugungsprozess in Form von ATP-Molekülen, bei dem die abzubauenden Moleküle oxidiert werden und der endgültige Akzeptor der Elektronen in den meisten Fällen ein anorganisches Molekül ist.

Ein wesentliches Merkmal, das Atmungsprozesse ermöglicht, ist das Vorhandensein einer Elektronentransportkette. Bei der aeroben Atmung ist der letzte Akzeptor für Elektronen das Sauerstoffmolekül.

Unter normalen Bedingungen sind diese "Kraftstoffe" Kohlenhydrate oder Kohlenhydrate und Fette oder Lipide. Da der Körper aufgrund mangelnder Nahrung in prekäre Zustände gerät, verwendet er Proteine, um seinen Energiebedarf zu decken.

Das Wort Atmung ist Teil unseres Wortschatzes im Alltag. Das Einatmen von Luft in unsere Lunge in kontinuierlichen Aus- und Einatmungszyklen nennen wir Atmung.

Im formalen Kontext der Biowissenschaften wird eine solche Aktion jedoch mit dem Begriff Beatmung bezeichnet. Daher wird der Begriff Atmung verwendet, um Prozesse zu bezeichnen, die auf zellulärer Ebene stattfinden.

Prozesse (Stufen)

Die Stadien der aeroben Atmung umfassen die notwendigen Schritte, um Energie aus organischen Molekülen zu extrahieren - in diesem Fall beschreiben wir den Fall des Glucosemoleküls als Atembrennstoff - bis es den Sauerstoffakzeptor erreicht.

Dieser komplexe Stoffwechselweg ist in Glykolyse, Krebszyklus und Elektronentransportkette unterteilt:

Glykolyse

Abbildung 1: Glykolyse vs. Glukoneogenese. Reaktionen und Enzyme beteiligt.

Der erste Schritt beim Abbau von Glucosemonomer ist die Glykolyse, auch Glykolyse genannt. Dieser Schritt benötigt keinen Sauerstoff direkt und ist in praktisch allen Lebewesen vorhanden.

Das Ziel dieses Stoffwechselweges ist die Spaltung von Glucose in zwei Brenztraubensäuremoleküle, wobei zwei Nettoenergiemoleküle (ATP) erhalten und zwei NAD ⁺ -Moleküle reduziert werden .

In Gegenwart von Sauerstoff kann der Weg zum Krebszyklus und zur Elektronentransportkette fortgesetzt werden. Fehlt Sauerstoff, folgen die Moleküle dem Fermentationsweg. Mit anderen Worten, Glykolyse ist ein üblicher Stoffwechselweg für die aerobe und anaerobe Atmung.

Vor dem Krebszyklus muss eine oxidative Decarboxylierung von Brenztraubensäure stattfinden. Dieser Schritt wird durch einen sehr wichtigen Enzymkomplex vermittelt, der als Pyruvatdehydrogenase bezeichnet wird und die oben genannte Reaktion ausführt.

So wird Pyruvat zu einem Acetylradikal, das anschließend von Coenzym A eingefangen wird, das für den Transport in den Krebszyklus verantwortlich ist.

Krebs Zyklus

Der Krebszyklus, auch als Zitronensäurezyklus oder Tricarbonsäurezyklus bekannt, besteht aus einer Reihe von biochemischen Reaktionen, die durch spezifische Enzyme katalysiert werden und die im Acetyl-Coenzym A gespeicherte chemische Energie allmählich freisetzen sollen.

Es ist ein Weg, der das Pyruvatmolekül vollständig oxidiert und in der Matrix der Mitochondrien vorkommt.

Dieser Zyklus basiert auf einer Reihe von Oxidations- und Reduktionsreaktionen, die potentielle Energie in Form von Elektronen auf Elemente übertragen, die sie akzeptieren, insbesondere das NAD ⁺ -Molekül .

Zusammenfassung des Krebszyklus

Jedes Brenztraubensäuremolekül zerfällt in Kohlendioxid und ein Zwei-Kohlenstoff-Molekül, das als Acetylgruppe bekannt ist. Mit der Vereinigung zu Coenzym A (im vorherigen Abschnitt erwähnt) wird der Acetyl-Coenzym A-Komplex gebildet.

Die beiden Brenztraubensäurekohlenstoffe treten in den Kreislauf ein, kondensieren mit Oxalacetat und bilden ein Citratmolekül mit sechs Kohlenstoffatomen. Somit treten oxidative Stufenreaktionen auf. Das Citrat kehrt mit einer theoretischen Produktion von 2 Mol Kohlendioxid, 3 Mol NADH, 1 Mol FADH ₂ und 1 Mol GTP zu Oxalacetat zurück .

Da bei der Glykolyse zwei Pyruvatmoleküle gebildet werden, beinhaltet ein Glucosemolekül zwei Umdrehungen des Krebszyklus.

Elektronentransportkette

Eine Elektronentransportkette besteht aus einer Sequenz von Proteinen, die Oxidations- und Reduktionsreaktionen durchführen können.

Der Durchgang von Elektronen durch diese Proteinkomplexe führt zu einer allmählichen Freisetzung von Energie, die anschließend zur Erzeugung von ATP durch Chemoosmotik verwendet wird. Wichtig ist, dass die letzte Kettenreaktion vom irreversiblen Typ ist.

In eukaryotischen Organismen, die subzelluläre Kompartimente aufweisen, sind die Elemente der Transporterkette an der Membran der Mitochondrien verankert. Bei Prokaryoten, denen diese Kompartimente fehlen, befinden sich die Elemente der Kette in der Plasmamembran der Zelle.

Die Reaktionen dieser Kette führen zur Bildung von ATP durch die Energie, die durch die Verdrängung von Wasserstoff durch die Transporter erhalten wird, bis es den endgültigen Akzeptor erreicht: Sauerstoff, eine Reaktion, die Wasser erzeugt.

Klassen von Trägermolekülen

Die Kette besteht aus drei Varianten von Förderbändern. Die erste Klasse sind Flavoproteine, die durch das Vorhandensein von Flavin gekennzeichnet sind. Diese Art von Transporter kann alternativ zwei Arten von Reaktionen durchführen, sowohl Reduktion als auch Oxidation.

Der zweite Typ besteht aus Cytochromen. Diese Proteine ​​haben eine Hämgruppe (wie die von Hämoglobin), die unterschiedliche Oxidationsstufen aufweisen kann.

Die letzte Klasse von Transportern ist Ubichinon, auch bekannt als Coenzym Q. Diese Moleküle sind von Natur aus kein Protein.

Organismen mit aerober Atmung

Die meisten lebenden Organismen haben eine aerobe Atmung. Es ist typisch für eukaryotische Organismen (Wesen mit einem wahren Kern in ihren Zellen, der durch eine Membran begrenzt ist). Alle Tiere, Pflanzen und Pilze atmen aerob.

Tiere und Pilze sind heterotrophe Organismen, was bedeutet, dass der "Kraftstoff", der im Stoffwechselweg der Atmung verwendet wird, aktiv in der Nahrung aufgenommen werden muss. Im Gegensatz zu Pflanzen, die über Photosynthese ihre eigene Nahrung produzieren können.

Einige Gattungen von Prokaryoten benötigen auch Sauerstoff für ihre Atmung. Insbesondere gibt es strenge aerobe Bakterien - das heißt, sie wachsen nur in sauerstoffreichen Umgebungen wie Pseudomonas.

Andere Bakteriengattungen haben die Fähigkeit, ihren Stoffwechsel basierend auf Umgebungsbedingungen wie Salmonellen von aerob zu anaerob zu ändern. Bei Prokaryoten ist aerob oder anaerob ein wichtiges Merkmal für ihre Klassifizierung.

Unterschiede zur anaeroben Atmung

Der entgegengesetzte Prozess zur aeroben Atmung ist der anaerobe Modus. Der offensichtlichste Unterschied zwischen den beiden ist die Verwendung von Sauerstoff als endgültiger Elektronenakzeptor. Bei der anaeroben Atmung werden andere anorganische Moleküle als Akzeptoren verwendet.

Darüber hinaus ist bei der anaeroben Atmung das Endprodukt der Reaktionen ein Molekül, das immer noch das Potenzial hat, weiter zu oxidieren. Beispielsweise bildete sich während der Fermentation Milchsäure in den Muskeln. Im Gegensatz dazu sind die Endprodukte der aeroben Atmung Kohlendioxid und Wasser.

Auch aus energetischer Sicht gibt es Unterschiede. Auf dem anaeroben Weg werden nur zwei ATP-Moleküle produziert (entsprechend dem glykolytischen Weg), während bei der aeroben Atmung das Endprodukt im Allgemeinen etwa 38 ATP-Moleküle beträgt - was einen signifikanten Unterschied darstellt.

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