ZELLATMUNG: PROZESS, TYPEN UND FUNKTIONEN - BIOLOGIE - 2025

Die Zellatmung ist ein Prozess, der Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) erzeugt. Später wird diese Energie auf andere zelluläre Prozesse gerichtet. Während dieses Phänomens werden die Moleküle oxidiert und der endgültige Akzeptor der Elektronen ist in den meisten Fällen ein anorganisches Molekül.

Die Art des endgültigen Elektronenakzeptors hängt von der Art der Atmung des untersuchten Organismus ab. In Aeroben - wie dem Homo sapiens - ist Sauerstoff der letzte Elektronenakzeptor. Im Gegensatz dazu kann Sauerstoff bei anaeroben Atemschutzgeräten toxisch sein. Im letzteren Fall ist der Endakzeptor ein anderes anorganisches Molekül als Sauerstoff.

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Die aerobe Atmung wurde von Biochemikern eingehend untersucht und besteht aus zwei Phasen: dem Krebszyklus und der Elektronentransportkette.

In eukaryotischen Organismen befindet sich die gesamte Maschinerie, die für die Atmung erforderlich ist, in den Mitochondrien, sowohl in der Mitochondrienmatrix als auch im Membransystem dieser Organelle.

Die Maschinerie besteht aus Enzymen, die die Reaktionen des Prozesses katalysieren. Die prokaryotische Linie ist durch das Fehlen von Organellen gekennzeichnet; Aus diesem Grund erfolgt die Atmung in bestimmten Regionen der Plasmamembran, die eine Umgebung simulieren, die der der Mitochondrien sehr ähnlich ist.

Terminologie

Auf dem Gebiet der Physiologie hat der Begriff "Atmung" zwei Definitionen: Lungenatmung und Zellatmung. Wenn wir im Alltag das Wort Atem verwenden, beziehen wir uns auf den ersten Typ.

Die Lungenatmung umfasst das Ein- und Ausatmen. Dieser Vorgang führt zum Austausch von Gasen: Sauerstoff und Kohlendioxid. Der richtige Begriff für dieses Phänomen ist "Belüftung".

Im Gegensatz dazu findet die Zellatmung - wie der Name schon sagt - in Zellen statt und ist der Prozess, der für die Energieerzeugung über eine Elektronentransportkette zuständig ist. Dieser letzte Prozess wird in diesem Artikel behandelt.

Wo findet die Zellatmung statt?

Ort der Atmung bei Eukaryoten

Mitochondrien

Die Zellatmung findet in einer komplexen Organelle statt, die Mitochondrien genannt wird. Strukturell sind Mitochondrien 1,5 Mikrometer breit und 2 bis 8 Mikrometer lang. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie über ein eigenes genetisches Material verfügen und sich durch binäre Spaltung teilen - Spuren ihrer endosymbiotischen Herkunft.

Sie haben zwei Membranen, eine glatte und eine innere mit Falten, die die Grate bilden. Je aktiver die Mitochondrien sind, desto mehr Grate hat sie.

Das Innere des Mitochondriums wird als Mitochondrienmatrix bezeichnet. In diesem Kompartiment befinden sich die Enzyme, Coenzyme, Wasser und Phosphate, die für Atemreaktionen erforderlich sind.

Die äußere Membran ermöglicht den Durchgang der meisten kleinen Moleküle. Es ist jedoch die innere Membran, die den Durchgang durch sehr spezifische Transporter tatsächlich einschränkt. Die Permeabilität dieser Struktur spielt eine grundlegende Rolle bei der Herstellung von ATP.

Anzahl der Mitochondrien

Die für die Zellatmung notwendigen Enzyme und anderen Komponenten sind in den Membranen verankert und in der mitochondrialen Matrix frei.

Daher zeichnen sich Zellen, die eine größere Energiemenge benötigen, durch eine hohe Anzahl von Mitochondrien aus, im Gegensatz zu Zellen, deren Energiebedarf geringer ist.

Beispielsweise haben Leberzellen im Durchschnitt 2.500 Mitochondrien, während eine Muskelzelle (sehr metabolisch aktiv) eine viel höhere Anzahl enthält und die Mitochondrien dieses Zelltyps größer sind.

Darüber hinaus befinden sich diese in bestimmten Regionen, in denen Energie benötigt wird, beispielsweise um das Flagellum von Spermien herum.

Ort der prokaryotischen Atmung

Prokaryontische Organismen müssen logischerweise atmen und haben weder Mitochondrien noch komplexe Organellen, die für Eukaryoten charakteristisch sind. Aus diesem Grund findet der Atmungsprozess in kleinen Invaginationen der Plasmamembran statt, analog zu dem, wie er in Mitochondrien auftritt.

Typen

Es gibt zwei grundlegende Arten der Atmung, abhängig von dem Molekül, das als Endakzeptor der Elektronen fungierte. Bei der aeroben Atmung ist der Akzeptor Sauerstoff, während er bei der anaeroben Atmung ein anorganisches Molekül ist - obwohl der Akzeptor in einigen speziellen Fällen ein organisches Molekül ist. Wir werden jedes im Folgenden detailliert beschreiben:

Aerobe Atmung

In aeroben Atmungsorganismen ist Sauerstoff der endgültige Akzeptor für Elektronen. Die auftretenden Schritte sind in den Krebszyklus und die Elektronentransportkette unterteilt.

Die detaillierte Erklärung der Reaktionen, die auf diesen biochemischen Wegen stattfinden, wird im nächsten Abschnitt entwickelt.

Anerobe Atmung

Der Endakzeptor besteht aus einem anderen Molekül als Sauerstoff. Die Menge an ATP, die durch anaerobe Atmung erzeugt wird, hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich des untersuchten Organismus und des verwendeten Weges.

Bei der aeroben Atmung ist die Energieproduktion jedoch immer höher, da der Krebszyklus nur teilweise funktioniert und nicht alle Transportermoleküle in der Kette an der Atmung beteiligt sind.

Aus diesem Grund ist das Wachstum und die Entwicklung anaerober Individuen signifikant geringer als bei aeroben.

Beispiele für anaerobe Organismen

In einigen Organismen ist Sauerstoff giftig und wird als strenge Anaerobier bezeichnet. Das bekannteste Beispiel ist das Bakterium, das Tetanus und Botulismus verursacht: Clostridium.

Darüber hinaus gibt es andere Organismen, die zwischen aerober und anaerober Atmung wechseln können und als fakultative Anaerobier bezeichnet werden. Mit anderen Worten, sie verbrauchen Sauerstoff, wenn es ihnen passt, und wenn er nicht vorhanden ist, greifen sie auf anaerobe Atmung zurück. Beispielsweise besitzt das bekannte Bakterium Escherichia coli diesen Metabolismus.

Bestimmte Bakterien können das Nitration (NO ₃ ^- ) als endgültigen Elektronenakzeptor verwenden, wie beispielsweise die Gattungen Pseudomonas und Bacillus. Das Ion kann zu Nitritionen, Lachgas oder Stickstoffgas reduziert werden.

In anderen Fällen besteht der Endakzeptor aus dem Sulfation (SO ₄ ^2- ), das Schwefelwasserstoff erzeugt und das Carbonat zur Bildung von Methan verwendet. Die Desulfovibrio-Bakteriengattung ist ein Beispiel für diesen Akzeptortyp.

Diese Aufnahme von Elektronen in Nitrat- und Sulfatmolekülen ist entscheidend für die biogeochemischen Kreisläufe dieser Verbindungen - Stickstoff und Schwefel.

Prozess

Die Glykolyse ist ein Weg vor der Zellatmung. Es beginnt mit einem Glucosemolekül und das Endprodukt ist Pyruvat, ein Drei-Kohlenstoff-Molekül. Die Glykolyse findet im Zytoplasma der Zelle statt. Dieses Molekül muss in die Mitochondrien gelangen können, um seinen Abbau fortzusetzen.

Pyruvat kann durch Konzentrationsgradienten in die Organelle durch die Poren der Membran diffundieren. Das endgültige Ziel wird die Matrix der Mitochondrien sein.

Vor dem Eintritt in den ersten Schritt der Zellatmung unterliegt das Pyruvatmolekül bestimmten Modifikationen.

Erstens reagiert es mit einem Molekül namens Coenzym A. Jedes Pyruvat spaltet sich in Kohlendioxid und die Acetylgruppe, die an Coenzym A bindet, wodurch der Aceyl-Coenzym A-Komplex entsteht.

Bei dieser Reaktion werden zwei Elektronen und ein Wasserstoffion auf NADP ^{+ übertragen} , was NADH ergibt und durch den Pyruvatdehydrogenase-Enzymkomplex katalysiert wird. Die Reaktion erfordert eine Reihe von Cofaktoren.

Nach dieser Modifikation beginnen die beiden Stadien der Atmung: der Krebszyklus und die Elektronentransportkette.

Der Krebszyklus

Der Krebszyklus ist eine der wichtigsten zyklischen Reaktionen in der Biochemie. In der Literatur ist es auch als Zitronensäurezyklus oder Tricarbonsäurezyklus (TCA) bekannt.

Es ist nach seinem Entdecker benannt: dem deutschen Biochemiker Hans Krebs. 1953 erhielt Krebs den Nobelpreis für diese Entdeckung, die das Gebiet der Biochemie kennzeichnete.

Das Ziel des Zyklus ist die allmähliche Freisetzung der im Acetyl-Coenzym A enthaltenen Energie. Es besteht aus einer Reihe von Oxidations- und Reduktionsreaktionen, die Energie auf verschiedene Moleküle übertragen, hauptsächlich NAD ⁺ .

Für jeweils zwei Acetyl-Coenzym-A-Moleküle, die in den Zyklus eintreten, werden vier Moleküle Kohlendioxid freigesetzt, sechs Moleküle NADH und zwei Moleküle FADH ₂ . CO ₂ wird als Abfall aus dem Prozess in die Atmosphäre freigesetzt. GTP wird ebenfalls generiert.

Da dieser Weg sowohl an anabolen (Molekülsynthese) als auch an katabolen (Molekülabbau) Prozessen beteiligt ist, wird er als „amphibolisch“ bezeichnet.

Krebszyklusreaktionen

Der Zyklus beginnt mit der Fusion eines Acetyl-Coenzym-A-Moleküls mit einem Oxalacetat-Molekül. Diese Vereinigung führt zu einem Molekül mit sechs Kohlenstoffatomen: Citrat. Somit wird Coenzym A freigesetzt. Tatsächlich wird es viele Male wiederverwendet. Befindet sich zu viel ATP in der Zelle, wird dieser Schritt verhindert.

Die obige Reaktion erfordert Energie und erhält sie durch Aufbrechen der hochenergetischen Bindung zwischen der Acetylgruppe und dem Coenzym A.

Citrat wird in cis-Aconitat umgewandelt und durch das Enzym Aconitase in Isocitrat umgewandelt. Der nächste Schritt ist die Umwandlung von Isocitrat in Alpha-Ketoglutarat durch dehydriertes Isocitrat. Diese Phase ist relevant, da sie zur Reduktion von NADH führt und Kohlendioxid freisetzt.

Alpha-Ketoglutarat wird durch Alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase, die dieselben Cofaktoren wie Pyruvatkinase verwendet, in Succinyl-Coenzym A umgewandelt. In diesem Schritt wird auch NADH erzeugt und als erster Schritt durch überschüssiges ATP gehemmt.

Das nächste Produkt ist Succinat. Bei seiner Herstellung tritt die Bildung von GTP auf. Das Succinat verwandelt sich in Fumarat. Diese Reaktion ergibt FADH. Das Fumarat wird wiederum zu Malat und schließlich zu Oxalacetat.

Die Elektronentransportkette

Das Ziel der Elektronentransportkette besteht darin, die Elektronen aus den in früheren Schritten erzeugten Verbindungen wie NADH und FADH ₂ , die sich auf einem hohen Energieniveau befinden, zu entnehmen und auf ein niedrigeres Energieniveau zu bringen.

Diese Energieverringerung erfolgt schrittweise, dh sie tritt nicht abrupt auf. Es besteht aus einer Reihe von Schritten, in denen Redoxreaktionen auftreten.

Die Hauptkomponenten der Kette sind Komplexe, die von Proteinen und Enzymen gebildet werden, die an Cytochrome gekoppelt sind: Metalloporphyrine vom Häm-Typ.

Cytochrome sind in ihrer Struktur ziemlich ähnlich, obwohl jedes eine Besonderheit aufweist, die es ihm ermöglicht, seine spezifische Funktion innerhalb der Kette zu erfüllen und Elektronen mit unterschiedlichen Energieniveaus zu singen.

Die Bewegung von Elektronen durch die Atmungskette zu niedrigeren Ebenen erzeugt die Freisetzung von Energie. Diese Energie kann in den Mitochondrien zur Synthese von ATP verwendet werden, was als oxidative Phosphorylierung bekannt ist.

Chemosmotische Kopplung

Der Mechanismus der ATP-Bildung in der Kette war lange Zeit ein Rätsel, bis der Biochemiker Peter Mitchell eine chemosmotische Kopplung vorschlug.

Bei diesem Phänomen wird ein Protonengradient über die innere Mitochondrienmembran aufgebaut. Die in diesem System enthaltene Energie wird freigesetzt und zur Synthese von ATP verwendet.

Menge an gebildetem ATP

Wie wir gesehen haben, bildet sich ATP nicht direkt im Krebszyklus, sondern in der Elektronentransportkette. Für jeweils zwei Elektronen, die von NADH zu Sauerstoff gelangen, erfolgt die Synthese von drei ATP-Molekülen. Diese Schätzung kann je nach konsultierter Literatur etwas variieren.

In ähnlicher Weise werden für jeweils zwei Elektronen, die von FADH ₂ passieren , zwei ATP-Moleküle gebildet.

Eigenschaften

Die Hauptfunktion der Zellatmung ist die Erzeugung von Energie in Form von ATP, um sie auf die Funktionen der Zelle lenken zu können.

Sowohl Tiere als auch Pflanzen müssen die chemische Energie extrahieren, die in den organischen Molekülen enthalten ist, die sie für Lebensmittel verwenden. Bei Gemüse sind diese Moleküle die Zucker, die die Pflanze selbst unter Verwendung von Sonnenenergie im berühmten Photosyntheseverfahren synthetisiert.

Tiere hingegen sind nicht in der Lage, ihre eigene Nahrung zu synthetisieren. So verbrauchen Heterotrophe Nahrung in der Nahrung - wie wir zum Beispiel. Der Oxidationsprozess ist für die Energiegewinnung aus Lebensmitteln zuständig.

Wir sollten die Funktionen der Photosynthese nicht mit denen der Atmung verwechseln. Pflanzen atmen wie Tiere. Beide Prozesse ergänzen sich und erhalten die Dynamik der Lebenswelt.

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