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Atmung, Dissimilation

Schülerinnen beim 100 m - Blindlauf (Glycolympics 2012)
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Bei einem Wettlauf benötigen die Muskeln jede Menge ATP. Steht genug Sauerstoff zur Verfügung, zum Beispiel bei einem längeren und nicht zu schnellem Lauf, denn wird die gespeicherte Glucose aerob oxidiert, also mit Hilfe von Sauerstoff nach der Gleichung

$C_{6}H_{12}O_{6} + 6 \ O_{2} \to 6 \ CO_{2} + 6 \ H_{2}O$

zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut. Bei einem kurzen anstrengenden Sprint übersteigt jedoch der ATP-Bedarf den zur Verfügung stehenden Sauerstoff, dann wird zusätzlich der Weg des anaeroben Abbaus über eine Gärung eingeschlagen.

Der biochemische Vorgang der Atmung lässt sich mit wenigen Worten beschreiben: Die Zellen benötigen ATP als universale Energiewährung. Das Herstellen von ATPist allerdings ein energieaufwändiger Prozess, und es stellt sich jetzt die Frage, wo die Energie zur Synthese von ATPeigentlich her kommt. Menschliche, tierische und pflanzliche Zellen gewinnen diese Energie, indem sie den energiereichen Zucker Glucose (Traubenzucker) verbrennen, gemäß der obigen Reaktionsgleichung.

Bei dieser Reaktion passieren zwei Dinge gleichzeitig:

  • Erstens wird Glucose oxidiert. Dazu wird Sauerstoff benötigt, den der menschliche Körper z.B. durch Lungenatmung aufnimmt und dann - im Blut gelöst - den Zellen zuführt.
  • Zweitens wird sehr viel Energie freigesetzt, die in den Mitochondrien der Zelle in neues ATPverwandelt wird. Dieser Prozess, der sehr viel komplizierter ist, als es in der Reaktionsgleichung oben aussieht, läuft in unseren Zellen in drei Schritten ab: Glycolyse, Citratzyklus und Atmungskette.
  1. Bei der Glycolyse wird das Glucose-Molekül in einfachere Verbindungen abgebaut, die noch sehr viel Energie enthalten. Die Glycolyse benötigt noch keinen Sauerstoff. Da eine geringe Menge von ATP bereits in der Glycolyse synthetisiert wird, können bestimmte niedere Organismen ihren ATP-Bedarf auch in Abwesenheit von Sauerstoff decken (Gärung). Auch höhere Organismen wie der Mensch haben diesen einfachen Weg der ATP-Gewinnung noch in petto, falls mal mehr ATP benötigt wird als Sauerstoff zur Verfügung steht.
  2. Im Citratzyklus oder Zitronensäurezyklus werden die Endprodukte der Glycolyse zu Kohlendioxid abgebaut, außerdem entstehen jede Menge wasserstoffreicher Verbindungen wie NADH/H+ und FADH2.
  3. In der Atmungskette schließlich geben die wasserstoffreichen Verbindungen des Zitronensäurezyklus ihren Wasserstoff an Sauerstoff-Moleküle ab. Dies ist eine extrem exotherme Reaktion, vergleichbar mit der Knallgasreaktion (mit der man sogar Raketen antreiben kann). Die bei dieser Reaktion freigesetzte Energie wird zur Synthese von sehr viel ATP aus ADP und Phosphat eingesetzt. Damit ist die Atmungskette nicht nur der letzte, sondern auch der wichtigste Schritt der gesamten Atmung.
  4. Die Gluconeogenese ist formal eine Umkehrung der Glycloyse, verläuft aber auf einem anderen Weg. Mit Hilfe dieses anabolischen (aufbauenden) Stoffwechselwegs kann aus Glycerin, Aminosäuren oder Pyruvat neue Glucose synthetisiert werden. Das ist vor allem für das Gehirn wichtig, wenn im Körper ein Mangel an Kohlenhydraten herrscht.