Zellatmung

1. Die Zellatmung ist ein lebenswichtiger biologischer Prozess für die Energieproduktion in Zellen.

2. Dabei werden Nährstoffe in ATP, die primäre Energiewährung, umgewandelt.

3. Zwei Typen: Aerobic (verwendet Sauerstoff) und Anaerob (ohne Sauerstoff).

4. Schlüsselkomponenten: Mitochondrien bei Eukaryoten, Zytoplasma bei Prokaryoten.

5. Stadien der aeroben Atmung: Glykolyse, Zitronensäurezyklus, oxidative Phosphorylierung. 

Mitochondrien und Adenosintriphosphat (ATP) spielen eine zentrale Rolle im Prozess der Zellatmung und steuern die effiziente Produktion und Nutzung von Energie innerhalb der Zellen. Mitochondrien, oft als „Kraftwerke der Zelle“ bezeichnet, sind doppelmembrangebundene Organellen, die in eukaryotischen Zellen vorkommen. Diese winzigen Strukturen spielen eine entscheidende Rolle bei der aeroben Atmung und beherbergen viele der an diesem Prozess beteiligten Enzyme und Transportproteine. Sie erleichtern den Abbau von Glukose und anderen organischen Molekülen und ermöglichen die Extraktion energiereicher Elektronen und Protonen, die dann zur Erzeugung von ATP verwendet werden.

ATP hingegen ist das Energieträgermolekül, das zelluläre Prozesse antreibt. Es speichert und überträgt Energie in Form hochenergetischer Phosphatbindungen. Während der Zellatmung wird ATP durch oxidative Phosphorylierung produziert, ein Prozess, der in der inneren Mitochondrienmembran eukaryontischer Zellen stattfindet. Hier werden die beim Abbau von Glukose entstehenden Elektronen und Protonen durch die Elektronentransportkette (ETC) transportiert, wodurch ein elektrochemischer Gradient über die innere Membran entsteht. Dieser Gradient treibt die ATP-Synthase dazu, ATP zu produzieren, indem sie eine Phosphatgruppe an Adenosindiphosphat (ADP) anfügt.

Die Glykolyse ist das Anfangsstadium der aeroben Atmung und findet im Zytoplasma der Zelle statt. Dies ist der gemeinsame Weg sowohl für die aerobe als auch für die anaerobe Atmung, was bedeutet, dass sie mit oder ohne Anwesenheit von Sauerstoff erfolgen kann. Bei der Glykolyse wird ein Molekül Glucose (ein Zucker mit 6 Kohlenstoffatomen) in zwei Moleküle Pyruvat (eine Verbindung mit 3 Kohlenstoffatomen) zerlegt.

Sobald Glukose aus dem Blutkreislauf über verschiedene Glukosetransporter in die Zelle gelangt, wird sie durch Hexokinase aktiviert, verbraucht ein ATP-Molekül und wandelt es in Glukose-6-phosphat um. Ein Isomeraseenzym, die Phosphoglucose-Isomerase, wandelt dann Glucose-6-Phosphat in Fructose-6-Phosphat um. Anschließend wird ein weiteres ATP-Molekül verwendet, um Fructose-6-phosphat zu phosphorylieren, wodurch Fructose-1,6-bisphosphat entsteht, wobei das Enzym Phosphofructokinase-1 (PFK-1) die Reaktion katalysiert. Fructose-1,6-bisphosphat wird dann durch Aldolase in zwei 3-Kohlenstoff-Verbindungen gespalten: Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) und Glycerinaldehyd-3-phosphat (G3P). Die Triosephosphatisomerase wandelt dann ein DHAP-Molekül in ein anderes G3P-Molekül um. Jedes G3P-Molekül wird dann durch Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAPDH) oxidiert und NAD+ erhält zwei Elektronen und ein Wasserstoffion, um NADH zu bilden, während gleichzeitig eine Phosphatgruppe auf ADP übertragen wird, wodurch ATP entsteht und zwei Elektronen produziert werden Moleküle von 1,3-Bisphosphoglycerat. Im nächsten Schritt gibt jedes 1,3-Bisphosphoglycerat seine Phosphatgruppe an ADP ab, bildet ATP und wandelt sich in 3-Phosphoglycerat um, wobei das Enzym Phosphoglyceratkinase (PGK) die Reaktion katalysiert. Anschließend wandelt das Enzym Phosphoglyceratmutase 3-Phosphoglycerat in 2-Phosphoglycerat um. 2-Phosphoglycerat wird durch Enolase dehydriert, was zur Bildung von Phosphoenolpyruvat (PEP) führt. PEP gibt dann seine Phosphatgruppe an ADP ab, wodurch ATP entsteht, und wird in Pyruvat umgewandelt, wobei das Enzym Pyruvatkinase (PK) die Reaktion katalysiert. Damit ist der Glykolyseweg abgeschlossen, wodurch zwei Moleküle Pyruvat, zwei Moleküle NADH und ein Nettogewinn von zwei ATP-Molekülen pro Glucosemolekül entstehen.

Die Pyruvat-Decarboxylierung ist ein entscheidender Schritt in der Zellatmung, der nach der Glykolyse und vor dem Zitronensäurezyklus stattfindet. Während dieses Prozesses wird jedes durch Glykolyse erzeugte Pyruvatmolekül (eine Verbindung mit 3 Kohlenstoffatomen) einer enzymatischen Decarboxylierung unterzogen, was zur Entfernung eines Kohlendioxidmoleküls (CO2) führt. Der Zweck der Pyruvat-Decarboxylierung besteht darin, das Pyruvat für den Eintritt in den Zitronensäurezyklus (auch als Krebs-Zyklus bekannt) vorzubereiten und Acetyl-CoA zu ergeben, eine Verbindung mit zwei Kohlenstoffatomen, die hochenergetische Elektronen trägt.

An der Decarboxylierung von Pyruvat ist ein Multienzymkomplex namens Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex (PDC) beteiligt, der sich in den Mitochondrien eukaryontischer Zellen befindet. Die PDC besteht aus drei Hauptenzymen: Pyruvatdehydrogenase (E1), Dihydrolipoamidtransacetylase (E2) und Dihydrolipoamiddehydrogenase (E3).

Das Gesamtergebnis der Pyruvat-Decarboxylierung ist die Umwandlung eines Moleküls Pyruvat in ein Molekül Acetyl-CoA sowie die Freisetzung eines Kohlendioxidmoleküls.

Das bei der Glykolyse entstehende Pyruvat gelangt in die Mitochondrien, wo es im Zitronensäurezyklus weiter abgebaut wird. Dieser Zyklus findet in der mitochondrialen Matrix statt und vervollständigt die Oxidation von Glukose. Für jedes Glucosemolekül findet der Zitronensäurezyklus zweimal statt (ein Zyklus für jedes Pyruvat). Die Schritte des Zitronensäurezyklus sind wie folgt:

Nach der Pyruvat-Decarboxylierung verbindet sich Acetyl-CoA mit Oxalacetat zu Citrat, einer Verbindung mit 6 Kohlenstoffatomen, katalysiert durch Citrat-Synthase. Citrat wird dann durch Aconitase isomerisiert, um Isocitrat zu bilden. Bei der ersten oxidativen Decarboxylierung wird Isocitrat durch Isocitratdehydrogenase oxidiert, wodurch NAD+ zu NADH reduziert und α-Ketoglutarat erzeugt wird, während ein Kohlendioxidmolekül freigesetzt wird. α-Ketoglutarat durchläuft eine zweite oxidative Decarboxylierung, katalysiert durch den α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex, wodurch NAD+ zu NADH reduziert und ein weiteres Kohlendioxidmolekül freigesetzt wird, was zur Bildung von Succinyl-CoA führt. Die Phosphorylierung auf Substratebene erfolgt, wenn Succinyl-CoA seine Phosphatgruppe an ADP abgibt, katalysiert durch Succinyl-CoA-Synthetase, wodurch ein ATP-Molekül entsteht und in Succinat umgewandelt wird. Succinat wird durch Succinatdehydrogenase oxidiert, wodurch FAD zu FADH2 reduziert wird und Fumarat entsteht. Fumarat wird durch Fumarase hydratisiert, um zu Malat zu werden, das dann durch Malatdehydrogenase oxidiert wird, wodurch NAD+ in NADH umgewandelt wird und Oxalacetat entsteht, die Ausgangsverbindung für die nächste Runde des Zitronensäurezyklus. Der Zitronensäurezyklus, auch Krebszyklus genannt, dient als entscheidender Weg für die Extraktion hochenergetischer Elektronen aus Acetyl-CoA und treibt die zelluläre Energieproduktion über die Elektronentransportkette und die oxidative Phosphorylierung weiter an.

Das letzte Stadium der aeroben Atmung ist die oxidative Phosphorylierung, die in der inneren Mitochondrienmembran stattfindet. Es umfasst zwei Schlüsselkomponenten: die Elektronentransportkette (ETC) und die Chemiosmose:

1. Elektronentransportkette (ETC): Die bei der Glykolyse und dem Zitronensäurezyklus erzeugten NADH und FADH2 geben ihre hochenergetischen Elektronen an die ETC ab. Diese Elektronen passieren eine Reihe von Proteinkomplexen, die als Komplex I, II, III und IV bekannt sind und in der inneren Mitochondrienmembran eingebettet sind. Die Elektronen übertragen Energie, um Protonen (H+) von der mitochondrialen Matrix in den Zwischenmembranraum zu pumpen und so einen elektrochemischen Gradienten aufzubauen.

2. Chemiosmose: Der vom ETC erzeugte elektrochemische Gradient wird von der ATP-Synthase genutzt, einem Enzymkomplex, der in die innere Mitochondrienmembran eingebettet ist. Während Protonen durch die ATP-Synthase zurück in die mitochondriale Matrix wandern, verbinden sich ADP und anorganisches Phosphat zu ATP. Dieser Prozess wird als Chemiosmose bezeichnet und ist für den Großteil des bei der aeroben Atmung erzeugten ATP verantwortlich.

Im letzten Schritt der oxidativen Phosphorylierung verbinden sich die Elektronen, nachdem sie den ETC passiert haben, mit Sauerstoff und Protonen und bilden Wasser, das der letzte Elektronenakzeptor bei der aeroben Atmung ist.

Zellatmung und Photosynthese sind durch den Energie- und Stoffkreislauf in lebenden Organismen miteinander verbunden. Sie bilden eine lebenswichtige biologische Beziehung, die als „Kohlenstoffkreislauf“ bekannt ist, und spielen komplementäre Rollen bei der Aufrechterhaltung des Energie- und Nährstoffgleichgewichts in Ökosystemen. So hängt die Zellatmung mit der Photosynthese zusammen:

1. Gasaustausch: Einer der offensichtlichsten Zusammenhänge zwischen Zellatmung und Photosynthese ist der Gasaustausch. Bei der Photosynthese nehmen Pflanzen und photosynthetische Organismen Kohlendioxid (CO2) aus der Atmosphäre auf und setzen als Nebenprodukt Sauerstoff (O2) frei. Dieser Sauerstoff ist für den Prozess der Zellatmung in Pflanzen, Tieren und anderen aeroben Organismen unerlässlich, wobei Sauerstoff als letzter Elektronenakzeptor in der Elektronentransportkette dient und zur ATP-Synthese führt.

2. Energiefluss: Die Photosynthese nutzt Sonnenenergie, um Kohlendioxid und Wasser in Glukose und Sauerstoff umzuwandeln und die Energie in den chemischen Bindungen der Glukose zu speichern. Diese Glukose dient dann als primäre Energiequelle für lebende Organismen, einschließlich der Pflanzen selbst. Bei der Zellatmung wird Glukose abgebaut, um Energie in Form von ATP freizusetzen, das verschiedene Zellprozesse antreibt. Das bei der Zellatmung erzeugte ATP wird verwendet, um wesentliche Funktionen wie Wachstum, Bewegung und Fortpflanzung in Pflanzen und anderen Organismen anzutreiben.

3. Kohlenstoffkreislauf: Der Kohlenstoffkreislauf ist ein Schlüsselaspekt der Verbindung zwischen Photosynthese und Zellatmung. Bei der Photosynthese wird Kohlendioxid in Glukose und andere organische Moleküle eingebaut und speichert so Kohlenstoff im Pflanzengewebe. Wenn diese Pflanzen einer Zellatmung unterliegen, wird die gespeicherte Glukose abgebaut, wodurch Kohlendioxid wieder an die Atmosphäre abgegeben wird. Das bei der Zellatmung freigesetzte Kohlendioxid steht dann für die Aufnahme durch Pflanzen bei der Photosynthese zur Verfügung und schließt so den Kohlenstoffkreislauf.

4. Energiebilanz: Die Photosynthese versorgt Ökosysteme mit Energie in Form von Glukose und anderen organischen Molekülen, während die Zellatmung diese Energie durch den Abbau dieser Moleküle freisetzt. Dieses Gleichgewicht des Energieflusses ist für die Aufrechterhaltung des Lebens in Ökosystemen von entscheidender Bedeutung, in denen Energie kontinuierlich umgewandelt und von Organismen genutzt wird.

5. Symbiotische Beziehungen: In einigen Ökosystemen können photosynthetische Organismen und Organismen, die die Zellatmung durchführen, symbiotische Beziehungen eingehen. Beispielsweise liefern photosynthetische Algen, die in Korallenriffen leben, Sauerstoff und organische Stoffe, um die Atmung und den Energiebedarf der Korallenpolypen zu decken. Diese wechselseitige Interaktion verdeutlicht die enge Verbindung zwischen Photosynthese und Zellatmung bei der Unterstützung der Artenvielfalt und des Funktionierens von Ökosystemen.

Mitochondriale Dysfunktion bezieht sich auf Anomalien oder Beeinträchtigungen in der Struktur oder Funktion von Mitochondrien, den spezialisierten Organellen, die für die Energieproduktion in Zellen verantwortlich sind. Eine mitochondriale Dysfunktion kann durch verschiedene Faktoren verursacht werden, darunter genetische Mutationen in der mitochondrialen oder nuklearen DNA, Umwelteinflüsse, altersbedingte Veränderungen und die Einwirkung von Toxinen oder bestimmten Medikamenten. Da Mitochondrien einzigartig sind und über eine eigene DNA verfügen, können Mutationen in der mitochondrialen DNA besonders schwerwiegende Auswirkungen auf die Störung der Mitochondrienfunktion haben. Funktionsgestörte Mitochondrien können tiefgreifende Auswirkungen auf den zellulären Energiestoffwechsel und die gesamte Zellfunktion haben und zu verschiedenen mitochondrialen Störungen und damit verbundenen Gesundheitszuständen führen.

Mitochondriale Erkrankungen umfassen ein breites Spektrum an Erkrankungen, die je nach betroffenen Geweben, Organen oder Stoffwechselwegen in verschiedene Subtypen eingeteilt werden können. Zu den bekannten mitochondrialen Erkrankungen gehören das Leigh-Syndrom, MELAS (mitochondriale Enzephalomyopathie, Laktatazidose und Schlaganfall-ähnliche Episoden), MERRF (myoklonische Epilepsie mit zerlumpten roten Fasern) und das Kearns-Sayre-Syndrom.

Mitochondriale Dysfunktionen sind auch mit dem Alterungsprozess und der Pathogenese bestimmter nicht-mitochondrialer Erkrankungen wie neurodegenerativen Erkrankungen (z. B. Alzheimer und Parkinson), Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes und einigen Krebsarten verbunden. Die Anhäufung von mitochondrialen DNA-Schäden und der Rückgang der mitochondrialen Funktion mit zunehmendem Alter tragen zum Alterungsphänotyp und zu altersbedingten Krankheiten bei.

Der Warburg-Effekt wurde erstmals in den 1920er Jahren von Otto Warburg, einem deutschen Biochemiker, beschrieben. Er beobachtete, dass Krebszellen eine ungewöhnliche Präferenz für die Glykolyse gegenüber der oxidativen Phosphorylierung zeigten, selbst wenn ausreichend Sauerstoff vorhanden war, was ihn zu der Annahme veranlasste, dass mitochondriale Dysfunktion ein Merkmal des Krebsstoffwechsels sein könnte. Seitdem wurde der Warburg-Effekt umfassend untersucht und gilt als Kennzeichen des Krebsstoffwechsels.

Obwohl die genauen Gründe für den Warburg-Effekt bei Krebszellen nicht vollständig geklärt sind, geht man davon aus, dass er Krebszellen mehrere Vorteile verleiht, darunter die Bereitstellung einer schnellen ATP-Produktion zur Unterstützung ihres gesteigerten Wachstums und ihrer verstärkten Proliferation, die Bereitstellung biosynthetischer Zwischenprodukte für die Zellteilung und die Verbesserung der Resistenz zu oxidativem Stress. Darüber hinaus kann die erhöhte Laktatproduktion von Krebszellen ein saures Mikromilieu schaffen, das die Tumorinvasivität und Metastasierung fördert.

Der Warburg-Effekt hat erhebliche Auswirkungen auf die Krebsforschung und -therapie. Die gezielte Bekämpfung des veränderten Stoffwechsels von Krebszellen ist ein Bereich aktiver Forschung bei der Entwicklung potenzieller Behandlungen, einschließlich Medikamenten, die die Glykolyse selektiv hemmen oder die Abhängigkeit von der oxidativen Phosphorylierung verstärken, mit dem Ziel, die Stoffwechselanfälligkeiten von Krebszellen für therapeutische Zwecke auszunutzen.