Alles Leben braucht Energie, um seine Lebensfunktionen zu erfüllen. Auch Sitzen und Lesen kostet Energie. Wachstum, Verdauung, Fortbewegung: alles erfordert einen Energieaufwand. Einen Marathon zu laufen kostet viel Energie. Also, woher kommt all diese Energie?
Kraftstoff für Energie
Die Energie, die zur Erfüllung der Lebensfunktionen benötigt wird, stammt aus dem Abbau von Zucker. Die Photosynthese nutzt die Energie der Sonne, um Kohlendioxid und Wasser zu Glukose (Zucker) zu verbinden und dabei Sauerstoff als Abfallprodukt freizusetzen. Pflanzen speichern diese Glukose als Zucker oder als Stärke. Tiere, Pilze, Bakterien und manchmal auch andere Pflanzen ernähren sich von diesen pflanzlichen Ressourcen und bauen die Stärke oder den Zucker ab, um die gespeicherte Energie freizusetzen.
Vergleich von Fermentation und Zellatmung
Fermentation und Zellatmung unterscheiden sich in einem entscheidenden Faktor: Sauerstoff. Die Zellatmung verwendet Sauerstoff bei der chemischen Reaktion, die Energie aus der Nahrung freisetzt. Die Fermentation erfolgt in einer anaeroben oder sauerstoffarmen Umgebung. Da bei der Fermentation kein Sauerstoff verbraucht wird, wird das Zuckermolekül nicht vollständig abgebaut und setzt somit weniger Energie frei. Der Fermentationsprozess in Zellen setzt etwa zwei Energieeinheiten frei, während die Zellatmung insgesamt etwa 38 Energieeinheiten freisetzt.
Energie aus der Zellatmung
Bei der Zellatmung verbindet sich Sauerstoff mit Zucker, um Energie freizusetzen. Dieser Prozess beginnt im Zytoplasma und wird in den Mitochondrien abgeschlossen. Im Zytoplasma wird ein Zucker in zwei Moleküle Brenztraubensäure zerlegt, wodurch zwei Energieeinheiten von Adenosintriphosphat oder ATP freigesetzt werden. Die beiden Brenztraubensäuremoleküle wandern in die Mitochondrien, wo jedes Molekül in ein Molekül namens Acetyl-CoA umgewandelt wird. Die Wasserstoffatome des Acetyl-CoA werden in Gegenwart von Sauerstoff entfernt, wobei jedes Mal ein Elektron freigesetzt wird, bis kein Wasserstoff mehr übrig ist. An diesem Punkt ist das Acetyl-CoA abgebaut und es bleiben nur Kohlendioxid und Wasser übrig. Bei diesem Vorgang werden vier ATP-Energieeinheiten freigesetzt. Nun passieren die Elektronen die Elektronentransportkette und setzen schließlich etwa 32 ATP-Einheiten frei. Der Prozess der Zellatmung setzt also etwa 38 ATP-Energieeinheiten aus jedem Glukosemolekül frei.
Energie aus dem Gärungsprozess
Was ist, wenn die Zelle nicht genügend Sauerstoff für die Zellatmung hat? Der Ausdruck "das Brennen spüren" resultiert aus diesem anaeroben Weg. Wenn der Sauerstoffgehalt der Zelle für die Zellatmung zu niedrig ist, normalerweise weil die Lunge den Sauerstoffbedarf der Zelle nicht decken kann, findet die fermentative Zellatmung statt. In diesem Fall zerfällt das Zuckermolekül nur im Zytoplasma der Zelle und setzt dabei etwa zwei ATP-Energieeinheiten frei. Der Abbauprozess geht in den Mitochondrien nicht weiter. Dieser teilweise Abbau der Glukose setzt ein wenig Energie frei, damit die Zelle weiterarbeiten kann, aber die unvollständige Reaktion produziert Milchsäure, die sich in der Zelle ansammelt. Diese Milchsäuregärung verursacht das Brennen, wenn die Muskeln nicht genügend Sauerstoff für die Zellatmung erhalten.