Alle Organismen verwenden ein Molekül namens Glucose und ein Prozess namens Glykolyse um einen Teil oder den gesamten Energiebedarf zu decken. Für einzellige prokaryontische Organismen wie Bakterien ist dies der einzige verfügbare Prozess zur Erzeugung von ATP (Adenosintriphosphat, die „Energiewährung“ der Zellen).
Eukaryontische Organismen (Tiere, Pflanzen und Pilze) haben eine ausgeklügeltere zelluläre Maschinerie und können viel mehr aus einem Glukosemolekül herausholen – sogar über fünfzehnmal so viel ATP. Dies liegt daran, dass diese Zellen die Zellatmung verwenden, die in ihrer Gesamtheit Glykolyse plus aerobe Atmung ist.
Eine Reaktion mit oxidative Decarboxylierung bei der Zellatmung namens Brückenreaktion dient als Verarbeitungszentrum zwischen den streng anaeroben Reaktionen der Glykolyse und den beiden Schritten der aeroben Atmung, die in den Mitochondrien ablaufen. Diese Brückenstufe, die formaler als Pyruvat-Oxidation bezeichnet wird, ist daher essentiell.
Annäherung an die Brücke: Glykolyse
Bei der Glykolyse wandelt eine Reihe von zehn Reaktionen im Zytoplasma der Zelle das Zuckermolekül mit sechs Kohlenstoffatomen um Glucose in zwei Moleküle Pyruvat, eine Drei-Kohlenstoff-Verbindung, und produziert dabei insgesamt zwei ATP Moleküle. Im ersten Teil der Glykolyse, der sogenannten Investitionsphase, werden eigentlich zwei ATP benötigt, um die Reaktionen zu bewegen entlang, während im zweiten Teil, der Rückkehrphase, dies durch die Synthese von vier ATP. mehr als kompensiert wird Moleküle.
Investitionsphase: Glucose hat eine Phosphatgruppe angehängt und wird dann in ein Fructosemolekül umgelagert. Diesem Molekül wiederum ist eine Phosphatgruppe hinzugefügt, und das Ergebnis ist ein doppelt phosphoryliertes Fructosemolekül. Dieses Molekül wird dann gespalten und wird zu zwei identischen Drei-Kohlenstoff-Molekülen mit jeweils eigener Phosphatgruppe.
Rückkehrphase: Jedes der beiden Drei-Kohlenstoff-Moleküle hat das gleiche Schicksal: Es trägt eine weitere Phosphatgruppe, und jedes davon wird verwendet, um ATP aus ADP (Adenosindiphosphat) herzustellen, während es in ein Pyruvat umgelagert wird Molekül. Diese Phase erzeugt auch ein Molekül NADH aus einem Molekül NAD+.
Die Nettoenergieausbeute beträgt somit 2 ATP pro Glucose.
Die Brückenreaktion
Die Brückenreaktion, auch genannt Übergangsreaktion, besteht aus zwei Schritten. Der erste ist der Decarboxylierung von Pyruvat, und die zweite ist die Anheftung des Überbleibsels an ein Molekül namens Coenzym A.
Das Ende des Pyruvatmoleküls ist ein Kohlenstoff, der an ein Sauerstoffatom doppelt gebunden und an eine Hydroxylgruppe (-OH) einfach gebunden ist. In der Praxis ist das H-Atom in der Hydroxylgruppe vom O-Atom dissoziiert, so dass man sich diesen Pyruvatanteil mit einem C-Atom und zwei O-Atomen vorstellen kann. Bei der Decarboxylierung wird dieses als CO. entfernt2, oder Kohlendioxid.
Dann der Rest des Pyruvatmoleküls, eine sogenannte Acetylgruppe mit der Formel CH3C(=O) wird an der Stelle, die zuvor von der Carboxylgruppe des Pyruvats eingenommen wurde, mit Coenzym A verbunden. Dabei wird NAD+ wird auf NADH reduziert. Pro Molekül Glukose ist die Brückenreaktion:
2 CH3C(=O)C(O)O- + 2 CoA + 2 NAD+ → 2 CH3C(=O)CoA + 2 NADH
Nach der Brücke: Aerobe Atmung
Krebs Zyklus: Der Ort des Krebs-Zyklus befindet sich in der mitochondrialen Matrix (dem Material innerhalb der Membranen). Hier verbindet sich Acetyl-CoA mit einem Vier-Kohlenstoff-Molekül namens Oxalacetat, um ein Sechs-Kohlenstoff-Molekül, Citrat, zu erzeugen. Dieses Molekül wird in einer Reihe von Schritten wieder auf Oxalacetat reduziert, wodurch der Zyklus von neuem beginnt.
Das Ergebnis ist 2 ATP zusammen mit 8 NADH und 2 FADH2 (Elektronenträger) für den nächsten Schritt.
Elektronentransportkette: Diese Reaktionen laufen entlang der inneren Mitochondrienmembran ab, in die vier spezialisierte Coenzymgruppen, die Komplexe I bis IV, eingebettet sind. Diese nutzen die Energie der Elektronen von NADH und FADH2, um die ATP-Synthese anzutreiben, wobei Sauerstoff der letzte Elektronenakzeptor ist.
Das Ergebnis sind 32 bis 34 ATP, was einer Gesamtenergieausbeute der Zellatmung von 36 bis 38 ATP pro Glukosemolekül entspricht.