Zellatmung Ablauf im Diagramm: Von der Glykolyse zur Atmungskette

Der Ablauf der Zellatmung wird im Diagramm stufenweise dargestellt und zeigt, wie eine Zelle Glukose abbaut, um nutzbare chemische Energie in Form von ATP freizusetzen. Da dieser Vorgang auf molekularer Ebene innerhalb der Zelle stattfindet und sich über drei unterschiedliche Orte erstreckt, nutzt ein Diagramm zur Zellatmung meist ein lineares oder kreisförmiges Flussschema, das Glukose vom Cytoplasma bis in die Mitochondrien verfolgt, während sie schrittweise abgebaut wird und dabei Energieträger liefert. Ein gutes Diagramm macht sofort deutlich, welche Stufe welches Produkt liefert – und ebenso wichtig: welche Stufe den Großteil der nutzbaren Energie der Zelle tatsächlich bereitstellt.

Was das Diagramm zur Zellatmung zeigt

Das Diagramm stellt den vollständigen Abbau von Glukose zu Kohlenstoffdioxid und Wasser dar und erfasst dabei, in welchen Molekülen die Energie bei jedem Schritt festgehalten wird, bevor sie zu ATP umgesetzt werden kann. Der Ablauf gliedert sich in drei aufeinanderfolgende Stufen, die an drei unterschiedlichen Orten in der Zelle stattfinden: im Cytoplasma, in der mitochondrialen Matrix und an der inneren Mitochondrienmembran. Jede Stufe übergibt ihre Produkte an die nächste – die Glykolyse liefert Pyruvat für den Citratzyklus, der Citratzyklus liefert Elektronenüberträger für die Atmungskette –, weshalb ein Diagramm die drei Stufen als durchgehenden Weg darstellen sollte, nicht als drei unabhängige Kästchen.

Die drei Stufen der Zellatmung im Einzelnen

• Glykolyse – findet im Cytoplasma statt, spaltet ein 6-Kohlenstoff-Glukosemolekül in zwei 3-Kohlenstoff-Pyruvatmoleküle, mit einer Nettoausbeute von 2 ATP und 2 NADH; benötigt keinen Sauerstoff.
• Oxidative Decarboxylierung – jedes Pyruvat wird im Mitochondrium zu Acetyl-CoA umgewandelt, wobei Kohlenstoffdioxid als Nebenprodukt frei wird, bevor es in den nächsten Schritt eintritt.
• Citratzyklus (Zitronensäurezyklus) – läuft in der mitochondrialen Matrix ab und liefert weiteres Kohlenstoffdioxid sowie NADH, FADH2 und eine kleine Menge ATP.
• Atmungskette – befindet sich an der inneren Mitochondrienmembran, wo NADH und FADH2 Elektronen an eine Proteinkette abgeben, die Protonen pumpt und so einen elektrochemischen Gradienten aufbaut.
• ATP-Synthase – nutzt den durch die Atmungskette erzeugten Protonengradienten, um über oxidative Phosphorylierung den Großteil des zellulären ATP herzustellen.
• Sauerstoff (letzter Elektronenakzeptor) – verbindet sich am Ende der Atmungskette mit Elektronen und Protonen zu Wasser und hält so die Kette am Laufen.

Den Ablauf richtig verfolgen: Vom Glukoseabbau bis zur ATP-Synthese

Ein Diagramm zur Zellatmung liest man von links nach rechts oder von oben nach unten, indem man Glukose zunächst durch die Glykolyse verfolgt, dann durch die oxidative Decarboxylierung, den Citratzyklus und schließlich die Atmungskette, da jede Stufe von den Produkten der vorherigen abhängt. Besonders wichtig ist der Ort jeder Stufe, denn er erklärt, warum bestimmte Moleküle die Mitochondrienmembran überqueren müssen: Die Glykolyse läuft außerhalb der Mitochondrien im Cytoplasma ab, alle übrigen Stufen dagegen innerhalb. Die Pfeile für NADH und FADH2 stehen für den Transfer von Elektronen und Energie zur Atmungskette, nicht für die Bewegung physischer Objekte. Proportional sollte die ATP-Bilanz zeigen, dass die Atmungskette weit mehr ATP liefert als Glykolyse und Citratzyklus zusammen – ein Diagramm, das den kleinen ATP-Ertrag der Glykolyse optisch stärker betont als den viel größeren Ertrag der Atmungskette, stellt die tatsächliche Energiebilanz der Zelle falsch dar.

Häufige Fehler beim Lesen und Zeichnen

Ein häufiger Irrtum ist die Annahme, die Glykolyse liefere den größten Teil des zellulären ATP, vermutlich weil sie die erste und am häufigsten auswendig gelernte Stufe ist; tatsächlich stammt der Großteil des gesamten ATP-Ertrags aus der Atmungskette, etwa 34 von insgesamt rund 36-38 ATP pro Glukosemolekül. Ein zweiter verbreiteter Fehler ist die Annahme, Sauerstoff werde während des gesamten Prozesses gebraucht, obwohl er tatsächlich nur direkt am Schritt der Atmungskette benötigt wird, nicht während Glykolyse oder Citratzyklus. Ein dritter Fehler ist die Verwechslung von Zellatmung und Photosynthese: Die Zellatmung baut Glukose mithilfe von Sauerstoff ab, um nutzbare Energie als ATP freizusetzen, und läuft in den Mitochondrien fast aller Zellen ab, während die Photosynthese im Wesentlichen der umgekehrte Vorgang ist und ausschließlich in den Chloroplasten von Pflanzen und Algen stattfindet.

Zellatmung im Vergleich zu Photosynthese und Citratzyklus

Trotz des gemeinsamen Wortes „Atmung" beschreiben ein Diagramm zur Zellatmung und ein Diagramm zum Atmungssystem völlig unterschiedliche Dinge – letzteres zeigt die Organebene mit Lunge, Luftröhre und Lungenbläschen, die auf Ebene des Gesamtorganismus Sauerstoff in den Blutkreislauf bringen. Innerhalb der Zellatmung selbst lohnt sich zudem die Abgrenzung zum Citratzyklus: Der Citratzyklus ist keine eigene, unabhängige Reaktion, sondern nur eine der drei Stufen der Zellatmung, eingebettet zwischen oxidativer Decarboxylierung und Atmungskette. Und im Vergleich zur Photosynthese gilt: Beide Prozesse sind in gewissem Sinn spiegelbildlich – die Zellatmung setzt die chemische Energie frei, die die Photosynthese zuvor mithilfe von Lichtenergie in Glukose gespeichert hat.