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8.1: Was ist die Zellatmung?
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What is Cellular Respiration?
 
PROTOKOLLE

8.1: What is Cellular Respiration?

8.1: Was ist die Zellatmung?

Organisms harvest energy from food, but this energy cannot be directly used by cells. Cells convert the energy stored in nutrients into a more usable form: adenosine triphosphate (ATP).

ATP stores energy in chemical bonds that can be quickly released when needed. Cells produce energy in the form of ATP through the process of cellular respiration. Although much of the energy from cellular respiration is released as heat, some of it is used to make ATP.

During cellular respiration, several oxidation-reduction (redox) reactions transfer electrons from organic molecules to other molecules. Here, oxidation refers to electron loss and reduction to electron gain. The electron carriers NAD+ and FAD—and their reduced forms, NADH and FADH2, respectively—are essential for several steps of cellular respiration.

Some prokaryotes use anaerobic respiration, which does not require oxygen. Most organisms use aerobic (oxygen-requiring) respiration, which produces much more ATP. Aerobic respiration generates ATP by breaking down glucose and oxygen into carbon dioxide and water.

Both aerobic and anaerobic respiration begin with glycolysis, which does not require oxygen. Glycolysis breaks down glucose into pyruvate, yielding ATP. In the absence of oxygen, pyruvate ferments, producing NAD+ for continued glycolysis. Importantly, several types of yeast use alcoholic fermentation. Human muscle cells can use lactic acid fermentation when oxygen is depleted. Anaerobic respiration ends with fermentation.

Aerobic respiration, however, continues with pyruvate oxidation. Pyruvate oxidation generates acetyl-CoA, which enters the citric acid cycle. The citric acid cycle consists of several redox reactions that release the bond energy of acetyl-CoA, producing ATP and the reduced electron carriers NADH and FADH2.

The final stage of cellular respiration, oxidative phosphorylation, generates most of the ATP. NADH and FADH2 pass their electrons through the electron transport chain. The electron transport chain releases energy that is used to expel protons, creating a proton gradient that enables ATP synthesis.

Organismen beziehen Energie aus Nahrung. Diese Energie kann von den Zellen jedoch nicht direkt genutzt werden. Die Zellen wandeln die in den Nährstoffen gespeicherte Energie in eine besser verwertbare Form namens Adenosintriphosphat (ATP) um.

Das ATP speichert Energie in chemischen Bindungen, die bei Bedarf schnell freigesetzt werden können. Die Zellen produzieren Energie in Form von ATP durch den Prozess der Zellatmung. Obwohl ein Großteil der Energie aus der Zellatmung in Form von Wärme abgegeben wird, wird ein Teil davon für die Herstellung von ATP verwendet.

Bei der Zellatmung übertragen mehrere Oxidations-Reduktionsreaktionen (Redox) Elektronen von organischen Molekülen auf andere Moleküle. Hier bezieht sich die Oxidation auf den Elektronenverlust und die Reduktion auf den Elektronengewinn. Die Elektronenträger NAD + und FAD und ihre reduzierten Formen, NADH und FADH2, sind für mehrere Schritte der Zellatmung unerlässlich.

Einige Prokaryonten nutzen die sogenannte anaerobe Atmung, die keinen Sauerstoff benötigt. Die meisten Organismen nutzen die aerobe (sauerstoffbedürftige) Atmung. Bei ihr wird im Vergleuch viel mehr ATP produziert. Die aerobe Atmung erzeugt ATP, indem Glucose und Sauerstoff in Kohlendioxid und Wasser aufgespalten werden.

Sowohl die aerobe als auch die anaerobe Atmung beginnen mit der Glykolyse, die keinen Sauerstoff benötigt. Bei der Glykolyse wird Glucose in Pyruvat gespalten, wobei ATP entsteht. In Abwesenheit von Sauerstoff fermentiert das Pyruvat und produziert NAD+ für die weitere Glykolyse. Verschiedene Hefearten nutzen die alkoholische Gärung. Menschliche Muskelzellen können die Milchsäuregärung verwenden, wenn der Sauerstoff erschöpft ist. Die anaerobe Atmung endet mit der Gärung.

Die aerobe Atmung setzt sich jedoch mit der Pyruvat-Oxidation fort. Bei der Pyruvat-Oxidation entsteht Acetyl-CoA, das in den Citratzyklus eintritt. Der Citratzyklus besteht aus mehreren Redoxreaktionen, die die Bindungsenergie von Acetyl-CoA freisetzen und ATP und die reduzierten Elektronenträger NADH und FADH2 erzeugen.

Die letzte Stufe der Zellatmung, die oxidative Phosphorylierung, erzeugt den größten Teil des ATP. NADH und FADH2 leiten ihre Elektronen durch die Elektronentransportkette. Die Elektronentransportkette setzt Energie frei, die zum Ausstoßen von Protonen verwendet wird, wodurch ein Protonengradient entsteht, der die ATP-Synthese ermöglicht.


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