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8.12: ATP-Ausbeute

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ATP Yield

8.12: ATP Yield

8.12: ATP-Ausbeute

Cellular respiration produces 30-32 ATP molecules per glucose molecule. Although most of the ATP results from oxidative phosphorylation and the electron transport chain (ETC), 4 ATP are gained beforehand (2 from glycolysis and 2 from the citric acid cycle).

The ETC is embedded in the inner mitochondrial membrane and comprises four main protein complexes and an ATP synthase. NADH and FADH2 pass electrons to these complexes, which in turn pump protons into the intermembrane space. This distribution of protons generates a concentration gradient across the membrane. The gradient drives the production of ATP when protons flow back into the mitochondrial matrix via the ATP synthase.

For every 2 input electrons that NADH passes into complex I, complexes I and III each pump 4 protons and complex IV pumps 2 protons, totaling 10 protons. Complex II is not involved in the electron chain initiated by NADH. FADH2, however, passes 2 electrons to complex II, so a total of 6 protons are pumped per FADH2; 4 protons via complex III and 2 via complex IV.

Four protons are needed to synthesize 1 ATP. Since 10 protons are pumped for every NADH, 1 NADH yields 2.5 (10/4) ATP. Six protons are pumped for every FADH2, so 1 FADH2 yields 1.5 (6/4) ATP.

Cellular respiration produces a maximum of 10 NADH and 2 FADH2 per glucose molecule. Since a single NADH produces 2.5 ATP and a single FADH2 produces 1.5 ATP, it follows that 25 ATP + 3 ATP are produced by oxidative phosphorylation. Four ATP are produced before oxidative phosphorylation, which yields a maximum of 32 ATP per glucose molecule.

Importantly, glycolysis occurs in the cytosol and the ETC is located in the mitochondria (in eukaryotes). The mitochondrial membrane is not permeable to NADH, hence the electrons of the 2 NADH that are produced by glycolysis need to be shuttled into the mitochondria. Once inside the mitochondrion, the electrons may be passed to NAD+ or FAD. Given the different ATP yield depending on the electron carrier, the total yield of cellular respiration is 30 to 32 ATP per glucose molecule.

Die Zellatmung produziert 30-32 ATP-Moleküle pro Glucosemolekül. Obwohl der größte Teil des ATP aus der oxidativen Phosphorylierung und der Elektronentransportkette (ETK) resultiert, werden vorher bereits 4 ATP gewonnen (2 aus der Glykolyse und 2 aus dem Citratzyklus).

Die ETK ist in die innere Mitochondrienmembran eingebettet und besteht aus vier Hauptproteinkomplexen sowie einer ATP-Synthase. NADH und FADH2 geben Elektronen an diese Komplexe ab, die ihrerseits Protonen in den Intermembranraum pumpen. Diese Verteilung der Protonen erzeugt einen Konzentrationsgradienten über die Membran. Dieser Gradient treibt die Produktion von ATP an, wenn die Protonen über die ATP-Synthase in die mitochondriale Matrix zurückfließen.

Für je 2 Eingangselektronen, die NADH in den Komplex I überführt, pumpen die Komplexe I und III je 4 Protonen und der Komplex IV 2 Protonen. Insgesamt macht das also 10 Protonen. Der Komplex II ist nicht an der von NADH initiierten Elektronenkette beteiligt. FADH2 hingegen gibt 2 Elektronen an Komplex II weiter, so dass insgesamt 6 Protonen pro FADH2 gepumpt werden; 4 Protonen über Komplex III und 2 über Komplex IV.

Vier Protonen werden benötigt, um 1 ATP zu synthetisieren. Da für jedes NADH 10 Protonen gepumpt werden, ergibt 1 NADH 2,5 (10/4) ATP. Sechs Protonen werden für jedes FADH2 gepumpt, so dass 1 FADH2 1,5 (6/4) ATP ergibt.

Die Zellatmung produziert maximal 10 NADH und 2 FADH2 pro Glucosemolekül. Weil ein einzelnes NADH 2,5 ATP und ein einzelnes FADH2 1,5 ATP produziert, ergibt es sich, dass 25 ATP + 3 ATP durch oxidative Phosphorylierung produziert werden. Vor der oxidativen Phosphorylierung werden vier ATP gebildet, was ein Maximum von 32 ATP pro Glucosemolekül ergibt.

Bedeutend ist, dass die Glykolyse im Zytosol stattfindet und die ETK in den Mitochondrien (in Eukaryonten) lokalisiert ist. Die Mitochondrienmembran ist für NADH nicht durchlässig, weshalb die Elektronen der 2 NADH, die durch die Glykolyse hergestellt werden, in die Mitochondrien geleitet werden müssen. Sobald sie sich im Mitochondrium befinden, können die Elektronen an NAD+ oder FAD weitergegeben werden. Angesichts der unterschiedlichen ATP-Ausbeute je nach Elektronenträger beträgt die Gesamtausbeute der Zellatmung 30 bis 32 ATP pro Glucosemolekül.

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