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Hi. Hier ist Mr. Andersen und in diesem Podcast werde ich über Zellatmung
sprechen. Manchmal verwechseln Schüler die Atmung des Menschen mit der Zellatmung
und sie sind auch miteinander verknüpft. Zellatmung findet allerdings nur in der
Zelle statt, genauer gesagt in den Mitochondrien. Und dafür wird Saußerstoff
benötigt. Im Grunde genommen geht es darum, dass unsere Nahrung mithilfe von Sauerstoff zersetzt
wird, um darauf ATP zu gewinnen. Aber was passiert in einem Bakterium? Können dort auch Zelltamung geschehen? Natürlich!
Bakterien können auch ohne Mitochondrien Zellatmung betreiben. Sie können ihre äußeren Membranen für aerobe
Zellatmung nutzen. Also grundsätzlich, wenn du ein Leichtathlet bist, und das ist Usain
Bolt hier, dann betreibst du Zellatmung, wenn du läufst, um Energie in Form von
ATP zu gewinnen, damit die Muskeln arbeitet können. Und dies hier ist eine kleine, schnelle Studie, die ich durchgeführt habe. Ich habe
mir alle Weltrekorde von 100 bis 10.000. Meter angeschaut. Und hier ist
Bekele ist der Läufer, der den 10.000-Meter-Rekord hält. Und ich habe ihre Geschwindigkeit
ausgerechnet. In anderen Worten, ich habe ausgerechnet, wie schnell sie in Metern pro Sekunde laufen, für
100, 200 bishin zum 10.000-Meter-Lauf. Und
diese Grafik zeigt, dass das Tempo anfangs sehr schnell nachlässt und sich nach einer Weile
mehr oder weniger stabilisiert. Und wenn wir weitermachen und einen Marathon laufen,
dann schaffen wir es, ein bestimmtes Tempo für lange Zeit zu halten. Aber wenn wir sprinten,
dann geht uns schnell die Puste aus. Im Grunde genommen werden wir also in diesem
Podcast über diese beiden Dinge, aerobe und anaerobe Zellatmung sprechen.
Aerobe Zellatmung kann nur stattfinden, wenn genug Sauerstoff vorhanden ist. Aber es gibt auch
eine Art Turbo-Taste in unserem Körper, die sogenannte anaerobe Zellatmung. Wenn wir wirklich schnell laufen müssen,
dann können wir die benötigte Geschwindigkeit durch die anaerobe Zellatmung erreichen.
Das Problem ist, sobald du weiter als 400 Meter läufst, dann reichert sich
Milchsäure in deinen Muskeln an, und das ist unglaublich schmerzhaft. Deshalb kannst du dann nicht mehr so schnell weiterlaufen.
Ich habe in meiner Klasse einnen Versuch durchgeführt, der dieses Phänomen widerspiegelt. Er heißt
Muskelermüdung-Versuch. Jeder Schüler hatte einen Tennisball in der Hand und musste ihn innerhalb von zehn Sekunden
so oft wie möglich zusammendrücken. Dies wurde für weitere 10 Sekunden und dann
noch einmal 10 Sekunden durchgeführt und hier ist der Klassendurchschnitt. Durschnittlich schafft man ungefähr
25-mal in zehn Sekunden. Aber man kann sehen, dass es schnell abfällt und dann
relativ konstant wird. Also ist es das gleiche Spiel. Hier handelt es sich um aerobe Zellatmung und dort
handelt es sich um anaerobe Zellatmung. Und es war lustig, in die Gesichter der Schüler zu schauen,
als die anaerobe Zellatmung einsetzte, weil sich nach und nach Milchsäure im Arm
ansammelte. Aber bevor wir darüber weiter sprechen, wollen wir uns erstmal mit Atmung beschäftigen, und wofür es überhaupt gut ist.
Es ist für heterotrophe Organismen. Wir sind heterotroph und im Grunde wandeln wir
organischen Verbindungen in Gegenwart von Sauerstoff in Kohlenstoffdioxid
und Wasser um. Was wird noch erzeugt? ATP. Welche Arten von Organismen machen dies? Tiere,
Pilze und Bakterien sind alle heterotroph und sie nutzen organisches Material, um daraus
Energie zu produzieren. Zum Glück haben wir autotrophe Organismen wie Pflanzen und Algen. Und die
wandeln dieses Kohlenstoffdioxid und Wasser dann wieder in organisches Material um.
Das Einzige, was etwas irreführend ist, ist, dass Pflanzen ebenfalls
organisches Material zersetzen und ebenfalls Zellatmung betreiben. Also betreibt alles Zellatmung.
Auf diese Weise können wir unsere Nahrung in Energie umwandeln. Okay. Hier ist die Gleichung.
Wenn du mit Photosynthese vertraut bist, dann musst du dir einfach merken, dass es das Gegenteil ist. Glukose
wird in Anwesenheit von Sauerstoff, das hier ist Glukose und das hier ist Sauerstoff,
in Kohlenstoffdioxid und Wasser umgewandelt und auf diese Weise wird auch ein bisschen
ATP produziert. Aber wo befindet sich die Energie? Die Energie befindet sich genau hier in diesem Wasserstoff
auf der Außenseite des Glucosemoleküls und achtet darauf, was mit dem Wasserstoff passiert. Es fällt
herunter und greift nach dem Sauerstoff, welches Elektronen benötigt. Hierher
kommt die Energie. Die Energie wird verwendet, um ATP zu produzieren.
Und ATP ist der Kraftstoff, den unsere Zellen brauchen. Diese Folie ist lustig,
sie sagt, "Vorsicht vor der Kraft des Sauerstoffs". Also das Feuer kommt vom Sauerstoff, der Elektronen
anzieht. Es ist eine riesige Menge an Energie in den Elektronen, die vom
Sauerstoff angezogen werden, vorhanden. Wenn wir dies in unserem Körper tun würden, könnten wir eine Menge Energie
aus unserer Nahrung gewinnen, aber wir würden auch in Flammen aufgehen. Daher machen wir es in einem wirklich gesteuerten
Prozess. Genau wie wir Teile des Chloroplasten für das Thema Photosynthese lernen mussten,
so müssen wir Teile der Mitochondrien für das Thema Zellatmung lernen.
Also zunächst einmal haben wir diese Falten auf der Innenseite der Mitochondrien. Sie heißen
Cristae. Im Grunde gibt es zwei Membranen. Es gibt eine innere
Membran hier und eine äußere Membran hier. Und
dieser Raum in der Mitte heißt Intermembranraum. Und auf der Innenseite - früher dachte man, dass Mitochondrien
eigene Bakterien seien und sich durch binäre Spaltung vermehren - haben
sie ihre eigene DNA. Sie haben ihre eigenen Ribosomen. Aber sie leben sozusagen in uns
nicht als Parasit sondern in Symbiose. Sie helfen uns tatsächlich, Energie zu erzeugen.
Es gibt drei *** in der Zellatmung. Lasst uns mit dem ersten beginnen. Also der erste Schritt
ist Glykolyse. Der zweite Schritt ist der Krebs-Zyklus.
Und der dritte Schritt ist die Elektronentransportschicht-Kette. Also, der erste Schritt ist hier -
ich liebe dieses Diagramm, weil es Glykolyse außerhalb der Mitochondrien zeigt.
Dies findet außerhalb der Mitochondrien statt. Aber wo ist das? Es
ist im Zytoplasma der Zelle im Körper oder direkt außerhalb
eines Bakteriums. In der Glykolyse passiert Folgendes: Wir nehmen Glukose, Glukose
hat sechs Kohlenstoff-Moleküle und in der Glykolyse wird das in zwei
Pyruvat-Moleküle gespalten. Jedes dieser Moleküle enthält drei Kohlenstoffen-Moleküle. Also, Glykolyse produziert
zwei Pyruvat-Moleküle. Was wird dabei erzeugt? Es wird ein wenig
ATP erzeugt. Pro Glukose-Molekül in der Glykolyse bekommen wir 2 ATP. Das andere Produkt,
was wir bekommen, ist eine Chemikalie namens NADH. Im Grunde werden Elektronen
mit hohem Energiepotential zu NADH transferiert und Protonen werden hinzugefügt. Wir kommen auf NADH
gleich zurück. Lasst uns dem Pyruvat folgen. Pyruvat dringt in die
Mitochondrien und hier ist ein Apparat, der dem Pyruvat Wasserstoff entzieht. Eigentlich
wandelt es nur das drei Kohlenstoff-Molekül in Acetyl-CoA um.
Dies ist Co-Enzym A. Also jetzt haben wir ein zwei Kohlenstoff-Molekül, das den
Krebszyklus durchlaufen wird. Jetzt, da aus dem drei Kohlenstoff-Atom Pyruvat ein zwei Kohlenstoff
Acetyl-CoA bekommen, wird ein Kohlenstoff-Molekül abgegeben. Und der Kohlenstoff wird in Form von Kohlenstoffdioxid
abgegeben. Also, ein Drittel des Sauerstoffs, den du ausatmest,
kommt direkt aus diesem Komplex in der Matrix. Ich hätte
das früher sagen sollen. Dies ist die Matrix auf der Innenseite der Mitochondrien. Okay, lasst uns Acetyl-CoA im
Auge behalten. Es ist also ein zwei Kohlenstoff-Molekül, was macht es als nächstes? Es geht zum
Krebszyklus. Im Krebszyklus wird es weiter aufgespalten
und wir werden diese zwei Kohlenstoffatome im Acetyl-CoA los. Diese werden als Kohlenstoffdioxid
abgegeben. Also werden wir Kohlenstoffdioxid los. Was wird noch im Krebszyklus produziert?
Hier kann man sehen, dass ein wenig ATP produziert wird, 2 ATP, aber es wird auch Energie zu
zu NADH hinzugefügt und ebenfalls zu seinem Freund, dem sogenannten FADH2. Was
haben NADH und FAHD2 jetzt? Sie haben diese Elektronen mit hoher Energie. Sie tragen diese
Elektronen zum dritten Schritt, welche die Elektronentransportkette ist. Okay. Kümmern wir uns um die
Elektronentransportkette. All unsere Energie, die in der
Glukose war, ist jetzt in NADH und FADH2. Jetzt transferieren sie ihre Elektronen und diese
Elektronen durchlaufen die sogenannte Elektronentransportkette. Im Grunde
bewegen sie sich durch eine Reihe von Proteinen und die Energie dieser Proteine wird verwendet, um Protonen zu pumpen.
Die Protonen werden zu Wasserstoffionen an der Außenseite der inneren Membran in diesem, was
Zwischenmembranraum genannt wird. So, jetzt haben diese ganzen Protonen hier errichtet.
Was passiert mit dem Elektron? Das Elektron wird anderen Protonen
und Sauerstoff, den wir einatmen, hinzugefügt und das wird unser Nebenprodukt
Wasser. Lasst uns das mal eben verlangsamen, der Sauerstoff, den wir einatmen,
kommt hier an und er ist der letzte Elektronenakzeptor hier in der
Matrix. Dann nehmen wir die Protonen, was ist eigentlich mit diesen Protonen passiert, die
fließen durch ein Protein namens ATP-Synthase. Diese Protonen verbinden sich mit den Elektronen
und dem Sauerstoff und es wird zu Wasser, welches ein Nebenprodukt davon sein wird.
Nun, wie viel ATP produzieren wir hier unten? Nun, wir können zwischen 32 und 34 ATP in diesem letzten Schritt
produzieren. Also wird in der Elektronen-Transportkette eine ganze Menge Energie produziert.
Daher lohnt es sich, einen Blick darauf zu werfen, wie das eigentlich funktioniert. Kümmern wir uns um die
Elektronentransportkette. Damit wir uns orientieren können: Was haben wir eigentlich hier? Nun, wir haben NADH, unsere Freunde
NADH und FADH2. Was geben NADH und FADH2 ab? Ihre Elektronen. Diese Elektronen bewegen sich
durch die Elektronentransportkette so. Jedes Mal, wenn sie durch
eines dieser Proteine gehen, wird ein Proton durchgepumpt, das ist die
andere Sache, die NADH und FADH2 mitbringen. Sie bringen diese Wasserstoffionen mit. Also diese
Ionen hier werden hierhin gepumpt und ziemlich bald bekommen wir eine positive
Ladung hier im Zwischenmembranraum. Es gibt keinen Ort, wo sie hingehen kann. Mit anderen Worten,
mit jedem NADH, das wir abliefern, bewegen wir diese Elektronen nach unten und wir
produzieren eine riesige Menge an positiver Ladung in diesem Zwischenmembranraum. Wenn man
mal hier schaut, sieht man, dass FADH2 tatsächlich sein Elektron ein wenig tiefer fallenlässt, dehr
kann es nicht so viel erzeugen. Wir drängen entweder drei Protonen oder zwei Protonen heraus, abhängig davon, ob
es NADH oder FAHD2 ist. Okay, was passiert mit all diesen Protonen hier? Sie können nirgendwo
hingehen. Sie die Mitochondrien nicht verlassen, können sie nicht in die Matrix gehen, aber sie
können sich hierdurch bewegen. Dies heißt ATP-Synthase. Das ist der Name dieses Protons oder
Proteins hier. Im Grunde ist dies der Ort der ATP-Synthese. Und jedesmal, wenn
ein Proton durchströmt, produzieren wir
ATP. Es funktioniert fast wie ein kleiner Rotor. Jedes Mal, wenn ein Proton durchläuft,
bewegt es sich, und es verbindet das Phosphat mit dem ADP um ATP zu formen. Daher können wir in der
Elektronentransportkette so viel ATP produzieren. Es ist nicht besonders spektakulär.
Wir speichern nur diese ganze Energie und anstatt sie in einem Feuerball freizugeben
geben wir sie in kleinen Stücke frei, um möglichst viel ATP zu produzieren. Okay. Es gibt da aber ein
Problem. Was passiert, wenn man keinen Sauerstoff hat, der die Elektronen diesen ganzen Weg ziehen kann? Angenommen
es sind keine Mitochondrien vorhanden. Dann haben wir ein Problem. Das Problem
Folgendes: Es ist okay, Glukose während Glykolyse in zwei Pyruvat aufzuspalten,
weil wir dabei ein wenig ATP gewinnen. Das Problem ist, dass die
Elektronen zu NADH hinzugefügt werden. Im Grunde fügen wir Elektronen zum
*** + hinzu und es wird zu NADH tansferiert und was dann passiert ist, dass es
nicht mehr davon gibt. Daher muss Glykolyse abgestellt werden. Auch wenn wir ein wenig
ATP mit jedem Abbau von Glukose bekommen, so gibt es doch irgendwann kein *** + mehr und dann
muss der ganze Prozess aufhören. Aber natürlich hat die Natur eine Lösung für dieses Problem. Und die erste Lösung
heißt Milchsäuregärung. Diese erfolgt in den Muskeln. Vor allem für die Situationen, in denen
Muskeln einer riesigen Belastung ausgesetzt sind, zum Beispiel beim Sprinten oder wenn man
die Luft lange Zeit anhält. Lasst uns anschauen, was jetzt passiert.
Nochmal: weder Sauerstoff noch Mitochondrien kommen vor. Im Grunde nehmen die Zellen
die Glukose in Glykolyse und zerlegen es in zwei Pyruvat-Moleküle. Und jetzt
bleiben wir stecken, erinnert euch an die Geschichte mit dem NADH. Aber dann folgt eine weitere Umsetzung. Jetzt
wird das Pyruvat in Milchsäure umgewandelt.
Das schöne daran ist, dass es diese Elektronen annimmt. Daher kann mehr
*** + produziert werden und das kann wiederbenutzt werden. Und im Grunde
kann dieser Prozess mit Glukose immer und immer und immer und immer wieder ablaufen.
Und jedes Mal, wenn das immer und immer und immer und immer wieder passiert, werden
2 ATP produziert. Wenn du jemals gesprintet bist: Beim Sprinten betreibst du
aerobe Atmung, und anaerobe Atmung obendrein. Das
Problem dabei ist, dass du Milchsäure in deinen Muskeln aufbaust und diese Milchsäure
ist wie Gift. Daher muss es zerlegt werden und dafür wird Sauerstoff benötigt. Wenn du jemals
einen Sprinter beobachtet hast, vor allem jemanden, der gerade einen 400-Meter-Lauf gelaufen ist: Wenn der
seinen Lauf beendet hat und dann interviewt wird, dann haben sie schwer damit zu kämpfen, ein Interview zu geben, weil sie
die ganze Zeit Sauerstoff (O2) einatmen müssen umd irgendwann die Milchsäure loszuwerden. Und
ja Milchsäuregärung erfolgt in einigen Bakterien und auch in Muskelzellen.
Aber wir haben noch eine andere Lösung für dieses Problem in Bakterien, anaeroben Problem des Stoppens hier mit
diesem vollständig geladenen NADH und die nennt sich alkoholische Gärung. Alkoholische Gärung funktioniert
auf die gleiche Weise. Grundsätzlich wird Glukose in Pyruvat umgewandelt. Und dann wandeln wir dieses Pyruvat
in eine Chemikalie mit dem Namen Ethylalkohol oder Ethanol um. Es gibt Elektronen ab oder nimmt diese Elektronen auf
, damit *** + wieder verwendet werden kann. Der einzige Unterschied hier ist, dass, wenn wir Laktat produzieren,
ein drei Kohlenstoff-Molekül entsteht. Wenn wir alkoholische Gärung betreiben, dann produzieren wir
Kohlenstoffdioxid und das geben wir ab. Und wenn wir Hefe nehmen und sie
in einer Flasche mit etwas Fruchtsaft aufbewahren, im Grunde, was die beiden dann machen, ist, dass sie den ganzen
Sauerstoff verbrauchen und dann zur alkoholischen Gärung wechseln. Was werden sie produzieren? Sie werden
Ethylalkohol produzieren. Auf diese Art und Weise stellen wir Wein her. Und es wird auch
Kohlenstoffdioxid produziert werden, das wir dann einfach verschwinden lassen oder zur Herstellung von Bier nutzen könnten, weil das die Kohlensäure ist, die
wir auch im Bier finden. Also noch einmal: die Zellatmung ist nur ein schneller Weg, um
Energie aus Glukose zu gewinnen. Wir verwenden Glukose als ein Beispiel, aber wir können Zellatmung
mithilfe von so ziemlich jeder Art von Lebensmitteln betreiben. Es ist ein Weg, um Energie zu gewinnen. Wir machen
es auf diese Weise. Und Bakterien machen es auch. Und selbt Pflanzen machen es. Und ich hoffe, dass dieses Video hilfreich war.