Aerobe und anaerobe Prozesse spielen eine wichtige Rolle in der Zellatmung. Während aerobe Prozesse Sauerstoff benötigen, können anaerobe Prozesse ohne Sauerstoff ablaufen. Lassen Sie uns einen genaueren Blick auf beide Arten von Atmung werfen.
Aerobe Prozesse
Aerobe Prozesse in der Zellatmung finden statt, wenn Sauerstoff vorhanden ist. Dabei kommt es zu chemischen Reaktionen zwischen dem Zytoplasma (einer Substanz zwischen dem Zellkern und der Zellmembran) und den Mitochondrien (Organellen im Zytoplasma, die den Stoffwechsel unterstützen). Diese Reaktionen führen zum Abbau von Glukose, einem Zucker, der durch das Blut transportiert und im Körper als schnelle Energiequelle gespeichert wird. Bei diesem Abbau entsteht Kohlendioxid (CO2), ein Nebenprodukt, das aus dem Körper entfernt werden muss. Bei Pflanzen wird CO2 während des energieerzeugenden Prozesses der Photosynthese verwendet und Sauerstoff als Nebenprodukt freigesetzt.
Anaerobe Prozesse
Im Gegensatz dazu benötigen anaerobe Prozesse keinen Sauerstoff. Das Endprodukt Pyruvat, wobei ATP eine Form von Pyruvat ist, bleibt erhalten und kann durch andere Reaktionen abgebaut oder katalysiert werden. Dies geschieht beispielsweise im Muskelgewebe oder bei der Gärung. Milchsäure, die sich in den Zellen der Muskeln ansammelt, wenn die aeroben Prozesse mit dem Energiebedarf nicht Schritt halten können, ist ein Nebenprodukt eines anaeroben Prozesses. Solche anaeroben Prozesse liefern zusätzliche Energie, aber die Ansammlung von Milchsäure verringert die Fähigkeit einer Zelle, Abfallprodukte weiter zu verarbeiten. Auf großer Ebene, beispielsweise im menschlichen Körper, führt dies zu Müdigkeit und Muskelkater. Zellen erholen sich, indem sie mehr Sauerstoff einatmen und durch den Blutkreislauf, der hilft, Milchsäure abzutransportieren.
Gärung
Bei der Gärung, einem langsameren Prozess, der bei der anaeroben Atmung stattfindet, bleibt das durch den Abbau von Zucker entstehende Pyruvat in der Zelle. In Abwesenheit von Sauerstoff verwendet die Zelle einen langsameren Prozess, um die Wasserstoffträger zu entfernen und dabei verschiedene Abfallprodukte zu erzeugen. Bei der Gärung mit Hefe entstehen beispielsweise Alkohol und CO2 als Abfallprodukte. Durch die Entfernung von CO2 entsteht Ethanol, die Grundlage für alkoholische Getränke und Kraftstoffe. Früchte, zuckerhaltige Pflanzen wie Zuckerrohr und Getreide werden zur Gärung verwendet, wobei Hefe oder Bakterien die anaeroben Prozesse durchführen. Bei der Herstellung von Backwaren sorgt die durch die Gärung freigesetzte CO2 für das Aufgehen von Brot und anderen Backwaren.
Zitronensäurezyklus
Der Zitronensäurezyklus, auch bekannt als Citratzyklus oder Tricarbonsäurezyklus (TCA-Zyklus), ist der Schlüsselprozess zur Energiegewinnung in den meisten mehrzelligen Organismen. Diese Zyklen nutzen in der Regel Glukose als Energiequelle. Während des Prozesses der Glykolyse wandelt eine Zelle Glukose, ein 6-Kohlenstoff-Molekül, in zwei 3-Kohlenstoff-Moleküle namens Pyruvate um. Diese beiden Pyruvate geben Elektronen ab, die dann mit einem Molekül namens NAD+ kombiniert werden, um NADH und zwei Moleküle Adenosintriphosphat (ATP) zu bilden. Diese ATP-Moleküle sind der eigentliche “Treibstoff” eines Organismus und werden in Energie umgewandelt, während die Pyruvat-Moleküle und NADH in die Mitochondrien gelangen. Dort werden die 3-Kohlenstoff-Moleküle in 2-Kohlenstoff-Moleküle namens Acetyl-CoA und CO2 abgebaut. In jedem Zyklus wird Acetyl-CoA abgebaut und zur Neubildung von Kohlenstoffketten verwendet, um Elektronen freizusetzen und somit mehr ATP zu erzeugen. Dieser Zyklus ist komplexer als die Glykolyse und kann auch Fette und Proteine für die Energiegewinnung abbauen. Sobald die verfügbaren freien Zucker-Moleküle verbraucht sind, kann der Zitronensäurezyklus im Muskelgewebe damit beginnen, Fettmoleküle und Protein-Ketten abzubauen, um einen Organismus mit Energie zu versorgen. Während der Abbau von Fettmolekülen positive Auswirkungen haben kann (Gewichtsabnahme, Senkung des Cholesterinspiegels), kann er den Körper schädigen, wenn er übertrieben wird (der Körper benötigt etwas Fett als Schutz und für chemische Prozesse). Der Abbau von Proteinen im Körper ist oft ein Zeichen von Unterernährung.
Aerobes und anaerobes Training
Aerobe Prozesse sind 19-mal effektiver bei der Freisetzung von Energie als anaerobe Prozesse. Dies liegt daran, dass aerobe Prozesse die meiste Energie aus den Glukosemolekülen in Form von ATP extrahieren, während anaerobe Prozesse die meisten ATP-generierenden Quellen in den Abfallprodukten belassen. Bei Menschen werden aerobe Prozesse aktiviert, um Aktionen zu unterstützen, während anaerobe Prozesse für extreme und anhaltende Anstrengungen verwendet werden. Aerobe Übungen wie Laufen, Radfahren und Seilspringen eignen sich hervorragend zur Verbrennung von überschüssigem Zucker im Körper. Um Fett zu verbrennen, müssen aerobe Übungen jedoch mindestens 20 Minuten lang durchgeführt werden, um den Körper zur Verwendung der anaeroben Atmung zu zwingen. Kurze Bemühungen wie Sprints sind auf anaerobe Prozesse angewiesen, da die aeroben Wege langsamer sind. Andere anaerobe Übungen wie Krafttraining oder Gewichtheben eignen sich hervorragend zum Aufbau von Muskelmasse, einem Prozess, der den Abbau von Fettmolekülen zur Speicherung von Energie in den größeren und zahlreicheren Zellen des Muskelgewebes erfordert.
Evolution
Die Evolution der anaeroben Atmung ist viel älter als die der aeroben Atmung. Zwei Faktoren machen diesen Verlauf sicher. Erstens hatte die Erde, als die ersten einzelligen Organismen entstanden, einen viel niedrigeren Sauerstoffgehalt, und die meisten ökologischen Nischen waren fast vollständig sauerstofffrei. Zweitens produziert die anaerobe Atmung nur 2 ATP-Moleküle pro Zyklus, was für die Bedürfnisse einzelliger Organismen ausreicht, aber für mehrzellige Organismen unzureichend ist. Die aerobe Atmung entwickelte sich erst, als der Sauerstoffgehalt in der Luft, im Wasser und auf der Erdoberfläche ausreichend hoch war, um ihn für Oxidations-Reduktions-Prozesse zu nutzen. Die Oxidation liefert nicht nur eine höhere ATP-Ausbeute von bis zu 36 ATP-Molekülen pro Zyklus, sondern kann auch mit einer breiteren Palette reduktiver Stoffe stattfinden. Das bedeutet, dass Organismen leben konnten, größer wurden und mehr ökologische Nischen besetzen konnten. Die natürliche Selektion begünstigte daher Organismen, die aerobe Atmung nutzen konnten, und solche, die dies effizienter tun konnten, um größer zu wachsen und sich schneller an neue und wechselnde Umgebungen anzupassen.
Referenzen
- Wikipedia: Zellatmung
