Die Zellatmung

Eine Zelle braucht dauernd Energie: für den Aufbau von Eiweißen, für den Transport von Stoffen durch die Membran, für jede Bewegung. Diese Energie steckt in der Nahrung, aber nicht in einer Form, die die Zelle direkt verwenden kann. Bei der Zellatmung wird Traubenzucker mithilfe von Sauerstoff schrittweise abgebaut, und die dabei frei werdende Energie wird in den Energieträger ATP überführt. ATP ist die Währung, mit der die Zelle bezahlt.

Die Zellatmung ist damit genau die Umkehrung der Fotosynthese. In der Fotosynthese baut eine Pflanze aus Kohlenstoffdioxid und Wasser mithilfe von Lichtenergie Traubenzucker auf und gibt Sauerstoff ab. Bei der Zellatmung läuft es umgekehrt: Traubenzucker und Sauerstoff werden verbraucht, Kohlenstoffdioxid und Wasser entstehen, und die Energie wird wieder frei. Die Fotosynthese speichert Energie, die Zellatmung holt sie heraus. Beide Vorgänge greifen in der Natur ineinander, deshalb lohnt es sich, sie direkt nebeneinander zu lernen.

Ein zweiter Punkt wird oft falsch erinnert: Zellatmung läuft nicht nur bei Tieren. Auch Pflanzen betreiben Zellatmung, und zwar rund um die Uhr in jeder ihrer Zellen. Tagsüber überlagert die Fotosynthese das nur, weil sie mehr Sauerstoff freisetzt, als die Atmung verbraucht. Nachts steht die Fotosynthese still, die Zellatmung läuft weiter, und dann gibt die Pflanze Kohlenstoffdioxid ab. Der Ort des Geschehens ist in beiden Fällen das Mitochondrium, das deshalb „Kraftwerk der Zelle“ genannt wird – Chloroplasten dagegen gibt es nur in Pflanzenzellen.

Die Zellatmung läuft nicht an einem Ort ab, sondern in zwei Abschnitten. Zuerst wird der Traubenzucker im Zellplasma, also außerhalb aller Zellorganellen, in zwei kleinere Moleküle namens Brenztraubensäure gespalten. Dieser erste Schritt heißt Glykolyse, braucht keinen Sauerstoff und liefert bereits eine kleine Menge ATP, aber der weitaus größte Teil der Energie steckt noch in der Brenztraubensäure.

Ist genug Sauerstoff vorhanden, wandert die Brenztraubensäure durch die Doppelmembran in die Matrix des Mitochondriums. Dort wird sie in weiteren Schritten vollständig zerlegt, dabei entsteht das Kohlenstoffdioxid, das du später ausatmest. An der stark gefalteten Innenmembran des Mitochondriums läuft dann die sogenannte Atmungskette: Mit Hilfe von Sauerstoff wird hier der Großteil der Energie auf ATP übertragen, gleichzeitig entsteht Wasser. Die vielen Falten der Innenmembran vergrößern die Fläche für diesen letzten Schritt, genau wie die Lungenbläschen die Fläche für den Gasaustausch vergrößern – ein Prinzip, das dir in der Biologie immer wieder begegnet.

Am Ende steht eine beachtliche Ausbeute: Aus einem einzigen Traubenzuckermolekül gewinnt die Zelle bei vollständigem Ablauf mit Sauerstoff etwa 30 bis 32 ATP-Moleküle. Nur zwei davon stammen aus der Glykolyse im Zellplasma, fast die gesamte übrige Energie liefert die Atmungskette im Mitochondrium. Das erklärt, warum Zellen mit hohem Energiebedarf, etwa Muskel- oder Herzzellen, besonders viele Mitochondrien besitzen.

Der häufigste Fehler ist die Verwechslung von Fotosynthese und Zellatmung: Viele merken sich nur „Pflanzen machen Fotosynthese“ und schließen daraus, Pflanzen würden nicht atmen. Das Gegenteil ist richtig – jede lebende Zelle, ob Pflanze, Tier oder Pilz, betreibt Zellatmung, und zwar dauerhaft. Nur Pflanzenzellen können zusätzlich Fotosynthese betreiben, wenn Licht vorhanden ist.

Ein zweiter Fehler betrifft den Ort: Die Zellatmung wird oft komplett dem Mitochondrium zugeschrieben. Tatsächlich beginnt sie im Zellplasma mit der Glykolyse, erst danach folgt der energiereichere Teil im Mitochondrium. Wer das durcheinanderbringt, verwechselt in Aufgaben leicht die 2 ATP der Glykolyse mit der Gesamtausbeute von etwa 30 ATP.

Drittens wird die Wortgleichung manchmal seitenverkehrt aufgeschrieben, weil sie der Fotosynthese-Gleichung so ähnlich sieht. Merke dir: Bei der Zellatmung stehen Traubenzucker und Sauerstoff links, weil sie verbraucht werden – bei der Fotosynthese stehen sie rechts, weil sie entstehen.

Die Zellatmung erklärt viele Alltagsbeobachtungen. Wer Sport treibt, atmet schneller und tiefer, weil die Muskelzellen mehr Sauerstoff für die aerobe Zellatmung brauchen. Bleibt die Zufuhr zu gering, springt die Gärung ein, und die Muskeln brennen. Auch das Fieber bei Krankheit hängt damit zusammen: Der Stoffwechsel und damit die Zellatmung laufen schneller, um Abwehrzellen mit Energie zu versorgen, und dabei entsteht mehr Wärme.

Auch Backhefe zeigt das Prinzip direkt im Küchenalltag: Solange im Teig Sauerstoff eingeschlossen ist, atmet die Hefe zunächst aerob. Wird der Sauerstoff knapp, wechselt sie zur alkoholischen Gärung, produziert Kohlenstoffdioxid, und der Teig geht auf. Ähnlich arbeiten Milchsäurebakterien bei der Herstellung von Joghurt oder Sauerkraut, nur dass bei ihnen Milchsäure statt Alkohol entsteht.

Wer tiefer einsteigen will, kann sich merken, dass die 30 bis 32 ATP kein fester Wert sind, sondern je nach Zelltyp leicht schwanken, weil der Transport der Brenztraubensäure und der Elektronen ins Mitochondrium selbst etwas Energie kostet. Für die Schule reicht die grobe Zahl „etwa 30-mal mehr Energie als bei der Gärung“ völlig aus.