Jeder Biologe und jeder Schüler, zumindest im Biologie-Leistungskurs, wird irgendwann in die Situation kommen, den Wirkungsgrad der Zellatmung berechnen zu müssen. Bevor es darum geht, den Wirkungsgrad festzustellen, hilft jedoch ein Blick auf das gesamte Geschehen, um den Stellenwert dieser Berechnung einordnen zu können.
Denn was bei der Zellatmung vor sich geht, ist wirklich nicht uninteressant. Wenn man sich einmal vor Augen geführt hat, welch ein elementarer Vorgang die gesamte Zellatmung ist, wird schnell klar, warum es so wichtig ist, den Wirkungsgrad einer Zellatmung zu berechnen.

Was ist Zellatmung?

Die Zellatmung oder innere Atmung wird auch als aerobe Atmung bezeichnet. Hier geht es um die Stoffwechselprozesse, die in den Zellen stattfinden und dem Ziel der Energiegewinnung dienen.
Bei der Zellatmung nutzen Lebewesen Wasserstoffatome, die an Überträger gebunden und durch einen speziellen biochemischen Vorgang im Stoffwechsel oxidiert werden.
Sauerstoff in elementarer Form (O2) dient dabei als Mittel zur Oxidation, das zu Wasser umgewandelt wird. Die Zellatmung erzeugt im weiteren Stoffwechselgeschehen Energie in der Form von Adenosintriphosphat. Adenosintriphosphat ist ein Molekül mit einem Basenanteil, einem Zuckeranteil und einem Phosphatanteil. Dieses Nukleotid ist ein Grundbaustein von Nukleinsäuren wie DNA und RNA und die Form, in der unmittelbar verfügbare Energie in einer Zelle bereitgestellt wird. Das Adenosintriphosphat wird meist als ATP abgekürzt, es fungiert auch als entscheidender Regulator bei Energie bereitstellenden Prozessen.
Der Begriff Zellatmung ist dabei für die Bezeichnung der biochemischen Prozesse innerhalb der inneren Membran eines Mitochondriums reserviert, bei denen ATP synthetisiert wird. Im Gegensatz zu dieser inneren Atmung steht die äußere Atmung, die alle anderen Formen des Gasaustausches von Lebewesen bezeichnet.
Die häufigste Form der Energieerzeugung durch Zellatmung erfolgt, indem Glucose (Traubenzucker) in den Zellen oxidiert wird. Es gibt auch noch andere Stoffe, aus denen Zellen durch Oxidation Energie schöpfen können, Glucose ist aber die Energiequelle, die weitaus am häufigsten genutzt wird.
Die Zellen verwandeln also Glucose, um sich mit Energie zu versorgen. Dazu haben alle Eukaryoten (Lebewesen, deren Zellen einen Zellkern besitzen) Cytoplasma (eine Grundstruktur im Zellinneren) und Mitochondrien (Organellen mit eigener Erbsubstanz), die Glucose komplett zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidieren können. Dabei wird ein Molekül Glucose, das mit sechs Molekülen Sauerstoff "verarbeitet" wird, in sechs Moleküle Wasser und sechs Moleküle Kohlenstoffdioxid verwandelt.

Wie bei der Zellatmung Energie gewonnen wird

Diese Umwandlung kann berechnet werden, es handelt sich ja um einen im Wesentlichen immer gleich ablaufenden Prozess, bei dem ein energiereicher Stoff in energiearme Stoffe aufgespalten wird.
Im Regelfall, also bei der Verarbeitung von Glucose, wird ein Glucosemolekül (C6H12O6) in vielen Einzelschritten zu einzelnen Bestandteilen von Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) aufgespalten. Dabei gibt es vier wesentliche Abschnitte: die Glykolyse, darauf folgt die oxidative Decarboxylierung, die übergeht in den Citratzyklus und in die Endoxidation, die die Atmungskette beendet.
Wenn oben erklärt wurde, dass sich die Gesamtbilanz der Zellatmung darstellen lässt als Umwandlung von einem Molekül Glucose und sechs Molekülen Sauerstoff in sechs Moleküle Kohlenstoffdioxid und sechs Moleküle Wasser, lässt sich dieses Verhältnis auch in Formeln präzisieren und in Energie in Kilojoule ausdrücken. Damit kann dann der Wirkungsgrad der Zellatmung berechnet werden.

Wirkungsgrad der Zellatmung berechnen

Bei der Zellatmung bringt 1 mol Glucose 36 mol ATP hervor. Ein ATP hat 30,5 kJ pro Mol. 36 ATP enthalten also 1098 kJ Energie (36 x 30,5). 1 mol Glucose hat jedoch einen Energiegehalt von 2870 kJ, offensichtlich geht hier Energie verloren. Den Wirkungsgrad zu berechnen, ist nun nicht mehr schwer, wir müssen einfach nur die Energie der ATPs zur Energie der Ausgangssubstanz, der Glucose, ins Verhältnis setzen: 1098 kJ geteilt durch 2870 kJ = 0,38. Nur 38 % der Energie der Glucose landen also als Energie in den ATPs.
Diese Gleichung geht nicht immer genau so auf, die obige Berechnung geht von Standardbedingungen aus, z. B. von einem pH-Wert von genau 7. Deshalb gibt es in den Lehrbüchern unterschiedliche Angaben über den Energiegehalt eines Mols Glucose und eines Mols ATP. Im Grundsatz wird der Wirkungsgrad aber auf diese Art berechnet, und auch das grundsätzliche Ergebnis schwankt nur unwesentlich: Rund 40 % der Energie, die die Zelle ursprünglich aufgenommen hat, steht am Ende der Zellatmung als Energie zur Verfügung.

Dieses Prinzip funktioniert übrigens auch andersherum: Wenn Sie die zusammenfassende Reaktionsgleichung zur Beschreibung der Zellatmung genau andersherum lesen, erhalten Sie die Reaktionsgleichung für die oxygene Fotosynthese. Also dem Vorgang, bei dem wieder Sauerstoff freigesetzt wird, der dann wiederum für die Zellatmung genutzt werden kann.

Gruß raffisworld