Mitochondrien stehen im Mittelpunkt des zellulären Energiestoffwechsels und werden daher auch als „Kraftwerke der Zelle“ bezeichnet. Mitochondrien zeichnen sich dadurch aus, dass sie im Gegensatz zu anderen Organellen gleich durch zwei Membranen vom Cytoplasma abgegrenzt sind. Die äußere Membran ist vergleichsweise durchlässig für viele Ionen und auch größere Moleküle. Erst die innere Membran stellt eine nahezu dichte Barriere dar, weshalb sie für wichtige Moleküle Transportproteine besitzt.

Den Raum zwischen den beiden Membranen nennt man Intermembranraum. Dieser Zwischenraum spielt bei der Atmungskette eine entscheidende Rolle, da in diesen Protonen gepumpt werden. Der entstehende Protonengradient wird, wie bei der Photosynthese, zur Bildung von ATP genutzt. Da die Atmungskette kein fes­ter Bestandteil des Abiturs ist, wird sie im Folgenden nur im Überblick behandelt.

Die Zellatmung ist das Gegenstück zur Photosynthese bzw. der Glukoneogenese (= Aufbau von Glukose bei Produzenten aus anderen Energielieferanten). Bei der Zellatmung wird die in Kohlenhydraten (bzw. Fetten oder Eiweißen) gespeicherte Energie zur ATP-Synthese verwendet. ATP ist der universelle Energielieferant für die meisten Prozesse des Lebens.

Die Zellatmung lässt sich in 4 Schritte gliedern:

1. Glykolyse
2. Oxidative Decarboxylierung
3. Citratzyklus
4. Atmungskette

Für die Zellatmung sind laut Handreichungen nur „Orte, Ausgangsstoffe und Produkte“ der vier Schritte relevant. Es ist im Hinblick auf das Abitur nicht nötig, alle Schritte der Atmungskette auswendig zu lernen, da diese sehr komplex sind und nicht erwartet werden. Im folgenden Text werden die „Orte, Ausgangsstoffe und Produkte der Teilabschnitte“ zusammen mit einer kurzen Beschreibung der wichtigsten Vorgänge aufgeführt. Es ist im Hinblick auf Aufgabe 2 und 3 dennoch hilfreich, die wichtigsten Abläufe grob verstanden zu haben.

1. Glykolyse:

   Die Glykolyse (Zuckerzerlegung) findet im Cytoplasma statt und ist damit der einzige Schritt der Zellatmung, der nicht in den Mitochondrien abläuft. Die Glykolyse läuft in vielen kleinen Schritten ab, bei denen 2 Mol ATP als Aktivator benötigt werden. Als Endprodukt liegen letztendlich 2 Mol C₃-Körper Pyruvat vor. Des Weiteren werden bei dieser Reaktion von Glykogen zu Pyruvat 4 Mol ATP und 2 Mol NADH + H⁺ gewonnen. Abzüglich der 2 Mol ATP vom Anfang bedeutet dies einen Nettogewinn von 2 Mol ATP und 2 Mol NADH + H⁺.

2. Oxidative Decarboxylierung:

   Bei der Decarboxylierung wird von jedem Pyruvat jeweils eine Carboxyl-Gruppe (CO₂) abgespalten und 2 Protonen auf NAD⁺ übertragen. Dadurch entsteht pro Pyruvat ein C₂-Molekül Acetat, welches an das Coenzym A gebunden wird, sodass Acetyl-CoA entsteht. Das Coenzym A lässt die Reaktion schneller ablaufen und wird nicht verbraucht. Die oxidative Decarboxylierung ist der erste Vorgang, der in den Mitochondrien stattfindet. Dieser Schritt kann nur dann ablaufen, wenn genug Sauerstoff vorhanden ist, um das Pyruvat zuvor in die Matrix der Mitochondrien zu transportieren. In diesem Teilschritt wird pro Mol Pyruvat 1 Mol NADH + H⁺ gewonnen (Nettogewinn von 2 Mol NADH + H⁺).

3. Citratzyklus:

   Der Citratzyklus findet in der Matrix der Mitochondrien statt. Zu Beginn des Zyklus wird das Acetyl-CoA unter Abspaltung von Wasser und dem Coenzym A an das C₄-Molekül Oxalacetat gebunden. Dadurch entsteht das C₆-Molekül Citrat, nach dem der Zyklus benannt wurde. In mehreren Schritten wird das Citrat wieder zu Oxalacetat abgebaut. Während dieses Abbaus werden 6 NADH + H⁺, 2 FADH₂ und 2 ATP resynthetisiert.

4. Atmungskette:

   Die Atmungskette findet auch in den Mitochondrien bzw. an der inneren Membran der Mitochondrien statt und beschreibt den letzten Schritt, bei dem die 10 NADH + H⁺ und die 2 FADH₂ aus den vorherigen Schritten abgebaut werden und die freiwerdende Energie genutzt wird, um ATP zu synthetisieren. Durch die Oxidation von einem NADH + H⁺ werden 3 ATP und durch die Oxidation von FADH₂ jeweils 2 ATP synthetisiert. Somit werden rechnerisch in diesem Schritt 34 ATP resynthetisiert.

(1) Während der Glykolyse wird im Cytoplasma Glukose in zwei Moleküle Pyruvat gespalten. Dabei werden 2 ATP und 2 NADH + H⁺ regeneriert. (2) Bei der oxidativen Decarboxylierung wird in den Mitochondrien von dem Pyruvat eine Carboxyl-Gruppe (CO₂) abgespalten und 2 Protonen auf NAD⁺ übertragen. Durch die Bindung des Coenzym A entsteht Acetyl-CoA. (3) Acetyl-CoA reagiert zu Beginn des Citratzyklus mit Oxalacetat. Das entstandene Citrat wird wieder zu Oxalacetat abgebaut. Dabei werden insgesamt 6 NADH + H⁺, 2 FADH₂ und 2 ATP resynthetisiert. (4) Während der Atmungskette werden von 10 NADH + H⁺ und die 2 FADH₂ jeweils Protonen und Elektronen abgespalten. Die freiwerdende Energie wird zur Synthese von 34 ATP genutzt.