Wie deine Zellen Nahrung in Energie verwandeln

Im Sommer 1937, in der biochemischen Abteilung der Universität Sheffield, fütterte Hans Krebs von Hand zerkleinerte Taubenbrustmuskulatur in eine Reihe von Glasinstrumenten, die man Warburg-Manometer nannte. Der Muskel war fein zerhackt, wurde in einer Lösung am Leben gehalten und bekam verschiedene kleine Moleküle nacheinander angeboten, während die Apparatur maß, wie schnell er Sauerstoff verbrauchte. Krebs war auf der Suche nach dem Weg, den Kohlenstoffatome nehmen, wenn sie im Inneren einer lebenden Zelle auseinandergerissen werden, und in diesem Sommer zeichnete er eine Schleife von Reaktionen nach, die sich wieder in sich selbst zurückkrümmte, ein chemisches Karussell, das er den Zitronensäurezyklus nennen sollte. Er schrieb es nieder und reichte die Arbeit im Herbst bei einer kleinen niederländischen Fachzeitschrift namens Enzymologia ein.

Diese Taubenmuskulatur tat genau dasselbe, was deine Zellen gerade in diesem Moment tun, während du diesen Satz liest. Das Brot, das du heute Morgen gegessen hast, oder der Reis, oder der Löffel Zucker in deinem Kaffee, wird Molekül für Molekül zerlegt und in eine nutzbare Form von Energie umgewandelt. Die Frage, die dieser Artikel beantwortet, ist eine trügerisch einfache: Wie genau wird aus der Nahrung auf deinem Teller die Kraft, die deine Muskeln, deine Nerven und deine Gedanken antreibt? Die Antwort ist ein dreistufiger Vorgang, den Biologen Zellatmung nennen, und sie ist eines der elegantesten Maschinenwerke der gesamten Biologie.

Drei Stufen, drei Adressen innerhalb einer Zelle

Die Zellatmung ist die kontrollierte enzymatische Verbrennung von Glukose, und das Wort Verbrennung ist wörtlicher gemeint, als es klingt. Beim Verbrennen eines Holzscheits und beim Verbrennen von Zucker in einer Zelle steckt dieselbe Gesamtchemie: Ein Brennstoff reagiert mit Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasser entstehen, und Energie wird freigesetzt. Der Unterschied liegt in der Kontrolle. Ein Holzscheit setzt seine Energie auf einen Schlag als Hitze und Licht frei, was im Inneren einer Zelle nutzlos und gefährlich wäre. Eine Zelle zerlegt Glukose stattdessen in vielen kleinen, sorgfältig gesteuerten Schritten, von denen jeder von einem bestimmten Enzym überwacht wird, sodass die Energie eingefangen statt verschwendet werden kann.

Diese Zerlegung geschieht in drei aufeinanderfolgenden Stufen, und jede davon läuft in einem anderen Kompartiment der Zelle ab. Die erste Stufe, die Glykolyse, findet im Zytoplasma statt, dem wässrigen Inneren, das die Zelle außerhalb ihrer inneren Strukturen ausfüllt. Die zweite Stufe, der Krebszyklus, läuft tiefer innen ab, im zentralen Raum des Mitochondriums, der Matrix genannt wird. Die dritte und ergiebigste Stufe, der Elektronentransport, ist an die innere Membran genau dieses Mitochondriums angedockt. Diese drei Adressen auseinanderzuhalten, ist der Schlüssel zum Verständnis des gesamten Vorgangs, denn ein Glukosemolekül, das in die Zelle eintritt, legt einen physischen Weg vom Zytoplasma in das Mitochondrium zurück und wird dabei nach und nach auseinandergenommen.

Einen Sechs-Kohlenstoff-Zucker mittendurch spalten

Die Reise beginnt mit der Glykolyse, einem zehnstufigen enzymatischen Stoffwechselweg, dessen Name schlicht die Spaltung von Zucker bedeutet. Ein einzelnes Glukosemolekül besitzt sechs aneinandergereihte Kohlenstoffatome. Im Lauf von zehn Reaktionen, von denen jede durch ihr eigenes Enzym katalysiert wird, spaltet die Glykolyse diese Sechs-Kohlenstoff-Kette in zwei Drei-Kohlenstoff-Moleküle namens Pyruvat. Das geschieht vollständig im Zytoplasma, noch bevor der Brennstoff überhaupt ein Mitochondrium erreicht, und es benötigt überhaupt keinen Sauerstoff.

Die Glykolyse wurde im Lauf der 1930er Jahre von einem Trio von Forschern aufgeklärt, Gustav Embden, Otto Meyerhof und Jakub Parnas, deren Namen in Lehrbüchern noch immer an diesem Stoffwechselweg haften. Bemerkenswert ist daran nicht nur ihre Chemie, sondern ihr schieres Alter. Die Glykolyse ist der älteste und universellste energieliefernde Stoffwechselweg, den die Biologie kennt, und sie findet sich bei nahezu jedem Lebewesen, von Bakterien bis zu Blauwalen. Sie geht mit ziemlicher Sicherheit dem Aufstieg des Sauerstoffs in der Erdatmosphäre voraus, weshalb sie auch völlig ohne ihn laufen kann. Der Stoffwechselweg kostet die Zelle zu Beginn eine kleine Investition an Energie und zahlt sie dann mit Zinsen zurück, indem er einen bescheidenen Nettogewinn von zwei ATP-Molekülen pro Glukose abwirft, dazu ein Paar Elektronenüberträger namens NADH, die später enorm wichtig werden.

Die Brücke über die Mitochondrienwand

Am Ende der Glykolyse hält die Zelle zwei Pyruvatmoleküle in der Hand, die im Zytoplasma liegen, und der Krebszyklus, der sie verbrauchen wird, läuft im Inneren des Mitochondriums ab. Zwischen beiden liegt eine kurze, aber entscheidende verbindende Reaktion, oft Brückenschritt genannt. Jedes Pyruvat wird über die innere Mitochondrienmembran in die Matrix transportiert. Dort drinnen wird ihm eines seiner Kohlenstoffatome entzogen, das als Kohlendioxid entweicht, und das verbleibende Zwei-Kohlenstoff-Bruchstück wird an ein Trägermolekül namens Coenzym A gebunden.

Das Produkt dieser Verbindung ist Acetyl-CoA, und es verdient besondere Aufmerksamkeit, denn es ist der universelle Eintrittspunkt für Brennstoff in den Krebszyklus. Glukose ist nicht das Einzige, das hier landet. Fette und Proteine werden, wenn der Körper sie zur Energiegewinnung verbrennt, ebenfalls zu Acetyl-CoA abgebaut und in denselben Zyklus eingespeist. Der Brückenschritt ist mit anderen Worten eine Art chemischer Trichter, in dem mehrere Brennstoffquellen auf einem einzigen gemeinsamen Weg zusammenlaufen, und er fängt dabei auch ein weiteres Molekül NADH ein.

Acht Schritte rund um eine Kohlenstoffschleife

Nun tritt der Brennstoff in den Zyklus ein, den Krebs mit seiner Taubenmuskulatur nachzeichnete. Der Krebszyklus, auch Zitronensäurezyklus genannt, ist eine geschlossene Schleife aus acht enzymatischen Reaktionen, die die Oxidation von Acetyl-CoA in der Mitochondrienmatrix vollendet. Das Wort Schleife ist exakt gewählt. Der Zyklus beginnt damit, dass er die Zwei-Kohlenstoff-Acetylgruppe an ein Vier-Kohlenstoff-Molekül anhängt, um ein Sechs-Kohlenstoff-Molekül zu bilden, und arbeitet sich dann über sechs weitere Schritte wieder herum, bis er jenes Vier-Kohlenstoff-Ausgangsmolekül zurückgebildet hat, bereit, das nächste Acetyl-CoA aufzunehmen und erneut die Runde zu drehen.

Mit jeder vollen Umdrehung erreicht der Zyklus mehreres auf einmal. Er setzt zwei Moleküle Kohlendioxid frei, und dort verlässt der Rest des Glukose-Kohlenstoffs schließlich die Zelle als Abfall, um am Ende ausgeatmet zu werden. Er fängt drei Moleküle NADH und eines eines verwandten Trägers namens FADH₂ ein, die beide mit energiereichen Elektronen beladen sind. Und er erzeugt ein Molekül GTP, einen nahen Verwandten von ATP, den die Zelle bereitwillig selbst in ATP umwandelt. Da jede ursprüngliche Glukose in zwei Pyruvate gespalten wurde und jedes Pyruvat zu einem Acetyl-CoA wird, dreht sich der Zyklus für jedes Glukosemolekül zweimal, wodurch sich all diese Erträge verdoppeln.

Das eigentliche Kraftwerk: Elektronen, Protonen und ein sich drehender Motor

Bis zu diesem Punkt hat die Zelle nur recht wenig direkt nutzbares ATP erzeugt, lediglich eine Handvoll Moleküle. Der weitaus größte Teil des Ertrags fällt in der letzten Stufe an, und sie funktioniert über einen indirekten und wahrhaft wunderschönen Mechanismus. All jene Träger von NADH und FADH₂, die sich während der Glykolyse, des Brückenschritts und des Krebszyklus angesammelt haben, treffen nun an der inneren Mitochondrienmembran ein und übergeben ihre energiereichen Elektronen an eine Kette aus vier großen Proteinkomplexen, die in diese Membran eingebettet sind.

Während die Elektronen die Kette hinabwandern und wie Wasser, das eine Reihe von Stufen hinunterfällt, von einem Komplex zum nächsten absinken, wird die freigesetzte Energie genutzt, um Protonen (Wasserstoffionen) aus der Matrix heraus in den engen Intermembranraum zu pumpen. Dadurch baut sich ein elektrochemischer Gradient auf, ein steiles Gefälle der Protonenkonzentration über die Membran hinweg, das Energie speichert, ähnlich wie hinter einem Damm zurückgehaltenes Wasser Energie speichert. Die Protonen strömen dann durch einen einzigen Kanal in die Matrix zurück, eine bemerkenswerte molekulare Turbine namens ATP-Synthase, die sich physisch dreht, während die Protonen sie durchqueren, und diese Drehung nutzt, um Phosphatgruppen an ADP anzuhängen und so ATP in Massen herzustellen. Diese Kopplung eines Protonengradienten an die ATP-Produktion nennt man Chemiosmose, und ganz am Ende der Elektronenkette ist Sauerstoff der letzte Elektronenakzeptor, der sich mit den verbrauchten Elektronen und Protonen zu Wasser verbindet. Das ist der genaue Grund, warum du atmen musst: Sauerstoffs einzige unverzichtbare Aufgabe im Körper besteht darin, am Fuß dieser Kette zu sitzen und Elektronen aufzunehmen, damit das gesamte Fließband weiterläuft.

Den Punktestand ehrlich zusammenrechnen

Wie viel Energie liefert ein einzelnes Glukosemolekül also letztlich? Ältere Lehrbücher nannten oft eine säuberliche Zahl von 36 oder 38 ATP, doch die ehrliche, moderne Bilanz beziffert sie unter aeroben Bedingungen auf rund 30 bis 32 ATP pro Glukose, weil ein Teil des Protonengradienten versickert und der Transport von Elektronen ins Mitochondrium seine eigenen kleinen Kosten mit sich bringt. Von dieser Gesamtsumme steuert die Glykolyse etwa 2 bei, der Krebszyklus etwa 2, und die Elektronentransportstufe, der Vorgang der oxidativen Phosphorylierung, die verbleibenden 26 bis 28. Die Lehre in diesen Zahlen ist deutlich. Die ersten beiden Stufen erzeugen bei all ihrer chemischen Dramatik nur einen winzigen Bruchteil der Energie. Der überwältigende Großteil wird vom sich drehenden Motor an der inneren Membran erzeugt, und genau deshalb sind Sauerstoff und Mitochondrien so bedeutsam.

Es lohnt sich, an dieser Stelle eine Verwirrung auszuräumen, über die viele Lernende stolpern. Das Wort Atmung hat zwei verschiedene Bedeutungen. Atmen ist die muskuläre Bewegung von Luft in die Lunge hinein und aus ihr heraus, das Heben und Senken deines Brustkorbs. Zellatmung ist die enzymatische Verbrennung von Glukose tief in deinen Mitochondrien. Die beiden sind miteinander verbunden, denn das Atmen liefert den Sauerstoff, den die Zellatmung braucht, und entfernt das Kohlendioxid, das sie erzeugt, doch sie sind nicht dasselbe. Wenn eine Biologin von Atmung spricht, ist meist dieser molekulare Vorgang gemeint.

Was passiert, wenn der Sauerstoff ausgeht

Da die gesamte Elektronentransportkette auf Sauerstoff als ihren letzten Akzeptor angewiesen ist, bringt das Entfernen des Sauerstoffs das ganze aerobe Maschinenwerk zum Stillstand. Der Krebszyklus stockt, die ATP-Synthase hört auf, sich zu drehen, und die Zelle verliert den Zugang zum Großteil ihrer Energieversorgung. Doch die Glykolyse, jener uralte Stoffwechselweg im Zytoplasma, kann weiterlaufen und ihre 2 ATP pro Glukose nach wie vor herauspressen, aber nur, wenn die Zelle ein Molekül namens NAD⁺ weiter regenerieren kann, das die Glykolyse als Rohstoff benötigt.

Die Gärung ist der Trick, der genau das vollbringt. Da ihre Elektronen nirgendwo anders hingehen können, gibt die Zelle sie an das Pyruvat zurück und macht so das NAD⁺ frei, das die Glykolyse zwingend braucht, um fortzufahren. In deinen Muskeln entsteht während eines harten Sprints, wenn deine Lunge den Sauerstoff nicht schnell genug nachliefern kann, dabei Laktat, jene Ansammlung, die mit dem brennenden Gefühl der Erschöpfung einhergeht. In Hefe erzeugt dasselbe Notmanöver stattdessen Ethanol und Kohlendioxid, und das ist die gesamte chemische Grundlage des Brauens und Backens. Die Blasen im Brot und der Alkohol im Bier sind beide Hefezellen, die still und leise Glykolyse ohne Sauerstoff betreiben.

Sieben Nobelpreise hinter einem einzigen Diagramm

Das saubere Diagramm der Zellatmung in jedem Biologielehrbuch sitzt auf fast einem Jahrhundert mühevoller Arbeit und rund sieben Nobelpreisen. Die Geschichte reicht von Louis Pasteurs Gärungsstudien im neunzehnten Jahrhundert über Krebs und seine Taubenmuskulatur in den 1930er Jahren bis hin zu John Walkers Kristallstruktur der ATP-Synthase in atomarer Auflösung im Jahr 1994, die es Wissenschaftlern endlich erlaubte, den molekularen Motor bei seiner Drehung zu sehen. Ein Kapitel dieser Geschichte ist besonders lehrreich dafür, wie Wissenschaft tatsächlich funktioniert. 1961 veröffentlichte Peter Mitchell in Nature einen Vorschlag, der darlegte, dass die ATP-Synthese an einen Protonengradienten über eine Membran gekoppelt ist, die oben beschriebene chemiosmotische Idee. Der Großteil des Fachgebiets lehnte sie fast ein Jahrzehnt lang ab, weil man sie seltsam und unintuitiv fand. Doch bis 1978 waren die Belege so überwältigend geworden, dass Mitchell als alleiniger Preisträger der Nobelpreis für Chemie zugesprochen wurde, eine Rehabilitierung einer Idee, die einst beinahe ketzerisch erschienen war. Das moderne Bild davon, wie Zellen Energie erzeugen, wurde nicht fertig überliefert; es wurde über Generationen hinweg in die Welt gestritten.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Die Zellatmung ist die kontrollierte, dreistufige Verbrennung von Glukose zu Kohlendioxid und Wasser und liefert rund 30 bis 32 ATP pro Glukosemolekül; sie beginnt damit, dass die Glykolyse einen Sechs-Kohlenstoff-Zucker im Zytoplasma in zwei Pyruvate spaltet, ohne Sauerstoff zu benötigen, durchläuft einen Brückenschritt, der Pyruvat in Acetyl-CoA, den universellen Brennstoffeintrittspunkt, umwandelt, lässt dann den achtstufigen Krebszyklus in der Mitochondrienmatrix laufen, wo jede Umdrehung zwei Kohlendioxidmoleküle freisetzt und die Elektronenüberträger NADH und FADH₂ auflädt, und endet mit dem Elektronentransport an der inneren Mitochondrienmembran, wo diese Träger Elektronen eine Kette aus vier Proteinkomplexen hinabspeisen, die Protonen pumpen, um einen Gradienten aufzubauen, und die ATP-Synthase diesen Gradienten durch Chemiosmose nutzt, um den Großteil des zelleigenen ATP herzustellen, wobei Sauerstoff als unverzichtbarer letzter Elektronenakzeptor dient. Der Löwenanteil der Energie stammt aus dieser letzten oxidativen Stufe und nicht aus den ersten beiden, und genau deshalb atmen wir überhaupt; ist kein Sauerstoff vorhanden, lässt die Gärung die Glykolyse allein weiterhumpeln, wobei im Muskel Laktat und in der Hefe Ethanol entsteht; und das ganze Lehrbuchbild, das oft mit bloßem Atmen verwechselt wird, wurde über ein Jahrhundert der Arbeit hinweg zusammengetragen, gekrönt von Mitchells einst abgelehnter chemiosmotischer Hypothese und rund sieben Nobelpreisen.