Die Atmung unterm Mikroskop
Um unsere Atmung wirklich zu verstehen, lohnt sich ein Blick in die kleinsten Bausteine unseres Körpers – unsere Zellen. Denn erst dort zeigt sich, wozu wir Sauerstoff tatsächlich benötigen und wie aus unserer Nahrung jene Energie entsteht, die uns am Leben hält.
Wenn wir von Atmung sprechen, denken wir zunächst an das Ein- und Ausatmen. Doch das Luftholen und die sogenannte Zellatmung sind zwei unterschiedliche, eng miteinander verbundene Prozesse. Während unsere Lunge Sauerstoff aufnimmt und Kohlendioxid abgibt, findet die eigentliche Energiegewinnung im Inneren unserer Zellen statt.
So wird geatmet
Mit jedem Atemzug gelangt Sauerstoff über unsere Lungenbläschen ins Blut. Dort wird er überwiegend an den roten Blutfarbstoff Hämoglobin gebunden und mit dem Blutkreislauf zu den Geweben transportiert.
Um uns die Dimensionen dieser Reise besser vorstellen zu können: Unser Körper besteht aus vielen Billionen Zellen. Ihre Größe variiert erheblich, die meisten sind nur wenige Mikrometer groß. Ein Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter.
In den meisten unserer Zellen befinden sich zahlreiche Mitochondrien. Je nach Zelltyp können es einige wenige bis mehrere Tausend sein. Besonders energiehungrige Zellen, etwa in unseren Muskeln oder im Gehirn, verfügen über entsprechend viele dieser winzigen Zellbestandteile.
Und genau hier wird es interessant.
Die Zellatmung – wenn Nahrung auf Sauerstoff trifft
Unsere Nahrung liefert Kohlenhydrate, Fette und Proteine. Bei der Verdauung werden diese in kleinere Bestandteile zerlegt, die über das Blut zu unseren Zellen gelangen.
Dort werden sie in mehreren Schritten weiterverarbeitet. Dabei werden den Nährstoffen Elektronen entzogen und auf spezielle Transportmoleküle übertragen. Chemisch spricht man von Oxidation.
Der aufgenommene Sauerstoff spielt dabei eine entscheidende Rolle. Allerdings reagiert er nicht unmittelbar mit den Nährstoffen. Er übernimmt erst am Ende einer komplexen Reaktionskette die zuvor gewonnenen Elektronen.
Dieser kontrollierte Prozess ermöglicht es unserem Körper, die chemische Energie der Nahrung nutzbar zu machen.
Vereinfacht lässt sich die Zellatmung in drei Schritte unterteilen.
Schritt 1: Die Glykolyse
Die Glykolyse findet im Zellplasma statt, also außerhalb der Mitochondrien. Dabei wird Glukose, ein Einfachzucker, in mehreren enzymatischen Reaktionen zu kleineren Molekülen abgebaut.
Schon bei diesem ersten Schritt entsteht eine geringe Menge Adenosintriphosphat (ATP), unseres wichtigsten unmittelbar nutzbaren Energieträgers.
Gleichzeitig werden Elektronen auf Transportmoleküle namens NAD⁺ übertragen. Diese liegen danach in ihrer energiereicheren Form NADH vor und können die Elektronen weitertransportieren.
Schritt 2: Der Citratzyklus
Die beim Glukoseabbau entstandenen Moleküle werden zunächst zu Acetyl-CoA umgewandelt. Dieses gelangt in den Citratzyklus, der in der sogenannten Matrix, dem Innenraum der Mitochondrien, stattfindet.
Hier werden die Kohlenstoffverbindungen schrittweise weiter oxidiert. Dabei entsteht Kohlendioxid (CO₂), das später über unser Blut zur Lunge transportiert und ausgeatmet wird.
Außerdem werden weitere Elektronen auf Transportmoleküle übertragen. Sie bilden die Grundlage für den nächsten und besonders ergiebigen Schritt der Energiegewinnung.
Schritt 3: Die Atmungskette
Jetzt kommt der eingeatmete Sauerstoff ins Spiel.
An der inneren Membran der Mitochondrien werden die zuvor gewonnenen Elektronen über mehrere Proteinkomplexe weitergereicht. Die dabei frei werdende Energie wird genutzt, um einen Unterschied in der Protonenkonzentration über dieser Membran aufzubauen.
Dieser sogenannte Protonengradient treibt ein Enzym namens ATP-Synthase an, das große Mengen ATP bildet.
Am Ende der Atmungskette übernimmt Sauerstoff die Elektronen und verbindet sich mit Wasserstoffionen zu Wasser.
Das Faszinierende daran: Sauerstoff liefert selbst keine Energie. Er ermöglicht als letzter Elektronenempfänger, dass unser Körper die in den Nährstoffen gespeicherte Energie besonders effizient nutzen kann.
Ohne ATP geht gar nichts
ATP ist gewissermaßen die universelle Energiewährung unserer Zellen. Wird eine seiner Phosphatgruppen abgespalten, kann die dabei verfügbare Energie für zahlreiche biologische Prozesse genutzt werden.
Ohne ATP wären Muskelbewegungen, Nervenimpulse, Zellreparaturen, Wachstum oder viele Stoffwechselvorgänge nicht möglich.
Unser Körper produziert und verbraucht deshalb ununterbrochen ATP. Je nach körperlicher oder geistiger Beanspruchung verändert sich der Energiebedarf unserer Zellen. Die Mitochondrien passen ihre Aktivität entsprechend an.
Das erklärt, warum sie häufig als die „Kraftwerke“ unseres Körpers bezeichnet werden.
Und was geschieht mit dem Kohlendioxid?
Bei der Zellatmung entstehen neben ATP auch Wasser und Kohlendioxid. Während der Sauerstoff am Ende der Atmungskette zu Wasser reduziert wird, entsteht CO₂ bereits beim Abbau der Nährstoffe.
Das Kohlendioxid gelangt aus den Zellen ins Blut und wird überwiegend in Form von Bicarbonat zur Lunge transportiert. Dort wird es wieder in CO₂ umgewandelt und ausgeatmet.
Doch CO₂ ist weit mehr als ein Abfallprodukt. Es spielt eine zentrale Rolle bei der Regulation unseres Säure-Basen-Haushalts, beeinflusst die Durchblutung und trägt dazu bei, wie leicht Sauerstoff vom Hämoglobin an unsere Gewebe abgegeben wird.
Damit schließt sich der Kreis zwischen äußerer Atmung und Zellatmung.
Wir atmen Sauerstoff ein, damit unsere Zellen die Energie unserer Nahrung nutzen können. Wir atmen Kohlendioxid aus, das bei dieser Energiegewinnung entsteht. Und beide Gase sind weit mehr als bloße Transportgüter: Sie sind Teil eines hochkomplexen Regulationssystems, das uns mit jedem Atemzug am Leben hält.
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