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Atmung – Definition und Typen

Atmung ist der Prozess, bei dem Organismen Gase zwischen ihren Körperzellen und der Umwelt austauschen. Von prokaryotischen Bakterien und Archäen bis hin zu eukaryotischen Protisten. Pilzen. Pflanzen und Tieren atmen alle lebenden Organismen. Die Atmung kann sich auf eines der drei Elemente des Prozesses beziehen.

Erstens kann sich die Atmung auf die externe Atmung oder den Atmungsprozess (Einatmen und Ausatmen) beziehen, der auch als Beatmung bezeichnet wird. Zweitens kann sich die Atmung auf die innere Atmung beziehen, dh die Diffusion von Gasen zwischen Körperflüssigkeiten ( Blut und interstitielle Flüssigkeit) und Geweben. Schließlich kann sich die Atmung auf die Stoffwechselprozesse beziehen, bei denen die in biologischen Molekülen gespeicherte Energie in nutzbare Energie in Form von ATP umgewandelt wird. Dieser Prozess kann den Verbrauch von Sauerstoff und die Produktion von Kohlendioxid beinhalten, wie dies bei der aeroben Zellatmung der Fall ist, oder kann nicht den Verbrauch von Sauerstoff beinhalten, wie im Fall der anaeroben Atmung.

Wichtige Erkenntnisse: Arten der Atmung

  • Atmung ist der Prozess des Gasaustauschs zwischen der Luft und den Zellen eines Organismus.
  • Drei Arten der Atmung umfassen die interne, externe und zelluläre Atmung.
  • Externe Atmung ist der Atemprozess. Es beinhaltet das Ein- und Ausatmen von Gasen.
  • Bei der inneren Atmung findet ein Gasaustausch zwischen Blut und Körperzellen statt.
  • Bei der Zellatmung werden Lebensmittel in Energie umgewandelt. Aerobe Atmung ist eine Zellatmung, die Sauerstoff benötigt, anaerobe Atmung jedoch nicht.

 

Arten der Atmung: extern und intern

Beim Einatmen zieht sich das Zwerchfell zusammen und die Lunge dehnt sich aus, wodurch die Brust nach oben gedrückt wird. Beim Ausatmen entspannt sich das Zwerchfell und die Lunge zieht sich zusammen, wodurch die Brust wieder nach unten bewegt wird. Wetcake / DigitalVision Vektoren / Getty Images

 

Äußere Atmung

Eine Methode zur Gewinnung von Sauerstoff aus der Umgebung ist die externe Atmung oder Atmung. Bei tierischen Organismen wird der Prozess der äußeren Atmung auf verschiedene Arten durchgeführt. Tiere, denen spezielle Organe für die Atmung fehlen, sind auf die Diffusion über äußere Gewebeoberflächen angewiesen, um Sauerstoff zu erhalten. Andere haben entweder auf den Gasaustausch spezialisierte Organe oder ein komplettes Atmungssystem. In Organismen wie Nematoden (Spulwürmern) werden Gase und Nährstoffe durch Diffusion über die Oberfläche des Tierkörpers mit der äußeren Umgebung ausgetauscht. Insekten und Spinnen haben Atmungsorgane, sogenannte Luftröhren, während Fische Kiemen als Orte für den Gasaustausch haben.

Menschen und andere Säugetiere haben ein Atmungssystem mit spezialisierten Atmungsorganen ( Lungen. und Geweben. Im menschlichen Körper wird Sauerstoff durch Einatmen in die Lunge aufgenommen und Kohlendioxid durch Ausatmen aus der Lunge ausgestoßen. Die äußere Atmung bei Säugetieren umfasst die mechanischen Prozesse im Zusammenhang mit der Atmung. Dies umfasst die Kontraktion und Entspannung des Zwerchfells und der akzessorischen Muskeln sowie die Atemfrequenz.

Interne Atmung

Externe Atmungsprozesse erklären, wie Sauerstoff gewonnen wird, aber wie gelangt Sauerstoff in die Körperzellen. Bei der inneren Atmung werden Gase zwischen Blut und Körpergewebe transportiert. Sauerstoff in der Lunge diffundiert über das dünne Epithel der Lungenalveolen (Luftsäcke) in die umgebenden Kapillaren, die sauerstoffarmes Blut enthalten. Gleichzeitig diffundiert Kohlendioxid in die entgegengesetzte Richtung (vom Blut zu den Lungenalveolen) und wird ausgestoßen. Sauerstoffreiches Blut wird vom Kreislaufsystem von den Lungenkapillaren zu den Körperzellen und -geweben transportiert. Während Sauerstoff an den Zellen abgegeben wird, wird Kohlendioxid aufgenommen und von den Gewebezellen in die Lunge transportiert.

 

Zellatmung

Die drei Prozesse der ATP-Produktion oder der Zellatmung umfassen die Glykolyse, den Tricarbonsäurezyklus und die oxidative Phosphorylierung. Bildnachweis: Encyclopaedia Britannica / UIG / Getty Images

Der aus der inneren Atmung gewonnene Sauerstoff wird von den Zellen bei der Zellatmung verwendet. Um auf die Energie zugreifen zu können, die in den Lebensmitteln gespeichert ist, die wir essen, müssen biologische Moleküle, aus denen Lebensmittel bestehen ( Kohlenhydrate. Proteine usw.), in Formen zerlegt werden, die der Körper nutzen kann. Dies wird durch den Verdauungsprozess erreicht, bei dem die Nahrung abgebaut wird und Nährstoffe vom Blut aufgenommen werden. Während das Blut im Körper zirkuliert, werden Nährstoffe zu den Körperzellen transportiert. Bei der Zellatmung wird die aus der Verdauung gewonnene Glukose zur Energieerzeugung in ihre Bestandteile aufgeteilt. In einer Reihe von Schritten werden Glucose und Sauerstoff in Kohlendioxid (CO 2 ), Wasser (H 2 O) und das Hochenergiemolekül Adenosintriphosphat (ATP) umgewandelt. Dabei gebildetes Kohlendioxid und Wasser diffundieren in die die Zellen umgebende interstitielle Flüssigkeit. Von dort diffundiert CO 2 in Blutplasma und rote Blutkörperchen. Das dabei erzeugte ATP liefert die Energie, die zur Ausführung normaler Zellfunktionen wie Makromolekülsynthese, Muskelkontraktion, Zilien- und Flagellenbewegung und Zellteilung benötigt wird .

 

Aerobe Atmung

Dies ist ein Diagramm der aeroben Zellatmung einschließlich Glykolyse, Krebszyklus (Zitronensäurezyklus) und Elektronentransportkette.  RegisFrey / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0

Die aerobe Zellatmung besteht aus drei Stufen: Glykolyse. Zitronensäurezyklus (Krebszyklus) und Elektronentransport mit oxidativer Phosphorylierung.

  • Die Glykolyse findet im Zytoplasma statt und beinhaltet die Oxidation oder Aufspaltung von Glucose in Pyruvat. Bei der Glykolyse werden auch zwei ATP-Moleküle und zwei Moleküle des hochenergetischen NADH hergestellt. In Gegenwart von Sauerstoff gelangt Pyruvat in die innere Matrix der Zellmitochondrien und wird im Krebszyklus weiter oxidiert.
  • Krebszyklus : In diesem Zyklus werden zwei zusätzliche ATP-Moleküle zusammen mit CO 2 , zusätzlichen Protonen und Elektronen sowie den Hochenergiemolekülen NADH und FADH 2 produziert . Im Krebszyklus erzeugte Elektronen bewegen sich über die Falten in der inneren Membran (Kristalle), die die mitochondriale Matrix (inneres Kompartiment) vom Intermembranraum (äußeres Kompartiment) trennen. Dies erzeugt einen elektrischen Gradienten, der der Elektronentransportkette hilft, Wasserstoffprotonen aus der Matrix in den Zwischenmembranraum zu pumpen.
  • Die Elektronentransportkette besteht aus einer Reihe von Elektronenträgerproteinkomplexen innerhalb der mitochondrialen Innenmembran. Im KrebszykluserzeugteNADH und FADH 2 übertragen ihre Energie in der Elektronentransportkette, um Protonen und Elektronen in den Intermembranraum zu transportieren. Die hohe Konzentration an Wasserstoffprotonen im Intermembranraum wird von der Proteinkomplex- ATP-Synthase genutzt , um Protonen zurück in die Matrix zu transportieren. Dies liefert die Energie für die Phosphorylierung von ADP zu ATP. Elektronentransport und oxidative Phosphorylierung sind für die Bildung von 34 ATP-Molekülen verantwortlich.

Insgesamt werden 38 ATP-Moleküle von Prokaryoten bei der Oxidation eines einzelnen Glucosemoleküls produziert. Diese Zahl wird in Eukaryoten auf 36 ATP-Moleküle reduziert, da bei der Übertragung von NADH auf Mitochondrien zwei ATP verbraucht werden.

 

Fermentation

Fermentationsprozesse für Alkohol und Laktat. Vtvu / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0

Aerobe Atmung tritt nur in Gegenwart von Sauerstoff auf. Wenn die Sauerstoffversorgung niedrig ist , nur eine geringe Menge an ATP in der Zelle erzeugt wird Cytoplasma durch Glykolyse. Obwohl Pyruvat ohne Sauerstoff nicht in den Krebszyklus oder die Elektronentransportkette gelangen kann, kann es dennoch verwendet werden, um durch Fermentation zusätzliches ATP zu erzeugen. Die Fermentation ist eine andere Art der Zellatmung, ein chemischer Prozess zum Abbau von Kohlenhydraten in kleinere Verbindungen zur Herstellung von ATP. Im Vergleich zur aeroben Atmung wird bei der Fermentation nur eine geringe Menge ATP produziert. Dies liegt daran, dass Glukose nur teilweise abgebaut wird. Einige Organismen sind fakultative Anaerobier und können sowohl Fermentation (wenn Sauerstoff niedrig oder nicht verfügbar ist) als auch aerobe Atmung (wenn Sauerstoff verfügbar ist) nutzen. Zwei übliche Arten der Fermentation sind die Milchsäurefermentation und die alkoholische (Ethanol) Fermentation. Die Glykolyse ist die erste Stufe in jedem Prozess.

Milchsäuregärung

Bei der Milchsäurefermentation werden NADH, Pyruvat und ATP durch Glykolyse hergestellt. NADH wird dann in seine energiearme Form NAD + umgewandelt , während Pyruvat in Laktat umgewandelt wird. NAD + wird in die Glykolyse zurückgeführt, um mehr Pyruvat und ATP zu erzeugen. Die Milchsäurefermentation wird üblicherweise von Muskelzellen durchgeführt. wenn der Sauerstoffgehalt abnimmt. Laktat wird in Milchsäure umgewandelt, die sich während des Trainings in hohen Mengen in den Muskelzellen ansammeln kann. Milchsäure erhöht den Säuregehalt der Muskeln und verursacht ein Brennen, das bei extremer Anstrengung auftritt. Sobald der normale Sauerstoffgehalt wiederhergestellt ist, kann Pyruvat in die aerobe Atmung gelangen und es kann viel mehr Energie erzeugt werden, um die Regeneration zu unterstützen. Eine erhöhte Durchblutung hilft dabei, den Muskelzellen Sauerstoff zuzuführen und Milchsäure aus diesen zu entfernen.

Alkoholische Gärung

Bei der alkoholischen Fermentation wird Pyruvat in Ethanol und CO 2 umgewandelt . NAD + wird auch bei der Umwandlung erzeugt und in die Glykolyse zurückgeführt, um mehr ATP-Moleküle zu produzieren. Die alkoholische Fermentation wird von Pflanzen. Hefen und einigen Bakterienarten durchgeführt. Dieses Verfahren wird zur Herstellung von alkoholischen Getränken, Brennstoffen und Backwaren verwendet.

 

Anaerobe Atmung

Bifidobakterien sind grampositive anaerobe Bakterien, die im Magen-Darm-Trakt leben.  KATERYNA KON / Wissenschaftliche Fotobibliothek / Getty Images

Wie überleben Extremophile wie einige Bakterien und Archäer in Umgebungen ohne Sauerstoff? Die Antwort ist anaerobe Atmung. Diese Art der Atmung erfolgt ohne Sauerstoff und beinhaltet den Verbrauch eines anderen Moleküls (Nitrat, Schwefel, Eisen, Kohlendioxid usw.) anstelle von Sauerstoff. Anders als bei der Fermentation beinhaltet die anaerobe Atmung die Bildung eines elektrochemischen Gradienten durch ein Elektronentransportsystem, das zur Produktion einer Reihe von ATP-Molekülen führt. Anders als bei der aeroben Atmung ist der endgültige Elektronenempfänger ein anderes Molekül als Sauerstoff. Viele anaerobe Organismen sind obligate Anaerobier; Sie führen keine oxidative Phosphorylierung durch und sterben in Gegenwart von Sauerstoff ab. Andere sind fakultative Anaerobier und können auch aerob atmen, wenn Sauerstoff verfügbar ist.

 

Quellen

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