Zellatmung: Formel, Ablauf und Gärung

Bei der Zellatmung baut eine Zelle Traubenzucker mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser ab und speichert die Energie in ATP. Fehlt Sauerstoff, bleibt nur die Gärung, die viel weniger Energie liefert.

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1. Jahr Gymnasium - 2. Jahr Gymnasium
Gymnasium

Zwei Jugendliche fahren mit dem Velo eine steile Bergstrasse hinauf, im Hintergrund grüne Hügel und Berge.

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Das musst du wissen

Erklärung

Bei der Zellatmung baut eine mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser ab. Die frei werdende Energie speichert sie im Energieträger ATP. Am Schluss kannst du die Formel, die Stufen und den Unterschied zur Gärung erklären.

Die Formel der Zellatmung

Als Wortgleichung:

Glucose + Sauerstoff \to Kohlenstoffdioxid + Wasser + Energie

Mit chemischen Zeichen:

C_{6} H_{12} O_{6} + 6 O_{2} \to 6 C O_{2} + 6 H_{2} O

Glucose ist der chemische Name für Traubenzucker. Die Energie steckt danach zu einem Teil im ATP, der Rest wird zu Wärme. Darum ist dein Körper warm.

MerkeEins, sechs, sechs, sechs: 1 Glucose und 6 O₂ werden zu 6 CO₂ und 6 H₂O.

Zellatmung und Fotosynthese

Die Formel der Zellatmung ist die Formel der mit umgekehrtem Pfeil. Die Fotosynthese baut mit Lichtenergie Glucose auf, die Zellatmung baut sie wieder ab.

Die Wege in der Zelle sind aber ganz verschieden. Pflanzen betreiben beides, Tiere und Pilze nur die Zellatmung.

ATP: die Energie-Münze der Zelle

Die Zelle verbrennt die Glucose nicht auf einen Schlag wie ein Feuer. Sie baut sie in vielen kleinen Schritten ab, gesteuert von .

Die Energie speichert sie in ATP (Adenosintriphosphat). Aus ADP (Adenosindiphosphat, ATP mit nur zwei Phosphaten) und Phosphat entsteht ATP.

Spaltet die Zelle das Phosphat ab, wird Energie frei, etwa für Muskeln.

MerkeATP wird laufend gebildet und gleich wieder verbraucht. Es speichert Energie nur kurz.

Wo die Zellatmung abläuft

Die erste Stufe, die Glykolyse, läuft im ab. Alles Weitere geschieht im .

Es hat eine glatte äussere Membran und eine innere Membran mit vielen Falten. Innen liegt die Matrix, eine Flüssigkeit voller Enzyme. Muskel- und Herzzellen haben besonders viele Mitochondrien.

Gymnasium: Glykolyse

Im Zellplasma wird eine Glucose mit 6 C-Atomen in zwei Moleküle Pyruvat mit je 3 C-Atomen gespalten. Pyruvat heisst auch Brenztraubensäure.

Gewinn: 2 ATP und 2 NADH. NADH ist ein Träger, der Elektronen und Wasserstoff zur Atmungskette bringt. Leer heisst er NAD⁺. Sauerstoff braucht die Glykolyse nicht.

Gymnasium: Citratzyklus

In der Matrix gibt jedes Pyruvat ein CO₂ ab und wird zu Acetyl-CoA, einem Rest mit 2 C-Atomen an einem Träger. Das heisst oxidative Decarboxylierung, dabei entsteht je ein NADH.

Der Citratzyklus baut jeden Acetylrest zu 2 CO₂ ab. Pro Glucose läuft er zweimal: 2 ATP, 6 NADH und 2 FADH₂, ein zweiter Träger.

MerkeDie 6 CO₂ der Formel entstehen hier: 2 bei der oxidativen Decarboxylierung, 4 im Citratzyklus.

Gymnasium: Atmungskette

In der inneren Membran geben NADH und FADH₂ ihre Elektronen ab. Diese wandern über Proteine bis zum Sauerstoff. Mit Wasserstoff-Ionen entsteht daraus Wasser.

Dabei werden Wasserstoff-Ionen auf eine Seite der Membran gepumpt. Strömen sie durch das Enzym ATP-Synthase zurück, bildet es ATP.

MerkeNur die Atmungskette braucht Sauerstoff, und sie liefert den grössten Teil des ATP.

Gärung: Energie ohne Sauerstoff

Ohne Sauerstoff steht die Atmungskette still. NADH staut sich, und der Glykolyse fehlt NAD⁺. Bei der Gärung gibt NADH seine Elektronen ans Pyruvat ab. So entsteht NAD⁺, und die Glykolyse läuft weiter.

Milchsäuregärung in Muskeln und im Joghurt:

C_{6} H_{12} O_{6} \to 2 C_{3} H_{6} O_{3}

Alkoholische Gärung in Hefe:

C_{6} H_{12} O_{6} \to 2 C_{2} H_{5} OH + 2 C O_{2}

MerkeZellatmung braucht Sauerstoff und liefert pro Glucose rund 30 bis 38 ATP. Gärung braucht keinen Sauerstoff und liefert nur 2 ATP.

Zellatmung und Gärung: Übersicht mit Die Formel der Zellatmung; ATP: die Energie-Münze der Zelle; Gymnasium: Citratzyklus; Gymnasium: Atmungskette; Gärung: Energie ohne Sauerstoff. — Zellatmung und Gärung auf einen Blick: die wichtigsten Regeln.

Häufige Fehler

✕Zellatmung ist dasselbe wie das Atmen mit der Lunge.
✓Die Lunge tauscht nur Gase aus: Sie nimmt Sauerstoff auf und gibt Kohlenstoffdioxid ab. Die Zellatmung läuft in jeder einzelnen Zelle ab und verbraucht diesen Sauerstoff. Das Atmen liefert also den Rohstoff für die Zellatmung.
✕Pflanzen atmen nicht, sie machen nur Fotosynthese.
✓Pflanzen betreiben Tag und Nacht Zellatmung. Am Tag überwiegt bei genug Licht die Fotosynthese, in der Nacht geben sie Kohlenstoffdioxid ab.
✕Den Muskelkater am nächsten Tag macht die Milchsäure in den Muskeln.
✓Das Laktat (Milchsäure) ist kurz nach der Anstrengung schon weitgehend verschwunden. Die Leber baut einen Teil davon wieder zu Glucose auf. Muskelkater kommt nach heutigem Wissen von winzigen Verletzungen in den Muskelfasern.
✕Bei der Gärung gewinnt die Zelle ATP, indem sie Pyruvat zu Milchsäure oder Alkohol umbaut.
✓Die 2 ATP stammen aus der Glykolyse. Der Umbau des Pyruvats liefert kein ATP. Er bildet NAD⁺ zurück, damit die Glykolyse weiterlaufen kann.

Begriffe zum Nachschlagen

Zellatmung: Die Zelle baut Glucose mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid und Wasser ab und speichert die Energie in ATP.
Glucose: Der chemische Name für Traubenzucker, Formel $C_{6} H_{12} O_{6}$ . Er ist der wichtigste Brennstoff der Zellatmung.
Mitochondrium: Zellteil mit zwei Hüllen, Mehrzahl Mitochondrien. Hier laufen Citratzyklus und Atmungskette ab.
ATP: Adenosintriphosphat: der Stoff, in dem die Zelle Energie kurz speichert und dorthin bringt, wo sie gebraucht wird.
Glykolyse: Erste Stufe im Zellplasma: Glucose wird in zwei Pyruvat gespalten, Gewinn 2 ATP und 2 NADH. Sie braucht keinen Sauerstoff.
Citratzyklus: Kreislauf in der Matrix der Mitochondrien. Er baut Acetyl-CoA zu CO₂ ab und belädt NADH und FADH₂.
Atmungskette: Proteine in der inneren Mitochondrienmembran. Sie leiten Elektronen zum Sauerstoff, dabei entsteht Wasser und der grösste Teil des ATP.
NADH: Träger, der beim Zuckerabbau Elektronen und Wasserstoff aufnimmt und zur Atmungskette bringt. Leer heisst er NAD⁺.
Gärung: Abbau von Zucker ohne Sauerstoff. Nur 2 ATP pro Glucose; übrig bleibt Milchsäure oder Alkohol und CO₂.
Milchsäuregärung: Gärung, bei der aus Glucose Milchsäure (Laktat) entsteht, zum Beispiel in Muskeln und Milchsäurebakterien.

Noch unsicher? Zuerst lernen:Zelle: Aufbau und Zellorganellen Fotosynthese und Chloroplasten

So geht's

Beispiele Schritt für Schritt

Beispiel 1Die Formel prüfen

Zeig, dass die Formel der Zellatmung $C_{6} H_{12} O_{6} + 6 O_{2} \to 6 C O_{2} + 6 H_{2} O$ ausgeglichen ist.

Lösung Schritt für Schritt

Zähle links die Atome. Glucose bringt 6 C, 12 H und 6 O. Die 6 O₂ bringen 12 O. $links: 6 C, 12 H, 6 + 12 = 18 O$
Zähle rechts. Die 6 CO₂ bringen 6 C und 12 O. $6 \cdot C O_{2} : 6 C, 12 O$
Die 6 H₂O bringen 12 H und 6 O. $6 \cdot H_{2} O : 12 H, 6 O$
Rechts sind es also 6 C, 12 H und 12 + 6 = 18 O, genau wie links.

Links und rechts stehen je 6 C, 12 H und 18 O. Die Formel ist ausgeglichen.

Beispiel 2Der 400-m-Lauf am Sporttag

Eine Jugendliche läuft am Sporttag auf einer roten Laufbahn ins Ziel, Mitschülerinnen und Mitschüler feuern sie am Rand an.

Lea läuft am Sporttag in Luzern die 400 m, so schnell sie kann. Auf den letzten Metern brennen ihre Beine, und nach dem Ziel atmet sie noch minutenlang schnell und tief. Was geschieht in ihren Beinmuskeln, und warum atmet sie nach dem Lauf weiter so stark?

Lösung Schritt für Schritt

Beim schnellen Lauf brauchen die Beinmuskeln sehr viel ATP in kurzer Zeit.
Das Blut bringt nicht genug Sauerstoff, damit die Zellatmung allein so viel ATP liefert.
Darum gewinnen die Muskeln zusätzlich Energie durch Milchsäuregärung. Das geht schnell, liefert aber nur 2 ATP pro Glucose, und es entsteht Laktat (Milchsäure).
Nach dem Ziel holt der Körper Sauerstoff nach. Damit baut er Laktat ab und füllt die Energiespeicher der Muskeln wieder auf. Darum atmet Lea noch eine Weile schnell.

Weil der Sauerstoff nicht reicht, betreiben Leas Muskeln neben der Zellatmung auch Milchsäuregärung. Nach dem Lauf braucht sie extra Sauerstoff, um das Laktat abzubauen und die Speicher aufzufüllen.

Beispiel 3Warum der Zopfteig aufgeht

Ein Junge und sein Vater stehen in der Küche vor einer Schüssel mit aufgegangenem Hefeteig und einem geflochtenen Zopf.

Samuel bäckt am Samstag in Bern mit seinem Vater einen Zopf. Sie kneten Mehl, Milch, Butter, Salz und Hefe zu einem Teig und lassen ihn zugedeckt an einem warmen Ort stehen. Nach etwa einer Stunde ist der Teig viel grösser und voller Bläschen. Was ist passiert, und wohin verschwindet der Alkohol?

Lösung Schritt für Schritt

Hefe besteht aus winzigen Pilzzellen. Im dichten Teig haben sie kaum Sauerstoff.
Ohne Sauerstoff gewinnen sie Energie durch alkoholische Gärung. Dabei bauen sie Zucker im Teig ab, der zum Teil aus der Stärke des Mehls stammt. $C_{6} H_{12} O_{6} \to 2 C_{2} H_{5} OH + 2 C O_{2}$
Das Kohlenstoffdioxid bildet Bläschen. Der zähe Teig hält sie fest, darum geht er auf.
An der Wärme arbeiten die Enzyme der Hefe schneller, darum der warme Ort. Der wenige Alkohol verdampft im heissen Ofen.

Die Hefe hat durch alkoholische Gärung Zucker zu Alkohol und Kohlenstoffdioxid abgebaut. Das Gas lässt den Teig aufgehen, der Alkohol verdampft beim Backen.

Beispiel 4Gymnasium: die ATP-Bilanz

Wie viel ATP gewinnt eine Zelle aus einer Glucose? Zähle zuerst die Produkte jeder Stufe und rechne dann mit den Schulbuch-Werten: Die Atmungskette macht aus 1 NADH 3 ATP und aus 1 FADH₂ 2 ATP.

Lösung Schritt für Schritt

Glykolyse: 2 ATP und 2 NADH.
Oxidative Decarboxylierung: 2 NADH, dazu 2 CO₂.
Citratzyklus, zwei Runden: 2 ATP, 6 NADH, 2 FADH₂, dazu 4 CO₂.
Zusammen: 4 ATP direkt, 10 NADH und 2 FADH₂.2+2+6=10 NADH
Atmungskette:10·3+2·2=34 ATP
Gesamt:34+4=38 ATP
Neuere Messungen kommen auf etwa 2.5 ATP pro NADH und 1.5 pro FADH₂. Dann sind es 10·2.5+2·1.5+4=32 ATP. Je nach Lehrmittel steht darum 30, 32, 36 oder 38.

Mit den Schulbuch-Werten 38 ATP pro Glucose, nach neueren Werten etwa 32. Das meiste davon liefert die Atmungskette. Die 6 CO₂ entstehen zu 2 in der oxidativen Decarboxylierung und zu 4 im Citratzyklus.

Jetzt du

Übungen mit Lösungen

Fang beim Einstieg an. Klapp die Lösung erst auf, wenn du selbst gerechnet hast. Steckst du fest, gibt Fox dir einen Tipp.

Einstieg5Üben5Knacknüsse4

1
Nenne die zwei Ausgangsstoffe der Zellatmung.
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Ergebnis: Glucose (Traubenzucker) und Sauerstoff
1. Die Ausgangsstoffe stehen in der Formel links vom Pfeil.
2. Links stehen Glucose und Sauerstoff.
2
In welchem Zellteil läuft der grösste Teil der Zellatmung ab?
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Ergebnis: Im Mitochondrium
1. Nur die Glykolyse läuft im Zellplasma ab.
2. Citratzyklus und Atmungskette laufen im Mitochondrium ab.
3
Ergänze die Wortgleichung: Glucose + Sauerstoff → + + Energie
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Ergebnis: Kohlenstoffdioxid und Wasser
1. Rechts vom Pfeil stehen die Produkte.
2. Glucose + Sauerstoff → Kohlenstoffdioxid + Wasser + Energie.
4
Wie heisst der Stoff, in dem die Zelle die gewonnene Energie speichert?
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Ergebnis: ATP (Adenosintriphosphat)
1. Die Energie aus der Glucose landet in kleinen Portionen in ATP.
2. Muskeln, Nerven und andere Zellteile holen sich die Energie aus ATP.
5
Welche Gärung betreibt die Hefe im Brotteig, welche ein Muskel bei grosser Anstrengung?
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Ergebnis: Hefe: alkoholische Gärung. Muskel: Milchsäuregärung.
1. Hefe macht aus Zucker Alkohol und Kohlenstoffdioxid, das ist die alkoholische Gärung.
2. Der Muskel macht aus Zucker Milchsäure, das ist die Milchsäuregärung.

6
Ordne jede Stufe ihrem Ort zu: Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette.
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Ergebnis: Glykolyse: Zellplasma. Citratzyklus: Matrix des Mitochondriums. Atmungskette: innere Mitochondrienmembran.
1. Die Glykolyse läuft im Zellplasma ab, noch ausserhalb des Mitochondriums.
2. Der Citratzyklus läuft in der Matrix ab, der Flüssigkeit innen im Mitochondrium.
3. Die Atmungskette sitzt in der inneren Membran mit ihren Falten.
7
Erkläre in zwei Sätzen, wie das Atmen mit der Lunge und die Zellatmung zusammenhängen.
Lösung zeigen
Ergebnis: Die Lunge nimmt Sauerstoff auf und gibt Kohlenstoffdioxid ab. Die Zellatmung in den Zellen verbraucht diesen Sauerstoff und bildet das Kohlenstoffdioxid.
1. Die Lunge tauscht Gase mit dem Blut aus. Das Blut bringt den Sauerstoff zu den Zellen.
2. In den Zellen verbraucht die Zellatmung den Sauerstoff. Das entstandene Kohlenstoffdioxid bringt das Blut zur Lunge, du atmest es aus.
8
Wie viel ATP gewinnt eine Zelle durch Gärung aus einer Glucose, und aus welcher Stufe stammt es?
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Ergebnis: 2 ATP, aus der Glykolyse
1. Bei der Gärung läuft nur die Glykolyse. Sie liefert netto 2 ATP.
2. Der Umbau von Pyruvat zu Milchsäure oder Alkohol liefert kein ATP. Er bildet NAD⁺ zurück.
9
Wie viele CO₂ entstehen pro Glucose bei der Zellatmung, und in welchen Stufen?
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Ergebnis: 6 CO₂: 2 in der oxidativen Decarboxylierung, 4 im Citratzyklus
1. Jedes der zwei Pyruvat gibt bei der oxidativen Decarboxylierung 1 CO₂ ab: zusammen 2.
2. Der Citratzyklus baut jeden der zwei Acetylreste zu 2 CO₂ ab: zusammen 4.
3. 2+4=6, passend zur Formel.
10
Eine Topfpflanze steht in einem dunklen Raum. Gibt sie Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxid ab? Begründe.
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Ergebnis: Kohlenstoffdioxid, weil im Dunkeln nur die Zellatmung läuft.
1. Ohne Licht läuft keine Fotosynthese.
2. Die Zellatmung läuft aber weiter. Sie verbraucht Sauerstoff und gibt Kohlenstoffdioxid ab.

11
Welche Aufgabe hat der Sauerstoff in der Atmungskette, und was passiert mit der ganzen Zellatmung, wenn er fehlt?
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Ergebnis: Er nimmt am Ende der Atmungskette die Elektronen auf, dabei entsteht Wasser. Ohne ihn steht die Atmungskette still, NADH staut sich, und auch Citratzyklus und oxidative Decarboxylierung stoppen; nur die Glykolyse mit Gärung bleibt.
1. Sauerstoff ist der letzte Empfänger der Elektronen. Mit Wasserstoff-Ionen wird er zu Wasser.
2. Fehlt er, können NADH und FADH₂ ihre Elektronen nicht mehr abgeben. Der Zelle geht NAD⁺ aus.
3. Ohne NAD⁺ stoppen auch Citratzyklus und oxidative Decarboxylierung. Die Zelle kann nur noch über Gärung NAD⁺ zurückbilden und mit der Glykolyse 2 ATP pro Glucose gewinnen.
12
Ein Mensch baut 90 g Glucose vollständig durch Zellatmung ab. Wie viel Gramm Sauerstoff braucht er dafür, und wie viel Gramm Kohlenstoffdioxid entstehen? Rechne mit $M (C_{6} H_{12} O_{6}) = 180$ g/mol, $M (O_{2}) = 32$ g/mol und $M (C O_{2}) = 44$ g/mol.
Lösung zeigen
Ergebnis: 96 g Sauerstoff, 132 g Kohlenstoffdioxid
1. 90 g Glucose sind 90:180=0.5 mol.
2. Nach der Formel braucht 1 mol Glucose 6 mol O₂ und liefert 6 mol CO₂. Für 0.5 mol sind es je 3 mol.
3. Sauerstoff: 3·32=96 g. Kohlenstoffdioxid: 3·44=132 g.
4. Kontrolle mit 3 mol Wasser zu je 18 g: links 90+96=186 g, rechts 132+54=186 g.
13
Das Gift Cyanid blockiert die Atmungskette. Die Glykolyse läuft weiter. Warum ist eine Cyanid-Vergiftung trotzdem schnell lebensgefährlich?
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Ergebnis: Ohne Atmungskette fällt fast die ganze ATP-Bildung weg. Die Zellen bekommen nur noch 2 ATP pro Glucose aus der Glykolyse, viel zu wenig für Gehirn und Herz.
1. Die Atmungskette liefert den grössten Teil des ATP, je nach Rechnung rund 28 bis 34 von 32 bis 38 pro Glucose.
2. Ohne sie bleibt nur die Glykolyse mit Gärung: 2 ATP pro Glucose.
3. Organe mit grossem Energiebedarf wie Gehirn und Herz versagen darum schnell, obwohl genug Sauerstoff im Blut ist.
14
Warum baut eine Muskelzelle ohne Sauerstoff das Pyruvat zu Milchsäure um, statt es einfach zu speichern? Der Umbau bringt doch kein ATP.
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Ergebnis: Der Umbau gibt die Elektronen des NADH ans Pyruvat ab und bildet so NAD⁺ zurück. Ohne NAD⁺ würde die Glykolyse stoppen, und die Zelle bekäme gar kein ATP mehr.
1. Die Glykolyse belädt NAD⁺ zu NADH. Ohne Sauerstoff kann die Atmungskette das NADH nicht wieder leeren.
2. Wäre alles NAD⁺ verbraucht, stünde die Glykolyse still.
3. Beim Umbau zu Milchsäure gibt NADH seine Elektronen ans Pyruvat ab. So entsteht wieder NAD⁺, und die Glykolyse liefert weiter ihre 2 ATP.

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Immer neue Fragen zum Anklicken, mit einer kurzen Erklärung nach jeder Antwort. Stufe 1 übt die Grundbegriffe, Stufe 2 die vier Stufen und Stufe 3 die Bilanz und die Gärung im Detail.

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Einordnung

Typische Klasse: 1. Jahr Gymnasium - 2. Jahr Gymnasium
Stufe: Gymnasium
Fach: Biologie

In der Sek kurz als Wortgleichung im Vergleich zur Fotosynthese. Am Gymnasium, meist im 1. oder 2. Jahr, mit Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette und Gärung.

Gut zu wissen

Häufige Fragen

Wie lautet die Formel der Zellatmung?

Die Formel lautet C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + Energie. In Worten: Glucose und Sauerstoff werden zu Kohlenstoffdioxid und Wasser, die Energie speichert die Zelle in ATP.

Was ist der Unterschied zwischen Zellatmung und Gärung?

Die Zellatmung braucht Sauerstoff, baut Glucose ganz zu Kohlenstoffdioxid und Wasser ab und liefert rund 30 bis 38 ATP. Die Gärung läuft ohne Sauerstoff, bricht schon nach der Glykolyse ab und liefert nur 2 ATP. Übrig bleiben Milchsäure oder Alkohol und Kohlenstoffdioxid.

Wie viel ATP entsteht bei der Zellatmung?

Viele Schulbücher rechnen mit 36 oder 38 ATP pro Glucose. Nach neueren Messungen sind es eher 30 bis 32. Lern die Zahl, die in deinem Lehrmittel steht, und wie man sie aus NADH, FADH₂ und ATP der einzelnen Stufen zusammenzählt.

In welcher Klasse lernt man die Zellatmung?

Ein erstes Mal in der Sek im Fach Natur und Technik, meist als Wortgleichung im Vergleich zur Fotosynthese. Ausführlich mit Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette kommt sie am Gymnasium, oft im 1. oder 2. Jahr. Je nach Kanton und Schule kann es früher oder später sein.