Unser Stoffwechsel – die komplexeste Technologie der Welt

In diesem Essay möchte ich mit euch in die spannende Welt des Metabolismus eintauchen. Genau wie die Fähigkeit zur Reproduktion gehört unser Stoffwechsel zu den essentiellen Kennzeichen allen irdischen Lebens. Dabei werden – ganz einfach ausgedrückt – körperfremde Stoffe aufgenommen und in körpereigene Substanzen unter Eliminierung der anfallenden Endprodukte umgewandelt. Wir unterscheiden zwischen:

  • Anabolismus: hierbei handelt es sich um Biosynthesevorgänge zur Bildung von z.B. Polysacchariden, Aminosäuren, Glucose, Lipiden, Proteinen oder Nukleinsäuren unter Aufwendung von Energie in Form von ATP.
  • Katabolismus: auf diesem Weg wird Energie aus Reservesubstanzen des Körpers gewonnen z.B. durch den Abbau von Aminosäuren, der Transformation von Glucose in Pyruvat oder durch β-Oxidation der Fettsäuren.
  • Amphibolismus: hierunter versteht man Reaktionen, deren Metabolite sowohl für anabole als auch katabole Stoffwechselprozesse genutzt werden.

Kennzeichnend für biochemische Reaktionen sind folgende Merkmale: sie laufen bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen im wässrigen Milieu und physiologischem pH-Wert von ca. 7,4 ab. Damit Moleküle überhaupt miteinander reagieren können, müssen sie eine ausreichende Energie aufweisen, d.h. sie müssen aktiviert werden. Dieser Zustand kann beispielsweise durch Temperaturerhöhung oder den Einsatz von Enzymen als biochemische Katalysatoren erreicht werden.
Bitte lasst euch von der folgenden komplex erscheinenden Grafik nicht abschrecken. Ich verspreche euch, wenn wir alles zusammen chronologisch durchexerziert haben, werdet ihr unsere relevantesten Stoffwechselprozesse verinnerlicht haben.
Aha-Effekte garantiert inklusive ☺️.

Hier dargestellt sind die anabolen und katabolen Metabolismen unserer drei Makronährstoffe Proteine, Kohlenhydrate und Lipide, die wir über die Nahrung aufnehmen. Die riesigen Moleküle werden zunächst über den Verdauungstrakt mithilfe von Enzymen in ihre Einzelbausteine zerlegt – also Lipide in Glycerin und Fettsäuren, Kohlenhydrate in Monosaccharide wie Glucose und Proteine in Aminosäuren.
Als Dreh- und Angelpunkt der drei Auf- und Abbauwege fungiert die acetylierte Form des Coenzym A (kurz: Acetyl-CoA). Hierbei handelt es sich um die aktivierte Essigsäure – eine extrem energiereiche Verbindung. Sie dient als Ausgangssubstanz für den Citratzyklus, der zusammen mit der Atmungskette und der Glykolyse den Gesamtprozess der Zellatmung (inneren Atmung) umfasst. Die dabei entstehenden Reduktionsäquivalente werden dann in der Atmungskette zur Energieproduktion in Form von ATP aufgewendet.

Kohlenhydratmetabolismus

Starten wir zunächst in der goldenen Mitte: die aus der Nahrung aufgenommenen Kohlenhydrate werden über den Verdauungstrakt in Monosaccharide wie Fructose oder Glucose zerlegt.

Glykolyse

Im diesem Rahmen wird Glucose unter aeroben Bedingungen (Anwesenheit von Sauerstoff) in Pyruvat umgewandelt. Hierbei werden sowohl Reduktionsäquivalente in Form von NADH+H+ als auch ATP gewonnen.
Auch in Extremsituationen ist unser Körper befähigt den Einfachzucker zu metabolisieren. Bei kurzfristiger anstrengender Muskeltätigkeit ohne ausreichende Sauerstoffzufuhr (anaerobe Bedingungen) – z.B. im Hochleistungssport – wird Pyruvat unter der Regenerierung von NADH+H+ in Lactat (Anion der Milchsäure) umgewandelt. Aus diesem Grund bezeichnet man den Vorgang als Milchsäuregärung. Das freiwerdende Lactat wird vom Muskel ins Blut abgegeben und von der Leber aufgenommen. Dort wird es zu Pyruvat oxidiert, welches dann dem Citratzyklus zu Verfügung steht oder direkt als Ausgangssubstrat zur Gluconeogenese herangezogen wird.

Gluconeogenese

Hierunter versteht man die Neubildung von Glucose aus Pyruvat. Es handelt sich dabei um einen anabolen Prozess. Vom Prinzip her laufen die Reaktionsschritte der Glykolyse rückwärts ab. Als Ausgangsstoffe zur Glucoseneubildung dienen dementsprechend Kohlenhydratfragmente aus der Glykolyse (Pyruvat, Lactat) und einige Aminosäuren. Fettsäuren lassen sich nicht in Glucose umwandeln (aber Glucose sehr wohl in Fett, s. unten), Dafür beteiligt sich das aus der Lipolyse entstandene Glycerin an der Gluconeogenese.
Allerdings ist unser Organismus nicht imstande das Pyruvat direkt zu verarbeiten. Aus diesem Grund wird es zunächst in den Mitochondrien unter Energieaufwand in Oxalacetat umgewandelt. Im Cytoplasma entsteht daraus dann über mehrere Reaktionsschritte das Phosphoenolpyruvat (PEP). Daraus werden dann schlussendlich Fructose und Glucose gebildet.
Der Prozess benötigt extrem viel Energie. Dabei wirkt er antagonistisch zur Glykolyse. Reguliert werden beide Stoffwechselwege u.a. durch Catecholamine (Noradrenalin, Dopamin), Glucocorticoide (Cholesterin u.a. Steroidhormone) und Glucagon (Insulin-Antagonist aus den α-Zellen der Bauchspeicheldrüse). Die drei genannten Substanzen und Stoffgruppen hemmen die Glykolyse und steigern dementsprechend die Gluconeogenese.

Damit haben wir bereits die wichtigsten Mechanismen im Kohlenhydratstoffwechsel abgehandelt.

Proteinmetabolismus

Als nächstes begeben wir uns auf linke Seite der Grafik zu den Aminosäuren, die im Verdauungstrakt im Rahmen der Proteolyse hervorgegangen sind.

Aminosäureabbau

Dieser Prozess lässt sich relativ schnell zusammenfassen – in drei einfachen Schritten.

  • Zunächst wird die Aminogruppe (-NH2) durch Transaminasen auf eine Ketosäure übertragen, so dass als Endprodukt die Glutaminsäure hervorgeht. Ihr kennt sie garantiert als weißes chemisches Pulver in Form des künstlichen Geschmacksverstärkers „Glutamat“, welcher in der Lebensmittelindustrie als kostengünstiges Aroma eingesetzt wird, um auf diese Weise hochwertige Zutaten einzusparen. Aber letzten Endes gehört er chemisch gesehen zu den körpereigenen Aminosäuren.
  • Im 2. Schritt wird genau diese Glutaminsäure in den Mitochondrien durch oxidative Desaminierung (also Entfernung der Aminogruppe) mithilfe von NAD umgesetzt. Daraus entsteht Ammoniak (NH3). Da es sich hierbei um eine toxische Substanz handelt, muss sie entsprechend aus dem Organismus eliminiert werden. Die Lebewesen haben im Laufe der Evolution verschiedene Mechanismen entwickelt, um sich der Substanz zu entledigen. Vögel scheiden den Ammoniak als Harnsäure aus (aus diesem Grund greift im Übrigen Vogelkot z.B. den Lack eurer Autos an), Fische als Ammonium (NH4+) und Säugetiere als Harnstoff.
  • Last but not least folgt – wie bereits erwähnt – die Eliminierung des Ammoniak über den Harnstoffzyklus, der in den Mitochondrien und Cytosol der Leber- und z.T. Nierenzellen erfolgt. Zunächst reagiert Ammoniak unter Energieverbrauch mit CO2 aus dem Zellstoffwechsel zu Carbamoylphosphat, welches dann mit der nichtproteinogenen Aminosäure Ornithin zu Citrullin umgesetzt wird. Das Ornithin wird im Kreisprozess wieder regeneriert. Ein Zwischenprodukt dieser Reaktionskaskade findet dann im Citratzyklus Verwendung und wird zur Energiegewinnung genutzt. Letzten Endes wird die Aminosäure Arginin gebildet, aus welcher dann der Harnstoff abgespalten und über die Nieren eliminiert wird. Als weiteres Endprodukt wird Ornithin gebildet, welches dann erneut als Reaktionsedukt zur Verfügung steht, so dass der Zyklus von Neuem beginnen kann.

Aminosäuresynthese

Die Bildung von Aminosäuren verläuft i.d.R. umgekehrt zum Abbau, so dass nur wenige Syntheseschritte benötigt werden. Als Vorstufen dienen α-Ketosäuren, die aus der Glykolyse sowie dem Citrat- und Harnstoffzyklus als Zwischenprodukte anfallen. Mithilfe von Enzymen wie Transaminasen lassen sich daraus die Aminosäuren Serin, Alanin, Glutamat und Aspartat synthetisieren, aus denen sich dann weitere ableiten. Allerdings ist unser Körper (im Gegensatz zu den meisten Mikroorganismen und höheren Pflanzen) nicht befähigt alle 20 proteinogenen Aminosäuren selbst herzustellen. Acht Stück kann unser Organismus nicht synthetisieren, so dass wir sie mit der Nahrung aufnehmen müssen. Dazu gehören Phenylalanin, Isoleucin, Tryptophan, Methionin, Leucin, Valin, Lysin und Threonin.

Damit haben wir bereits zwei wichtige Zweige der Übersicht komplett abgearbeitet. Wenden wir uns nun noch den 3. und letzten Makronährstoff zu.

Lipidmetabolismus

Rechts dargestellt findet ihr eine Übersicht über den Fettstoffwechsel. Die mit der Nahrung aufgenommenen Triglyceride werden im Verdauungstrakt mithilfe von Lipasen in Fettsäuren und Glycerin hydrolysiert, welches für die Glykolyse benötigt wird.

β-Oxidation

Der Abbau der Fettsäuren findet in den Mitochondrien statt. Bevor der eigentliche Prozess starten kann, müssen sie zunächst aktiviert werden. Dafür werden die Säuren unter Energieverbrauch an Coenzym A gebunden. Dieses Produkt wird mithilfe von L-Carnitin in die mitochondriale Matrix eingeschleust.
Hierbei handelt es sich um ein Dipeptid, welches aus den Aminosäuren Methionin und Lysin hervorgeht. Oftmals wird es genau aus diesem Grund als Nahrungsergänzungsmittel zur Gewichtsreduktion angeboten. Hiervon rate ich euch allerdings dringend ab, da keine klinisch validen Studien existieren, die dessen Wirksamkeit belegen!
Der eigentliche Abbau der Fettsäuren in den Mitochondrien besteht aus folgenden vier Schritten:

  • Unser Ausgangsprodukt stellt eine C16-Fettsäure (z.B. Palmitinsäure) dar. Bei diesem ersten Oxidationssschritt entsteht durch Dehydrierung eine Doppelbindung am β-C-Atom. Als Cosubstrat dient hierbei FAD. Dadurch werden Reduktionsäquivalente für die Atmungskette in Form von FADH2 gewonnen.
  • Danach wird eine Hydroxylgruppe, die aus dem Wasser stammt, an die neu entstandene Doppelbindung angelagert.
  • Im zweiten und namensgebenden Oxidationsschritt wird am β-C-Atom eine Ketogruppe gebildet. Als Cosubstrat fungiert in diesem Fall das NAD, so dass auch während dieses Prozesses weitere Reduktionsäquivalente in Form von NADH+H+ gebildet werden.
  • Last but not least wird Acteyl-CoA abgespalten, so dass die Fettsäure um 2-C-Atome verkürzt wird. Dieser Prozess wir solange wiederholt (in diesem Fall 8x) bis sie komplett in Acetyl-CoA zerlegt wurde. Ingesamt werden aus einer C16-Fettäsure 129 Mol ATP gewonnen – allerdings indirekt in Form von Reduktionsäquivalenten. Der Energiegewinn erfolgt über Citratzyklus und Atmungskette.

Lipogenese

Die Fettsäuresynthese funktioniert vom Prinzip her als Umkehrreaktionsmechanimus der β-Oxidation. Als deren Hauptbaustein fungiert hierbei das Acetyl-CoA, welches aus C2-Einheiten besteht. Aus diesem Grund besitzen die fertigen Endprodukte eine gerade Anzahl an C-Atomen. Die Synthese findet im Cytosol statt. Das Ganze wird durch einen Multienzymkomplex – der Fettsäure-Synthetase – katalysiert. Die gesamte Reaktion findet an einem Acyl-Carrier-Protein (ACP) statt.
Das Acetyl-CoA, welches für den Aufbau der Fettsäuren benötigt wird, stammt schlussendlich aus Glucose. Der Einfachzucker wird – wie wir ja bereits erfahren haben – im Cytosol im Rahmen der Glykolyse in Pyruvat umgewandelt. Dieses wird dann in die Mitochondrien transportiert und dort durch Decarboxylierung in Acetyl-CoA umgewandelt. Anders ausgedrückt: Glucose wird nicht nur in Glykogen umgewandelt, sondern bei extremem Überschuss auch in Fett! In dieser Form wird es als Energiereserve gespeichert.
An dieser Stelle ahnt ihr sicherlich bereits, weshalb die Information eine hohe praktische Relevanz besitzt. Sobald wir nämlich unseren Energiebedarf überschreiten, wird das Fett aus der Nahrung in Depots eingelagert. Die Energie wird bei einer ausgewogenen Mischkost komplett aus Kohlenhydraten gedeckt. Bei einer High-Carb-Ernährung mit einem hohen Anteil an Mono- und Disacchariden jedoch wird zusätzlich die Synthese der Fettsäuren und Triglyceriden aus den Carbs gesteigert, so dass diese überschüssige Energie im Körper als Fett deponiert wird.

Unsere drei Makronährstoffe haben wir nun erfolgreich durch ihre Ab- und Aufbauwege begleitet. Diese münden alle direkt oder indirekt beim Acetyl-CoA, welches in den Citratzyklus weiterverarbeitet wird. 

Citratzyklus

Der Prozess findet in den Mitochondrien statt. Die Hauptfunktion besteht darin – in Kooperation mit der Atmungskette – unseren Körper mit Energie in Form von ATP zu versorgen. Wie bereits erwähnt, dient das Acetyl-CoA, welches aus den bereits besprochenen Reaktionen (Aminosäureabbau, β-Oxidation, oxidative Pyruvat-Decarboxylierung) gewonnen wird, als Ausgangssubstanz. Als Endprodukte entstehen neben CO2 auch die beiden reduzierten Coenzyme NADH und FADH2. Diese liefern in der Atmungskette ingesamt 11 Mol ATP. Als direkter Energielieferant wird das GTP gewonnen.

Atmungskette

Die Atmungskette besteht aus einer Vielzahl von Redoxpaaren – lokalisiert an vier großen Proteinkomplexen in der Innenmembran der Mitochondrien. Während des Prozesses werden die beiden oben genannten reduzierten Coenzyme mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser regeneriert. Vielleicht erinnert sich der eine oder andere von euch noch an die sogenannte „Knallgasreaktion“ aus dem Chemieunterricht. Hier wird ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff gezündet, so dass explosionsartig sehr viel Energie freigesetzt wird. Die Reaktion verläuft also sehr stark exotherm. Die Elektronen werden von Wasserstoff auf den Sauerstoff übertragen. Genau diese Reaktion läuft formal auch im Körper ab – allerdings erfolgt die Energiefreisetzung schrittweise, da wir den Prozess ansonsten nicht überleben würden. Die Elektronenübertragung von NADH und FADH2 auf Sauerstoff erfolgt peu à peu über eine Transportkette. Die hierbei freiwerdende Energie wird sukzessive zur ATP-Synthese durch die membranständige ATPase genutzt. Dabei fungiert der Elektronentransport über die beiden genannten Coenzyme sozusagen als Schrittmacher zum Aufbau eines Protonengradienten. Diese gelangen von der Matrix der Mitochondrien in deren Intermembranraum. Während des Rückflusses der Protonen findet die ATP-Synthese statt.

Die gewonnene Energie wird dann für diverse anabole Vorgänge aufgewendet, so dass die Funktionsfähigkeit unseres Organismus sichergestellt wird.

Geschafft! Damit haben wir die obere Grafik systematisch erfolgreich  durchgearbeitet. Letzten Endes gestaltet es sich doch gar nicht so schwierig die relevanten Vorgänge unseres Körpers zu verstehen, oder ??

Weiterführende Informationen findet ihr in folgenden Essays:

Falls von eurer Seite dennoch Fragen oder Unklarheiten bestehen, dann kontaktiert mich gern über die Kommentarfunktion, per Formular oder auf Facebook.




Quellen:

Die dargelegten Informationen entstammen meinen Mitschriften aus den folgenden Vorlesungen meines Pharmaziestudiums an der Friedrich-Schiller-Universität in Jena von 2003 – 2007, meinen persönlichen Erfahrungen sowie der nachfolgenden Literatur:

  • Vorlesung: „Pharmazeutische Biologie“ aus dem 1.-3. Semester – Dozent: Dr. Bernd Liebermann
  • Vorlesung: „Physiologie“ aus dem 3. Semester – Dozent: Prof. Dr. Hans-Georg Schaible
  • Vorlesung: „Ökotrophologie“ aus dem 4. Semester – Dozent: PD Dr. Volker Böhm
  • Vorlesung: „Biochemie“ aus dem 5. Semester – Dozent: Prof. Dr. Thomas Winckler
  • Biesalski, H.; Grimm, P.; Nowitzki-Grimm, S.: Taschenatlas Ernährung 6. Auflage, Georg Thieme Verlag 2015
  • Scharf, K.-H.; Miram, W.: Biologie heute, 1. Auflage, Schroedel Verlag, 1997
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