Grundlagen und Methoden der Physiologie; molekulare und zelluläre Aspekte
 
Energiegewinnung und -speicherung in der Zelle

       
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© H. Hinghofer-Szalkay
Anabolismus: ανα-βολισμός = Hinauf-wurf (βάλλειν = werfen)
Energie: εν = innen, ἔργον = Wirken
Enzym: ἐν = in, ζύμη = Hefe, Sauerteig
Glykogen: γλυκύς = süß,
γενεά = Abstammung
Katabolismus: κατα-βολισμός = Herab-wurf, Kräfteverfall
Mitochondrium: μίτος = Faden, χόνδρος = Korn
Oxid(ation): ὀξύς = sauer, scharf (Oxy-gen: γεννάω = erzeugen; Sauerstoff wurde im 18. Jh. als Grundkomponente zur Bildung von Säuren gesehen)



Der Stoffwechsel verknüpft verschiedene Umbauvorgänge:
   -- Einerseits liefert der Abbau (Katabolismus: Exergone Prozesse liefern Energie)
neben Endprodukten wie CO2, H2O und NH3 energiereiche Phosphate (ATP) - Elektronenübertragung in der Atmungskette spielt dabei eine zentrale Rolle
   --
andererseits werden im Anabolismus (endergone Prozesse liegen thermodynamisch ungünstig und konsumieren Energie) aus organischen Bausteinen (Zucker, Aminosäuren..) größere Moleküle (Proteine, Polysaccharide, Lipide, Nukleinsäuren) synthetisiert.

Als Energiespeicher dienen Glykogen in Leber- und Muskelzellen und Neutralfette in Fettzellen. Glykolyse bis zur Brenztraubensäure liefert auch ohne Sauerstoff Energie (anaerob), wesentlich rascher als im aeroben Weg, allerdings nur für kurze Zeit und um den Preis der Laktazidose; die weitere "Verbrennung" bis zu Kohlendioxid (aerob) erfolgt unter Verbrauch von Sauerstoff (Mitochondrien) und ist viel ausgiebiger, benötigt aber mehr Zeit.

Die ATP-Synthese in den Mitochondrien erfolgt mittels Enzymen der Atmungskette. Diese bauen einen pH-Gradienten auf, der die ATP-Synthase antreibt: Sie nutzt die Diffusion von Protonen zum Aufbau von ATP. Dabei wird Sauerstoff für die Oxidation von Nahrungsstoffen freigesetzt, Elektronen werden für die Energiegewinnung frei und auf Sauerstoff übertragen - das Resultat ist “Oxidationswasser” (≈0,3 Liter pro Tag).

Der Energieumsatz des Körpers ist proportional seiner Hautoberfläche - über diese Größe kann u.a. der Wärmeverlust abgeschätzt werden, und sie dient zur Normierung physiologischer Größen wie des cardiac index (≈3 l/min/m2) oder der glomerulären Filtration (≈120 ml/min/1,73 m2).


Sauerstoffverbrauch und Anabolismus Abschätzung der Hautoberfläche  Mitochondrien


>Abbildung: Geographische Verteilung des Hungers auf der Welt (Stand 2010-12)
Basierend auf Daten der FAO


Der tägliche Energieverbrauch einer erwachsenen Person beträgt etwa 10 MJ (Megajoule: 106 J - 1 MJ = 0,278 kWh) - abhängig von spezifischer Stoffwechselintensität, Körperoberfläche, Alter, Geschlecht, Trainingszustand, körperlicher Belastung und Umgebungsbedingungen (Temperatur).

Diese Energie
wird weitgehend durch Oxidationsvorgänge im Zellstoffwechsel bereitgestellt. Der Verbrauch an Sauerstoff eines Erwachsenen beträgt rund 0,3 Liter/Minute (ebenfalls abhängig von den genannten Größen). Der Sauerstoffverbrauch entspricht dem Energieumsatz und kann daher kann zu seiner Berechnung herangezogen werden (indirekte Kalorimetrie).

Die Bereitstellung von Nahrung mit ausreichendem nutzbaren Energiegehalt (physiologischer Brennwert) ist global sehr unterschiedlich verteilt (>Abbildung).
Wie schwierig die Produktion adäquater Ernährung sein kann, zeigt sich u.a. an der Problematik materiell geschlossener bioregenerativer Lebenserhaltungssysteme.

  Da in der Biosphäre durch Photosynthese Sauerstoff in die Atmosphäre abgegeben wird (21 Vol-%), können Lebewesen mit entsprechender Enzymausstattung diesen zur Bereitstellung von Stoffwechselenergie nützen. Aufgrund unterschiedlicher Genexpression und Enzymausstattung ist der Stoffwechsel gewebespezifisch gestaltet. Unter dem Transkriptom versteht mam die Gesamtheit aller zu einem bestimmten Zeitpunkt von einer Zelle hergestellten RNS-Moleküle.
 

<Abbildung: Energietransfer in der Zelle


Dabei wirkt im Körper ein wechselseitiges Netzwerk:
     Abbauvorgänge (katabole Prozesse) liefern Energie, die - vor allem in Form von Adenosintriphosphat (ATP) - an anderer Stelle für Aufbauvorgänge (anabole Prozesse) verwendet werden kann. Diese zwei großen Umsatzströme im Stoffwechsel (Metabolismus) sind durch Energieübertragung miteinander verknüpft (<Abbildung):
 

  Abbau energieliefernder Nährstoffe (Katabolismus : exergone, d.h. thermodynamisch günstige Prozesse - bei exergonen Prozessen liegt das Gleichgewicht stärker auf der Seite der Reaktionsprodukte als bei endergonen) zu Endprodukten wie CO2, H2O und NH3 - dabei werden energiereiche Phosphate gewonnen (via Elektronenübertragung in der Atmungskette oder anderweitige Energiegewinnung), und Hydrolyse von ATP erlaubt die Energieübertragung auf anabole Prozesse:

  Aufbau (Anabolismus : Endergone, d.h. thermodynamisch ungünstige Prozesse - z.B. Aufbau eines Proteins aus Aminosäuren) von organischen Grundbausteinen zu Makromolekülen (Eiweiß, Polysaccharide, Lipide, Nukleinsäuren).

Der basale Energieverbrauch hängt eng mit dem Ausmaß der Körperoberfläche (Body surface area, BSA) zusammen.


>Abbildung: Abschätzung der Hautoberfläche (in m2) von Körpergröße (Ordinate; in cm) und Körpergewicht (Abszisse; in kg)

Beispiel: Bei einem Körpergewicht von 80 kg und einer Körperlänge von 180 cm kann eine Hautoberfläche von ≈2 m2 angenommen werden (roter Punkt)

  Der Betrag der Körperoberfläche ist nicht nur theoretisch interessant, sondern auch praktisch wichtig, z.B. zur Abschätzung

      des Wärmeverlusts,

      des Ausmaßes von Hautdefekten (Verbrennung) oder

      des Medikamentenbedarfs (z.B. Chemotherapie) von Patienten.

Die Berechnung kann über zahlreiche verschiedene Annäherungsformeln erfolgen, oder mit Hilfe von Nomogrammen
(>Abbildung).

Beispiele für die Körperoberfläche als Relativmaß ist z.B. der Cardiac index, d.h. has Herzminutenvolumen bezogen auf einen Quadratmeter Hautoberfläche (Normalwert ≈3 l/min/m2, also z.B. bei zwei Quadratmetern Hautoberfläche 6 l/min), oder die glomeruläre Filtrationsleistung der Nieren
(Normalwert ≈120 ml/min/1,73 m2).

Mitochondrien haben ihre eigene DNS; sie stammen offenbar von aeroben Bakterien ab, die vor Urzeiten mit Eukaryoten in eine Symbiose eingetreten sind (Endosymbiontentheorie). Sie sind in der Zelle aber nicht autonom, der Großteil der von ihnen benötigten Erbinformation sitzt im Zellkern. Der mitochondriale Anteil der zellulären Desoxyribonuleinsäure beträgt beim Menschen ≈1% der gesamten DNS.

Migration: Mitochondrien können entlang filamentöser Strukturen auch aktiv durch die Zelle transportiert werden (>Abbildung). Dadurch gelangt ihre ATP-Bildung jeweils an Stellen, an denen sie besonders benötigt wird.

Kalzium: Mitochondrien sind weiters u.a. in die Kalziumregulation eingebunden: Ca++-Ionen werden in der Matrix als Phosphatkomplex reversibel gebunden. Die äußere Mitochondrienmembran ist ziemlich durchgängig für Kalzium, während Ca++ über die innere Membran mittels eines Uniporters eintritt und durch einen Na+-Ca++-Austauscher wieder austritt (>Abbildung).



>Abbildung: Mitochondrium
Nach
Vos M, Lauwers E, Verstreken P. Synaptic mitochondria in synaptic transmission and organization of vesicle pools in health and disease. Front Synaptic Neurosci doi.org/10.3389/fnsyn.2010.00139

Mitochondrien können sich in der Zelle an Aktinfäden mittels Myosin (über kurze Strecken) oder in Nervenfasern entlang von Mikrotubuli bewegen - mittels Motorproteinen (Kinesin für anterograden, Dynein für retrograden axonalen Transport). Der Zitratzyklus (Krebs-Zyklus) läuft in der Matrix ab, dabei entstehen u.a. Elektronendonatoren (NADH und Sukzinat). Aus Ketoglutarat kann über Glutamat GABA gebildet werden. Mitochondrien sind auch in die Kalziumregulation eingebunden: Der Übertritt über die innere Mitochondrienmembran erfolgt über ein Uniporter / Austauscher-System, und die Matrix kann Kalzium reversibel als Phosphat speichern

Über Elektronentransportkette und ATP-Synthese s. unten


Mitochondrien bestehen zu ≈70% aus Eiweiß und enthalten (mehr als 100) Enzyme des Zitratzyklus, des Elektronentransports (Atmungskette zur oxidativen Phosphorylierung: Übertragung von durch NADH, FMNH2 und FADH2 bereitgestellten Elektronen auf Oxidationsmittel) und der Bildung energiereicher Phosphate.

Mitochondrien vermehren sich, wenn die Zelle zusätzliche Energie braucht; ihre Hauptaufgabe ist die Bereitstellung von Energie. Zusätzlich haben sie weitere Funktionen, z.B.

  Bildung und Verwertung von Ketonkörpern

  Abbau von Aminosäuren

  Oxidation von Fettsäuren

  Teile der Harnstoffsynthese

  Speicherung von Kalziumionen

Mitochondrien sind einige µm lang und haben eine Lebensdauer von 1-4 Wochen. Leberzellen enthalten mehr als 2000, Nervenzellen bis zu 10.000 Mitochondrien. Der Mitochondrienanteil am Volumen von Leber- und Dünndarmzellen (die sehr stoffwechselintensiv sind) beträgt ≈13%.



<Abbildung: Das Herz der Energiemaschine
Nach einer Vorlage in uni-duesseldorf.de

An der inneren Mitochondrienmembran treibt der Elektronentransport (e-) einen Auswärtstransport von Protonen (H+) in den mitochondrialen Intermembranraum (oben) an (Komplex I, III, IV). Diese diffundieren durch die ATP-Synthase wieder in das Mitochondrium zurück, dieser Vorgang treibt die Synthese von ATP an

Komplex II betreibt die Umwandlung von Succinat in Fumarat (Krebs-Zyklus)
  NAD = Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Hydrat

Die äußere Mitochondrienmembran ist für die meisten Stoffe durchlässig (zahlreiche Poren), die innere Mitochondrienmembran ist hingegen ziemlich dicht und selektiv: Sie tauscht nur Stoffe aus, für die eigene Transportsysteme vorhanden sind. Dazu ist sie vielfach gefaltet und verfügt über eine entsprechend große Oberfläche, an der parallel mehrere Reaktionen ablaufen (<Abbildung).

Die ATP-Synthese an der inneren Mitochondrienmembran erfolgt mittels Enzymen der Atmungskette, die Protonen (von NADH und FADH - Abbildung) aus der inneren Matrix in den Membranzwischenraum pumpen und so einen H+-Konzentrationsgradienten aufbauen. Die Bildung von ATP erfolgt sozusagen durch eine rückwärtslaufende H+-ATPase - die ATP-Synthase: Dieses Transmembranprotein nutzt die Rückdiffusion von Protonen zur ATP-Synthese ("chemiosmotische Koppelung").


Aus Wasser wird Sauerstoff für die Oxidation von Nahrungsstoffen freigesetzt. Dabei werden Elektronen für die Energiegewinnung frei, die auf Sauerstoff übertragen werden. Es entsteht “Oxidationswasser”, und es wird Bindungsenergie frei, die auf energietragende Moleküle übertragen wird: Aus Adenosindiphosphat und Phosphat entsteht ATP und Wasser. ATP ist wie eine gespannte Feder: Es kann überall in der Zelle zum Antreiben energieverbrauchender Reaktionen herangezogen werden.

Als Energiespeicher stehen für kurze Zeit Kohlenhydrate (Glykogen in Leber- und Muskelzellen) und als Langzeitreserve Fette (Neutralfette in Fettzellen) zur Verfügung. Die Energiegewinnung der Zelle kann

  kurzzeitig (≥1 min) anaerob erfolgen, z.B. indem die Glykolyse nur bis zur Stufe der Brenztraubensäure (Pyruvat) erfolgt (laktazid: Es entsteht Laktat) bzw. (im Muskel) Kreatinphosphat genützt wird (alaktazid); oder

  aerob, indem Brenztraubensäure oder Fettsäuren unter Verbrauch von Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut werden.
Der Vorteil des aeroben Mechanismus ist die hohe Energieausbeute (≈15 mal höher auf molarer Basis im Vergleich zum anaeroben Weg); das ATP wird allerdings relativ langsam gebildet, und es muss ausreichend Sauerstoff zur Verfügung stehen. Der anaerobe Mechanismus hingegen benötigt keinen Sauerstoff und kann ATP ≈100-mal schneller bereitstellen als Atmungskette / oxidative Phosphorylierung im Zitratzyklus; Nachteil ist (neben der geringeren Ausbeute) die Belastung des pH-Stoffwechsels durch die Entstehung von Laktat - das wiederum von Herzmuskel-, Nierentubulus-, Leber- und anderen Zellen konsumiert werden kann.



Eine Reise durch die Physiologie


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