Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

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

© H. Hinghofer-Szalkay 
Anabolismus: ανα-βολισμός = Hinauf-wurf (βάλλειν = werfen)
Energie: εν = innen, ἔργον = Wirken
Enzym: ἐν = in, ζύμη = Hefe, Sauerteig
G: Gibbs-Energie (freie Enthalpie), nach Josiah W. Gibbs
Glykogen: γλυκύς = süß,
γενεά = Abstammung
Katabolismus: κατα-βολισμός = Herab-wurf, Kräfteverfall
Metabolismus:
μετα = (her)um, βάλλειν = werfen
Mitochondrium: μίτος = Faden, χόνδρος = Korn (sehen lichtmikroskopisch wie aufgefädelte Körnchen aus)
Oxid(ation): ὀξύς = sauer, scharf (Oxy-gen: γεννάω = erzeugen; Sauerstoff wurde im 18. Jh. als Grundkomponente zur Bildung von Säuren gesehen, z.B. Carbonate, Nitrate, Phosphate, Sulfate)



Der Stoffwechsel verknüpft Auf-, Ab- und Umbauvorgänge im Organismus:
 

   -- Einerseits liefert der Abbau (Katabolismus: Exergone Prozesse setzen Energie frei) neben Endprodukten (wie CO2, H2O und NH3) energiereiche Phosphate (ATP) - Elektronenübertragung in der Atmungskette spielt dabei eine zentrale Rolle
 
   -- andererseits synthetisiert der Anabolismus aus organischen Bausteinen (Zucker, Aminosäuren..) größere Moleküle (Proteine, Polysaccharide, Lipide, Nukleinsäuren) - die zugrundeliegenden endergonen Prozesse liegen thermodynamisch ungünstig, d.h. sie konsumieren Energie.

Als Energiespeicher dienen vor allem Glykogen (Leber- und Muskelzellen) und Neutralfette (Fettzellen). Glykolyse bis zur Brenztraubensäure (Pyruvat) liefert auch ohne Sauerstoff Energie (anaerob), wesentlich rascher als im aeroben Weg, allerdings nur für kurze Zeit und um den Preis der Laktazidose (Ansäuerung durch Milchsäure). Die weitere "Verbrennung" bis zu Kohlendioxid erfolgt unter Verbrauch von Sauerstoff (Mitochondrien) und ist viel ertragreicher als der anaerobe Weg, benötigt aber mehr Zeit für seinen Ablauf.

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

Für den Körper gilt: Die Größe des Energieumsatzes ist proportional der Hautoberfläche (Wärmeverlust!), dieser Betrag dient auch zur Normierung physiologischer Größen wie des cardiac index (~3 l/min/m2) oder der glomerulären Filtration (~120 ml/min/1,73 m2).



Energie für metabolische Reaktionen Sauerstoffverbrauch und Anabolismus Abschätzung der Hautoberfläche  Mitochondrien

   Energie      Transkriptom

Core messages
 

Energie ist die Voraussetzung dafür, dass ein System Aktivität entfalten kann. Alle lebenden Systeme benötigen sie, um Moleküle auf- und umzubauen, zu wachsen, sich zu vermehren, sich zu erhalten und zu regenerieren (Stoffwechsel, Metabolismus ). Sie beziehen die dafür nötige Energie aus ihrer Umwelt - ob in Form von Licht, Wärme, mechanischer, elektrischer oder chemischer Energie.
 
Freie Energie treibt Lebensvorgänge an

Bindungsstärke, Reaktionswahrscheinlichkeit und Metabolismus: Stoffwechsel bedeutet, dass die Zelle Verbindungen auflöst (Hydrolyse - energetisch "günstig") oder herstellt (Kondensation), um Moleküle zu spalten oder aus Bausteinmolekülen komplexere Verbindungen herzustellen. Letzteres (Kondensationsreaktion) ist energetisch "ungünstig" (Änderung der freien Energie ΔG positiv, d.h. >0) und nur durch Koppelung an eine andere Reaktion möglich, die ein zulänglich (=stärker) negatives ΔG hat und die Kondensationsreaktion energetisch "bergauf" anhebt, also freie Energie abgibt oder "überträgt" (Reaktionskoppelung).

     Unter
Energie versteht man die Fähigkeit eines Systems, Arbeit (Kraft mal Weg) zu verrichten (mechanisch, chemisch, thermisch oder elektrisch). Als freie Energie (Symbol: G ) wird in der Physiologie eine Energie bezeichnet, welche für Lebensvorgänge verfügbar ist - die Zelle bringt sie auf, um "Ordnung zu schaffen" und notwendige Reaktionen (Hydrolyse von ATP, Lösung von Kohlenstoffbindungen, Oxidation von Energieträgern, Proteinsynthese etc.) anzutreiben, fern vom chemischen Gleichgewicht.

vgl. dort

So muss z.B. eine konkrete Energiemenge zugeführt werden, um eine bestimmte Bindung zu lösen - ihre Bindungsstärke, angegeben in kJ/mol (
Abbildung).
 
  
Abbildung: Bindungsstärken
Modifiziert nach einer Vorlage bei Alberts et al, Molecular Biology of the Cell, Garland 2008

Die Stärke einer Bindung entspricht der Energiemenge (kJ/mol), die zu ihrer Auflösung zugeführt werden muss.
 
So ist die durchschnittliche thermische Bewegung (links) in einer Zelle nicht ausreichend, um Bindungen zu lösen. Kovalente C-C-Bindungen sind um ~2 Zehnerpotenzen stärker als nichtkovalente (Wasserstoffbrücken)


Beispielsweise bezieht die Zelle freie Energie für ihre anabolen Reaktionen (Synthesevorgänge) meist aus der Koppelung an die Spaltung von ATP (Adenosintriphosphat). Dieses entsteht durch Nutzung freier Energie aus Nahrungsstoffen, die letztlich von Pflanzenzellen mit Hilfe von Sonnenenergie synthetisiert wurden.

Zum Anstoßen jeder Reaktion (auch einer energetisch "günstigen") ist ein bestimmter Energiebetrag notwendig. Dieser liegt über dem durchschnittlichen Energiebetrag, den die Wärmebewegung ("Molekularbewegung") liefert - ansonsten wären die Verbindungen durch spontanen  Zerfall gefährdet, also instabil. (Andererseits dürfen die für eine Reaktion notwendigen Energien nicht zu hoch sein, weil dann kein Stoffwechsel mehr erfolgen könnte.) Eine Bindung ist umso stabiler, je größer der Energiebetrag ist, der zu ihrer Spaltung aufgebracht werden muss ( Abbildung).

Die Veränderung an freier Energie (ΔG) in einem lebenden System bedingt dessen Dynamik. Hat eine Reaktion z.B. die Form  A + B C + D, dann ist die Änderung der freien Energie proportional zu ([C].[D]) / ([A].[B]). Änderungen der Stoffkonzentrationen verändern auch die Dynamik der Reaktion: Steigen die Beträge für [A] oder [B], läuft die Reaktion leichter nach rechts, und steigen sie für [C] oder [D], leichter nach links ab.

      Ist der Betrag für ΔG = 0, ist die Reaktion im Gleichgewicht, freie Energie wird nicht ausgetauscht.
 
      Ist der Betrag für ΔG < 0, tritt die Reaktion spontan auf, Energie wird (zum Antreiben einer Reaktion) verfügbar (exergone Reaktion).
 
      Ist der Betrag für ΔG > 0, kann die Reaktion nicht spontan auftreten (endergone Reaktion).

Kopplung: Im Stoffwechsel können endergone Reaktionen an exergone gekoppelt werden, sodass die exergonen (die "nützliche" Energie beisteuern können) endergone (die von selbst nicht ablaufen) antreiben.


Enzymatische Steuerung.
Biochemische Reaktionen erfolgen nicht spontan, sondern müssen über eine Energieschwelle (Aktivierungsenergie) gehoben werden, um ablaufen zu können. Diese Aktivierungsenergie wird durch Interaktion mit Enzymen erniedrigt, die den Reaktionspartnern "zueinanderhelfen". Die Expression verschiedener Enzyme ist von Zelle zu Zelle und von Zustand zu Zustand unterschiedlich, so werden Richtung und Intensität der metabolischen Reaktionen gesteuert.
 
Sauerstoffverbrauch und Anabolismus
 
  Zu Energie und Energieeinheiten s. dort

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 einem Transkriptom versteht man die Gesamtheit aller zu einem bestimmten Zeitpunkt von einer Zelle hergestellten RNS-Moleküle.
 

Abbildung: Energietransfer in der Zelle

Eine typische Zelle setzt ihren ATP-Bestand alle 1-2 Minuten um (das entspricht ~107 ATP-Molekulen pro Sekunde) - für den menschlichen Organismus hochgerechnet ca. ein Gramm ATP pro Minute


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

Abbildung: Abschätzung der Hautoberfläche (in m2) aus Körpergröße (Ordinate; in cm) und Körpergewicht (Abszisse; in kg)
Nach Daten bei Boyd E: The growth of the surface area in the human body. University of Minnesota Press 1935

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. das 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 nutzen Energie aus dem Transport von Elektronen
 
Mitochondrien haben ihre eigene DNA; 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 DNA.

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

Mitochondrien wandern an Orte erhöhten Energiebedarfs. Mitochondrien werden entlang des Zytoskeletts (an Mikrotubuli) durch Motorproteine aktiv durch die Zelle transportiert ( Abbildung). So kann die ATP-Synthese dort intensiviert werden, wo viel Stoffwechselenergie benötigt wird.
 

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 2010; 2: 139

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 Citratzyklus (Krebs-Zyklus) läuft in der Matrix ab, dabei entstehen u.a. Elektronendonatoren (NADH und Succinat). Aus Ketoglutarat kann über Glutamat GABA gebildet werden.
 
Mitochondrien sind auch in die Calciumregulation eingebunden: Der Übertritt über die innere Mitochondrienmembran erfolgt über ein Uniporter / Austauscher-System, und die Matrix kann Calcium reversibel als Phosphat speichern
 
Rechts oben und links unten: Transport von Elektronen (e-) entlang der Komplexe I-IV und von Protonen (H+) in den mitochondrialen Spaltraum ( s. unten)

Mitochondrien bestehen zu ~70% aus Eiweiß und enthalten (mehr als 100) Enzyme des Citratzyklus, des Elektronentransports (Atmungskette zur oxidativen Phosphorylierung: Übertragung von Elektronen durch NADH (Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid) und FADH2 (Hydrochinonform des Flavin-Adenin-Dinukleotid) bereitgestellten Elektronen auf Oxidationsmittel ) und der Bildung energiereicher Phosphate. An der inneren Mitochondrienmembran treibt der Elektronentransport (e-) einen Auswärtstransport von Protonen (H+) in den mitochondrialen Intermembranraum (oben) an (Komplex I, III, IV).
 

Abbildung: Kaskade freier Energie im mitochondrialen Elektronentransport
Nach einer Vorlage in Campbell / Urry / Cain / Wasserman / Minorsky / Orr: Biology, A Global Approach, 12th ed. Pearson Education Ltd 2021

Glycolyse und Citratzyklus liefern lediglich je zwei mol ATP pro mol Glucose. Der Großteil der Energieextraktion beim Glucoseabbau erfolgt durch NADH und FADH2 im Rahmen der oxidativen Phosphorylierung.
 
Der Großteil der Energieabschöpfung erfolgt im Rahmen von Redox-Reaktionen des Elektronentransports an der inneren Mitochondrienmembran, deren Einfaltungen Platz für tausende entsprechender Proteinkomplexe (I-IV) bieten.
 
Die meisten Komponenten dieser Elektronen- Transportkette sind Proteine, an die prosthetische Gruppen (Nicht-Proteine - für katalytische Funktion unverzichtbare Coenzyme / Cofaktoren) fest gebunden sind.
 
Der Betrag an freier (verfügbarer) Energie (y-Achse) nimmt hier schrittweise ab, während Elektronen von einem Träger (Carrier) zum nächsten weitergereicht werden. Dabei wechseln die Elektronencarrier zwischen reduziertem (wenn sie vom "bergauf" liegenden Partner mit geringerer Affinität für Elektronen diese aufnehmen) und oxidiertem Zustand (wenn sie Elektronen an die "bergab" liegende nächste, elektronen-affinere Komponente abgeben).
 
Zuerst werden (aus Glucose gewonnene) Elektronen über NADH auf die prosthetische Gruppe (FMN - Flavin-Mononukleotid, des erste Molekül der Elektronentransportkette) des Flavoproteins in Komplex I (NADH-Dehydrogenase) übertragen. Dann reicht FMN sein Elektron an ein Eisen-Schwefel-Protein (Fe.S - dieses wird dabei oxidiert) im Komplex I weiter und dieses an Ubiquinon (Q - auch "Coenzym Q"), ein kleines hydrophobes Nicht-Protein, das in der Membran beweglich ist und als "Sammelstelle" für aufgenommene Elektronen dient.
 
Komplex II liefert ebenfalls Elektronen: Auch FADH2 ist (neben NADH) ein reduziertes Produkt des Citratzyklus (Umwandlung von Succinat in Fumarat).
 
Die meisten weiteren Elektronentransporter (von Uqiquinon bis Sauerstoff) sind Cytochrome, mit Häm als prosthetischer Gruppe (deren Eisenatom Elektronen aufnehmen und wieder abgeben kann - in Hämoglobin transportiert das Häm nicht Elektronen, sondern Sauerstoff).
 
Komplex III überträgt Elektronen auf Cytochrom c, das an der Außenseite der Innenmembran sitzt. Komplex IV reduziert schließlich Sauerstoffatome im O2-Molekül (~500 Liter O2 werden pro Tag aufgenommen) zu Wasser; dabei werden jeweils zwei negative Ladungen des Sauerstoffs durch zwei Protonen aus der mitochondrialen Flüssigkeit kompensiert (H2O ist elektroneutral).

Fe.S = Eisen-Schwefel-Protein in Komplex I; Q = Ubiquinon, Cyt = Zytochrome


Der Elektronentransport in den Mitochondrien produziert nicht direkt ATP: Vielmehr vermittelt er die Kaskade (den "Fall") von Elektronen von Nahrungsmittel zu Sauerstoff in kleinen (verkraftbaren) Schritten. Die Energieübertragung auf energiereiche Phosphate erfolgt durch einen als chemiosmotische Kopplung bezeichneten Vorgang, der von der ATP-Synthase in der Mitochondrienmembran getragen wird (s. unten).

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
 
     Harnstoffsynthese: Teile des Harnstoffzyklus laufen in Mitochondrien ab
 
     Speicherung von Calciumionen (vor allem in Muskelzellen)
 
     Mitochondrien können sich auch an der Apoptose ("innerer" / mitochondrialer Weg) beteiligen: Dies wird ausgelöst, wenn in der Mitochondrienwand (bedingt durch ionisierende Strahlung, Chemikalien u.a.) Proteine wie der Apoptose-Regulierer Bax (Bcl-2-associated X protein) aktiviert werden. Bax bindet dann an die äußere Mitochondrienmembran, bildet Oligomere und ermöglicht die Freisetzung von Cytochrom c, das wiederum (über ein zytoplasmatisches Protein, APAF1 - apoptotic protease activating factor 1) Caspasen aktiviert.

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.

Das System der Elektronentransportkette involviert vier Proteinkomplexe: Komplex I bis IV, die alle aus mehreren Einzelproteinen sowie Elektronentransportern bestehen (Abbildung oben).
 
   Die ATP-Synthase lässt ATP entstehen. Dabei wird die energetisch ungünstige Reaktion ADP + Pi → ATP durch den nach innen gerichteten Protonengradienten angetrieben

  Die Elektronentransportkette an der inneren Mitochondrienmembran steht am Ende der aeroben Energiegewinnung der Zelle und ermöglicht die ATP-Synthese: NADH (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid) und FADH2 (Flavin-Adenin-Dinukleotid-Hydrat) transportieren Elektronen an Sauerstoff (O2). Dabei wird Energie frei, welche genutzt wird, um Wasserstoffionen (H+) über die innere Mitochondrienmembran zu pumpen. Der entstandene elektrochemische Gradient treibt schließlich die ATPase an ("Turbomotor", Abbildung unten).

In braunem Fettgewebe können Adipozyten H+-Permeasen in der inneren Mitochondrienmembran öffnen, welche Wasserstoffionen vom Intermembranraum in die mitochondrielle Matrix eindringen lassen, ohne dabei die ATP-Synthase zu passieren. Diese Entkopplung (uncoupling) von Protonenstrom und ATP-Generierung lässt statt ATP Wärme entstehen, was vor allem Neugeborene nützen können, um in kühler Umgebung nicht hypothermisch zu werden.
 
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 oben). Mitochondrien enthalten sämtliche Enzyme der Atmungskette und des Krebs-Zyklus.

Für das Antreiben der ATP-Synthese an der inneren Mitochondrienmembran ist eine Anreicherung von Wasserstoffionen notwendig, denn dieser Gradient treibt die ATP-Synthase
an. Dies erfolgt mittels Enzymen der Atmungskette, die Protonen (von NADH - das 3 ATP-Moleküle generiert - und FADH2, das 1 ATP enstehen lässt) 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
(eine F-Typ ATPase) : Dieses Transmembranprotein nutzt die Rückdiffusion von Protonen zur ATP-Synthese ("chemiosmotische Koppelung"). Es handelt sich sozusagen um eine rückwärtslaufende Protonenpumpe ( Abbildung).
 

Abbildung: Der "Turbomotor" F-Typ ATPase
Nach einer Vorlage in Boron W, Boulpaep E: Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016

Die mitochondrielle ATP-Synthase besteht aus dem transmembranalen F0-Teil (dieser enthält den H+-Kanal) und dem F1-Teil, der aus ADP und einem Phosphatrest ATP zusammenbaut. Die fühlerförmige Struktur (rechts) hält den "Rotor" in Position.
 
Beim Durchtritt von Wasserstoffionen (=Protonen) vollführt der F1-Teil Drehbewegungen (wie Schaufeln der Turbine eines Wasserkraftwerks). Diese Rotation treibt die ATP-Synthase an (oben)

Der Citratzyklus gewinnt Energie in Form von Elektronen, und diese werden auf reduziertes Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD+) sowie reduziertes Flavon-Adenin-Dinukleotid (FAD) übertragen. Diese übertragen das hochenergetische Elektron auf die Komponenten der Elektronentransportkette ( Abbildung oben) an der inneren Mitochondrienmembran.

Dabei verlieren die Elektronen schrittweise Energie und verbinden sich schließlich mit Sauerstoff (2H+ + 1/2 O2) - es entsteht “Oxidationswasser.

  Zu Redoxpotential und Elektronentransport s. auch dort

Die Komplexe I, III und IV pumpen Protonen in den Intermembranraum. Das ist die Quelle des
H+-Gradienten, der die ATP-Synthase antreibt.

Nur wenige der benötigten Enzyme werden vom mitochondriellen Genom codiert:

Beschränkte Autonomie des mitochondriellen Genoms

Nach Strachan / Read, Human Molecular Genetics, 5th ed. 2020 (CRC Press)
Mitochondrielle Proteine und RNAs
Gene in Mito-
chondrien
Gene im Zellkern
Oxidative Phosphorylierung
13
84
Komplex I
NADH-Ubiquinon-Oxidoreduktase- Komplex
7
37
Komplex II
Succinat-Dehydrogenase
0
4
Komplex III
Ubichinol-Cytochrom C-Reduktase- Komplex
1
9
Komplex IV
Cytochrom C-Oxidase- Komplex
3
16
Komplex V
ATP-Synthase- Komplex
2
18
Proteinsynthese
24
>100
rRNA
2
0
tRNA
22
0
Ribosomale Proteine
0
80
Aminoacyl tRNA-Synthasen
0
19
Translationsfaktoren u.a.
0
alle
Proteine für Replikation, Transkription, mtDNA-Reparatur
0
alle
Weitere mitochondrielle Proteine
0 alle

Mehr als 1600 Gene im Zellkern codieren für mitochondrielle Proteine, die von zytoplasmatischen Ribosomen produziert uind dann in die Mitochondrien importiert werden. mtDNA dient der Synthese ribosomaler RNA und tRNA, die zur Bildung von Mitoribosomen benötigt werden, nicht aber anderer Komponenten wie z.B. von Proteinen, die für die Replikation, Ablesung oder Reparatur der mitochondriellen DNA benötigt werden (s. Tabelle).

Cyanidvergiftung: Blausäure (HCN) inaktiviert Enzyme der Atmungskette und blockiert dadurch deren Elektronentransport. Die Zellen können Sauerstoff nicht mehr verarbeiten, es kommt zu "innerem Ersticken" (trotz vorhandenem Sauerstoff). Das venöse Blut enthält ähnlich viel O2 wie das arterielle, es färbt sich rot, ebenso die Haut. (Ähnliche Symptome zeigen sich bei CO-Vergiftung.)

ATP kann man mit einer gespannten Feder vergleichen: Es kann überall in der Zelle zum Antreiben energieverbrauchender Reaktionen herangezogen werden, die gespeicherte Energie wird dabei auf die zu fördernde Reaktion übertragen.

Als sofort verfügbare Energiespeicher stehen Kohlenhydrate (Glykogen in Leber- und Muskelzellen) und Fette als Langzeitreserve zur Verfügung (Neutralfette in Fettzellen).

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. Zum Betrieb des aeroben Weges benötigen die Mitochondrien einen Sauerstoffgehalt von mindestens ~0,3 Vol-%, entsprechend einen Mindest-Sauerstoffpartialdruck von 0,15-0,3 kPa pO2 - der sogenannte Pasteurpunkt (Pasteur point). Typischerweise beträgt der pO2 im Bereich der Mitochondrien etwa 1 kPa (rund ein Zwanzigstel des pO2 in der Außenluft).

Der Vorteil des aeroben Mechanismus ist die hohe Energieausbeute ~ etwa 14 mal höher auf molarer Basis im Vergleich zum anaeroben Weg: Aerob 27-29 statt anaerob 2 mol ATP pro mol Glucose (theoretisch 36-38 mol, aber die metabolische Kopplungseffizienz (coupling efficiency) ist deutlich geringer als 100%). ATP wird auf aerobem Wege 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 Citratzyklus; 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.
 

 
      Der Metabolismus löst Verbindungen (Hydrolyse: Energetisch günstig, exergon, Änderung der freien Energie negativ, [ΔG]<0) oder baut sie auf (Kondensation: "Bergauf", endergon, Änderung der freien Energie positiv, [ΔG]>0). Letzteres ist möglich durch Reaktionskoppelung: Ein Stoffwechselschritt mit stärker negativem ΔG übeträgt freie Energie an den Kondensationsvorgang. Freie Energie für Synthese stammt aus der Spaltung energiereicher Phosphate (meist ATP)
 
      Bindungen sind umso stabiler, je größer der für ihre Spaltung nötige Energiebetrag ist. Um eine Reaktion zu starten, ist mehr Energie notwendig als bei der thermischen "Molekularbewegung" frei wird (Energieschwelle). Enzyme reduzieren diese Aktivierungsenergie; ihre Expression ist zell- und zustandsspezifisch, resultierend in unterschiedlicher Art, Richtung und Intensität der metabolischen Reaktionen, die in der betreffenden Zelle ablaufen
 
      Der ATP-Bestand der Zellen wird alle 1-2 Minuten umgesetzt, entsprechend  ~1 g ATP pro Minute: Katabole Prozesse liefern Energie (in Form von ATP, entstanden via Elektronenübertragung in der Atmungskette), anabole Prozesse verbrauchen sie. Eine erwachsene Person setzt etwa 10 MJ Energie täglich um - abhängig von Stoffwechselintensität, Körperoberfläche, Alter, Geschlecht, Trainingszustand, körperlicher Belastung, Umgebungstemperatur. Dazu verbraucht sie rund 0,3 Liter Sauerstoff pro Minute - proportional dem Energieumsatz, der aus dem O2-Verbrauch berechnet werden kann (indirekte Kalorimetrie). Die Körperoberfläche dient als Relativmaß für Vorgänge, deren Größe mit dem Energiestoffwechsel korreliert, z.B. als Cardiac index (Herzminutenvolumen pro m2) oder GFR - solche Werte sind zwischen Personen besser vergleichbar
 
      Mitochondrien (Leberzellen >2000, Nervenzellen bis 10.000) werden über Mikrotubuli an Orte erhöhten Energiebedarfs in der Zelle transportiert und können sich dort vermehren. Sie enthalten sämtliche Enzyme des Citratzyklus, des Elektronentransports (Atmungskette zur oxidativen Phosphorylierung) und der Bildung energiereicher Phosphate. Hochenergetische Elektronen werden auf die Komponenten der Elektronentransportkette an der inneren Mitochondrienmembran übertragen, diese sezerniert H+ in den Intermembranraum. Der so entstandene Protonengradient treibt ATP-Synthasen an, durch die H+ in das Mitochondrium zurückdiffundieren und dabei den Aufbau von ATP antreiben (rückwärtslaufende H+-ATPase, chemiosmotische Koppelung). Die Elektronen verlieren schrittweise Energie und verbinden sich schließlich mit Sauerstoff, es entsteht Oxidationswasser. Mitochondrien verwerten Ketonkörper, bauen Aminosäuren ab, oxidieren Fettsäuren und speichern Ca++-Ionen
 
      Energie wird als Glykogen kurzfristig, in Neutralfetten langfristig gespeichert. Anaerober Abbau bildet ATP rasch, aber unergiebig (bis Pyruvat) und unter Belastung des Säure-Basen-Haushalts (Laktat), aerober vollständig (CO2) und mit ~15 mal höherer Energieausbeute, allerdings ~100-mal langsamer
 

 




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