© 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 (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)
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).
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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). 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.
>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)
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).
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.
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
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 CO
2, H
2O und NH
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- 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 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 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.
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 I ist die NADH-Dehydrogenase, sie überträgt Wasserstoff auf Ubichinon, die "Sammelstelle" für aufgenommene Elektronen
Komplex II betreibt die Umwandlung von Succinat in Fumarat (Krebs-Zyklus)
Komplex III
ist die Zytochrom-Reduktase, sie überträgt Elektronen von Ubichinon auf
das Protein Cytochrom c, das an der Außenseite der Innenmembran sitzt
Komplex IV ist die Zytochromoxidase, sie reduziert molekularen Sauerstoff (der eingeatmet wird: ≈500 Liter pro Tag) zu Wasser
NAD(H) = 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").
Zur Energiegewinnung werden Elektronen auf Sauerstoff
übertragen (Komplex IV, <Abbildung) - es entsteht “Oxidationswasser”, und freie
Bindungsenergie wird auf energietragende Moleküle übertragen:
Aus Adenosindiphosphat und Phosphat entsteht ATP
und Wasser. Mitochondrien enthalten sämtliche Enzyme der Atmungskette und des Krebs-Zyklus.
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 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.
Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen:
Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie
sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und
Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.
Sauerstoffverbrauch und Anabolismus 