Die Einheit der Energie im SI-System ist das
Joule (J):
Das Newton (
N) ist die SI-Einheit für die
Kraft: Masse
x Beschleunigung (kg
x m/s
2). Energie (Arbeit) kann also als
Kraft mal Weg dargestellt werden.
Arbeit ist der mechanische Ausdruck einer (umgesetzten) Energiemenge.
Über das
SI-System (Präfixe und Einheiten)
s.
dort
Energie ist nicht nur Kraft mal Weg (=Arbeit), sondern auch
Leistung mal Zeit (1 J = 1 W
x s). Das Watt (W) ist die Einheit der Leistung: 1 W = 1 J/s. Leistung ist die in einer Zeitspanne umgesetzte Energie.
1 J/s entspricht 1 W
(entspricht 0,06 kJ/min)
|
Eine 100-Watt-Glühlampe
verbraucht gleich viel (oder sogar mehr) Energie als eine erwachsene
Person bei körperlicher Ruhe (≤100 J/s). Das zeugt vom effizienten Umgang des
Stoffwechsels mit seinen
Ressourcen.
Energie wird im Stoffwechsel hauptsächlich durch den
oxidativen Abbau von Kohlenhydraten und Fetten bereitgestellt.
Metabolisiert eine Person z.B. 400 g Glucose, bringt dies 6,8 MJ - mehr
als die Hälfte des 24-Stunden-Energiebedarfs eines Erwachsenen, der mäßig
körperlich aktiv ist (der Rest kommt aus dem Abbau anderer Energieträger - wie Lipiden und Proteinen).
Zum Beispiel: Metabolisiert man 1 mol Glucose (180 g), entstehen
6 mol Wasser (~0,1 Liter), und 6 mol Sauerstoff (~134
Liter) werden
verbraucht (6 x 22,4).
Energiequellen: Zufuhr an Eiweiß, Fetten und Kohlenhydraten (Richtwerte)
|
Protein
|
Fette |
Kohlenhydrate / Ballaststoffe (Nahrungsfasern)
|
~1
g/kg KG /d (0,8 bis 2,5), im Regelfall ~10% des Energiebedarfs -
abhängig von Alter und Geschlecht; bei Frauen auch Gravidität /
Stillperiode
|
30% der Energiezufuhr
(≤10% gesättigte, ~7% mehrfach ungesättigte FS) |
50-60% des Energiebedarfs, Ballaststoffe (Erwachsene) 30 g/d (auch bei Reduktionskost / Gewichtsabnahme)
|
Die mit der Nahrung zugeführten Biomoleküle werden in drei Hauptrichtungen genutzt:
Als unmittelbare Energielieferanten - Bindungsenergie für den Aufbau
energiereicher Phosphate (ATP, CP), was vor allem benötigt wird
für aktiven Transport über Kompartmentgrenzen (z.B. Na-K-Pumpe) als
Grundlage von Homöostase, Membranpotentialaufbau, Ausscheidungsvorgängen
zum Antreiben mechanischer Arbeit
(Bewegung, Verformung, Muskelkontraktion)
Zur Biosynthese neuer Moleküle (Erneuerung, Wachstum, Immunabwehr, Sekretion..)
Zur Energiespeicherung (vor allem Fett, Glykogen). Kohlenhydrate
sind wasserlöslich und üben in der Zelle einen deutlichen osmotischen
Effekt aus (Leber- und Muskelzellen schützen sich, indem sie Glucose zu
Glykogen polymerisieren und den osmotischen Effekt so minimieren). Fette hingegen sind nicht wasserlöslich und bilden Fetttröpfchen
als Speicherform (Neutralfette und Fettsäuren); Wasser ist hier
ausgeschlossen, und Energie kann in hoher Dichte gespeichert werden.
Zur Zeitabhängigkeit der Nutzung verschiedener Energiequellen im Muskel s. dort
Lipide, Kohlenhydrate, Aminosäuren / Peptide
Man kann sich die Energieversorgung wie ein
System kommunizierender Gefäße vorstellen, wobei einige Wege als
Einbahnstraße zu sehen sind ( Abbildung):
Der Körper verfügt über drei unmittelbare Nährstoffpools (freie Fettsäuren, Glucose, Aminosäuren) - hauptsächlich im Blutplasma -, diese stehen für den sofortigen Verbrauch
zur Verfügung: Für freie Fettsäuren (in der Abbildung links), Glucose (Mitte) und
Aminosäuren (rechts).
Abbildung: Stoffwechselwege
Nach einer Vorlage bei Langley LL, Homeostasis. Reinhold, New York 1965
Hydrostatisches Modell: Die Position (Höhe) der Gefäße deutet (wie bei einem System kommunizierender Gefäße) die Verfügbarkeit
von Metaboliten für die Energiegewinnung in Abhängigkeit von der Speichergröße ("Wasserstand")
an.
Zum Beispiel gelangt bei Hyperglykämie Zucker in den Harn (Überforderung des tubulären Maximums), während umgekehrt der Gehirnstoffwechsel auch bei geringem Blutzuckerspiegel (Hypoglycämie) noch Zugang zum Glucosepool hat.
Glucose kann zu Fettsäuren, aber Fettsäuren können nicht zu Zucker
(oder Aminosäuren) konvertiert werden. Einige Aminosäuren können in Glucose umgewandelt werden, sie sind "glucoplastisch"
Diese Pools bieten einen kurzfristigen Vorrat für den Stoffwechsel und werden von verschiedenen anderen
Kompartimenten gespeist - und versorgen diese andererseits mit
Bausteinmolekülen:
Lipide
sind eine sehr heterogene Gruppe von Verbindungen. Sie dienen verschiedenen Aufgaben, wie
Energiespeicherung und thermische Isolierung (Triglyzeride in Fettgewebe)
Strukturträger (in Zellmembranen, als mechanischer Schutz von Organen)
Signalmoleküle (Immunsystem, Zellwachstum etc)
Thermogenese (braunes Fettgewebe)
Verdauung (Lipidanteil von Gallensäuren)
Lipide aus der Nahrung werden gespalten und die Bruchstücke dem Speicherpool
zugeführt. Der Pool freier (=nicht glycerinester-gebundener) Fettsäuren (non-esterified fatty acids, NEFA) erhält solche Bruchstücke aus der Nahrung sowie als "Überschussmoleküle" aus dem
allgemeinen Stoffwechsel.
Lipogenese (de-novo-Biosynthese) versorgt den Körperfettspeicher aus dem Pool freier Fettsäuren sowie aus dem Pool überschüssiger Glucose (das geht nur in dieser Richtung, nicht zu Glucose zurück). Die wichtigsten Orte der Fettsäuresynthese sind Leber, Fettgewebe, Muskelfett und bei Frauen die Brustdrüse.
Lipolyse
leitet freie Fettsäuren aus der Spaltung von Körperfett in den
Fettsäurepool. Die Lipolyse wird u.a. ß-adrenerg und durch
Wachstumshormon angeregt (dann steigt der Spiegel freier Fettsäuren im
Kreislauf), α2-adrenerg gehemmt.
Abbildung: Metabolischer Zustand und wichtigste Stoffwechselpfade
Nach einer Vorlage in Carlson NR / Birkett MA, Physiology of Behavior, 12th ed. Pearson 2017
Oben: Absorptive (digestive, resorptive,
postprandiale), unten: Postabsorptive (postresorptive, postdigestive,
Nüchtern-, "Hunger"-) Phase.
In der
resorptiven Phase (nach
einer Mahlzeit) nimmt der Darm Nährstoffe in den Körper auf. Sie
dienen der Synthese von Biomolekülen (z.B. Proteinsynthese im Muskel),
der Einlagerung von Speichersubstanzen (z.B. Glykogen in der Leber,
Neutralfette in Adipozyten) und direkt der Energiegewinnung in den
Geweben.
In der
postresorptiven Phase
(leerer Darm) beziehen die Gewebe Energie aus körpereigenen Speichern
(Glucose aus der Leber, Fettsäuren / Glycerin aus dem Fettgewebe)
Fettsäuren im Extrazellulärraum stammen aus dem Fettgewebe ( Abbildung
) - Lipoproteinlipase spaltet sie aus Neutralfetten ab, Adipozyten nehmen sie auf und deponieren sie durch Veresterung
wieder als Neutralfette. Bei Bedarf werden diese gespalten
(hormonsensitive Lipasen) und Fettsäuren wieder an das Blut abgegeben.
Ihr Blutspiegel (um 1 mM, hauptsächlich albumingebunden) verhält sich umgekehrt proportional
zum Blutzuckerspiegel; nach einer "durchfasteten" Nacht ist [NEFA] am
höchsten (Fettutilisation), der Glucosespiegel am niedrigsten
(Glykogenvorräte erschöpft). Nach Einnahme eines Frühstücks nimmt der
Insulinspiegel zu, das senkt die Lipolyse im Fettgewebe und folglich
den Fettsäurespiegel (bis unter 0,1 mM). Der NEFA-Spiegel schwankt
also wesentlich stärker als der des Blutzuckers.
Die relativ niedrigen Serumwerte (im Vergleich zu Glucose: 4-5 mM)
dürfen nicht darüber hinwegtäuschen, dass Fettsäuren eine wichtige
Energiequelle für den Organismus darstellen - sie werden sehr rasch
umgesetzt (vor allem von Muskel- und Leberzellen).
Im Blutplasma sind Fettsäuren hauptsächlich an Albumin angelagert; dennoch werden sie rasch umgesetzt, ihre Halbwertszeit im Blutplasma beträgt nur wenige Minuten. Je mehr Fettsäuren die Adipozyten abgeben und je höher ihre Konzentration im Blut ist, desto rascher werden sie umgesetzt (angebotsorientierter Metabolismus).
An Chylomikronen oder VLDL-Partikel gebundene Triglyzeride werden ebenfalls rasch umgesetzt (Halbwertszeit 5-10 Minuten), andere Triglyzeride verweilen über mehrere Stunden im Kreislauf (Triglyzeridkonzentration im Plasma individuell sehr unterschiedlich, Richtwert ~1 mM, nach nächtlichen Fastenperioden ~0,5 mM).
Nahrungsfette liegen fast ausschließlich in der Form von Triglyzeriden
vor; ihre Resorption erfolgt viel langsamer als die von Zucker oder
Aminosäuren. Sie werden in Chylomikronen eingelagert (die über die
Lymphe abtransportiert werden und an der Leber vorbei in den Kreislauf
gelangen), diese trüben das Plasma einige Stunden nach der
Nahrungsaufnahme sichtlich ein (milchiges Aussehen). Die Konzentration
an Neutralfetten im Plasma kann bis auf ~2
mM ansteigen (in Chylomikronen bis auf 0,4 mM). Hauptabnehmer der
Triglyzeride sind dann Fett- und Muskelgewebe (beide exprimieren Lipoproteinlipase,
deren Aktivität durch Insulin angeregt wird) - Fettzellen speichern,
Skelett- und Herzmuskelzellen oxidieren die aufgenommenen Fettsäuren ( Abbildung).
In beiden Fällen werden die aufgenommenen Fettsäuren durch zelleigene
Fetttröpfchen geroutet, bevor sie vom oxidativen System utilisiert
werden.
Kohlenhydrate
stammen einerseits aus der Nahrung
(postprandial ), andererseits fallweise aus körpereigenen Glykogenreserven (Glykogenolyse) und auch aus glucoplastischen
Aminosäuren (postresorptiv, Hungerstoffwechsel). Bei hoher Glucoseverfügbarkeit bildet der Körper Glykogenreserven (Glykogensynthese), bei Bedarf baut er diese wieder ab (Glykogenolyse).
Abbildung: Glucosemetabolismus im Nüchternzustand (postdigestiv)
Nach einer Vorlage in Frayn / Evans, Human Metabolism - A Regulatory Perspective, 4th ed. Wiley Blackwell 2019
Die Zahlen beziehen sich auf eine etwa 65 kg schwere Person. Das Gehirn oxidiert die Glucose vollständig tzu CO
2.
Die an Muskulatur, Fettgewebe und andere Gewebe (die auch Fettsäuren
verbrennen) gehende Glucose wird zum Teil oxidativ abgebaut, zum Teil
recycelt.
Im
Cori-Zyklus "sendet" die Leber
Glucose an arbeitende Muskeln sowie an Erythrozyten, die wiederum
Lactat an die Leber zum Zweck der Gluconeogenese "retournieren" -
wodurch Lactacidose verhindert werden kann, Glucose neu gebildet wird
und NADH (über Lactatdehydrogenase) regeneriert wird.
Zum Muster in der digestiven Phase s.
dort
Glucosepool: Das Blut und extrazelluläre Flüssigkeiten verfügen über einen begrenzten Glucosevorrat:
Der Blutzuckerspiegel beträgt etwa 5 mM, bei z.B. 13 l
extrazellulärer Flüssigkeit (interstitiell und Blutplasma) sind das
rund 12 Gramm.
Erwachsene Personen
verstoffwechseln (glykolytisch) in 24 Stunden mindestens 200 g Glucose, die nicht immer aus Resorption im Darm zur Verfügung steht. Daher ist insbesondere in Nüchternphasen Gluconeogenese (Neubildung von D-Glucose aus Vorstufen wie Pyruvat oder
Oxalacetat) erforderlich. Dabei werden - im Zytoplasma als auch in Mitochondrien - Phosphatbindungen
(aus ATP und GTP) hydrolysiert, um aus zwei Molekülen Pyruvat ein
Molekül Glucose zu bilden.
Die Gluconeogenese erfolgt zu 90% des Körperbedarfs in der Leber, die dazu ihren Glykogenvorrat, aber auch andere Substrate (wie Lactat, Pyruvat, Alanin
- vor allem aus der Muskulatur) gluconeogenetisch nützen kann ( Abbildung), zu 10% in Dünndarm und Nieren. Hauptabnehmer sind Gehirn (Verbrauch 5-6 g/h), arbeitende Muskulatur, Erythrozyten und Nieren.
Die Muskulatur kann aus ihrem Glykogenvorrat (im
Gegensatz zur Leber) auf direktem Wege nichts zum Auffüllen des
extrazellulären Glucosepools beitragen, da sie keine Glucose-6-Phosphatase exprimiert. Indirekt kann sie das aber doch:
Durch Lactat, das beim anaeroben Glucoseabbau anfällt (Lactazidose bei
erschöpfender Muskelarbeit) und von der Leber für Gluconeogenese
genutzt werden kann.
Zufuhr in den, und Abtransport aus dem Glucosepool stehen unter hormoneller Kontrolle (Insulin, Glucagon usw.) in einer Weise, die den Blutzuckerspiegel im Normbereich halten soll. Der Gehirnstoffwechsel
ist ein exklusiver Verbraucher des Glucosemetabolismus, er saugt auch
bei niedrigem Blutzuckerspiegel - der Zucker für andere Verbraucher
unerreichbar macht - Glucose für seinen Bedarf ab.
Obligat glucoseabhängig sind das
Gehirn (kein Zugang für Fettsäuren über die Blut-Hirn-Schranke), das
Nebennierenmark,
Erythrozyten (keine Mitochondrien) und Fibroblasten.
Regulation der Gluconeogenese: Diese erfolgt durch Einfluss auf involvierte Enzyme,
sowohl über Hormone als auch über Teilnehmer des metabolischen Ablaufs.
Gluconeogenese wird vor allem bei niedrigem Blutzuckerspiegel und
geringen hepatischen Glykogenreserven aktiviert.
Gluconeogenese wird
angeregt durch Glucagon, Cortisol, Thyroxin; Citrat, Acetyl-Coenzym A
Gluconeogenese wird
inhibiert durch ADP, AMP, Fructose 2,6-Biphosphat
Abbildung: Aminosäuren
Nach einer Vorlage in Campbell / Urry / Cain /
Wasserman / Minorsky / Orr: Biology, A Global Approach, 12th ed.
Pearson Education Ltd 2021
Carboxy-
und Aminogruppen in ionisierter Form gezeigt (üblich bei einem pH von
7,2 in typischen Zellen). Nonpolare Seitengruppen verhalten sich
hydrophob, andere sind wasserlöslich. Saure Aminosäuren haben negativ
geladene, basische positiv geladene Seitenketten
Der Aminosäurepool dient in erster Linie dem Eiweißaufbau. Bei niedrigem Blutzuckerspiegel allerdings können einige (glucoplastische) Aminosäuren für Gluconeogenese herangezogen werden (insbesondere Alanin,
das in Pyruvat verwandelt werden kann - wie auch Lactat). (Zur
Gluconeogenese wird auch Glycerin genutzt, das aus dem Abbau von Fetten
bezogen werden kann.)
Der Aminosäurepool wird einerseits durch "neues" Eiweiß aus der Ernährung gespeist (~100 g/d), etwa dieselbe Menge wird oxidativ abgebaut (dabei entstehen CO2, Harnstoff, NH3, die ausgeatmet bzw. ausgeschieden werden) - beides entspricht einem Umsatz von ~16 g Stickstoff pro Tag und liefert 10-20% der benötigten Stoffwechselenergie des Körpers; andererseits werden von den rund 10 kg körpereigenem Protein täglich ~300g
ab- und wieder aufgebaut. Einige der Aminosäuren aus dem "Pool" werden
zur Synthese von Hormonen und Nukleinsäuren benötigt; sehr wenig an
Aminosäuren geht nach außen verloren (etwa 2 g/d im Stuhl, ~0,5 g/d mit Hautschuppen).
Die Konzentration freier Aminosäuren unterscheidet sich in der intra-
vs. extrazellulären Flüssigkeit, meist intrazellulär höher als
extrazellulär, wie die folgenden Beispiele zeigen (intrazellulär
gemessen an schockgefrorenen Muskelbiopsieproben):
Konzentration freier Aminosäuren
in Blutplasma vs. Muskelzellen
Werte (teils gerundet) aus Bergström J,
Fürst P, Norée LO, Vinnars E: Intracellular free amino acid
concentration in human muscle tissue. J Appl Physiol 1974; 36: 693-7 |
Aminosäure
|
Plasma, mM
|
Intrazellulär, mM
|
Konzentrations-
verhältnis I:P
|
Glutamin
|
0,57
|
19,5
|
34:1
|
Glutamat
|
0,06
|
4,4
|
73:1
|
Alanin
|
0,33
|
2,3
|
7:1
|
Serin
|
0,12
|
1,0
|
8:1
|
Asparagin
|
0,05
|
0,5
|
10:1
|
Die Leber nimmt verzweigtkettige Aminosäuren (Valin, Leuzin, Isoleuzin) aus der Nahrung (hier stellen sie ~20% der resorbierten Aminosäuren) - im Gegensatz zu anderen - nicht auf, sondern gibt sie an den Kreislauf weiter (vor allem die Muskulatur braucht sie), sodass ihr Anteil nach der Leberpassage ~70%
aller resorbierten Aminosäuren ausmacht. Ihre Aufnahme in die
Muskelzellen entspricht der Plasmakonzentration (als essentielle
Aminosäuren können sie nicht aus anderen synthetisiert werden), und sie
werden teils transaminiert, teils oxidiert (Energiequelle).
Verzweigtkettige Aminosäuren regen die Eiweißsynthese an und hemmen die
Proteolyse.
Zwei weitere Aminosäuren stechen mengenmäßig hervor: Alanin und Glutamin verlassen Muskelzellen - vor allem postresorptiv
- in hohem Ausmaß und werden von der Leber aufgenommen - viel mehr, als
es ihrem Anteil im Muskelgewebe entspricht. Das deutet auf spezifische
Stoffwechselwege für individuelle Aminosäuren hin. Der Glucose-Alanin-Zyklus exportiert Stickstoff aus dem Muskel zwecks Entgiftung zur Leber (dabei
entstehen Harnstoff und Glucose). Glutamin ist u.a. ein wichtiger
Brennstoff für mitotisch aktive Zellen; die Nieren können es
desaminieren (dabei entstehen Glutamat und Oxoglutarat). Glutamin wird
weiters im Darm zu Citrullin umgebaut, dieses gelangt über den
Kreislauf zu den Nieren, die daraus Arginin machen, welches weiter zur
Leber gelangt (Proteinsynthese, Harnstoffzyklus, Energiegewinnung).
Über den Glucose-Alanin-Zyklus s. dort
Verzweigtkettige und aromatische Aminosäuren (Phenylalanin, Tyrosin, Tryptophan, Histidin) werden über natriumunabhängige, andere über natriumabhängige Aminosäuretransporter der SLC (solute carrier) -Familie
in die Zelle befördert. Solche Transporter spielen insbesondere an
Epithelien eine Rolle, die Aminosäuren resorbieren, wie in der Niere (Tubulusepithel) oder im Dünndarm (Enterozyten).
All diese Speichersubstanzen können im Metabolismus in mehreren Stufen für die Energiegewinnung utilisiert werden:
Abbau zu kleineren Bruchstückmolekülen
Umwandlung in Acetyl-Coenzym A (AcCoA) als gemeinsames "Brennstoffmolekül"
Vollständige Oxidation des AcCoA zu CO2 und H2O im Citratzyklus, Gewinnung von ATP
Das komplex (aus Pantothensäure, ATP und Cystein) aufgebaute Coenzym A
(CoA) entsteht im Rahmen des Abbaus von Kohlenhydraten, Fettsäuren und
Aminosäuren. CoA baut energiereiche Thioesterbrücken mit Acylgruppen
(z.B.
Fettsäuren) auf. Aktivierung solcher Gruppen erleichtert verschiedene
Reaktionen: Redox, Kondensierung, Transacylierung. CoA
wird für zahlreiche metabolische Funktionen benötigt, inklusive die
Synthese von Fettsäuren, Cholesterin, Steroiden, Ketonkörpern u.a.
Die Acetylierung von CoA zu Acetyl-Coenzym A(AcCoA)
ist durch diejeweilige C-Quelle bestimmt. Sie erfolgt sowohl außerhalb
als auch in Mitochondrien beim Abbau von Kohlenhydraten (via Glucose
und
Pyruvat), Lipiden (via Fettsäuren) und Proteinen (via die Aminosäuren
Lysin, Leucin, Isoleucin, Phenylalanin / Tyrosin, Threonin / Glycin,
Tryptophan / Alanin). Die gewonnene Energie wird durch Oxidation von
AcCoA freigesetzt, dabei entsteht ATP und CO2.
Proteine im Körper (10-15 kg, davon ~5 kg in der Skelettmuskulatur) repräsentieren
einen Energievorrat von ungefähr 200 MJ, der aber nur sehr beschränkt
und nur unter funktionellem Verlust zum Zweck der Energiegewinnung
mobilisierbar ist. Tatsächlich sind es vorwiegend kontraktile Filamente
(Aktin, Myosin), die im chronischen Hungerzustand zur Mobilisierung von
Aminosäuren zwecks ATP-Synthese herangezogen werden. Ist etwa die
Hälfte davon abgebaut, zeigt sich die Atemmuskulatur bereits kritisch
geschwächt.
Die folgende Tabelle informiert über den Proteinumsatz verschiedener Gewebe / Organe und deren Anteil an der Eiweißbilanz des gesamten Körpers:
Proteinumsatz (erwachsene Person)
nach Frayn / Evans, Human Metabolism - A Regulatory Perspective, 4th ed. Wiley Blackwell 2019
|
Organ
|
% täglich erneuert
|
Synthese (g/d)
|
Anteil am Protein-
umsatz des Körpers (%)
|
Körper
|
3
|
300
|
(100)
|
Skelettmuskel
|
2
|
120
|
41
|
Leber
|
7-10
|
80
|
25
|
Dünndarm
|
4
|
70
|
23
|
Dickdarm
|
7
|
8
|
3
|
Nieren
|
5
|
3
|
1
|
Herz
|
2
|
1
|
0,4
|
Man erkennt, dass jeden Tag 3% des
Proteinpools des Körpers erneuert werden - am raschesten in
Verdauungssystem (Leber bis 10%) und Nieren (5%), Muskelgewebe (40% der
Körpermasse) zu 2%.
Mehr über den Proteinpool s. dort
Wie Stoffwechselenergie gewonnen wird
Für Wachstum, Differenzierung, Bewegung,
Strukturerhaltung, Kontraktion, Sekretion, Abwehr, elektrische
Phänomene usw. benötigen Zellen Energie. Dazu werden kohlenstoffhaltige Substratmoleküle
oxidiert, um thermodynamisches Potential - chemisch verfügbare "freie"
Enthalpie ("Gibbs-Energie" G) - zu gewinnen.
Als freie Energie (Gibbs-Energie G)
bezeichnet man denjenigen Anteil der Energie eines Systems, der zur
Erbringung einer Arbeit genutzt werden kann. ΔG
- die Veränderung an freier Energie - ist die Differenz zwischen G
des/der Produkts/Produkte und des/der Substrats/Substrate einer
Reaktion. Die Geschwindigkeit der Reaktion hängt nicht von ΔG, sondern vom (die Reaktion katalysierenden) Enzym ab.
Nutzt man sie (z.B. für
eine chemische Reaktion), nimmt [G] (d.h. die Enthalpie im System) ab (negativer Betrag von ∆G). Spontane Abläufe senken den Betrag an freier Energie im System. Prozesse mit positivem ∆G laufen niemals spontan ab; soll eine Reaktion ablaufen, muss das System freie Energie abgeben.
Abbildung: Energiebilanz
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Die Summe der
aufgenommenen Energie (Input) ist gleich der Summe an im steady state
verbrauchter (Output), freier, sowie zusätzlich gespeicherter und für
Wachstumsprozesse konsumierter Energie
Im Energiestoffwerhsel der Zelle geht es um den Transfer von Elektronen: Wird ein Stoff oxidiert, verliert er Elektronen, wird er reduziert, nimmt er Elektronen auf und erhält damit einen höheren
Energiestatus. Dabei geht es zu wie bei einer Tauschbörse: Da das Elektron jeweils von einem "Donor" auf einen "Akzeptor"
übertragen wird, erfolgen Oxidation und Reduktion gleichzeitig (man
spricht von Redox-Reaktionen).
Redox-Reaktionen
sind die wichtigste Klasse biochemischer Reaktionen (Bio-Oxidationen
verschaffen das größte Ausmaß an Energie für den aeroben Stoffwechsel).
Die Energie wird frei, wenn Elektronen von Substratmolekülen über die
mitochondrielle Elektronentransportkette (entlang eines Redox-Potentials) auf Sauerstoff übertragen wird. Die freigesetzte Energie wird anschließend verwendet, um H+
über die innere Mitochondrienmembran zu befördern. Der entstehende
Protonengradient treibt die Phosphorylierung von ADP zu ATP an.
Energiereiche Substrate haben verfügbare Elektronen -
in Assoziation mit C-H-Bindungen, die man als reduzierten
(elektronenreichen) Kohlenstoff sehen kann. Im Energiestoffwechsel können sie Elektronenakzeptoren reduzieren (auf
den sie ihre Elektronen übertragen und dabei selbst oxidiert werden).
Kohlenstoff wird dabei letztlich vollständig oxidiert - zu CO2, und Wasserstoff zu H2O. Sauerstoff ist der ultimative Elektronenakzeptor, z.B. bei der Reaktion
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6 H2O
Sauerstoff als Elektronenakzeptor wird benötigt, um einen
ausreichenden Elektronentransfer von energiereichen Verbindungen zu
gewährleisten. Fette sind viel stärker reduziert (und enthalten mehr
energiereiche Elektronen) als z.B. Kohlenhydrate (deren
Kohlenstoffatome zum Teil oxidiert sind), daher sind sie auch
energiereicher. Die energietragenden Elektronen werden von Fett-,
Kohlenhydrat- oder Aminosäuremolekülen allerdings nicht direkt auf
Sauerstoff übertragen - eine solche Reaktion ist zu energiehaltig und
wäre weder kontrollier- noch nutzbar -, sondern über mehrere Stufen auf
Zwischenträger - also eine Kette von Redox-Reaktionen.
Als Elektronenüberträger fungieren die Coenzyme NAD+ (oxidiertes Nikotinamid- Adenin- Dinukleotid), NADP+
(oxidiertes Nikotinamid- Adenin- Dinukleotid- Phosphat) und FAD
(Flavin- Adenin- Dinukleotid). Diese können Elektronen (in der Form eines
Hydridions H-: ein Wasserstoffatom mit einem Extra-Elektron)
aufnehmen, dabei werden sie reduziert (und energiereicher) und es
entsteht NADH, NADPH und / oder FADH2.
Anschließend geben sie das Elektron an einen nächsten Reaktionspartner
weiter, bis schließlich Sauerstoff selbst reduziert wird (und Wasser
entsteht: "Oxidationswasser", etwa 0,3 l/d).
Als Redox-Potential einer Zelle
bezeichnet man das Verhältnis der reduzierten (energiereichen) zur
oxidierten (energiearmen) Form der Elektronenüberträger, z.B. [NAD+]/[NADH] oder [NADP+]/[NADPH]. Dies läßt die energetische "Aufladung" der Zelle abschätzen - nicht nur das Phosphorylierungspotential ([ATP]/]ADP], [ATP]/]AMP]. Der zelluläre Energiestatus ist also einerseits durch die Konzentration an ATP, andererseits an NADH, NADPH und FADH2 bestimmt.
ATP wird von den Zellen insbesondere durch die Atmungskette ständig nachgebildet. Man hat errechnet, dass jedes ATP-Molekül (eine typische Zelle verfügt über ~109
davon) pro Tag einige tausend Mal phosphoryliert / hydrolysiert wird
(Recycling; neu werden ATP-Moleküle nur synthetisiert, wenn dies
notwendig ist). Zellen bilden gerade so viel ATP, wie im Stoffwechsel
verbraucht wird; ATP-Speicher werden nicht angelegt (nur Creatinphosphat im Muskel). Deshalb
kann Sauerstoffmangel auch sehr rasch zu Energieengpässen führen - und
es werden alternative Wege zur Energiegewinnung beschritten (anaerob ..
weniger effizient).
Anaerob kann Glucose bis auf die Stufe von Pyruvat abgebaut werden (Glykolyse).
Dies erfolgt durch die Wirkung von Enzymen im Zytoplasma, Mitochondrien
sind nicht nötig. Der übliche Pfad der Glykolyse wird als
Embden-Meyerhof-Weg bezeichnet. Dabei unterscheidet man eine Phase, in
der ATP konsumiert wird (investment phase) von derjenigen, in der mehr ATP entsteht als verbraucht wird (yield phase).
Der erste Schritt ist die Phosphorylierung von Glucose zu "aktivem"
Glucose-6-Phosphat (durch Glucokinase in der Leber oder Hexokinase in
anderen Geweben) - dadurch bleibt die zytoplasmatische
Glucosekonzentration niedrig (Erhaltung des extra/intrazellulären
Konzentrationsgradienten). Anschließend erfolgt der Abbau zu C3-Körpern
(Sauerstoff wird dabei nicht benötigt, und es entsteht kein CO2).
Aerob gewonnene ATP-Ausbeute
ist wesentlich ergiebiger als anaerob erzeugte (der aerobe Abbau von 1 mol Glucose bringt ungefähr 28 mol ATP - theoretisch möglich wären bis zu 38 mol, aber die metabolische Kopplungseffizienz (coupling efficiency) ist deutlich geringer als 100%. Mitochondrien spielen dabei eine tragende Rolle. Fettsäuren können nur
aerob (also unter O2-Verbrauch) genutzt werden; Kohlenhydrate sowohl aerob als auch anaerob, was aber nur kurzzeitig
funktioniert (Spitzenbelastung von Skelettmuskeln), da einerseits die
Energieausbeute gering ist, andererseits Lactat entsteht und den
Säure-Basen-Haushalt belastet.
Fettsäuren können von Erythrozyten (keine Mitochondrien) und Nierenmark nicht utilisiert
werden - auch nicht vom ZNS, denn die Blut-Hirn-Schranke verhindert ihren
Austritt aus dem Kreislauf in das Hirngewebe. Fettsäuren sind eine Hauptenergiequelle für Muskeln, Niere (Rinde) sowie manchmal auch die Leber.
Abbildung: Verknüpfung von Stoffwechselwegen
Der
enzymatische Abbau von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen führt
zunächst bis zur Stufe der aktivierten Essigsäure (Acetyl-Coenzym A, Abbildung).
Die Substrate stammen entweder aus der Nahrung
(postprandial) oder aus Zellen, die energiereiche Moleküle zur
Verfügung stellen (vor allem Leber und Fettgewebe).
Um energiereiche Moleküle in die Zelle zu transportieren und hier zu verwerten, benötigt diese entsprechende
Transporter - teils membran-assoziierte, teils intrazelluläre (organellen-assoziierte) - sowie
Enzyme und
Cofaktoren, welche den zügigen Ablauf der erforderlichen Interkonversionen innerhalb metabolischer Wege ermöglichen.
Schlüsselfaktoren in diesen Stoffwechselpfaden werden durch
Hormone, aber auch Energiesensoren und Metabolite reguliert. Dadurch sind die Abläufe stabilisiert und dem jeweiligen Bedarf angepasst.
Regulatorische Haupt-Angriffsorte sind Leber (Fett-, Kohlenhydrat-, Proteinstoffwechsel), Skelettmuskel (Energieverbrauch) und Fettgewebe (Energiespeicherung).
Die meiste Energie wird im Rahmen des Citratzyklus gewonnen; dazu bedarf es der Mitochondrien ,
welche die dazu nötigen Enzme enthalten. Zellen ohne Mitochondrien
(Erythrozyten) sind dazu nicht in der Lage; sie decken ihren
Energiebedarf ohne Sauerstoff (anoxidativ = anaerob - scheinbar paradoxerweise, da sie ja Sauerstoff transportieren),
indem sie anaerobe Glykolyse
nutzen.
Anaerobe Glykolyse läuft vollständig im Zytoplasma ab, während der oxidative
Weg auch Mitochondrien benötigt - über welche Erythrozyten nicht
verfügen. Dabei entsteht aus
Pyruvat (Salz der Brenztraubensäure) Lactat (Salz der Milchsäure), die von Erythrozyten (mittels eines Carboxylattransporters) an das Blut abgegeben
wird.
Diesen "sidestep" der Glykolyse bis zum Lactat nutzen z.B. auch
Skelettmuskelzellen, wenn sie vorübergehend mehr ATP verbrauchen als
von arterieller Versorgung bzw. oxydativem Abbau nachgeliefert werden
kann (z.B. zu Beginn einer intensiven Muskelbelastung). Muskelzellen,
die nicht oxidativ überfordert sind, können Lactat wiederverwerten. Die
Leber wandelt Lactat in Glucose um, die wiederum zur Deckung des
allgemeinen Energiebedarfs verwendet wird (Cori-Zyklus).
Staut sich Lactat im Blut zurück, belastet es den Säure-Basen-Haushalt (metabolische Azidose).
Zur Veränderung des Lactatspiegels im Blut durch körperliche Belastung s. dort
Die Aufgabe der Mitochondrien
Abbildung: Aerobe Glykolyse und Mitochondrien
Nach einer Vorlage bei nature.com/scitable
Acetyl-Co
A aus dem Abbau von Glucose (Glykolyse) betritt den Krebs-Zyklus
(Citratzyklus) in den Mitochondrien, wo der Elektronentransport (NADH,
FADH2) Energie freisetzt. Diese wird genutzt, um
Wasserstoffionen in den Intermembranraum (zwischen innerer und äußerer
Mitochondrienmembran) zu pumpen. Der entstandene elektrochemische Gradient treibt die ATP-Synthese an
Signaltransduktion, Speicherung von
Ca
++ und Beeinflussung des Membranpotentials der Zelle: Mitochondrien sind in der Lage,
Ca++ rasch zwischenzuspeichern
- ein Wechselspiel mit dem endoplasmatischen Retikulum: Mittels eines
Uniporters an der inneren Mitochondrienmembran nimmt die Matrix Ca
++ auf und kann sie dann über einen
Na+-Ca++-Austauscher
wieder abgeben. Entsprechend reagiert das Membranpotential, was
second-messenger-Proteine aktiviert und zu Freisetzung von Hormonen
oder Neurotransmittern führen kann
Informationsverarbeitung
(mitochondriale
DNA: 13 Gene für Teile der Atmungskomplexe I, III, IV und V, 22 für mitochondriale tRNA, 2 für rRNA. Jedes
Mitochondrium kann 2 bis 10 Kopien ihrer DNA enthalten
Beteiligung an
der Steroidsynthese (Mitochondrien in steroidproduzierenden Zellen haben röhrenförmige innere Membranen)
Hämsynthese (Protoporphyrinogen → Protoporphyrin → Häm; dieses wird aus dem Mitochondrion ins Zytoplasma exportiert)
Zelldifferenzierung und Zelltod
(
Apoptose).
Bei der Energiegewinnung über den Krebs-Zyklus (Citratzyklus, tricarboxylic acid cycle TCA) passiert Folgendes:
1) Beim Abbau des Acetyl-Coenzyms A werden
Wasserstoffatome generiert, die über reduzierte Coenzyme (NADH, FADH
2) zur Elektronen-Transportkette der Mitochondrien transportiert werden, wo ATP generiert wird;
2) Wasserstoff
wird in der Atmungskette über das Elektronentransportsystem der
Zytochrome oxidiert (es entsteht H
2O, NAD
+ und FAD), wobei
Energie auf ATP übertragen wird.
ATP treibt Synthesevorgänge,
Transport (Ionenpumpen) und Bewegung (Kontraktion) an.
Abbildung: Citratzyklus
Nach einer Vorlage in
Campbell / Urry / Cain / Wasserman / Minorsky / Orr: Biology, A Global
Approach, 12th ed. Pearson Education Ltd 2021
Alle Enzyme des Citratzyklus befinden
sich in der Matrix der Mitochondrien, außer der Succinat- Dehydrogenase
(Reaktion #6), diese befindet sich an der inneren Membran der
Mitochondrien
Der
Citratzyklus fungiert als "metabolischer Ofen", der - von Pyruvat
ausgehend - Substrate unter Gewinnung von Energie metabolisiert. Ein
Zyklus produziert 1 mol ATP (pro mol Pyruvat) durch Phorphorylierung
von ADP (Reaktion #5), Abbildung), vor allem aber wird Energie auf NAD+ und FAD übertragen (hierher wandert der Großteil der gewonnenen Energie). Die reduzierten Coenzyme NADH und FADH2 versorgen die mitochondrielle Transportkette mit energietragenden Elektronen.
Der Citratzyklus trägt auch den Namen "Krebs-Zyklus" (auch Tricarbonsäurezyklus, Szent-Györgyi-Krebs-Zyklus). Hans
A. Krebs war ein deutsch-britischer Mediziner und Biochemiker, der in
den Dreißigerjahren (20. Jh.) als erster die Oxidation von Pyruvat über
den Citratzyklus im Metabolismus der Zelle beschrieb. Er erhielt 1953
den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für seine Arbeiten über
metabolische Abbauwege.
Wirkungsgrad: Verbrennt man 1
mol Glucose, werden 686 Cal Energie frei. Im Zellstoffwechsel liefert
die aerobe Oxidation von 1 mol Glucose 38 mol ATP, das entspricht 277
Cal (38 x 7,3 Cal), der Rest geht als Wärme
verloren (diese "Verlustwärme" kann zur Regulierung der
Körpertemperatur verwendet werden). Somit beträgt der Wirkungsgrad der
biologischen Oxidation ~40% (277 / 686).
Dieser Wirkungsgrad kann durch diverse Mechanismen reduziert werden, z.B. durch "uncoupling proteins"
(Entkopplung des Elektronentransports in den Mitochondrien, Abbildung),
Amphetamine, Nikotin oder Koffein, was zu verstärkter Wärmebildung
führt (die ATP-Ausbeute nimmt dabei ab).
Der
Wirkungsgrad der ATP-Synthese wird durch den Protonen-shunt der
uncoupling proteins (UCP) verringert. Dadurch wird die Effizienz der
Übertragung von Energie auf Moleküle verringert, die Thermogenese verstärkt.
UCP's lassen sich durch Leptin, Katecholamine oder Schilddrüsenhormone induzieren
Die ATP-Synthese findet an der inneren Mitochondrienmembran statt - mittels Enzymen der Atmungskette, die H
+ (von NADH und FADH) aus der inneren Matrix in den Intermembranraum pumpen, einen H
+-Gradienten aufbauen und die Rückdiffusion zum Betreiben der ATP-Synthase nutzen:
Aus ADP und Phosphat entsteht ATP.
Ist
genügend Sauerstoff verfügbar, erfolgt über Pyruvat und das
Acetyl-Coenzym A in den Mitochondrien der Anschluss an den
Citratzyklus. Dieser hat eine zentrale Position: Er stellt eine
biochemische “Kreisschaltung” im Zentrum energieliefernder Reaktionen
dar.
Mit zunehmendem (oxidativem) Energieumsatz steigt auch die
Mitochondriendichte der Zelle - diese kann die metabolische
Ausdauer z.B. einer Muskelzelle bestimmen. Mitochondrien können nicht nur neu gebildet (
Biosynthese) und abgebaut werden (
Mitophagie),
sie können auch verschmelzen oder sich aufspalten (
Abbildung),
wodurch sich ihre Zahl bzw. ihr Volumen je nach metabolischen
Anforderungen in der Zelle dynamisch anpassen kann.
Abbildung: Dynamik der Mitochondrienzahl und -größe
Nach Seo AY, Joseph AM, Dutta D, Hwang JCY, Aris JP,
Leeuwenburgh C: New insights into the role of mitochondria in aging:
mitochondrial dynamics and more. J Cell Sci 2010; 123: 2533-42
Das Bild zeigt Möglichkeiten der
mitochondriellen Fusion, Spaltung, Biogenese und Degradation. Solche
Vorgänge spielen sich bei der Anpassung der Mitochondriendichte an den
jeweiligen Bedarf ab. Neubildung,
Verschmelzung und Spaltung adaptieren
Zahl und Volumen von Mitochondrien (z.B. bei Teilung
oder Wachstum).
Legen sich kappenförmige Membranausstülpungen (Phagophoren) um die
abzubauenden Mitochondrien, werden sie so für die Mitophagie markiert
Acetyl-Coenzym A
ist u.a. auch die Ausgangsstelle zur Synthese des Cholesterins, aus dem
Steroidhormone und Gallensäuren gebildet werden können.
Cholesterin ist ein essentieller Bestandteil von Zellmembranen, es wird im Körper zum Großteil (~90%) neu synthetisiert
(1-2 g/d beim Erwachsenen - über Acetyl-CoA, Mevalonsäure, Squalen,
Lanosterin, insgesamt rund 20 enzymatische Stufen, ein beträchtlicher
metabolischer Aufwand), ein kleinerer Teil aus der Nahrung aufgenommen
(maximale Resorptionskapazität ~0,5 g/d). Für die Biosynthese des Cholesterins wird Sauerstoff benötigt
(Mitochondrienmembranen enthalten kaum Cholesterin).
Täglich
werden ~0,5 Gramm Gallensäuren in den Darm sezerniert, etwa 50 mg/d
ausgeschieden, ~90% rückresorbiert (enterohepatischer Kreislauf).
Zu Cholesterin s. auch dort.
Wie für die
Fettsäuresynthese kann hier der Pentosephosphatweg benutzt werden.
Dieser
im Zytoplasma ablaufende Vorgang ist eine alternative Möglichkeit der
Zelle zur Metabolisierung von Glucose. Statt Pyruvat, ATP und NADH
produziert er den Elektronentransporter (reduziertes Coenzym) NADPH
sowie die Pentose Ribulose 5-Phosphat. Die meisten Zellen nutzen diesen Mechanismus, vor allem aber Leber- und Fettzellen (Fettsynthese).
Ribulose 5-Phosphat liefert den Kohlenhydratbaustein für die Synthese von Nukleotiden.
NADPH ist unverzichtbar für sie Synthese u.a. von Fettsäuren und Steroiden. Es verleiht Zellen auch antioxidativen Schutz gegen Oxidantien / bei Infektionen.
Wofür wird Stoffwechselenergie benötigt?
Bei geringer Muskelbelastung setzt eine Erwachsener täglich 7-10 MJ Energie um (~30 Cal/kg
Körpergewicht). Bei Stresseinwirkung, stärkerer
Muskelbelastung oder verschiedenen Erkrankungen (Postaggressionsstoffwechsel) steigt diese Zahl an und kann mehr als das Doppelte
erreichen.
Abbildung: Energiehaushalt
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Im
Gleichgewicht entspricht die Energiezufuhr (links) dem Energieverbrauch
für verschiedene laufende Mechanismen - Bewegung, Synthese und Abbau,
Signalübertragung, Wärmebildung (Mitte) plus der Investition in
Energiespeicherung und Wachstum (rechts)
Mehr als die Hälfte des Energieumsatzes dient biosynthetischen
Vorgängen, der Erhaltung der elektrophysiologischen Funktion erregbarer
Zellen, dem Transport von Stoffen und Information.
Etwa ein Viertel
wird (im Tagesdurchschnitt unter "normalen" Bedingungen) für
die Kontraktion von Skelett-, Herz- und glattem Muskel konsumiert.
Weiters steigern Verdauung und Verwertung von Nährstoffen den
Stoffwechsel um bis zu einem Zehntel (spezifisch-dynamische Wirkung, thermic effect of food); Abgabe von Harn und Stuhl führt zu einem Energieverlust von einigen Prozent des Gesamtumsatzes.
Der Energieumsatz dient Auf-, Abbau- und
Ausscheidungsvorgängen, der Erbringung mechanischer Arbeit,
Transportvorgängen über Kompartimentgrenzen, Signalübermittlung und Wärmebildung.
Nimmt der Körper mehr Energie auf als er verbraucht, liegt eine
positive Energiebilanz vor und die Masse der Gewebe (z.B. Fettgewebe)
nimmt zu, da Energie in chemischer Form (Glykogen, Fett, Protein)
gespeichert wird. Umgekehrt nimmt die Masse an energiespeichernden Stoffen und damit das Körpergewicht bei negativer Energiebilanz mit Verbrauch von körpereigenen Energiereserven ab.
Unter Ruhebedingungen verbrauchen Organe / Gewebe etwa folgenden prozentuellen Anteil am gesamten Energieumsatz des Körpers:
Gehirn ≥20% (
<
) - Absolutwert physiologischerweise ziemlich konstant
Muskeln ≥20% (
>
) - Absolutwert steigend mit der körperlichen Belastung (bis ~10fach)
Immunsystem ~10% - Absolutwert bei Infektionen stark steigend
Leber ~20%
Nieren ~10%
Myokard ~10% - Absolutwert steigt mit körperlicher Belastung
|
Anteil am Ruhe-
Energieverbrauch
(%)
|
Anteil an der Körpermasse
(%)
|
m
|
f
|
m
|
f
|
Muskeln
|
25
|
20
|
43
|
33
|
Gehirn
|
22
|
26
|
2
|
2,5
|
Myokard
|
10
|
10
|
0,5
|
0,5
|
Leber
|
20
|
22
|
2
|
2,5
|
Fettgewebe
|
4
|
8
|
20
|
37
|
Bei körperlicher Belastung nimmt die Skelett- und Herzmuskulatur einen zunehmend größeren Anteil (bis ~90%) am Gesamtverbrauch in Anspruch ( s. dort), ein herausgefordertes Immunsystem verbraucht ebenfalls zunehmend mehr Energie.
Der Umsatz korreliert mit dem Sauerstoffbedarf, daher kann aus letzterem auf ersteren rückgeschlossen werden (Energieäquivalent).
Der physiologische Brennwert
sagt aus, wie viel Energie beim Abbau (Katabolismus) im Stoffwechsel
pro Gewichtseinheit eines Nahrungsmittels freigesetzt wird. Er beträgt
für
Kohlenhydrate und
Eiweiß 17 kJ/g (4,1 Cal/g)
für
Fette 39 kJ/g (9,3 Cal/g)
Ethanol liefert 7 Cal/g (29-30 kJ/g), hat also einen Brennwert, der näher an Fett als an Zucker oder Eiweiß liegt.
Der Brennwert von Kohlenhydraten und Eiweiß liegt bei ~17, von Alkohol bei ~30, von Fetten bei ~39 kJ/g (4,1 - 7 - 9,3 Cal/g)
|
Es gilt also: Den höchsten Brennwert haben Fette (9,3 Cal/g), gefolgt
von Äthanol (7 Cal/g), schließlich Kohlenhydraten und Proteinen
(jeweils 4,1 Cal/g).
Sollen z.B. 90 g Fett kaloriengleich durch Proteine ersetzt werden, braucht man dazu 200 g Eiweiß.
Über den Begriff Controllable Amount of Energy (CAEN) s. dort
Zur Verbrennung von einem mol Glucose (=180 g) werden rund 134 Liter Sauerstoff benötigt. Das kalorische Äquivalent gibt an, wie viel Energie pro verbrauchter Sauerstoffmenge frei wird ("indirekte Kalorimetrie"). Für Glucose errechnet sich ein kalorisches Äquivalent 21,4 kJ / l O2. Für die Verbrennung von Fetten gilt ein Wert von 19,6, für die Verbrennung von Protein 18,8 kJ/l O2.
Diese Werte sind nicht weit voneinander entfernt, der Anteil der für
die Energiegewinnung verwendeten Substrate ist für die Berechnung daher von untergeordneter Bedeutung, und man kann etwa ein kalorisches
Äquivalent von 5 Cal pro Liter verbrauchten Sauerstoffs annehmen, oder (ebefalls gerundet):
Energieausbeute: ~20 kJ / l O2
(Energieäquivalent)
|
-
letztere Zahl ist insbesondere bei einem hohen Fettanteil am
Energiestoffwechsel (z.B. Ausdauersport) ein sehr guter Annäherungswert.
Fette
stellen die bei weitem ausgiebigste Energiespeicherform im Organismus
dar (Tabelle). Sie werden dann in aller Regel oxidativ und
vollständig abgebaut; es entsteht CO2, das (als Säureanhydrid) abgeatmet
wird, der Säure-Basen-Haushalt wird dabei nicht belastet.
Energiespeicherung
Das metabolische System ermöglicht die geordnete Umsetzung von Stoffen und Energie. Aufbauvorgänge bezeichnet man als anabol, Abbauvorgänge als katabol. Die Aufnahme
von Aminosäuren, Kohlenhydraten, Fetten, Sauerstoff, Elektrolyten, Wasser sowie die Ausscheidung von CO2, Harnstoff und anderen Endprodukten ist
Voraussetzung für das Funktionieren des Stoffwechsels.
Abbildung: Energiespeicher einer gut ernährten erwachsenen Person (typisches Beispiel)
Nach Daten in: Cahill GF, Owen OE, Morgan AP. The
consumption of fuels during prolonged starvation. Adv Enz Regul 1968;
6: 143-50
Das
Blut transportiert - als "Sofortreserve" - nur einen winzigen Anteil
(<0,1%) der Energiereserven, die im Körper verfügbar sind. Der Glucosebedarf kann von ~5 g/kg/d auf ~3 (Hunger) oder (chronischer Hunger) bis ~1 g/kg/d abnehmen. Der Proteinabbau kann bei schwerer Katabolie bis zu 100 g/d betragen.
Die Speicherwerte können sich - z.B. trainingsbedingt - wesentlich von
den in dieser Abbildung gezeigten unterscheiden, insbesondere der Protein- (trainingsabhängig) und Fettspeicher
Mäßige Muskelarbeit
wird energetisch etwa zu 3/4 aus dem Abbau von Fetten betrieben (1/4
aus Kohlenhydraten). Dementsprechend ist die Ausdauer bei dieser
Belastungsform sehr hoch: Bei einer Körperreserve von z.B. 15 kg
Fettgewebe errechnet sich für vollständige Utilisation (theoretisch)
ein Energieangebot von über 140.000 Kalorien, das wäre der Bedarf für
mindestens zwei Monate (erwachsene Person, mäßige Muskelaktivität).
Über den Bedarf an Mineralien, Vitaminen und Spurenelementen s. dort
In die Zellen gelangte Stoffe werden entsprechend der Ausstattung an Enzymen
umgebaut. Es entstehen neue
Substanzen, manche verlassen die Zellen, erscheinen im Blut und können
diagnostische Hinweise auf den Zustand der Zellen geben (z.B. Leberfunktionsindikatoren).
Einige Plasmaproteine (=mobile Eiweißmoleküle im Extrazellulärraum) sind
organspezifische Enzyme, deren Menge etwas über
Schäden des Ursprungsorgans aussagt. Das wird in der Enzymdiagnostik
labordiagnostisch ausgenützt (z.B. Leber- und Muskelschäden, Herzinfarkt).
Nutzbare Energiespeicher im Körper
Nach Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021 |
Stoffgruppe
|
Masse (kg)
|
Energiedichte (kcal/g)
|
Energie (kcal)
|
Glykogen
|
0,7
|
1,5
|
1050
|
Proteine
|
4,9
|
4,3
|
21000
|
Lipide
|
14
|
9,4
|
131600
|
Energiespeicher: Die
folgenden Organe / Gewebe speichern Energie, die im Bedarfsfall für den
Organismus bereitgestellt werden kann:
die
Leber
vor allem in Form von Glykogen (nach Glykogenolyse wird Glucose an das
Blut abgegeben, der Bedarf der Peripherie - vor allem des Gehirns -
kann so im Nüchternzustand für
mehrere Stunden gedeckt werden)
die
Muskulatur
in Form von Glykogen (für den Eigenbedarf) und (im Notfall) Proteinen
(im Hungerzustand werden glukoplastische Aminosäuren von der Leber in Glucose
umgebaut; Überbrückung für
1-2 Tage)
das
Fettgewebe deckt den Energiebedarf des Körpers bei fehlendem Nahrungsangebot für
mehrere Wochen (Neutralfette, aus denen Fettsäuren gewonnen werden können)
Um die Homöostase im Körper zu erhalten, braucht dieser Energie, um
mechanische und chemische Arbeit leisten zu können (Kontraktion und
Bewegung, Synthese, Transport, Konzentrationsgradienten). Diese Energie
wird aus dem Stoffwechsel gewonnen - letztlich durch den Abbau von
Kohlenhydraten, Lipiden, Aminosäuren (Katabolismus). Dabei entstehen einerseits energieärmere Zwischenprodukte (Elektronenübertragung s. oben) und schließlich Endprodukte wie Kohlendioxid, Wasser, Ammoniak; andererseits werden Energieträger wie ATP, NADH, NADPH und FADH2 "aufgeladen" und diese Energie u.a. für die Biosynthese komplexer Moleküle aus Vorläufermolekülen verwendet (Anabolismus; <Abbildung).
Abbildung: Katabolismus und Anabolismus
Nach einer Vorlage in Frayn / Evans, Human Metabolism - A Regulatory Perspective, 4th ed. Wiley Blackwell 2019
Täglich
verbraucht der Organismus einer erwachsenen Person ~500 Gramm
Nährstoffe und ~500 Liter Sauerstoff. Täglich entstehen ~450 Liter
Kohlendioxid, ~0,3 Liter Wasser ("Oxidationswasser") und ~50 Gramm
Harnstoff, Ammoniak und andere Endprodukte. Dabei werden ~10 MJ Energie umgesetzt (körperliche Ruhe, sonst höhere Werte)
Sofern Biomoleküle nicht als eigentliche Endprodukte gelten, kann man sie grob einteilen in
Substrate (Ausgangsstoffe für den
Stoffwechsel) - z.B. Zucker,
Aminosäuren, Fettsäuren, Nukleinsäuren
Zwischenprokukte (z.B. Lactat, Ketonkörper)
Endprodukte des Stoffwechsels (z.B. CO
2, Ammoniumionen, Harnstoff - zur Harnstoffausscheidung
s.
dort)
Spezielle Produkte sind
z.B. Hormone, Transmitter, Mediatoren ("Signalmoleküle"), Wirkstoffe im
Immunsystem (Zytokine, Antikörper, Komplementfaktoren), Gerinnungsfaktoren, Strukturproteine (Kollagen, kontraktile Filamente etc).
So
wird Glucose mit Phosphat verknüpft und dadurch “gefangen” (die
Zellmembran ist für Glucosephosphat undurchlässig). Sie kann zur
Energiegewinnung abgebaut
werden (Glucoseabbau = Glykolyse), oder sie wird zu Glykogen (polymere
Speicherform) oder Glukuronsäure (Lösungsvermittler z.B. von
Gallenfarbstoffen) umgewandelt.
Das Zuckersystem ist weiters (über den
Pentosephosphat-Zyklus) mit der Bildung von Nukleinsäuren, und über das
Glycerinphosphat mit dem Stoffwechsel der Neutralfette (Fettsäuren und
Triglyceriden) verknüpft. Ernähungstherapeutisch
bedeutsame Zuckeraustauschstoffe (Diabetiker!) - Galaktose, Fruktose; Sorbit, Xylit -
umgehen den Glucoseabbau-Mechanismus und münden über eigene Wege in den
Kohlenhydratmetabolismus ein.
Zellen
müssen ihre Energiebilanz den jeweiligen Umständen anpassen: Aufbau von
Nukleinsäuren, Eiweiß, Nukleinsäuren, Zellorganellen. Dazu verfügen sie
über Sensoren ( Abbildung), die in der Lage
sind, die aktuellen Speicher in der Zelle zu messen und - auch
entsprechend der verfügbaren ATP-Konzentration - aufbauende (anabole)
und abbauende (katabole) Vorgänge in Balance zu halten.
Abbildung: Stoffwechselsensoren
Nach einer Vorlage bei White / Harrison / Mehlmann, Endocrine and reproductive physiology, 5th ed. Elsevier 2019
mTORC1 und AMPK
sind zentrale Energie- und Substratsensoren der Zelle. Sie regulieren
zusammen mit Hormonen den Stoffwechsel:
Der Kinasekomplex mTORC
stimuliert anabole Vorgänge wie die Proteinsynthese.
Die Kinase AMPK regt katabole
Vorgänge wie Glykolyse und Oxidation freier Fettsäuren an. Ihre
Aktivität steigt bei körperlicher Belastung (antidiabetogener Effekt).
AMP (Adenosinmonophosphat) ist ein allosterischer Regulator und Agonist für AMPK.
mTORC und AMPK antagonisieren ihre Wirkungen wechselseitig.
Insulin, Ghrelin, Adiponektin
Zwei dieser "master sensors" sind mTORC1 (mammalian target of rapamycin complex 1) und AMPK (AMP-activated kinase):
Der Kinasekomplex mTORC1 ist
zusammengesetzt aus der Kinase mTOR - einem Sensor für Nährstoffverfügbarkeit, Energiegehalt und Redoxstatus der Zelle -
und Begleitfaktoren. Seine Aktivität steht unter dem Einfluss von
Wachstumsfaktoren, Insulin, bestimmten Aminosäuren, mechanischen Stimuli, oxidativem Stress
( Abbildung). TORC regt die Organisation von Ribonukleinsäuren und die Eiweißsynthese an.
Die Aktivität des Enzyms AMPK
tritt in den Vordergrund, wenn die Energiereserven der Zelle niedrig
sind. Es unterstützt die Aufnahme von Energieträgern in Zellen, die es
exprimieren, vor allem in Gehirn, Leber, Muskel- und Fettgewebe. Dabei
erhöht es die Bildung mitochondrialer Enzyme wie Zytochrom C. AMPK
vermittelt u.a. Ketogenese (Leber) und Fettsäureoxidation (Leber,
Muskel), Glucoseaufnahme (Muskel), Triglyceridsynthese und Hemmung der
Lipolyse (Fettgewebe). Angeregt wird seine Aktivität durch körperliche
Belastung, niedrige Sauerstoffverfügbarkeit, und Signalstoffe wie
Ghrelin und Adiponektin ( Abbildung); Leptin und Insulin wirken
inhibierend.
Triglyzeride (Serum): <200 mg/dl
Glucose (Serum)
: 3,3-6,0 mM (60-110 mg/dl)
Nutzung von Glucose: Der Zuckerabbau
erfolgt zunächst bis zur Stufe der Brenztraubensäure (Pyruvat). Bei
Sauerstoffmangel endet die Glykolyse auf dieser Stufe, und es entsteht
- anoxidativ, d.h. ohne Verbrauch von Sauerstoff - Milchsäure (Lactat).
Zu Beginn einer - und bei hoher - Muskelbelastung ist der Energiedurchsatz größer als die
oxidative Nachbildung (Sauerstoffdefizit, "Sauerstoffschuld"); ein Teil der metabolisch benötigten
Energie wird dann aus anaerober Phosphorylierung (bis zur Pyruvat / Lactat-Stufe) gewonnen. Das Lactat belastet die Pufferkapazität der extrazellulären Flüssigkeiten, wird in den Kreislauf ausgespült und senkt den Blut-pH (metabolische Azidose).
Bei nachlassender / beendeter Muskelbelastung stellt sich der
Stoffwechsel nach einer Übergangsphase, in der die "Sauerstoffschuld
zurückgezahlt" und der Speicher an energiereichen Phosphaten in den
Muskelzellen wieder aufgefüllt wird, auf den Ruhezustand zurück. Auch
der Blut-pH normalisiert sich, der Lactat-Überschuss im Blut wird u.a.
vom Herzmuskel entfernt. In der Übergangsphase ist die Herz- und Atemfrequenz so lange erhöht, bis die Ruhe-Basisbedingungen wieder erreicht sind.
Lactat (das Salz der Milchsäure) ist nicht nur ein "Abfallprodukt" des
Stoffwechsels, es kann für Gluconeogenese und Energiegewinnung
verwendet werden und findet Verwendung als Signalmolekül, das u.a. für
Energieregulation, Immunmodulation, Gedächtnisbildung und Wundheilung
eine Rolle spielt.
Abbildung: Lactatwirkungen
Nach Sun S, Li H, Chen J, Qian Q. Lactic Acid: No Longer an Inert and End-Product of Glycolysis. Physiology 2017; 32: 453-63
Lactat fördert Immuntoleranz (anti-inflammatorischer Effekt), Wundheilung,
kontinuierliche ATP-Produktion durch oxidative Phosphorylierung und
Langzeitgedächtnis, und reduziert die lipolytische Aktivität in
Fettzellen.
Lactat wird über ein MCT-System durch die Zellmembran transportiert. Dieses System aktiviert GPR81, das die Adenylatzyklase hemmt und auch alternative Signalwege nützt
GPR81, G-Protein-gekoppelter Lactatligand, hemmt cAMP-Bildung GLUT, Glucosetransporter MCT,
Monocarboxylat-Transporter (12 Transmembrandomänen, befördert u.a. Lactat, Pyruvat und Ketonkörper durch die Zellmembran) PKA, Proteinkinase A
Lactat-Homöostase:
In den Blutkreislauf einer erwachsenen Person gelangen täglich etwa 1500 mmol Lactat - jeweils ein Viertel davon aus Muskulatur, Gehirn und Haut, der Rest aus roten Blutkörperchen und Darm.
Fast zur Gänze entfernt die Leber das Lactat über den Cori-Zyklus (Gluconeogenese) bzw. über oxidative Phorphorylierung (ATP-Synthese, Krebs-Zyklus) - bei Muskelarbeit kann die Lactatverarbeitung durch die Leber mehr als 10-fach ansteigen.
Auch das Myokard kann Lactat für seinen Erergiestoffwechsel nutzen - zu 10-15% bei körperlicher Ruhe, bis zu 30% bei Belastung.
Die Niere
utilisiert in der Rindenzone Lactat für ihren Energiestoffwechsel (das
Mark kann Lactat bilden), es wird zu mehr als 50% für die renale
Gluconeogenese verwendet. Der Anteil des renal gebildeten Blutzuckers
an der Einspeisung von Glucose in den Kreislauf kann von ~10% im
normalen Ruhezustand auf ~40% ansteigen (körperliche Belastung,
Hypoglykämie, längeres Fasten, Adrenalinanstieg).
Lactat (Blutserum, körperliche Ruhe / nüchtern):
Venös 0,5-2,2 mM (4,5-20 mg/dl), arteriell <1,8 mM
vgl. dort
Wie gelangt Lactat durch Zellmembranen? Dazu gibt es verschiedene Transportsysteme (MCTs, monocarboxylate transporters). Einige von ihnen bringen außer Milchsäure auch Ketonkörper durch die Membran. Weiters sind sogenannte Lactatrezeptoren im Spiel, wie das GPR81
(ein Gi-Protein-gekoppelter Rezeptor). Exprimiert werden diese vor
allem von Fett-, aber auch von Muskel-, Leber-, Nerven- und
Tubuluszellen. Lactat kann die Zelle über MCTs verlassen und dabei den
GPR-Mechanismus aktivieren (wobei die cAMP-Bildung absinkt), was wiederum die Lipolyse hemmt und die Fettspeicher schont ( Abbildung).
Nährstoffe werden gebraucht für Biosynthese (Wachstum, Regeneration, Immunabwehr, Sekretion, Strukturerhaltung) und Energienutzung (Transport, Bewegung, Verformung, Energiespeicherung). Bindungsenergie für den Aufbau energiereicher Phosphate (ATP, CP) stammt zum Großteil aus oxidativem Abbau
von Kohlenhydraten und Fetten.
Lipolyse liefert freie Fettsäuren aus der Spaltung
von Neutralfett. Insulin, Glukagon, Adrenalin u.a. stabilisieren den Blutzuckerspiegel. Primärer Glucoseverbraucher ist
das Gehirn, obligat glucoseabhängig sind weiters Nebenniere,
Erythrozyten, Fibroblasten
Zellen bilden ATP nach
Maßgabe des aktuellen Bedarfs, aerob
~20-mal effizienter als anaerob. Abbau von Kohlenhydraten, Fetten,
Proteinen ergibt Acetyl-Coenzym A (auch Ausgangspunkt der Cholesterinsynthese), bei dessen Abbau entsteht H+ (Elektronentransport über Coenzyme NAD+, NADP+, FAD, die Elektronen und damit Energie aufnehmen und zu NADH, NADPH, FADH2
werden: Redox-Reaktion) und wird im mitochondrialen Intermembranraum
angereichert; dieser Protonengradient treibt die ATP-Synthese an (H+-Rückdiffusion durch ATP-Synthase in der inneren Mitochondrienmembran). Die aerobe Oxidation von 1 mol Glucose liefert 38
mol ATP, der Rest geht als Wärme verloren. Der Wirkungsgrad (~40%) kann durch uncoupling proteins in den
Mitochondrien reduziert werden (verstärkte Wärmebildung).
Mitochondrien
können neu gebildet (Biosynthese) und abgebaut werden (Mitophagie),
verschmelzen oder sich aufspalten, wodurch sich Zahl und Volumen
je nach Anforderung ändern; mit
zunehmendem Energieumsatz steigt die Mitochondriendichte
Biosynthetische
Vorgänge, Transport von Stoffen und
Information konsumieren >50% des Energieumsatzes;
~25% Kontraktionsvorgänge
(Skelett-, Herz-, glatte Muskulatur). Verdauung und Verwertung von Nährstoffen steigern den Energieumsatz um bis zu 10%
(spezifisch-dynamische Wirkung). Bei positiver Energiebilanz speichern Zellen Glykogen, Fett, Protein. Unter Ruhebedingungen
verbrauchen das Gehirn ≥20%, Muskeln ≥20% (mehr mit körperlicher
Belastung), Immunsystem ~10%, Leber ~20%, Nieren ~10%, Myokard ~10% des gesamten Energieumsatzes. Dieser
korreliert mit dem Sauerstoffverbrauch (indirekte Kalorimetrie: Energieäquivalent 21,4 kJ / l O2). Der physiologische Brennwert beträgt für Kohlenhydrate und Eiweiß 17 kJ/g, für Fette 39 kJ/g
Eine
erwachsene Person braucht pro Tag ≥2 l Wasser, ~500 Gramm Nährstoffe
und ~500 Liter Sauerstoff, dabei entstehen ~450 Liter Kohlendioxid,
~0,3 Liter Wasser
("Oxidationswasser") und ~50 Gramm Harnstoff, Ammoniak und andere
Endprodukte. Der Energiebedarf beträgt
~10 MJ/d. Blut enthält mit ~20 g Glucose, ~3 g Triglyzeriden und
~0,3 g Fettsäuren nur <0,1% (~110 Cal) der Energiereserven des Körpers (>150.000 Cal). Der Glucosebedarf beträgt
~5 g/kg/d und kann bei chronischem Hunger bis auf
~1 g/kg/d abnehmen (dabei Proteinabbau bis zu 100 g/d). Mäßige Muskelarbeit wird zum Großteil aus dem Abbau von Fettsäuren, zu
~1/4 aus Kohlenhydraten angetrieben (hohe Ausdauer). Die
Leber kann den Bedarf der Peripherie für einige Stunden decken
(Glykogenabbau), das Fettgewebe für mehrere Wochen (Lipolyse, Gewinnung
von Fettsäuren)
Zellen passen
ihre Energiebilanz den jeweiligen Umständen an. Dazu haben sie Sensoren, welche die aktuellen Speicher in der
Zelle messen und anabole / katabole
Vorgänge in Balance halten. Zwei dieser "master sensors" sind der Kinasekomplex mTORC (stimuliert anabole Vorgänge wie die Proteinsynthese) und die Kinase AMPK (stimuliert katabole Vorgänge wie Glykolyse und Oxidation freier Fettsäuren) - sie antagonisieren ihre Wirkungen wechselseitig. mTORC wird gesteuert durch Wachstumsfaktoren, Insulin, Aminosäuren, mechanische Stimuli, oxidativen Stress. AMPK vermittelt
Ketogenese (Leber) und Fettsäureoxidation (Leber, Muskel), Glucoseaufnahme (Muskel), Triglyzeridsynthese / Hemmung der Lipolyse
(Fettgewebe), es wird angeregt durch körperliche
Belastung, niedrige Sauerstoffverfügbarkeit, Ghrelin, Adiponektin; Leptin und Insulin wirken
inhibierend
Erythrozyten arbeiten
anaerob, sie geben Lactat an das Blutplasma
ab. Diesen Weg nutzen auch Muskelzellen, wenn sie mehr ATP verbrauchen
als durch oxydativen Abbau nachgeliefert
werden kann ("Sauerstoffschuld"): Sie bilden Lactat, das von anderen Geweben (Leber, Herz- und nichtaktive Muskulatur, Nieren) genutzt werden kann, aber die Pufferkapazität des Blutes belastet
(metabolische Azidose). Lactat fördert Immuntoleranz (anti-inflammatorischer
Effekt), Wundheilung, ATP-Produktion, Langzeitgedächtnis, und reduziert
die lipolytische Aktivität in Fettzellen. In den Blutkreislauf gelangen täglich
~1500
mmol Lactat, die Leber entfernt es
über den Cori-Zyklus (Glukoneogenese) und oxidative
Phorphorylierung (Citratzyklus), bei Muskelarbeit kann die Lactatverarbeitung durch die Leber mehr als 10-fach ansteigen
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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.