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

    
Energie- und Stoffwechsel

Intermediärstoffwechsel, Substratflüsse zwischen Organen
© H. Hinghofer-Szalkay

anabol: ανα = hinauf, βάλλειν = werfen
anaerob: ἀν = nicht, ohne; ἀήρ = Luft
Gibbs-Energie: Josiah Gibbs
Energie: εν = innen, ἔργον = Wirken
Joule: James Prescott Joule

katabol:
κατα = herab, βάλλειν = werfen
metabolisch: μετα = (her)um, βάλλειν = werfen
Mitochondrium: μίτος = Faden, χόνδρος = Korn (lichtmikroskopische Struktur)
postprandial: post = nach, prandium = Frühstück, Mahlzeit
Watt: James Watt


Aufnahme, Transport, Umbau (anabol = aufbauend, katabol = abbauend) und Ausscheidung von Stoffen (Stoffwechsel = Metabolismus) erfordert Energie. Ein Durchsatz von ~0,1 kW reicht für den "Ruhebetrieb" einer erwachsenen Person: Muskulatur (bei starker Belastung verbraucht diese den größten Anteil des Energieumsatzes, der dabei auf ein Mehrfaches ansteigt), Gehirn, Leber (in Ruhe jeweils mindestens 20%), Nieren (10%) etc.

Fette liefern eine höhere Energiedichte (9,3 Cal/g) als Kohlenhydrate und Proteine (jeweils 4,1 Cal/g), man spricht vom physiologischen Brennwert. Dies gilt nicht nur (postprandial) für die Nahrung, sondern (postabsorptiv) auch für körpereigenes Gewebe, sobald dieses für den Energiestoffwechsel herangezogen wird. Aus Speichergeweben (z.B. Leber, Fett-, Muskelgewebe) gelangen vor allem Glukose, Fettsäuren, Glyzerin, Aminosäuren über die Blutbahn zu den Verbrauchern.

Unter Normalbedingungen gewinnt der Körper pro Liter verbrauchtem Sauerstoff etwa 5 Cal (oder ~20 kJ) Energie. Über diesen Wert des Energieäquivalents ist es möglich, aus dem Sauerstoffverbrauch den Energieumsatz des Körpers zu berechnen (indirekte Kalorimetrie zur Bestimmung des Grund-, Ruhe- und Arbeitsumsatzes).

Die wichtigste Währung des Energiestoffwechsels ist Adenosintriphosphat (ATP); dieses entsteht unter O2-Verbrauch in den Mitochondrien und bringt Bindungsenergie für Transport, Bewegung, Auf- und Umbau sowie andere Stoffwechselleistungen.


Energie und Stoffwechsel Lipide, Kohlenhydrate, Aminosäuren Energiegewinnung Energieutilisation, Brennwert Energieäquivalent Energiespeicherung Energieumsatz Laktat

Core messages
 
Der Ruhe-Energieumsatz eines erwachsenen Menschen beträgt etwa 0,1 kW
 
Energie ist eine Basisgröße, die in mehreren Formen auftritt (potentiell, kinetisch, elektrisch, chemisch, Wärme), auch als Materie (E = mc2). Sie ist u.a. erforderlich, um biochemische Reaktionen anzutreiben, den Körper zu bewegen bzw. zu beschleunigen (z.B. Muskelkraft), zu erwärmen (metabolische Wärme), Gase zu komprimieren (z.B. bei der Atmung) oder elektrischen Strom fließen zu lassen (z.B. durch Zellmembranen). Alleine zum Betreiben der Na/K-ATPase werden rund 30% der gesamten Stoffwechselenergie des Organismus aufgebracht.
 

>Abbildung: Auf jeweils 100g Gewebe normierte Wärmeproduktion des ruhenden Körpers
Nach Aschoff J & Wever R, Kern und Schale im Wärmehaushalt des Menschen. Naturwissenschaften 1958; 45: 477-85

Höchste Werte in Herz, Nieren, Leber, Gehirn - bei Muskelarbeit steigt der Wärmeumsatz des Bewegungsapparates bis ~20-fach an

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/s2). Energie (Arbeit) kann also als Kraft mal Weg dargestellt werden. Arbeit ist der mechanische Ausdruck einer (umgesetzten) Energiemenge.

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.


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.

1 J/s entspricht 0,06 kJ/min

Energie wird im Stoffwechsel hauptsächlich durch den oxidativen Abbau von Kohlenhydraten und Fetten bereitgestellt. Metabolisiert eine Person z.B. 400 g Glukose, 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 Glukose (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 Glukose 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.
 
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, Glukose, Aminosäuren) - hauptsächlich im Blutplasma -, diese stehen für den sofortigen Verbrauch zur Verfügung: Für freie Fettsäuren (in der Abbildung links), Glukose (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 (Hypoglykämie) noch Zugang zum Glukosepool hat.
 
Glukose kann zu Fettsäuren, aber Fettsäuren können nicht zu Zucker (oder Aminosäuren) konvertiert werden. Einige Aminosäuren können in Glukose umgewandelt werden, sie sind "glukoplastisch"


Diese Pools bieten einen kurzfristigen Vorrat für den Stoffwechsel und werden von verschiedenen anderen Kompartimenten gespeist - und versorgen diese andererseits mit Bausteinmolekülen:
 
Fette  Kohlenhydrate Aminosäuren
      Lipide aus der Nahrung werden gespalten und die Bruchstücke dem Speicherpool zugeführt. Der Pool freier (=nicht glyzerinester-gebundener) Fettsäuren (non-esterified fatty acids, NEFA) erhält solche Bruchstücke aus der Nahrung (wo sie als minderwertig gelten) sowie als "Überschussmoleküle" aus dem allgemeinen Stoffwechsel.

 
  Lipogenese versorgt den Körperfettspeicher aus dem Pool freier Fettsäuren sowie aus dem Pool überschüssiger Glukose (das geht nur in dieser Richtung, nicht zu Glukose zurück).
 
    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: Verteilung von Neutralfetten nach einem Frühstück
Nach einer Vorlage in Frayn / Evans, Human Metabolism - A Regulatory Perspective, 4th ed. Wiley Blackwell 2019

Das Frühstück enthält sowohl Kohlenhydrate als auch Fette. Neutralfette (TAG: triacylglycerol) gelangen (in Chylomikronen verpackt) über die Lymphe in den Kreislauf. Durch Lipoproteinlipase (LPL), die von Fett- und Muskelzellen gebildet wird un am Endothlel wirkt, werden sie hydrolysiert und in der Zelle wieder zu Neutralfett zusammengesetzt. Beide Vorgänge werden durch Insulin angeregt.
 
Während die Neutralfette im Adipozyten gespeichert werden, werden Fettsäuren im Muskelgewebe zur Energiegewinnung genutzt

Fettsäuren im Extrazellulärraum stammen aus dem Fettgewebe - 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 Glukosespiegel 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/l). Der NEFA-Spiegel schwankt also wesentlich stärker als der des Blutzuckers.

Die relativ niedrigen Serumwerte (im Vergleich zu Glukose: 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/l). 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 glukoplastischen Aminosäuren (postresorptiv, Hungerstoffwechsel). Bei hoher Glukoseverfügbarkeit bildet der Körper Glykogenreserven (Glykogensynthese), bei Bedarf baut er diese wieder ab (Glykogenolyse).
 

<Abbildung: Glukosemetabolismus 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 mdie Glukose vollständig tzu CO2. Die an Muskulatur, Fettgewebe und andere Gewebe (die auch Fettsäuren verbrennen) gehende Glukose wird zum Teil oxidativ abgebaut, zum Teil recycelt

Zum Muster in der digestiven Phase s. dort




Glukosepool:
Das Blut und extrazelluläre Flüssigkeiten verfügen über einen begrenzten Glukosevorrat: Der Blutzuckerspiegel beträgt etwa 5 mM/l, bei z.B. 13 l extrazellulärer Flüssigkeit (interstitiell und Blutplasma) sind das rund 12 Gramm.

Das Gehirn kommt mit dieser Menge gerade einmal zwei Stunden aus (Verbrauch 5-6 g/h). Es muss also laufend Glukose in den Kreislauf nachgefüllt werden. Diese stammt z.B. in der resorptiven Phase vor allem aus der Nahrung, im Nüchternzustand (postresorptiv) aus der Leber, die dazu ihren Glykogenvorrat, aber auch andere Substrate (wie Laktat, Pyruvat, Alanin - vor allem aus der Muskulatur) glukoneogenetisch nützen kann (<Abbildung).

Auch die Nieren betreiben Glukoneogenese, wenn auch in geringerem Ausmaß als die Leber. Die Muskulatur kann
aus ihrem Glykogenvorrat (im Gegensatz zur Leber) auf direktem Wege nichts zum Auffüllen des extrazellulären Glukosepools beitragen, da sie keine Glukose-6-Phosphatase exprimiert. Indirekt kann sie das aber doch: Durch Laktat, das beim anaeroben Glukoseabbau anfällt (Laktazidose bei erschöpfender Muskelarbeit) und von der Leber für Glukoneogenese genutzt werden kann.

Zufuhr in den, und Abtransport aus dem Glukosepool stehen unter hormoneller Kontrolle (Insulin, Glukagon usw.) in einer Weise, die den Blutzuckerspiegel im Normbereich halten soll. Der Gehirnstoffwechsel ist ein exklusiver Verbraucher des Glukosemetabolismus, er saugt auch bei niedrigem Blutzuckerspiegel - der Zucker für andere Verbraucher unerreichbar macht - Glukose für seinen Bedarf ab.
 
  Obligat glukoseabhängig sind das Gehirn (kein Zugang für Fettsäuren über die Blut-Hirn-Schranke), das Nebennierenmark, Erythrozyten (keine Mitochondrien) und Fibroblasten.
 
      Der Aminosäurepool dient in erster Linie dem Eiweißaufbau. Bei niedrigem Blutzuckerspiegel allerdings können einige (glukoplastische) Aminosäuren für Glukoneogenese herangezogen werden (insbesondere Alanin, das in Pyruvat verwandelt werden kann - wie auch Laktat). (Zur Glukoneogenese wird auch Glyzerin 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 Glukose-Alanin-Zyklus exportiert Stickstoff aus dem Muskel
zwecks Entgiftung zur Leber (dabei entstehen Harnstoff und Glukose). 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 Glukose-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-Koenzym A (AcCoA) als gemeinsames "Brennstoffmolekül"
     Vollständige Oxidation des AcCoA zu CO2 und H2O im Citratzyklus, Gewinnung von ATP

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 (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. Dabei 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.

Da das Elektron jeweils von einem "Donor" auf einen "Akzeptor" übertragen wird, erfolgen Oxidation und Reduktion gleichzeitig (man spricht von Redox-Reaktionen). 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.

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 Koenzyme 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; eigentliche ATP-Speicher werden nicht angelegt. Deshalb kann Sauerstoffmangel auch sehr rasch zu Energieengpässen führen - und es werden alternative Wege zur Energiegewinnung beschritten (anaerob .. weniger effizient).
 
    Aerob gewonnene ATP-Ausbeute ist fast 20mal ergiebiger als anaerob erzeugte. Fettsäuren können nur aerob genutzt werden; Kohlenhydrate auch anaerob, was nur kurzzeitig funktioniert (Spitzenbelastung von Skelettmuskeln), da einerseits die Energieausbeute gering ist, andererseits Laktat 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

Nicht fettlösliche (hydrophile) Stoffe, insbesondere Ionen, passieren die Zellmembran mittels Transportersystemen. Energie- (Citratzyklus!) und Cholesterinstoffwechsel hängen von der Funktion der Mitochondrien ab (unterer Bildteil)

    CRAT = Carnitin-Acetyltransferase    CACT = Carnitin-Azylcarnitin-Translokase    CPT2 = Carnitin O-Palmitoyltransferase 2


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 Kofaktoren, 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) Laktat (Salz der Milchsäure), die von Erythrozyten (mittels eines Karboxylattransporters) an das Blut abgegeben wird.

Diesen "sidestep" der Glykolyse bis zum Laktat 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 Laktat wiederverwerten. Die Leber wandelt Laktat in Glukose um, die wiederum zur Deckung des allgemeinen Energiebedarfs verwendet wird (Cori-Zyklus).

Staut sich Laktat im Blut zurück, belastet es den Säure-Basen-Haushalt (metabolische Azidose).

 
  Zur Veränderung des Laktatspiegels im Blut durch körperliche Belastung s. dort
 
Die Aufgabe der Mitochondrien
 
Mitochondrien (Durchmesser bis zu 1 µm) haben zahlreiche Funktionen:

     Energiestoffwechsel (ATP-Bildung)


<Abbildung: Aerobe Glykolyse und Mitochondrien
Nach einer Vorlage bei nature.com/scitable

Acetyl-Co A aus dem Abbau von Glukose (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


   
Vergleiche dort

     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 DNS: 13 Gene für Teile der Atmungskomplexe I, III, IV und V (>Abbildung), 22 für mitochondriale tRNA, 2 für rRNA. Jedes Mitochondrium kann 2 bis 10 Kopien ihrer DNS 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-Koenzyms A werden Wasserstoffatome generiert, die über reduzierte Koenzyme (NADH, FADH2) zur Elektronen-Transportkette der Mitochondrien transportiert werden;


   2) Der Wasserstoff wird in der Atmungskette über das Elektronentransportsystem der Zytochrome oxidiert (es entsteht H2O, NAD+ und FAD), wobei Energie auf ATP übertragen wird.

    ATP treibt Synthesevorgänge, Transport (Ionenpumpen) und Bewegung (Kontraktion) an.
 
 
>Abbildung: Mitochondrium und ATP-Synthese
Nach
Krauss S, Zhang CY, Lowell BB. The mitochondrial uncoupling-protein homologues. Nature Rev Mol Cell Biol 2005; 6: 248–61

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


Wirkungsgrad: Verbrennt man 1 Mol Glukose, werden 686 Cal Energie frei. Im Zellstoffwechsel liefert die aerobe Oxidation von 1 Mol Glukose 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).

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.

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

Neubildung, Verschmelzung und Spaltung ermöglichen eine dynamische Anpassung der Zahl und des Volumens von Mitochondrien in der Zelle (z.B. bei Teilung oder Wachstum).
 
Legen sich kappenförmige Membranausstülpungen (Phagophoren) um die abzubauenden Mitochondrien, werden sie so für die Mitophagie markiert

Ist genügend Sauerstoff verfügbar, erfolgt über Pyruvat und das Acetyl-Koenzym A in den Mitochondrien der Anschluss an den Citratzyklus. Dieser hat eine zentrale Position: Er stellt eine biochemische “Kreisschaltung” im Zentrum energieliefernder Reaktionen dar.

Acetyl-Koenzym 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). Wie für die Fettsäuresynthese kann hier der Pentosephosphatweg benutzt werden.

Der Pentosephosphatweg ist eine Option zur Bildung des Elektronentransporters NADPH: Kohlenhydrate (z.B. Glukose) werden dabei verwendet und metabolische Energie übertragen / gewonnen. Er kann auch für antioxidativen Schutz eingesetzt werden. Die meisten Zellen nutzen diesen Mechanismus, vor allem aber Leber- und Fettzellen (Fettsynthese).
 
  Zu Cholesterin s. auch dort.
 
Täglich werden ~0,5 Gramm Gallensäuren in den Darm sezerniert, etwa 50 mg/d ausgeschieden, ~90% rückresorbiert (enterohepatischer Kreislauf).
 
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.

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 Nahrungsstoffen 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)
.
 
1 Cal ~ 4,2 kJ
 
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)

Äthanol 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
 
Energieäquivalent
 
Zur Verbrennung von einem Mol Glukose (=180 g) werden rund 134 Liter Sauerstoff benötigt. Das kalorische Äquivalent gibt an, wie viel Energie pro verbrauchter Sauerstoffmenge freiwird ("indirekte Kalorimetrie"). Für Glukose 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 Glukosebedarf 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).

     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 Glukose 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 Glukose 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)
 
Energieumsatz
 
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. Laktat, Ketonkörper)

     Endprodukte des Stoffwechsels (z.B. CO2, 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 Glukose mit Phosphat verknüpft und dadurch “gefangen” (die Zellmembran ist für Glukosephosphat undurchlässig). Sie kann zur Energiegewinnung abgebaut werden (Glukoseabbau = 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 Glyzerinphosphat mit dem Stoffwechsel der Neutralfette (Fettsäuren und Triglyzeriden) verknüpft. Ernähungstherapeutisch bedeutsame Zuckeraustauschstoffe (Diabetiker!) - Galaktose, Fruktose; Sorbit, Xylit - umgehen den Glukoseabbau-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.

    InsulinGhrelinAdiponektin


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 Nahrungsstoffverfügbarkeit, 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), Glukoseaufnahme (Muskel), Triglyzeridsynthese 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
Glukose (Serum): 3,3-6,0 mM/l (60-110 mg/dl)
 
Nutzung von Glukose: 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 (Laktat).

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 / Laktat-Stufe) gewonnen. Das Laktat 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 Laktat-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.

 
Laktat
 
Laktat (das Salz der Milchsäure) ist nicht nur ein "Abfallprodukt" des Stoffwechsels, es kann für Glukoneogenese und Energiegewinnung verwendet werden und findet Verwendung als Signalmolekül, das u.a. für Energieregulation, Immunmodulation, Gedächtnisbildung und Wundheilung eine Rolle spielt.
 

<Abbildung: Laktatwirkungen
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

Laktat fördert Immuntoleranz (anti-inflammatorischer Effekt), Wundheilung, kontinuierliche ATP-Produktion durch oxidative Phosphorylierung und Langzeitgedächtnis, und reduziert die lipolytische Aktivität in Fettzellen.
 
Laktat 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 Laktatligand, hemmt cAMP-Bildung    GLUT, Glukosetransporter    MCT, Monokarboxylat-Transporter (12 Transmembrandomänen, befördert u.a. Laktat, Pyruvat und Ketonkörper durch die Zellmembran)    PKA, Proteinkinase A


Laktat-Homöostase
 
In den Blutkreislauf einer erwachsenen Person gelangen täglich etwa 1500 mM Laktat - jeweils ein Viertel davon aus Muskulatur, Gehirn und Haut, der Rest aus roten Blutkörperchen und Darm.
 
 
  
  Fast zur Gänze entfernt die Leber das Laktat über den Cori-Zyklus (Glukoneogenese) bzw. über oxidative Phorphorylierung (ATP-Synthese, Krebs-Zyklus) - bei Muskelarbeit kann die Laktatverarbeitung durch die Leber mehr als 10-fach ansteigen.

  
  Auch das Myokard kann Laktat für seinen Erergiestoffwechsel nutzen - zu 10-15% bei körperlicher Ruhe, bis zu 30% bei Belastung.

     Die Niere utilisiert in der Rindenzone Laktat für ihren Energiestoffwechsel (das Mark kann Laktat bilden), es wird zu mehr als 50% für die renale Glukoneogenese verwendet. Der Anteil des renal gebildeten Blutzuckers an der Einspeisung von Glukose in den Kreislauf kann von ~10% im normalen Ruhezustand auf ~40% ansteigen (körperliche Belastung, Hypoglykämie, längeres Fasten, Adrenalinanstieg).

   Laktat (Blutserum, körperliche Ruhe / nüchtern):
Venös 0,5-2,2 mM/l (4,5-20 mg/dl), arteriell <1,8 mM/l
vgl. dort

 
Wie gelangt Laktat durch Zellmembranen? Dazu gibt es verschiedene Transportsysteme
(MCTs, monocarboxylate transporters). Einige von ihnen bringen außer Milchsäure auch Ketonkörper durch die Membran. Weiters sind sogenannte Laktatrezeptoren 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. Laktat 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).
 

 
      Nahrungsstoffe 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 Glukoseverbraucher ist das Gehirn, obligat glukoseabhängig 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-Koenzym A (auch Ausgangspunkt der Cholesterinsynthese), bei dessen Abbau entsteht H+ (Elektronentransport über Koenzyme 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 Glukose 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 Nahrungsstoffen 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 Glukose, ~3 g Triglyzeriden und ~0,3 g Fettsäuren nur <0,1% (~110 Cal) der Energiereserven des Körpers (>150.000 Cal). Der Glukosebedarf 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), Glukoseaufnahme (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 Laktat an das Blutplasma ab. Diesen Weg nutzen auch Muskelzellen, wenn sie mehr ATP verbrauchen als durch oxydativen Abbau nachgeliefert werden kann ("Sauerstoffschuld"): Sie bilden Laktat, das von anderen Geweben (Leber, Herz- und nichtaktive Muskulatur, Nieren) genutzt werden kann, aber die Pufferkapazität des Blutes belastet (metabolische Azidose). Laktat fördert Immuntoleranz (anti-inflammatorischer Effekt), Wundheilung, ATP-Produktion, Langzeitgedächtnis, und reduziert die lipolytische Aktivität in Fettzellen. In den Blutkreislauf gelangen täglich ~1500 mM Laktat, die Leber entfernt es über den Cori-Zyklus (Glukoneogenese) und oxidative Phorphorylierung (Citratzyklus), bei Muskelarbeit kann die Laktatverarbeitung durch die Leber mehr als 10-fach ansteigen
 

 

Eine Reise durch die Physiologie


  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.