Unter dem Begriff "Stoffwechsel" (Metabolismus) versteht man alle chemischen Reaktionen, die für die Erhaltung der Lebensvorgänge notwendig sind. Dabei wird Energie benötigt; erwachsene Personen verbrauchen in 24 Stunden bei körperlicher Ruhe etwa 30 kcal/kg Körpermasse (Ruheumsatz); körperliche Belastung (Arbeitsumsatz), Krankheit oder sonstiger Stress erhöht den Energiebedarf. Der Energiemusatz nach ruhig durchschlafener Nacht, Nahrungskarenz für mindestens 12 Stunden, mindestens einer Stunde körperlicher Ruhe, bei Abwesenheit psychischer und physischer Belastung und Indifferenztemperatur nennt man Grundumsatz.

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

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Die Einheit der Energie im SI-System ist das Joule (J):
 

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

    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.

 
   Als Grundumsatz (Basal metabolic rate BMR) bezeichnet man den Energieumsatz einer Person, die keine körperliche Arbeit leistet (mindestens einer Stunde körperlicher Ruhe), keinem psychischen Stress ausgesetzt ist und sich in einer Zone angenehmer Temperatur (Indifferenztemperatur) befindet (an der Luft normalerweise zwischen 27 und 31°C, in Wasser ~35°C) - möglichst nach einer ruhig durchschlafener Nacht. Er beträgt bei einer erwachsenen Person etwa 6 kJ/min.

Der Anteil am Grundumsatz liegt für Gehirn (22-26%), Skelettmuskulatur (18-26%) und Leber (20-22%) hoch, gefolgt von Herzmuskel und Nieren (je ~10%).

Die Referenzwerte für den physiologischen Grundumsatz sind durch zahlreiche Faktoren beeinflusst, wie beeinflussen, gehören - wie
   Körpergewicht
   Körpergröße (beide steigern den Grundumsatz)
   Körperzusammensetzung - diese ist u.a. geschlechtsabhängig (Fettanteil bei Männern ~10-15%, bei Frauen ~20-25% des Körpergewichts). Männer weisen daher im Mittel einen höheren Grundumsatz auf als gleich schwere Frauen.


     Tageszyklische Schwankungen. Nach Nahrungsaufnahme ist der Grundumsatz erhöht (spezifisch-dynamische Wirkung)
   Fieber, posttraumatische Stoffwechsellagen

   Einige Hormone (Thyroxin, Progesteron, Adrenalin, Wachstumshormone, Cortisol) erhöhen den Grundumsatz.

     Als Ruheumsatz (Resting metabilic rate RMR) wird der Energieumsatz bezeichnet, bei dem keine Muskelarbeit geleistet wird. Wie beim Grundumsatz sollte die Person nüchtern sein (letzte Nahrungsaufnahme 8 Stunden vor der Messung), um eine spezifisch-dynamische Wirkung auszuschließen. Im Gegensatz zum Grundumsatz ist keine psychische Entspanntheit gefordert; der Ruheumsatz dies dient als Vergleichsmaß für Arbeitsumsatzmessungen, sein Betrag liegt um 5-10% über dem des Grundumsatzes. Der Ruheumsatz macht meist 50-75% des täglichen Energieumsatzes aus.

      Als Arbeits- bzw. Leistungsumsatz (Aktivitätsbedingter Erergieverbrauch, Physical activity energy expenditure) bezeichnet man den Energieumsatz einer Person, die eine entsprechende Muskelarbeit vollbringt. Bei maximaler Belastung nimmt der Energieumsatz (je nach Trainingszustand) um das 10- bis 20-fache zu. Der Sauerstoffverbrauch steigt proportional dazu an, da die Energie zum Großteil aerob gewonnen wird.


 
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

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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"

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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. Fettsäuren werden dann über ß-Oxidation zu Acetat und dieses über den Citratzyklus für die Energiegewinnung verbraucht ( Abbildung). Die Lipolyse wird u.a. ß-adrenerg und durch Wachstumshormon angeregt (dann steigt der Spiegel freier Fettsäuren im Kreislauf), α₂-adrenerg gehemmt.
 

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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 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. 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).

Glucosepool: Das Blut und extrazelluläre Flüssigkeiten verfügen über einen begrenzten Glucosevorrat: Der Blutzuckerspiegel beträgt ~5 mM (~90 mg/dl), bei 13 l extrazellulärer Flüssigkeit (10 l interstitiell plus 3 l Blutplasma) entspricht das einer Menge von ~12 Gramm. Wie weit kommt man damit?
 
Eine erwachsene Person verstoffwechselt in 24 Stunden mindestens 200 g Glucose. Ohne Glucosenachschub würde in diesem Fall der Blutzuckerspiegel innerhalb einer halben Stunde etwa auf die Hälfte absinken, was starke Hypoglykämie (mit entsprechenden Symptomen) bedeutet. Daraus folgt, dass der Glucosenachschub in den extrazellulären Glucosepool verlässlich gesichert sein muss - entweder durch Resorption von Zucker aus dem Darm oder durch Bereitstellung aus körpereigenen Reserven (Glykogenolyse, Gluconeogenese) -, insbesondere um das Gehirn leistungsfähig zu erhalten.
 

Abbildung: Glucosemetabolismus im Nüchternzustand (postdigestiv)
Nach einer Vorlage in Frayn / Evans, Human Metabolism - A Regulatory Perspective, 4th ed. Wiley Blackwell 2019

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Die Zahlen beziehen sich auf eine etwa 65 kg schwere Person. Das Gehirn oxidiert die Glucose vollständig tzu CO2. 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
 

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Glucose ist das führende Substrat für die Energieproduktion der Zelle, denn die aerobe Glykolyse (Citratzyklus) ist der effizienteste Weg, ATP zu produzieren. Außerdem ist Glucose normalerweise das einzige Substrat für die ATP-Synthese in Nervenzellen. Für kurze Zeit (wenige Stunden) kann Glucose bei Bedarf aus Glykogen gewonnen werden (Glykogenolyse in Leber- und Muskelzellen), über längere Zeitspannen reicht dieser Vorrat nicht aus, und Glucose muss aus Lipiden (bzw. deren Glyzerin) und Protein (bzw. deren Aminosäuren) gewonnen werden (Gluconeogenese).
 
    Als Gluconeogenese bezeichnet man die Bildung von Glucose aus Glyzerin (aus Fetten), aus Aminosäuren (aus Peptiden / Proteinen) oder aus Lactat (nonglucose precursors). Nur Leber- und Nierenzellen verfügen über ausreichende Mengen an Glucose-6-Phosphatase, um aus dem dabei auftretenden Metaboliten Glucose-6-Phosphat wesentliche Mengen Phosphat zu entfernen und Glucose freizusetzen.

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 (denen die Fähigkeit zur aeroben Glykolyse fehlt) 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 Nierenmark, 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  
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).


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

 
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:
 
 
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.
 

Im Energiestoffwerhsel der Zelle geht es um den Transfer von Elektronen (vgl. dort): 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
 

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).
Glucose ist ein Molekül, aus dem rasch Energie für den Stoffwechsel gewonnen werden kann. Um an diese Energie heranzukommen, muss die Zelle Glucose erst unter ATP-Aufwand zu Fructosebiphosphat umwandeln. Diese kann in zwei C3-Körper gespalten und diese in fünf weiteren Schritten zu Pyruvat abgebaut werden. Dabei wird mehr ATP gewonnen als zunächst investiert wurde. Dieser phylogenetisch sehr alte, von Sauerstoff unabhängige Stoffwechselweg wird als Glykolyse bezeichnet:
 
    Glykolyse ist der Abbau von Glucose zu Pyruvat (unter aeroben Bedingungen) bzw. Lactat (unter anaeroben Bedingungen). Sie findet im Zytoplasma statt. Dabei werden pro mol Glucose 2 mol ATP investiert und 4 mol ATP gewonnen, die Netto-Ausbeute beträgt daher 2 mol ATP (plus 2 mol NADH) pro mol abgebauter Glucose.

Was folgt auf die Glykolyse? Die weitere Energiegewinnung (Pyruvatabbau, Citratzyklus) erfolgt (unter aeroben Bedingungen, d.h. Verbrauch von O₂) in Mitochondrien - dabei werden beträchtliche Mengen ATP gewonnen. Ist dafür nicht genügend Sauerstoff vorhanden (hypoxisches / gering vaskularisiertes Gewebe) oder fehlen der Zelle Mitochondrien (wie den Erythrozyten), ist dieser Weg versperrt, und die Glucoseutilisation bleibt auf der Stufe der Milchsäure stehen.

 

Abbildung: Energiegewinnung durch Glucoseabbau
Nach einer Vorlage in Panini SR, Medical Biochemistry, 2nd ed. 2021 (Thieme)

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Links: Mitochondrien- / kernhaltige Zellen können Glucose unter Sauerstoffverbrauch zu Pyruvat oxidieren (dabei werden je mol Glucose 2 mol ATP und 2 mol NADH gewonnen) und das Pyruvat in weiterer Folge zu CO2 oxidieren (dabei entstehen je mol Glucose theoretisch 34-36, in der Realität ~28 mol ATP - aerobe Glykolyse).
 
Rechts: Bei anaerober Glykolyse - hier am Beispiel eines Erythrozyten - wird das Pyruvat zu Lactat reduziert, was je mol Glucose zusätzlich zu den gewonnenen 2 mol ATP und 2 mol NADH 2 mol NAD⁺ ergibt. Die Energieausbeute je mol Glucose ist im Vergleich zur aeroben Energiegewinnung wesentlich geringer. Rote Blutkörperchen sind für ihren Energiestoffwechsel auf anaerobe Glykolyse angewiesen, um ihre Ionenpumpen mit ATP zu versorgen; ist dies nicht möglich, gehen sie zugrunde (Hämolyse). Der Erythrozyt hätte zwar besonders viel Sauerstoff zur Verfügung, kann diesen aber nicht zur Energiegewinnung nutzen, da er über keine Mitochondrien verfügt.
 
Auf anaerobe Glykolyse greifen auch Muskelzellen zurück, deren Sauerstoffbedarf über dem Angebot liegt (Ischämie, Infarktgeschehen) oder Zellen mit größerer Distanz zu Blutgefäßen (z.B. im dioptrischen Apparat des Auges)

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Aerob gewonnene ATP-Ausbeute ist wesentlich ergiebiger als anaerob erzeugte (der aerobe Abbau von 1 mol  Glucose bringt ungefähr 28 mol  ATP (das 14-fache der anaerob gewonnenen Energie) - theoretisch möglich wären bis zu 38 mol, aber die metabolische Kopplungseffizienz (coupling efficiency) ist deutlich geringer als 100%.
 
Kohlenhydrate können auch anaerob genutzt werden, was aber nur kurzzeitig funktioniert (Spitzenbelastung von Skelettmuskeln), da einerseits die Energieausbeute gering ist, andererseits Lactat entsteht und den Säure-Basen-Haushalt belastet. Der für die aerobe Glykolyse benötigte Glucosenachschub stammt aus Glucose, Fructose und Galactose, vom Glycogenabbau und allenfalls aus Gluconeogenese (aus Fettsäuren, Glycerin, glucogenen Aminosäuren). Fettsäuren können nur aerob (also unter O2-Verbrauch) genutzt werden.

Wie bereits erwähnt, werden im Laufe des glykolytischen Glucoseabbaus pro mol Glucose 2 mol ATP investiert und 4 mol ATP gewonnen, die Netto-Ausbeute beträgt daher 2 mol ATP (plus 2 mol NADH) pro mol abgebauter Glucose. Dazu bedarf es einer Reihe enzymatischer Schritte, und man kann sich den gesamten Ablauf der Glykolyse aus drei Phasen aufgebaut vorstellen:
 
  1. ATP-Investitionsphase (investment phase): Sie "fängt" Glucose im Inneren der Zelle ein, da diese in phosphorylierter Form nicht mehr durch die Zellmembran entweichen kann, und besteht aus drei (weitgehend irreversiblen) glykolytischen Schritten:
 
    Phosphorylierung von Glucose zu Glucose-6-Phosphat durch Hexokinase (alle Zelltypen) oder ihr Isoenzym Glucokinase (Hepatozyten, Enterozyten, pankreatische ß-Zellen). Dadurch bleibt die zytoplasmatische Glucosekonzentration niedrig (Erhaltung des extra/intrazellulären Konzentrationsgradienten). Dieser Schritt wird durch Glucose und Insulin angeregt und ist ATP-abhängig.
 
Hexokinase hat hohe Affinität zu Glucose (K_m-Wert 0,1 mM) und ist daher auch bei sehr niedrigem Glucosespiegel aktiv. Die Aktivität der Glucokinase hingegen steigt erst mit höheren Blutzuckerspiegel (nüchtern 4-6 mM, zwei Stunden nach dem Essen bis 7,8 mM) deutlich an (halbmaximale Aktivität bei 8 mM Glucose; der postprandiale Glucosespiegel im Pfortaderblut kann bis auf ~20 mM ansteigen). Die Expression und Aktivität der Glucokinase ist hormonell und metabolisch reguliert.
 
    Umwandlung von Glucose-6-Phosphat in Fructose-6-Phosphat durch Phosphoglucose-Isomerase.
 
    Phosphorylierung von Fructose-6-Phosphat zu Fructose-1,6-Biphosphat durch Phosphofructokinase 1. Auch dieser Schritt ist ATP-abhängig.
 
Die Enzyme der ATP-abhängigen Schritte regulieren die Glykolyse, deren geschwindigkeitslimitierendes Enzym ist die Phosphofructokinase 1 (PFK-1). Erhöhung des Insulin / Glukagon-Quotienten (postprandial) regt die Aktivität der PFK-1 (und damit die Glykolyse) an, Erniedrigung dieses Quotienten (nüchtern) reduziert sie.
 
Die "Investitionsphase" läuft nur unter ATP-Verbrauch ab (Phosphorylierung von Glucose, Phosphorylierung von Fructose-6-Phosphat). Pro mol Glucose werden 2 mol ATP utilisiert.

Anschließend erfolgt der Abbau zu C3-Körpern (Sauerstoff wird dabei nicht benötigt, und es entsteht kein CO₂):
  2. Aufspaltungsphase (splitting phase): Dieser Teil spaltet einen C6-Körper (Fructose-1,6-BP) in zwei C3-Körper (Dihydroxyacetonphosphat DHAP, Glycerinaldehyd-3-phosphat G3P). Diese beiden Isomere können durch ein spezielles Enzym (Triosephosphat-Isomerase) ineinander übergeführt werden. G3P wird dann im nachfolgenden Glykolysesystem in Pyruvat / Lactat verwandelt:
 
  3. ATP-Rückgewinnungsphase (yield phase, recoup phase): Diese generiert pro mol verbrauchtem C6-Körper 4 mol ATP und 2 mol NADH. Es entstehen mol 2 Pyruvat, die entweder - via Acetyl-Coenzym A - in den Citratzyklus münden (oxidativer Abbau) oder via Lactatdehydrogenase in Lactat umgewandelt (und anderweitig abgebaut) wird. Dem Verlust von 2 ATP in Phase 1 steht der Gewinn von 4 ATP in Phase 3 gegenüber (Netto-Gewinn 2 mol ATP pro mol abgebauter Glucose).

Pyruvat ist ein zentrales Molekül der Zellatmung, denn es wird nicht nur für die ATP-Synthese (Citratzyklus) benötigt, sondern auch für den Aufbau von Proteinen, Fettsäuren sowie für die Gluconeogenese. Dabei wird Pyruvat zu verschiedenen Metaboliten - Acetyl-CoA (postprandial), Oxalacetat (nüchtern), Lactat (Cori-Zyklus), Alanin (Hypoxie im Muskel) umgewandelt. Andererseits können mehrere Aminosäuren in Pyruvat umgewandelt werden.

    Coenzym A (CoA) ist ein komplexes Molekül (es enthält u.a. Pantothensäure und ATP), das Acylgruppen (R-C=O) überträgt, insbesondere für Nutzung im Citratzyklus. Als Acetyl-Coenzym A (Ac-CoA) stellt es hier die "aktivierte" Form von Acetat dar, das mittels einer energiereichen Bindung an CoA befestigt ist. Quelle des Ac-CoA ist der Abbau von Kohlenhydraten (via Glykolyse), Fettsäuren (via ß-Oxidation) und Proteinen (aus ketogenen Aminosäuren - Glycin und Alanin - via Pyruvatdehydrogenase).
 

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Der enzymatische Abbau von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen führt zunächst bis zur Stufe der aktivierten Essigsäure (Acetyl-Coenzym A, Ac-CoA, 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).
 

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     Der Citrat-Zyklus (Krebs-Zyklus) findet in der Mitochondrienmatrix statt
 
     Beta-Oxidation von Fettsäuren. Dabei werden Fettsäuren zu Acetyl-Coenzym A abgebaut. Dies erfolgt in der Mitochondrienmatrix
 
     Beteiligung an der Gluconeogenese - dem Aufbau von Glucose aus Substraten, die keine Kohlenhydrate sind. Ein Teil der dafür notwendigen Enzyme befindet sich in der Mitochondrienmatrix, ein anderer Teil im Zytoplasma
 
     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 
Der Krebs-Zyklus (Citratzyklus, tricarboxylic acid cycle TCA)
generiert Wasserstoffatome, die über reduzierte Coenzyme (NADH, FADH₂) zur Elektronen-Transportkette der Mitochondrien transportiert werden - der Transfer von Wasserstoff erfolgt über Dehydrogenasen (Enzyme #3, 4, 6, 8 in der folgenden Abbildung), und
  oxidiert Wasserstoff in der Atmungskette über das Elektronentransportsystem der Zytochrome. Pro Durchgang entstehen folgende Moleküle: 3 NADH, 1 FADH2, 1 GTP (kann seine Energie auf ATP übertragen), weiters CO2 und H2O.

Der Citratzyklus produziert direkt kein ATP; aber die Energieäquivalente der entstandenen NADH-, FADH2- und GTP-Moleküle werden schließlich auf ATP übertragen, und pro mol abgebauter Glucose entstehen insgesamt 24 mol ATP. 

Der Energiestatus der Zelle beeinflusst die metabolischen Abläufe: Das Mengenverhältnis von [ATP] zu [ADP] bestimmt über Einfluss auf Enzyme, ob die ATP-Synthese gefördert oder angehalten wird.
 

Die Wellenlinie (~) deutet hier eine energiereiche Bindung an (zwischen 7 und 12 kcal/mol ATP). Diese Energie wird immer aktuell und je nach Bedarf aus dem Abbau von Biomolekülen gewonnen (die gesamte Menge an ATP, die an einem Tag von einem ruhenden Menschen umgesetzt wird, beläuft sich auf ungefähr 40 kg!) und meist auf ADP, manchmal auch auf GDP übertragen.
 

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Der Citratzyklus fungiert als "metabolischer Ofen", der - von Pyruvat ausgehend - Substrate unter Gewinnung von Energie metabolisiert. Ein Zyklus produziert pro mol Pyruvat 1 mol GTP durch Phorphorylierung von GDP (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 ("Atmungskette") mit energiereichen Elektronen, diese treiben Protonenpumpen an, und der H⁺-Gradient an der inneren Mitochondrienmembran schließlich die ATP-Synthase (folgende Abbildung).

 
Wirkungsgrad: Verbrennt man 1 mol Glucose, werden 686 Cal (kcal) Energie frei. Im Zellstoffwechsel liefert die aerobe Oxidation von 1 mol  Glucose maximal (theoretisch) 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 theoretische Wirkungsgrad der biologischen Oxidation ~40% (277 / 686; in Wirklichkeit weniger, weil die tatsächliche Kopplungseffizienz nicht das theoretisch mögliche Maximum erreicht). Insgesamt liefert der aerobe Abbau eines Glucosemoleküls im Körper ungefähr 28 (rein anaerob nur 2) Moleküle ATP.

Dieser Wirkungsgrad kann durch diverse Mechanismen reduziert werden, z.B. durch "uncoupling proteins" ( Abbildung), Amphetamine, Nikotin oder Koffein, was zu verstärkter Wärmebildung führt (die ATP-Ausbeute nimmt dabei ab). Das Entkopplungsprotein UPC1 heißt auch Thermogenin; es bindet Protonen an der Außenseite der inneren Mitochondrienmembran und erleichtert ihre Diffusion in die Mitochondrienmatrix ( vgl. dort). Die in der Atmungskette zum Transport von Protonen durch die ATP-Synthase gewonnene Energie geht dabei verloren, sie wird als Wärme frei. Die durch den UPC1-Effekt bewirkte niedrige ATP-Konzentration verstärkt die Glykolyse, intensiviert den Citratzyklus und die Aktivität der Atmungskette in den Mitochondrien, und damit auch den Sauerstoffverbrauch.
 
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.
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.

 
Acetyl-Coenzym A ist auch die Ausgangsstelle zur Synthese des Cholesterins, aus dem Isoprenoide (Steroidhormone, Gallensäuren) gebildet werden können. Weiters dient es als Baustein für die Synthese von Fettsäuren. Unter chronischen Hungerzuständen (oder bei unbehandeltem Diabetes mellitus) entsteht beim Fettsäureabbau viel Acetyl-Coenzym A, das in diesem Fall von der Leber zu Ketonkörpern verwandelt wird und als alternative Energiequelle für Gehirn und Muskulatur dient.

Der Citratzyklus dient nicht nur der Energieversorgung der Zelle, sondern hat auch anabole Funktionen; so kann
  Citrat postprandial (über Acetyl-CoA) zur Lipidsynthese herangezogen werden,
  Oxalacetat im Nüchternzustand (über Phosphoenolpyruvat) zur Glucosesynthese (Gluconeogenese);
  Oxalacetat und α-Ketoglutarat zur Aminosäuresynthese (Bildung von Aspartat bzw. Glutamat).
  
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).

  
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.
 
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: Energiebilanz
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

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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:

 

	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
 

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.
 
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.

     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).
 
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).
 

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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. 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 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 Glucuronsäure (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!) - Galactose, Fructose; 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.
 

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 Cytochrom 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.
   
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.

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

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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

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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).

 
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

  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.