Energie- und Stoffwechsel

Physiologie des Intermediärstoffwechsels, Substratflüsse zwischen Organen


 
© H. Hinghofer-Szalkay

anabol: ανα = hinauf, βάλλειν = werfen
anaerob: ἀν = nicht, ohne; ἀήρ = Luft
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) erfordern Energie. Für eine ruhende erwachsene Person entspricht das ungefähr 0,1 kW Durchsatz - das reicht für den Betrieb von 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 dem Stoffwechsel eine höhere Energiedichte (9,3 Cal/g) als Kohlenhydrate und Protein (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. Fette, Kohlenhydrate und Eiweiß dienen auch als stoffliche Reserve; aus den jeweiligen "Pools" (z.B. Leber, Fett-, Muskelgewebe) gelangen die betreffenden Bausteine (wie Glukose, Fettsäuren, Glyzerin, Aminosäuren) über die Blutbahn zu den Verbrauchern.

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

Die wichtigste Währung des Energiestoffwechsels ist ATP; dieses entsteht hauptsächlich unter O2-Verbrauch und unter Abbau von Glukose (aerobe Glykolyse) in den Mitochondrien und bringt dann (vergleichbar einer aufgeladenen Batterie) Bindungsenergie direkt zum Verbraucher: Das sind aktiver Ionentransport (in allen Zellen), Kontraktionsvorgänge, sowie Auf- und Umbauprozesse, die nur unter Energieaufwendung ablaufen können.


Energie und Stoffwechsel Energiegewinnung Energieutilisation Energieäquivalent Energiespeicherung Energieumsatz Laktat

 
>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
Energie ist eine Basisgröße, die in mehreren Formen auftritt (potentiell, kinetisch, elektrisch, chemisch), 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). Ihre Einheit im SI-System ist das Joule (J):

1 J = 1 N x m

Das Newton (N) ist die SI-Einheit für die Kraft: Masse x Beschleunigung (kg x m/s2). Energie kann also als Kraft mal Weg dargestellt werden und ermöglicht demnach, Arbeit zu verrichten. 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.

1 J = 1 W x s

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 60 J/min (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
Fett
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 FS, ≈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)


<Abbildung: Stoffwechselwege
Nach: 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, z.B. 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

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). Diese Pools bieten einen kurzfristigen Vorrat für den Stoffwechsel und werden von verschiedenen anderen Kompartimenten gespeist - und versorgen diese andererseits mit Bausteinmolekülen:

  
  Lipide aus der Nahrung werden gespalten und die Bruchstücke dem Speicherpool zugeführt. Der Pool freier Fettsäuren erhält solche Bruchstücke nicht nur aus der Nahrung, sondern auch 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). Lipolyse leitet freie Fettsäuren aus der Spaltung von Körperfett in den Fettsäurepool. Die Lipolyse wird durch Stimulation von ß-Rezeptoren sympathisch angeregt, durch adrenerge α2-Rezeptoren gehemmt.

     Kohlenhydrate speichern den Glukosepool, sie 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). Zu- und Abfuhr 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, das Nebennierenmark, Erythrozyten und Fibroblasten.

     Der Aminosäurepool dient in erster Linie dem Eiweißaufbau. Bei niedrigem Blutzuckerspiegel allerdings können einige (glukoplastische) Aminosäuren für Glukoneogenese herangezogen werden. (Zur Glukoneogenese kann auch Glyzerin genutzt werden, das vom Abbau der Fette stammt)



  Energiegewinnung.
Der enzymatische Abbau von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen führt zunächst bis zur Stufe der aktivierten Essigsäure (Acetyl-Coenzym A, Abbildung unten). Haupt-Energiequelle sind für die meisten Zellen des Körpers Glukose und Fettsäuren. Diese stammen entweder aus der Nahrung (postprandial) oder aus Zellen, die energiereiche Moleküle zur Verfügung stellen (vor allem Leber und Fettgewebe).

Im Mittelpunkt der Energiegewinnung steht das Adenosintriphosphat (ATP), das von den Zellen insbesondere durch die Atmungskette ständig nachgebildet wird. 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 Speicher werden nicht angelegt. Deshalb kann Sauerstoffmangel auch sehr rasch zu Energieengpässen führen - und es werden alternative Wege zur Energiegewinnung beschritten (anaerob .. weniger effizient).
    Die aerob gewonnene Ausbeute an ATP ist fast 20mal ergiebiger als die anaerob erzeugte.
 

>Abbildung: Verknüpfung von Stoffwechselwegen

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

CRAT = Carnitin-Azetyltransferase, CACT = Carnitin-Azylcarnitin-Translokase, CPT2 = Carnitin O-Palmitoyltransferase 2

Die meiste Energie wird im Rahmen des Zitratzyklus 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.

A
naerobe 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.
 

 

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

Azetyl-Co A aus dem Abbau von Glukose (Glykolyse) betritt den Krebs-Zyklus (Zitratzyklus) 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

Mitochondrien (Durchmesser bis zu 1 µm) haben zahlreiche Funktionen:

  Energiestoffwechsel (ATP-Bildung)

  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 passiert Folgendes:

1) Beim Abbau des Azetyl-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, ATP-Synthese, uncoupling protein
Nach
Krauss S, Zhang CY, Lowell BB. The mitochondrial uncoupling-protein homologues. Nature Rev Mol Cell Biol2005; 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). Bei der Mitophagie markieren Phagophoren die abzubauenden Mitochondrien

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

Azetyl-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.

 
Zum Cholesterin s. auch dort.
 
Täglich werden ≈0,5 Gramm Gallensäuren in den Darm sezerniert, etwa 50 mg/d ausgeschieden, ≈90% rückresorbiert (enterohepatischer Kreislauf).




  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 ≥20% - Absolutwert bei Infektionen stark steigend

   Leber ≈20%

   Nieren ≈10%

   Myokard ≈5% - Absolutwert steigt mit körperlicher Belastung


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 kJ/g), hat also einen Brennwert, der näher an Fett als an Zucker oder Eiweiß liegt.

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

- 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.
 


<Abbildung: Energiespeicher einer gut ernährten erwachsenen Person (typisches Beispiel)

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, z.B. Leberglykogen 150 g, Muskelglykogen 300 g, Protein 12 kg. Ähnliches gilt für die Lipidspeicher, die auch deutlich geringer sein können

  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).

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.

 
    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 (Energiebedarf bei weitgehender körperlicher Ruhe ≈10 MJ/d):

  die Leber etwa 2,5 MJ (gut für ≈6 Stunden) - vor allem in Form von Glykogen (nach Glykogenolyse wird Glukose an das Blut abgegeben)

  die Muskulatur etwa 50 kJ (im Hungerzustand als Überbrückung für 1-2 Tage) - vor allem in Form von Eiweiß (glukoplastische Aminosäuren werden von der Leber in Glukose umgebaut)

  das Fettgewebe rund 500 kJ ("Auszehrzeit" bei fehlendem Nahrungsangebot 5-6 Wochen) - als Neutralfette, aus denen Fettsäuren gewonnen werden können




  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).
 

>Täglich verbraucht der Organismus einer erwachsenen Person ≈500 Gramm Nährstoffe und ≈500 Liter Sauerstoff
Nach einer Vorlage in Praktische Physiologie

Parallel werden ≈450 Liter Kohlendioxid, ≈10 MJ Energie, ≈0,3 Liter Wasser ("Oxidationswasser") und ≈50 Gramm Harnstoff, Ammoniak und andere Endprodukte erzeugt. Der Wasserbedarf beträgt ≈2 Liter (bei aktivem Schwitzen entsprechend mehr)

Vom gemeinsamen Grundplan des Metabolismus benützt jede Zelle bestimmte Teilbereiche für ihre Zwecke, je nach Enzymausstattung


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.
 

<Abbildung: Zentrale Stellung des Azetyl-Koenzym A (AcCoA) im Energiestoffwechsel

NAD = Nicotinamidadenindinukleotid, Koenzym und Oxidationsmittel

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 (Zuckerkrankheit!) - Galaktose, Fruktose; Sorbit, Xylit - umgehen den Glukoseabbau-Mechanismus und münden über eigene Wege in den Kohlenhydratmetabolismus ein.
 
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.

(Blutserum, körperliche Ruhe / nüchtern):
Laktatspiegel: Venös 0,5-2,2 mM/l (4,5-20 mg/dl), arteriell <1,8 mM/l
vgl. dort
Triglyzeride: <200 mg/dl
Glukose: 3,3-6,0 mM/l (60-110 mg/dl)

 

<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. Es wird über ein MCT-System durch die Zellmembran trabnsportiert und dieses aktiviert das GPR81-System, welches die Adenylatzyklase hemmt und auch alternative Signalwege nützt

GLUT = Glukosetransporter, PKA = Proteinkinase A

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.

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).

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).


Eine Reise durch die Physiologie


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