Stoffwechselphysiologie – advance Organizer

Stoffwechselphysiologie – advance Organizer
Dissimilation
Die Glykolyse ist der gemeinsame Weg von
Atmung und Gärung. Ein Glucose-Molekül
wird zu 2 Pyruvat ( C3 ) abgebaut. Bei diesem
Schritt werden 2 ATP und 2 NADH2
gewonnen.
 Der aerobe Weg führt über Acetyl-CoA,
dem Zitronensäurezyklus zur
Endoxidation. Glucose wird bei diesem
Prozess zu CO2 und 38 ATP abgebaut.
C6H12O6 + 6 O2  6 CO2 + 6 H2O
+ 38 ATP
 Der anaerobe Weg führt zu den
Gärungsformen. Auf diesem Weg wird
Ethanol, Milchsäure oder Essigsäure
gebildet.
Es erfolgt keine weitere Bildung von ATP. Die
Endprodukte sind noch alle sehr energiereich.
Der Vorteil der Gärung besteht im Freiwerden
von NAD+, das in der Glykolyse eingesetzt
wird und diese in Schwung hält.
Alkoholische Gärung:
C6H12O6  2 Ethanol + 2CO2 + 2 ATP
Milchsäuregärung:
C6H12O6  2 Laktat + 2 ATP
Grund- und Leistungsumsatz
Die direkte (Temperaturmessung) und
indirekte Kalorimetrie ( O2-Verbrauch ),
ermöglicht eine Berechnung des Energieverbrauches eines Lebewesens.
Der Respiratorische Quotient,
RQ = Volumen CO2 / Volumen O2
dient zur Feststellung der jeweiligen
Nahrungsstoffe am Gesamtenergieverbrauch:
Kohlenhydrate RQ =1
Fette
RQ = 0,7
Proteine
RQ = 0,83
 Abhängigkeiten des Grund- und
Leistungsumsatzes des Menschen von
Alter, Geschlecht, Krankheit etc..
 Im Tierreich:
 Abhängigkeit des GU und LU von der
Körpergröße; Allen’sche und
Bergmann’sche Regel;
 GU, Körpertemperatur und
Leistungsfähigkeit bei wechselwarmen
und gleichwarmen Tieren.
 GU bei Winterschläfern.
Sportphysiologie
 Die sportmedizinische Untersuchung
 Zeitlicher Verlauf der energieliefernden
Prozesse bei maximaler körperlicher
Bewegung.
 Trainingseffekte und Trainingsreize
 Doping
Mikrobiologie
 Kennenlernen wichtiger mikrobiologischer
Arbeitsmethoden (Gießen und Beimpfen
von Agarplatten)
 steriles Arbeiten etc.
 Kultivierung von Bakterien bei
unterschiedlichen
Vermehrungsbedingungen ( oC; pH;
O2-Qualität und Quantität des
Substratangebotes ).
 Konservierungs- und
Desinfektionsmöglichkeiten
 sowie die Wirkung von Antibiotika.
 Die Methoden der Biotechnologie bei der
industriellen Produktion von
Nahrungsmitteln und Arzneimitteln.
Dissimilation
1. Einführung
 Verdauungsprozesse
 Aufnahme und Transport von Glucose
 Bau und Funktion der Mitochondrien
- Matrix ->Tricarbonsäurezyklus
- Innenmembran ->Endoxidation
2. Dissimilation - Glucoseabbau beim Menschen
Erfolgt in 3 Teilschritten:
2.1 Glycolyse
2.2.1 Oxidative Decarboxylierung
2.2.2 Tricarbonsäurezyklus = Citronensäurezyklus
2.3 Endoxidation = Atmungskette
3. Anaerober Abbau von Glucose
AB „Anaerober Abbau von Glucose“
4. ATP-Ausbeute im Vergleich
4.1 Wirkungsgrad der Glucose-Abbauwege
4.2 Trainingseffekte
5. Energieumsätze beim Menschen
5.1 Grundumsatz
Faktoren, die den Grundumsatz beeinflussen
5.2 Leistungsumsatz
5.3 Bedeutung gesunder Ernährung
Stoffwechselwege in den Zellen
 Bei der Verdauung werden die energiereichen Nährstoffe
Kohlenhydrate, Fette und Proteine in ihre Bestandteile zerlegt:
-> Kohlenhydrate in Glucose
-> Fette in Fettsäuren
-> Proteine in Aminosäuren
und anschließend in die Zellen eingeschleust.
 Die Hauptenergielieferanten Kohlenhydrate werden im Zellplasma über die Abbauprozesse der Glykolyse vom
C6-Gerüst (Glucose) zu zwei C3 (Pyruvat) abgebaut.
 Das Pyruvat wird dann in die Mitochondrien eingeschleust, wo es nach einer ersten Abspaltung von
Kohlendioxid als C2-Körper (aktivierte Essigsäure = Acetyl-CoA) in den Citratzyklus gelangt.
 Nach vollständiger Entfernung von Kohlenstoff wird der an einem Träger (NADH/FADH2) gebundene
Wasserstoff als Energieüberträger in den Prozessen der Atmungskette in die biologische verwertbare
Universalenergie ATP umgesetzt.
 Mit der in ATP enthaltenen Energie können erst alle biologischen Arbeiten verrichtet werden.
Biologie JS2 / Stoffwechsel / Wunder 2013
Aufnahme und Transport von Glucose
1. Resorption im Dünndarm
 Resorption der Glucose in den
Dünndarmzotten.
 Transport über das
Pfortadersystem zur Leber.
 Weitertransport in bestimmte
Zellen (z.B. Muskelzellen).
2. Aufnahme von Glucose in die Zelle
 Zellmembranen bestimmter
Zellen besitzen Rezeptoren für
Insulin.
 Anlagerung von Insulin an die
Rezeptoren löst intrazelluläre
Reaktionsketten aus.
 Aufnahme von Glucose durch
den Glucosetransporter Glut4.
3. Reaktionen im Cytoplasma
 Im Cytoplasma der Zellen laufen wichtige
Stoffwechselreaktionen ab.
 In der Glycolyse wird der C6-Körper Glucose zu zwei
Molekülen Brenztraubensäure bzw. Pyruvat abgebaut.
4. Reaktionen im Mitochondrium
 In der Matrix (=Flüssigkeit) der Mitochondrien
laufen die Reaktionen des Zitronensäurezyklus ab.
 In der inneren Membran der Mitochondrien laufen
die Reaktionen der Atmungskette ab.
Biologie JS2 / Stoffwechsel-Glucose / Wunder 2013
Dissimilation - Glucoseabbau beim Menschen
Bei der Dissimilation werden energiereiche Stoffe wie Glucose oder die
Speicherform Glycogen abgebaut. Deren chemische Energie wird in der Zelle dazu
benutzt, den universellen Energieüberträger ATP zu regenerieren.
C6H12O6 + 6O2 + 6H2O  6CO2 + 12H2O + Energie
Diese Gleichung fasst alle Reaktionsschritte des Abbaus von Glucose unter
Verbrauch von Sauerstoff und Gewinnung von Energie zusammen. Dabei entstehen
Kohlenstoffdioxid und Wasser. Chemisch gesehen handelt es sich um eine
exotherme Oxidation. Die frei werdende Energie wird als chemische Energie in
Form von ATP gespeichert bzw. geht als Wärme verloren.
Dieser Prozess läuft in drei großen Abschnitten ab:
1. Glycolyse
Bei der Glycolyse wird im Cytoplasma das Glucosemolekül zu Brenztraubensäure
bzw. Pyruvat (=Salz der BTS) abgebaut. Diese Verbindung enthält noch sehr viel
Energie. Die Glycolyse benötigt noch keinen Sauerstoff und liefert 2 Moleküle ATP
pro Molekül Glucose.
Bilanzgleichung der Glycolyse:
C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2P  2C3H4O3 + 2NADH + H+ + 2ATP
(2C3H3O3 = Pyruvat)
2.1 Oxydative Decarboxylierung
Das Pyruvat wird nun in das Mitochondrium eingeschleust. Dort findet die oxidative
Decorboxylierung statt. Dabei wird von Pyruvat Kohlenstoffdioxid abgespalten.
Die dabei entstehende Acetylgruppe wird an das Coenzym A übertragen und
dadurch aktiviert.
Bilanzgleichung der oxidativen Decarboxylierung:
2C3H4O3 + 2NAD+ + 2H-S-CoA + 2H+  2C2H3O-S-CoA(5) + 2NADH + 2H+ +
2CO2
2.2 Tricarbonsäurezyklus (=Citronensäurezyklus) Im
Tricarbonsäurezyklus(6) werden die Endprodukte der Glycolyse zu Kohlendioxid
Biologie JS2 / Abbau von Glucose / Wunder 2013
abgebaut. Dabei werden Wasserstoffatome frei, die chemisch an NAD+ und FAD
gebunden werden. Außerdem werden 2 Moleküle GTP gebildet.
Bilanzgleichung des Tricarbonsäurezyklus (Zitronensäurezyklus):
2C2H3O-S-CoA + 6NAD+ + 2FAD + 6H2O + 2GDP + 2P + 2H+
 4CO2 + 6NADH + 6H+ + 2FADH2 + 2CoA-SH + 2 H+ + 2GTP
3. Endoxidation (=Atmungskette)
Bei der Endoxidation geben schließlich die wasserstoffreichen Verbindungen des
Tricarbonsäurezyklus ihren Wasserstoff an Sauerstoffmoleküle ab.
In dieser exothermen Reaktion wird sehr viel Energie frei. Diese Energie wird zur
Synthese von insgesamt 34 Molekülen ATP pro Molekül Glucose genutzt. Damit ist
die Endoxidation nicht nur der letzte, sondern auch der wichtigste Schritt der
gesamten Atmung.
Verknüpfung von Endoxidation und oxidativer Phosphorylierung:
10NADH + 10H+ + 2FADH2 + 6O2 + 34ADP + 34P
 10NAD+ + 2FAD + 34ATP + 12H2O
Der chemisch gebundene Wasserstoff reagiert nun in einer sehr gedämpften
Knallgasreaktion mit Sauerstoff zu Wasser.
½O2 + 2e+ + 2H+  H2O
!
!
Weil bei diesem Abbau von Glucose Sauerstoff benötigt wird, können ihn nur
aerob lebende Organismen durchführen.
Unter anaeroben Bedingungen wird das Pyruvat durch Gärungen weiter
verarbeitet. Wichtig ist vor allem die Milchsäuregärung(10), die auch die
Muskelzellen des Menschen bei Sauerstoffmangel durchführen.
Biologie JS2 / Abbau von Glucose / Wunder 2013
Zellatmung - Abbau von Glucose
Die Zellen benötigen ATP in Form von universaler Energie. Das Herstellen von ATP ist allerdings ein energieaufwändiger Prozess.
Menschliche, tierische und pflanzliche Zellen gewinnen diese Energie, indem sie die energiereiche Glucose verbrennen.
Der Glucoseabbau läuft gemäß der Reaktionsgleichung:
C6H12O6 + 6O2 => 6CO2 + 6H2O + Energie
Bei dieser Reaktion passieren zwei Dinge gleichzeitig:
Erstens wird Glucose oxidiert. Dazu wird Sauerstoff benötigt, den der menschliche Körper durch Lungenatmung aufnimmt und dann im Blut
gelöst den Zellen zuführt.
Zweitens wird sehr viel Energie freigesetzt, die in den Mitochondrien der Zelle in neues ATP verwandelt wird. Dieser Prozess, der sehr viel
komplizierter ist, als es in der Reaktionsgleichung oben aussieht, läuft in unseren Zellen in drei Schritten ab.
1. Schritt: Bei der Glycolyse wird das Glucosemolekül in einfachere Verbindungen abgebaut, die noch sehr viel Energie enthalten.
Die Glycolyse benötigt noch keinen Sauerstoff. Da eine geringe Menge von ATP bereits in der Glycolyse synthetisiert wird, können
bestimmte Organismen ihren ATP-Bedarf auch in Abwesenheit von Sauerstoff decken (Gärung).
2. Schritt: Im Citronensäurezyklus werden die Endprodukte der Glycolyse zu Kohlendioxid abgebaut, außerdem entstehen jede Menge
wasserstoffreiche Verbindungen wie NADH/H+ und FADH2.
3. Schritt: In der Atmungskette schließlich geben die wasserstoffreichen Verbindungen des Citronensäurezyklus ihren Wasserstoff an
Sauerstoffmoleküle ab. Dies ist eine extrem exotherme Reaktion (vergleichbar mit der Knallgasreaktion). Die bei dieser Reaktion
freigesetzte Energie wird zur Synthese von sehr viel ATP aus ADP und Phosphat eingesetzt. Damit ist die Atmungskette nicht nur der
letzte, sondern auch der wichtigste Schritt der gesamten Atmung.
Fehlt den Organismen der notwendige Sauerstoff, so können die Endprodukte der Glycolyse zu Milchsäure oder Ethanol abgebaut werden.
Man spricht dann von einer Gärung.
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1) NADH 2 wird zu NAD+ oxidiert und ist damit wieder in der Glykolyse
einsetzbar.
2) Es erfolgt ein Nettoenergiegewinn von 2 ATP pro Molekül Glucose
3) Der Abbau von Glucose erfolgt ohne 02 und ist damit anaerob
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4) Der Abbau von Glucose zu
Lactat ist noch unvollständig.Lactat ist sogar
noch energiereicher als
Pyruvat und wird somit im
Herzmuskel weiteroxidiert
bzw. in der Leber wieder
zu Glykogen aufgebaut.
4) Die alkoholische Gärung läuft in
Hefezellen nur ab, - wenn 02-Mangel
herrscht ==> Pasteur-Effekt
d.h. durch 02-Zufuhr kann die
alkoholische Gärung gehemmt werden.
Die Energieg~winnung ~rfolgt dann
rein aerob, also unter Ausnutzung
5) Anwendung: ~ Sauermilchbakt.
Käse, Yoghurt, Sauerteig,
Silofutter
5) , Erreicht die Alkoholkonzentration
in einem Gäransatz eine ~ zu hohe
Konzentration, so k~mmt es zu einem
,
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stop der Stoffwechselprozesse
==> Enzymhemmung ==> Max. %-Gehalt
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1) Pyruvat wird unter Einwirkung mehrerer Enzyme ( = Multi-Enzym-Komplex )
zu ein~ ~ C2-K6rper ( Acetyl-CoA ) abgebaut.
2) Der weitere vollständige Abbau des C2-K6rpers erfolgt im Zitronensäurezyklus ( ZSZ )
3) Die Eingangsreaktion in den ZSZ:
Acetyl-CoA wird , nicht direkt zerlegt, sondern unter Abspaltung des
Enzyms CoA, an das Startermolekül Oxalazetat ( C4-K6rper ) gebunden.
Es entsteht dadurch ein C6-K6rper ( Citrat , - Zitronensäure)
zweimaliger Abspaltung ~on C02 wird im ZSZ wieder das Startermolekül Oxalazetat zurückgewonnen.
5) Jedes Glucosemolekül ist somit nach Glykolyse und ZSZ in 6 Moleküle
C02
gespalten worden.
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6) Im ZSZ wird neben ATP auch NADH2 und FADH2 gebildet.
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