Kraftwerk Körper – Energiegewinnung in unseren Zellen

Kraftwerk Körper – Energiegewinnung in unseren Zellen
Was passiert eigentlich, wenn wir etwas essen und dann loslaufen müssen?
Wie können unsere Zellen die Stoffen aus der Nahrung zur Energiegewinnung nutzen?
Die Antwort auf diese Fragen gibt’s in diesem Artikel.
Das ist der fünfte und letzte Teil der Grundlagenreihe zur Energiegewinnung.
Wir haben uns bis jetzt angeschaut, wie Fette, Kohlenhydrate und Aminosäuren aus unserer
Nahrung aufgenommen und verarbeitet werden.
Nun zeige ich dir, wie die Produkte und Zwischenprodukte all dieser Stoffwechselprozesse in einem
einzigen Vorgang in unserer Zelle in Energie umgewandelt werden.
Wenn du Nahrung zu dir nimmst, dann wird ein kleiner Teil davon als Kohlenstoffdioxid wieder
ausgeatmet.
Die Energiegewinnung ist untrennbar mit der Atmungskette verknüpft.
Um eine Verbindung zwischen den Stoffwechselprozessen und der Zellatmung herzustellen, läuft in
jeder unserer Zellen der Citratzyklus ab.
Citratzyklus – Scheideweg zur Energiegewinnung unserer Zellen
Die Hauptaufgabe des Citratzyklus ist der Abbau von Acetyl-CoA zu NADH/H+, FADH2 und GTP.
Gleichzeitig entstehen hier auch Zwischenprodukte, die der Biosynthese verschiedener Stoffe dienen
können.
Der Citratzyklus läuft ausschließlich in den Mitochondrien ab.
Mit dem Citratzyklus wird die Zelle, in der er stattfindet, mit Energie versorgt.
Da hierbei nicht der gesamte Organismus bedacht wird, gibt es auch keine hormonelle Regulation.
Der Citratzyklus läuft ab, wenn in der Zelle Energie gebraucht wird.
Vor allem eine hohe ADP-Konzentration ist hierbei ausschlaggebend.
Gehemmt werden die Schlüsselenzyme des Prozesses dagegen bei hohen Werten von ATP, Citrat
und NADH/H+.
Obwohl man den Citratzyklus in acht einzelne Reaktionen einteilt, lassen sich doch grob zwei
Phasen unterteilen.
In der ersten Phase wird das Acetyl vom Acetyl-CoA zu zwei Molekülen CO2 abgebaut.
In der zweiten Phase wird das Molekül Oxalacetat wieder hergestellt.
Dieses muss beständig regeneriert werden, um den Citratzyklus durchzuführen.
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In der Skizze seht ihr den genauen Ablauf des Citratzyklus.
Insgesamt werden ein Molekül Acetyl-CoA, drei Nicotinamidadenindinukleotid (NAD+), ein FlavinAdenin-Dinukleotid (FAD), ein Guanosinbiphosphat (GDP), ein Phosphor (Pi) und zwei Moleküle
Wasser (H2O) in den Citratzyklus eingeschleust und verarbeitet.
So entstehen zwei Moleküle Kohlenstoffdioxid (CO2), drei mit Protonen aufgeladene Moleküle
Nicotinamidadenindinukleotid (NADH+H+), ein mit zwei Protonen aufgeladenes Flavin-AdeninDinukleotid (FADH2), ein Guanosintriphosphat (GTP) und ein Coenzym A (CoA).
NADH/H+ und FADH2 werden der Atmungskette zugeführt.
Hier wird die Ladung in ATP umgewandelt und NAD+ und FAD regeneriert.
Das schauen wir uns gleich an.
Das GTP kann ohne Energieverlust ein ADP aufladen.
Die Gleichung sieht dann so aus: GTP + ADP ↔ GDP + ATP
Das CO2 kann als Abfallprodukt einfach abgeatmet werden.
Insgesamt werden durch den Citratzyklus und die anschließende Atmungskette pro Molekül AcetylCoA zwölf ATP generiert.
Das ist ziemlich ergiebig.
Vielleicht erinnerst du dich: Beim Abbau der langen Fettsäure Tripalmitin werden so beispielsweise
insgesamt 409 ATP-Moleküle produziert.
Schauen wir uns aber erst mal an, was genau mit den Molekülen in der Atmungskette passiert.
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Atmungskette und ATP-Synthese
Die Atmungskette ist eigentlich eine oxidative Phophorylierung.
Während vier Enzymkomplexe an der Mitochondrienmembran Elektronen und Protonen auf
Sauerstoffmoleküle übertragen und dadurch Wasser herstellen, gleicht die ATP-Synthase diesen
Austausch aus, indem sie Protonen zurück ins Mitochondrieninnere schleust und dabei aus ADP und
Phosphat ATP erzeugt.
Das klingt kompliziert. Also schauen wir uns das ganze Mal genauer an.
1. Komplex: NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase
Ein komplizierter Name, der sicherlich keinen Preis gewinnen kann.
Eigentlich ist das nur ein Komplex aus verschiedenen Enzymen, die sich in der inneren
Mitochondrienmembran befinden.
Es überträgt zwei Elektronen und zwei Protonen vom NADH auf ein Flavinmononukleotid (FMN).
Anschließend werden sie weiter auf Ubichinon übertragen. Dieses wird somit zu Ubichinol.
Insgesamt werden hierbei vier Protonen aus dem Inneren des Mitochondriums in den
Intermembranraum transportiert.
2. Komplex: Succinat-Ubichinon-Reduktase
Dieser Enzymkomplex oxidiert das FADH2 zu FAD.
Auch hierbei werden die Protonen auf Ubichinon übertragen. Es wird wiederum zu Ubichinol.
Das FAD kann nun wieder in den Citratzyklus eingebunden werden.
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3. Komplex: Ubichinol-Cytochrom-c-Oxidoreduktase
Im dritten Komplex wird Ubichinol wieder zu Ubichinon oxidiert.
Dies geschieht, indem die Elektonen an Cytochrom c abgegeben werden.
Gleichzeitig werden die Protonen in den Intermembranraum gepumpt.
4. Komplex: Cytochrom-c-Oxidase
Hier werden die Elektronen schließlich vom Cytochrom c auf Sauerstoff übertagen.
Das Sauerstoff-Molekül nimmt auch die beiden Protonen auf.
Es wird zu Wasser.
Wer hat aufgepasst?
Jetzt bleiben noch zwei weitere Protonen übrig.
Diese verbinden sich mit Sauerstoff zu zellschädlichen Verbindungen.
Die Enzyme Superoxid-Dismutase und Katalase machen sie wieder unschädlich.
Die ATP-Synthese
Das Enzym ATP-Synthase befindet sich an der Mitochondrienmembran.
Sie gleicht den in der Atmungskette entstandenen Protonengradient wieder aus.
Um zu verstehen, wie genau sie das tut, müssen wir uns zunächst anschauen,
Synthase aufgebaut ist.
wie die ATP-
Das Enzym ist aus zwei Einheiten aufgebaut.
Die erste ragt in das Mitochondrium hinein. Hier wird ATP hergestellt.
Die zweite Untereinheit sitzt in der inneren Mitochondrienmembran.
Sie bildet einen Kanal, durch den Protonen fließen können.
Fließen die Protonen aus dem Intermembranraum des Mitochondriums über den zweiten Teil des
ATP-Synthase wieder zurück, wird der erste Teil in Rotation versetzt.
So wird die Energie erzeugt, die benötigt wird, um ADP und Pi zu ATP zu verbinden.
Fließen 20 Protonen durch die ATP-Synthase zurück ins Mitochondrium entstehen etwa 5 ATP.
Regulierung und Hemmung von Atmungskette und ATP-Synthese
Die ATP-Synthese wird wie auch schon der Citratzyklus von dem Energiebedarf der Zelle reguliert.
Ein hoher ADP-Spiegel führt also zu Aktivierung der Atmungskette und einer Verstärkung der ATPSynthese.
Dadurch steigt der Sauerstoffverbrauch der Zelle sprunghaft an.
Die Antibiotika Antimycin A und Oligomycin hemmen Atmungskette bzw. die ATP-Synthase.
Aber auch Kohlenmonoxid verhindert die ATP-Gewinnung.
Wird die Atmungskette übermäßig durchgeführt, muss die überflüssige Energie durch Wärme
abgeführt werden.
Dies geschieht beispielsweise im braunen Fettgewebe, das besonders von Säuglingen zum
Wärmeerhalt genutzt wird.
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Meine Empfehlung
Wie du siehst, ist die Energiegewinnung ein komplizierter Prozess, der an vielen Hindernissen
scheitern kann.
Grundsätzlich zeigt sich, warum die Atmung so wichtig für den Erhalt unseres Lebens ist.
Ohne Sauerstoff und die Abfuhr von Kohlenstoffdioxid kämen wir nicht sehr weit.
Je stärker du deine Muskeln belastest, desto größer wird der Energiebedarf in den Muskelzellen
sein. Also wird hier mehr Nahrung in Energie umgesetzt als beispielsweise in Fettdepots.
Gleichzeitig erhöht eine starke Belastung auf Dauer die Mitochondrienzahl, sodass nicht nur mehr
Energie erzeugt werden kann, sondern auch mehr Verbrauch besteht.
Das bedeutet, dass du mehr essen kannst, ohne dick zu werden.
Aber regelmäßige Bewegung hat noch einen weiteren Vorteil: Dein ganzer Körper passt sich daran
an. Das bedeutet auch, dass mehr Sauerstoff zur Verfügung gestellt werden kann.
Neben den stärkeren Muskeln hast du so im Notfall auch mehr Sauerstoff zur Verfügung.
Natürlich ist die Ernährung wichtig, aber gerade beim Citratzyklus und der Atmungskette zeigt sich,
wie wichtig auch die anderen Faktoren –saubere Luft, Wasser und Bewegung- für unsere Gesundheit
sind.
Also beweg dich mehr.
Steh zwischendurch vom Computer auf und lauf einfach ein bisschen herum.
Das kurbelt auch gleich deinen Kreislauf an.
Den gleichen Effekt hat auch Wasser auf deinen Körper. Wie wichtig Wasser für dich ist und wie du
es schaffst, mehr davon zu trinken, kannst du hier nachlesen.
Bewegung schadet eigentlich nie, aufpassen solltest du dagegen bei Antibiotika, die deinen Körper
auf vielfältige Art durcheinander bringen.
Lies hier nochmal den letzten Teil der Reihe zur Energiegewinnung. Im vierten Teil ging es um den
Abbau von Aminosäuren.
Quellen und weiterführende Literatur
Löffler, G. et al.: Biochemie & Pathobiochemie. 2007.
de Marées, H.: Sportphysiologie. 2003.
Kirchner H. & Mühlhäußer J.: Basics Biochemie. 2009.
Rehner G. & Daniel H.: Biochemie der Ernährung. 2010.
Haller D. et al.: Biofunktionalität der Lebensmittelinhaltsstoffe. 2013.
Ebermann R. & Elmadfa I.: Lehrbuch Lebensmittelchemie und Ernährung. 2008.
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