Physiologie kompakt für Dummies. Donna Rae Siegfried

verwerten, um daraus »beeindruckenden Bizeps« aufzubauen, sondern nutzen für diesen Zweck die Pizza-Grundbausteine und die ATP-Moleküle, die Ihre Zellen aus der Energie der vertilgten Pizza produziert haben.

      Metabolismus der Zellen

      Kapitel 11 zeigt Ihnen im Detail, wie Ihr Verdauungssystem Nahrung aufschließt und in den Blutstrom überführt. Kapitel 9 erklärt, wie das Blut Nährstoffe zu den Zellen und Abfallstoffe zum Exkretionssystem transportiert. Kapitel 12 erläutert schließlich, wie die Niere als Teil des Exkretionssystems das Blut filtert und Abfallstoffe aus dem Körper entfernt. Das vorliegende Kapitel liefert dagegen detaillierte Einblicke in die Reaktionen, mit deren Hilfe Ihre Zellen »Treibstoff« in Energie umwandeln. Können wir loslegen?

Die Reaktionen, die Nährstoffe in verwertbare Energie umwandeln, umfassen die Glycolyse, den Citratzyklus sowie die oxidative Phosphorylierung. Zusammen werden diese drei Reaktionen als »Zellatmung« bezeichnet (siehe Abbildung 2.1). Nehmen Sie sich ausreichend Zeit zum Studieren dieser doch sehr komplexen Reaktionswege. Fühlen Sie sich frei, diese so oft zu wiederholen, wie Sie möchten. Niemand ist da, der Sie drängeln wird.

      Glycolyse, der Prozess, bei dem Glucose abgebaut wird, findet im Zytoplasma (flüssiger Anteil) jeder Zelle statt. Das Produkt der Glycolyse, Pyruvat, gelangt vom Zytoplasma in ein zelluläres Organell, das Mitochondrium (siehe Kapitel 3). Das Mitochondrium ist das »Kraftwerk« der Zelle, da dort die Energieumwandlung stattfindet. Der »Citratzyklus« (auch als »Krebs-« oder »Zitronensäurezyklus« bezeichnet) wird in Gang gesetzt, sobald ein Pyruvat-Molekül den Weg ins Mitochondrium gefunden hat.

      Am Ende des Krebs-Zyklus wandern dabei entstandene, hoch energetische Moleküle in die Membran (Hülle) des Mitochondriums, wo sie entlang der Elektronen-Transportkette geführt werden. Am Ende dieser Kette wurde die Energie dieser Moleküle in Form von ATP konserviert.

      

ATP stellt gewissermaßen die Währung der Zelle dar. Benötigt eine Zelle Energie, beispielsweise wenn Substanzen im aktiven Transport durch die Zellmembran befördert werden sollen (siehe Kapitel 3), »bezahlt« die Zelle dafür mit ATP-Molekülen. So wie Sie kein Geld ausgeben können, ohne neues dazuzuverdienen und die Ausgaben zu kompensieren, kann Ihr Körper ebenso wenig nur Energie verbrauchen, ohne neuen Kraftstoff zu »tanken«. Die Umwandlung von Nährstoffen in ATP ist sogar noch wichtiger, als Geld zu verdienen. Ohne Geld sind Sie zwar bankrott, und das ist keine besonders attraktive Situation, ohne ATP sterben Sie jedoch.

Schauen Sie noch einmal auf Abbildung 2.1 und wiederholen Sie dies so oft wie nötig, während Sie sich die einzelnen Reaktionen und Zyklen genauer ansehen.

Abbildung 2.1: Zellatmung: Glycolyse, aerobe Atmung (Citratzyklus) und oxidative Phosphorylierung sowie die Gärung überführen Energie aus Nährstoffen in ATP

      Der glycolytische Reaktionsweg (Glycolyse)

      Wenn Sie oben bei Abbildung 2.1 beginnen, können Sie sehen, dass Glucose (der kleinste Baustein eines Kohlehydrats oder Zuckers) im Zentrum des Prozesses der sogenannten »Glycolyse« steht. Die Glycolyse bildet den Anfang der Zellatmung, und dazu ist etwas Energie (ATP) notwendig. Zwei Moleküle ATP werden für die Glycolyse benötigt. Obwohl während der 10 Teilschritte der Reaktion vier ATP-Moleküle gebildet werden (ich erspare Ihnen hier nähere Details), bleiben netto nur zwei Moleküle übrig (da schon zu Beginn der Glycolyse zwei Moleküle ATP »ausgegeben« werden müssen). Zudem entsteht neben den zwei ATP-Molekülen Pyruvat. Das Pyruvat ist die Substanz, die im aeroben Reaktionsweg des Citratzyklus’ die Hauptrolle spielt und für die Umsetzung von Glucose in ATP zuständig ist.

      Der Citratzyklus

      Zwei Pyruvat-Moleküle werden im Citratzyklus verbraucht, der als »aerober Reaktionsweg« bezeichnet wird, weil für diesen Zyklus die Anwesenheit von Sauerstoff erforderlich ist. Der Citratzyklus ist einer der großen biologischen Reaktionswege, der nicht nur im menschlichen Organismus, sondern auch in dem aller Tiere und Pflanzen abläuft.

      Gelangt Pyruvat in ein Mitochondrium, so verbindet es sich dort mit einem anderen Molekül, dem Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD). NAD⁺ ist ein Elektronenüberträger (ein Molekül, das Energie von einem Molekül auf ein anderes transportieren kann). Bei dieser Reaktion wird Kohlendioxid freigesetzt. NAD⁺ nimmt Elektronen auf und wird zum höher energetischen (reduzierten) Molekül NADH umformt. Das Produkt der Gesamtreaktion heißt »Acetyl-Coenzym A« (»Acetyl-CoA« oder »aktivierte Essigsäure«), ein Kohlenhydratmolekül, das nun in den Citratzyklus eintritt.

      Tiefere Einsichten in den Citratzyklus

Durch Abgabe von Wasser wandelt sich Zitronensäure zu cis-Aconit-Säure um. Spaltet sich noch mehr Wasser ab, entsteht Isocitrat. An diesem Punkt kommt der Elektronenüberträger Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD⁺) ins Spiel und konvertiert Isocitrat zu 2-Oxoglutarat; bei dieser Reaktion werden Kohlendioxid und NADH freigesetzt. Das 2-Oxoglutarat wandelt sich zu Succinyl-Coenzym A durch Reaktion mit NAD⁺ und Coenzym A. Es entsteht wieder Kohlendioxid und NADH. Succinyl-CoA verbindet sich dann mit Guanosindiphosphat (GDP) sowie einem anorganischen Phosphat-Molekül (P_i) zu Succinat. CoA und Guanosintriphosphat (GTP) werden freigesetzt. Succinat wird dann zu Fumarat umgewandelt, wenn oxidiertes Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) dazutritt. FAD ist wie NAD⁺ ein Elektronenüberträger und kann reversibel Elektronen aufnehmen. FAD wird dazu zu FADH₂ reduziert. An diesem Punkt des Zyklus reagiert Wasser mit Fumarat (sehen Sie, weshalb Sie genügend Wasser trinken sollten?) zu Malat. NAD⁺ tritt nun auch wieder in den Kreislauf ein und wandelt Malat zu OAA um, wobei wieder NADH entsteht. Nach einem Umlauf des Citratzyklus sind folgende energiegeladene Moleküle entstanden:

       drei Moleküle NADH (reduziertes Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid)

       ein Molekül FADH2 (reduziertes Flavin-Adenin-Dinukleotid)

       ein Molekül ATP

      Okay, so weit so gut, wir haben immerhin ein Molekül ATP. Aber wenn ATP das einzige Energie-Molekül ist, das der Körper nutzen kann, wie viele ATP-Moleküle bekommt man dann eigentlich noch aus NADH und FADH₂ heraus? Lesen Sie weiter! (Hinweis: NADH und FADH₂ werden während der oxidativen Phosphorylierung wieder oxidiert. Die in dieser Reaktion frei werdende Energie wird dazu genutzt, ATP zu bilden.)

      

Zyklen sind Kreisläufe. Die Produkte einer Reaktion sind nötig, um eine andere anzustoßen. Ein Beispiel ist Acetyl-CoA: Es ist ein Produkt des Citratzyklus, doch gleichzeitig ist es auch seine Aufgabe, den Zyklus selbst am Laufen zu halten. Acetyl-CoA und Oxalacetat (OAA) werden zur Zitronensäure verbunden. Am Ende des Zyklus sind aus der Zitronensäure zwei Moleküle CO₂ und wieder OAA entstanden; der Zyklus kann erneut durchlaufen werden.

      Oxidative Phosphorylierung (auch unter der Bezeichnung »Atmungskette« oder