Metabolismus – alle Infos zum Stoffwechsel

In diesem Essay möchte ich mit dir in die spannende Welt des Metabolismus eintauchen. Genau wie die Fähigkeit zur Reproduktion gehört unser Stoffwechsel zu den essentiellen Kennzeichen allen irdischen Lebens. Der Organismus nimmt – ganz einfach ausgedrückt – körperfremde Stoffe auf und wandelt sie in körpereigene Substanzen unter Eliminierung der anfallenden Endprodukte um. Wir unterscheiden zwischen:

  • Anabolismus: hierbei handelt es sich um Biosynthesevorgänge zur Bildung von Polysacchariden, Aminosäuren, Glucose, Lipiden, Proteinen sowie Nukleinsäuren unter Aufwendung von Energie in Form von ATP.
  • Katabolismus: Energiegewinnung aus Reservesubstanzen des Körpers z.B. durch den Abbau von Aminosäuren, der Transformation von Glucose in Pyruvat oder durch β-Oxidation der Fettsäuren.
  • Amphibolismus: sowohl anabole als auch katabole Stoffwechselreaktionen.

Charakteristika biochemischer Reaktionen

Kennzeichnend für biochemische Reaktionen sind folgende Merkmale – sie laufen ab bei:

  • verhältnismäßig niedrigen Temperaturen
  • im wässrigen Milieu
  • unter physiologischem pH-Wert von ca. 7,4

Ausreichend vorhandene Energie ist die wichtigste Voraussetzung zur Reaktion der Moleküle miteinander. Die Erhöhung der Temperatur oder der Einsatz von Enzymen als biochemische Katalysatoren sorgen für eine entsprechende Aktivierung. Bitte lass dich von der folgenden komplex erscheinenden Grafik nicht abschrecken. Ich verspreche dir, wenn wir alles zusammen chronologisch durchexerziert haben, hast du unsere relevantesten Stoffwechselprozesse verinnerlicht und den Metabolismus komplett verstanden. Aha-Effekte garantiert inklusive.

Gesamtübersicht der im Körper ablaufenden Stoffwechselvorgänge als vereinfachte schematische Grafik
Übersicht der Stoffwechselvorgänge

Hier dargestellt sind die anabolen und katabolen Metabolismen unserer drei Makronährstoffe Proteine, Kohlenhydrate und Lipide, die wir über die Nahrung aufnehmen. Enzyme im Verdauungstrakt zerlegen die riesigen Moleküle in ihre Einzelbausteine – also Lipide in Glycerin und Fettsäuren, Kohlenhydrate in Monosaccharide wie Glucose und Proteine in Aminosäuren.

Acetyl-CoA: zentrale Substanz im Metabolismus

Als Dreh- und Angelpunkt der drei Auf- und Abbauwege fungiert die acetylierte Form des Coenzym A (kurz: Acetyl-CoA). Hierbei handelt es sich um die aktivierte Essigsäure – eine extrem energiereiche Verbindung. Sie dient als Ausgangssubstanz für den Citratzyklus, der zusammen mit der Atmungskette und der Glykolyse den Gesamtprozess der Zellatmung (inneren Atmung) umfasst. Hierbei entstehen Reduktionsäquivalente, die unser Körper während der Atmungskette zur Energieproduktion in Form von ATP aufwendet.

Kohlenhydrat-Metabolismus

Starten wir zunächst in der goldenen Mitte: die aus der Nahrung aufgenommenen Kohlenhydrate werden über den Verdauungstrakt in Monosaccharide wie Fructose oder Glucose zerlegt.

Glykolyse

In diesem Rahmen wird Glucose unter aeroben Bedingungen (Anwesenheit von Sauerstoff) in Pyruvat umgewandelt. Hierbei werden sowohl Reduktionsäquivalente in Form von NADH+H+ als auch ATP gewonnen.
Auch in Extremsituationen ist unser Körper befähigt den Einfachzucker zu metabolisieren. Bei kurzfristiger anstrengender Muskeltätigkeit ohne ausreichende Sauerstoffzufuhr (anaerobe Bedingungen) – z.B. im Hochleistungssport – wird Pyruvat unter der Regenerierung von NADH+H+ in Lactat (Anion der Milchsäure) umgewandelt. Aus diesem Grund bezeichnet man den Vorgang als Milchsäuregärung. Das freiwerdende Lactat wird vom Muskel ins Blut abgegeben und von der Leber aufgenommen. Dort wird es zu Pyruvat oxidiert, welches dann dem Citratzyklus zur Verfügung steht oder direkt als Ausgangssubstrat zur Gluconeogenese herangezogen wird.

Schamtische Übersicht über den Kohlenhydrat Metabolismus
Kohlenhydrat-Stoffwechsel

Gluconeogenese

Hierunter versteht man die Neubildung von Glucose aus Pyruvat. Es handelt sich dabei um einen anabolen Prozess. Vom Prinzip her laufen die Reaktionsschritte der Glykolyse rückwärts ab. Als Ausgangsstoffe zur Glucoseneubildung dienen dementsprechend Kohlenhydratfragmente aus der Glykolyse (Pyruvat, Lactat) und einige Aminosäuren. Fettsäuren lassen sich nicht in Glucose umwandeln (aber Glucose sehr wohl in Fett, s. unten). Dafür beteiligt sich das aus der Lipolyse entstandene Glycerin an der Gluconeogenese.
Allerdings ist unser Organismus nicht imstande das Pyruvat direkt zu verarbeiten. Aus diesem Grund wird es zunächst in den Mitochondrien unter Energieaufwand in Oxalacetat umgewandelt. Im Cytoplasma entsteht daraus dann über mehrere Reaktionsschritte das Phosphoenolpyruvat (PEP). Daraus werden dann schlussendlich Fructose und Glucose gebildet.

Hormone regulieren den Vorgang

Der Prozess benötigt extrem viel Energie. Dabei wirkt er antagonistisch zur Glykolyse. Catecholamine (z.B. Noradrenalin, Dopamin), Glucocorticoide (Cholesterin u.a. Steroidhormone) und Glucagon (Insulin-Antagonist aus den α-Zellen der Bauchspeicheldrüse) regulieren beide Stoffwechselwege. Die drei genannten Substanzen und Stoffgruppen hemmen die Glykolyse und steigern dementsprechend die Gluconeogenese.

Damit haben wir bereits die wichtigsten Mechanismen im Kohlenhydrat-Metabolismus abgehandelt.

Protein-Metabolismus

Als nächstes begeben wir uns auf linke Seite der Grafik zu den Aminosäuren, die im Verdauungstrakt im Rahmen der Proteolyse hervorgegangen sind.

Aminosäureabbau

Dieser Prozess lässt sich relativ schnell zusammenfassen – in drei einfachen Schritten.

  • Durch die Übertragung der Aminogruppe (-NH2) auf eine Ketosäure mithilfe von Transaminasen entsteht als Endprodukt die Glutaminsäure. Du kennst sie garantiert als weißes chemisches Pulver in Form des künstlichen Geschmacksverstärkers “Glutamat”, welcher in der Lebensmittelindustrie als kostengünstiges Aroma eingesetzt wird, um auf diese Weise hochwertige Zutaten einzusparen. Aber letzten Endes gehört er chemisch gesehen zu den körpereigenen Aminosäuren.
  • Im 2. Schritt wird genau diese Glutaminsäure in den Mitochondrien durch oxidative Desaminierung (also Entfernung der Aminogruppe) mithilfe von NAD umgesetzt. Daraus entsteht Ammoniak (NH3), eine toxische Substanz, die unser Organmismus eliminiert. Die Lebewesen haben im Laufe der Evolution verschiedene Mechanismen entwickelt, um sich ihr zu entledigen. Vögel scheiden den Ammoniak als Harnsäure aus (aus diesem Grund greift im Übrigen Vogelkot z.B. den Lack deines Autos an), Fische als Ammonium (NH4+) und Säugetiere als Harnstoff.
  • Last but not least folgt – wie bereits erwähnt – die Eliminierung des Ammoniak über den Harnstoffzyklus, der in den Mitochondrien und Cytosol der Leber- und z.T. Nierenzellen erfolgt. Zunächst reagiert Ammoniak unter Energieverbrauch mit CO2 aus dem Zellstoffwechsel zu Carbamoylphosphat, welches dann mit der nichtproteinogenen Aminosäure Ornithin zu Citrullin umgesetzt wird. Das Ornithin wird im Kreisprozess wieder regeneriert. Ein Zwischenprodukt dieser Reaktionskaskade findet dann im Citratzyklus Verwendung und wird zur Energiegewinnung genutzt. Letzten Endes wird die Aminosäure Arginin gebildet, aus welcher dann der Harnstoff abgespalten und über die Nieren eliminiert wird. Als weiteres Endprodukt wird Ornithin gebildet, welches dann erneut als Reaktionsedukt zur Verfügung steht, so dass der Metabolismus von Neuem beginnen kann.
Schamtische Übersicht über den Protein Metabolismus
Eiweiß-Stoffwechsel

Aminosäuresynthese

Die Bildung von Aminosäuren verläuft i.d.R. umgekehrt zum Abbau. Hier sind nur wenige Syntheseschritte erforderlich. Als Vorstufen dienen α-Ketosäuren, die aus der Glykolyse sowie dem Citrat- und Harnstoffzyklus als Zwischenprodukte anfallen. Mithilfe von Enzymen wie Transaminasen lassen sich daraus die Aminosäuren Serin, Alanin, Glutamat und Aspartat synthetisieren, aus denen sich dann weitere ableiten. Allerdings ist unser Körper (im Gegensatz zu den meisten Mikroorganismen und höheren Pflanzen) nicht befähigt alle 20 proteinogenen Aminosäuren selbst herzustellen. Acht Stück kann unser Organismus nicht synthetisieren, so dass wir sie mit der Nahrung aufnehmen müssen. Dazu gehören Phenylalanin, Isoleucin, Tryptophan, Methionin, Leucin, Valin, Lysin und Threonin.

Damit haben wir bereits zwei wichtige Zweige der Übersicht komplett abgearbeitet. Wenden wir uns nun noch den 3. und letzten Makronährstoff zu.

Lipid-Metabolismus

Rechts dargestellt findest du eine Übersicht über den Fettstoffwechsel. Die mit der Nahrung aufgenommenen Triglyceride werden im Verdauungstrakt mithilfe von Lipasen in Fettsäuren und Glycerin hydrolysiert, welches für die Glykolyse benötigt wird.

β-Oxidation

Der Abbau der Fettsäuren findet in den Mitochondrien statt. Bevor der eigentliche Prozess startet kann, binden sie unter Energieverbrauch an Coenzym A. Man spricht hierbei von “Aktivierung”. Die Aminosäure L-Carnitin fungiert als Carrier und schleust das entstandene Produkt in die mitochondriale Matrix ein. Hierbei handelt es sich um ein Dipeptid, welches aus den Aminosäuren Methionin und Lysin hervorgeht. Oftmals wird es genau aus diesem Grund als Nahrungsergänzungsmittel zur Gewichtsreduktion angeboten. Hiervon rate ich dir allerdings dringend ab, da keine klinisch validen Studien existieren, die dessen Wirksamkeit belegen!
Der eigentliche Abbau der Fettsäuren in den Mitochondrien besteht aus folgenden Schritten:

  • Unser Ausgangsprodukt stellt eine C16-Fettsäure (z.B. Palmitinsäure) dar. Bei diesem ersten Oxidationsschritt entsteht durch Dehydrierung eine Doppelbindung am β-C-Atom. Als Cosubstrat dient hierbei FAD. Dadurch werden Reduktionsäquivalente für die Atmungskette in Form von FADH2 gewonnen.
  • Danach wird eine Hydroxylgruppe, die aus dem Wasser stammt, an die neu entstandene Doppelbindung angelagert.
  • Im dritten und namensgebenden Oxidationsschritt wird am β-C-Atom eine Ketogruppe gebildet. Als Cosubstrat fungiert in diesem Fall das NAD, so dass auch während dieses Prozesses weitere Reduktionsäquivalente in Form von NADH+H+ gebildet werden.
  • Last but not least wird Acteyl-CoA abgespalten, so dass die Fettsäure um 2-C-Atome verkürzt wird. Dieser Prozess wir solange wiederholt (in diesem Fall 8x) bis sie komplett in Acetyl-CoA zerlegt wurde. Ingesamt werden aus einer C16-Fettäsure 129 Mol ATP gewonnen – allerdings indirekt in Form von Reduktionsäquivalenten. Der Energiegewinn erfolgt über Citratzyklus und Atmungskette.
Schamtische Übersicht über den Lipid Metabolismus
Fett-Stoffwechsel

Lipogenese

Die Fettsäuresynthese funktioniert vom Prinzip her als Umkehrreaktionsmechanismus der β-Oxidation. Als deren Hauptbaustein fungiert hierbei das Acetyl-CoA, welches aus C2-Einheiten besteht. Aus diesem Grund besitzen die fertigen Endprodukte eine gerade Anzahl an C-Atomen. Die Synthese findet im Cytosol statt. Ein Multienzymkomplex – die Fettsäure-Synthetase – katalysiert das Ganze. Die gesamte Reaktion findet an einem Acyl-Carrier-Protein (ACP) statt:

  • Das Acetyl-CoA benötigen wir für den Aufbau der Fettsäuren. Es stammt schlussendlich aus Glucose. Der Einfachzucker wird – wie wir ja bereits erfahren haben – im Cytosol im Rahmen der Glykolyse in Pyruvat umgewandelt.
  • Daraus entsteht in den Mitochondrien durch Decarboxylierung das Acetyl-CoA. Anders ausgedrückt: unser Körper wandelt Glucose nicht nur in Glykogen um, sondern bei extremem Überschuss auch in Fett, was in dieser Form als Energiereserve dient.

An dieser Stelle ahnst du sicherlich bereits, weshalb die Information eine hohe praktische Relevanz besitzt. Sobald wir nämlich unseren Energiebedarf überschreiten, wird das Fett aus der Nahrung in Depots eingelagert. Die Energie wird bei einer ausgewogenen Mischkost komplett aus Kohlenhydraten gedeckt. Bei einer High-Carb-Ernährung mit einem hohen Anteil an Mono- und Disacchariden jedoch wird zusätzlich die Synthese der Fettsäuren und Triglyceriden aus den Carbs gesteigert, so dass diese überschüssige Energie im Körper als Fett deponiert wird.

Unsere drei Makronährstoffe haben wir nun erfolgreich durch ihre Auf- und Abbauwege begleitet und ihren jeweiligen Metabolismus kennengelernt. Diese münden alle direkt oder indirekt beim Acetyl-CoA, welches in den Citratzyklus weiterverarbeitet wird.

Citratzyklus

Schema des Citratzyklus
Citratzyklus

Der Prozess findet in den Mitochondrien statt. Die Hauptfunktion besteht darin – in Kooperation mit der Atmungskette – unseren Körper mit Energie in Form von ATP zu versorgen. Wie bereits erwähnt, dient das Acetyl-CoA als Ausgangssubstanz. Unser Körper gewinnt es aus den bereits besprochenen Reaktionen (Aminosäureabbau, β-Oxidation, oxidative Pyruvat-Decarboxylierung). Als Endprodukte entstehen neben CO2 auch die beiden reduzierten Coenzyme NADH und FADH2. Diese liefern in der Atmungskette ingesamt 11 Mol ATP. Zusätzlich gewinnen wir als direkten Energielieferanten noch das GTP.

Atmungskette

Die Atmungskette besteht aus einer Vielzahl von Redoxpaaren – lokalisiert an vier großen Proteinkomplexen in der Innenmembran der Mitochondrien. Die beiden oben genannten reduzierten Coenzyme regenerieren sich während des Prozesses mithilfe von Sauerstoff unter Bildung von Wasser. Vielleicht erinnerst du dich noch an die sogenannte “Knallgasreaktion” aus dem Chemieunterricht.

Schema der Atmungskette
Atmungskette

“Knallgasreaktion” im Körper

Hier wird ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff gezündet, so dass explosionsartig sehr viel Energie freigesetzt wird. Die Reaktion verläuft also sehr stark exotherm. Dabei nimmt der Sauerstoff die Elektronen des Wasserstoffs auf. Genau diese Reaktion läuft formal auch während des Metabolismus ab – allerdings erfolgt die Energiefreisetzung schrittweise, da unser Körper den Prozess ansonsten nicht überleben würde. Die Elektronenübertragung von NADH und FADH2 auf Sauerstoff erfolgt peu à peu über eine Transportkette. Eine membranständige ATPase nutzt die freiwerdende Energie sukzessive zur ATP-Synthese. Dabei fungiert der Elektronentransport über die beiden genannten Coenzyme sozusagen als Schrittmacher zum Aufbau eines Protonengradienten. Diese gelangen von der Matrix der Mitochondrien in deren Intermembranraum. Während des Rückflusses der Protonen findet die ATP-Synthese statt.

Unser Organismus nutzt die gewonnenen Energie für diverse anabole Stoffwechselvorgänge und stellt dadurch seine Funktionsfähigkeit unseres Organismus sicher.

Geschafft! Damit haben wir die obere Grafik systematisch erfolgreich  durchgearbeitet. Letzten Endes gestaltet es sich doch gar nicht so schwierig die relevanten Vorgänge unseres Körpers zu verstehen, oder?

Hast du noch Fragen oder Anmerkungen? Dann teile deine Gedanken in den Kommentaren oder via Facebook.


Quellen:

Die dargelegten Informationen entstammen meinen Mitschriften aus den folgenden Vorlesungen meines Pharmaziestudiums an der Friedrich-Schiller-Universität in Jena von 2003 – 2007, meinen persönlichen Erfahrungen sowie der nachfolgenden Literatur:

  • Vorlesung: “Pharmazeutische Biologie” aus dem 1.-3. Semester – Dozent: Dr. Bernd Liebermann
  • Vorlesung: “Physiologie” aus dem 3. Semester – Dozent: Prof. Dr. Hans-Georg Schaible
  • Vorlesung: „Ökotrophologie“ aus dem 4. Semester – Dozent: PD Dr. Volker Böhm
  • Vorlesung: “Biochemie” aus dem 5. Semester – Dozent: Prof. Dr. Thomas Winckler
  • Biesalski, H.; Grimm, P.; Nowitzki-Grimm, S.: Taschenatlas Ernährung, 6. Auflage, Georg Thieme Verlag 2015
  • Scharf, K.-H.; Miram, W.: Biologie heute, 1. Auflage, Schroedel Verlag, 1997

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