Stellen Sie sich Ihren Körper als ein Auto vor. Der Motor braucht Benzin und Öl zum Laufen. Der Tank muss das Benzin in den Motor einleiten. Der Kühler benötigt Wasser, um den Motor vor Überhitzung zu bewahren, und der Auspuff muss Rußpartikel entfernen, die den Motor verstopfen könnten. Jede Zelle Ihres Körpers ist Teil Ihres Motors, da jede Zelle »Treibstoff« in verwertbare Energie umwandelt. Der »Tank« ist Ihr Verdauungssystem, das den Treibstoff in Form von Nahrung für alle Zellen verfügbar macht. Anstelle eines Auspuffs besitzen Sie ein Exkretionssystem, das Abfallstoffe aus dem Körper leitet. Und wie ein Auto brauchen auch Sie Wasser; wenn auch in einem etwas anderen Zusammenhang.
Das Benzin kann mit der Nahrung für Ihren Körper verglichen werden. Wenn Sie eine Mahlzeit zu sich nehmen, spaltet Ihr Verdauungssystem die Nahrung in immer kleinere Bestandteile auf. Diese Teilchen heißen »Nährstoffe« und umfassen vom Organismus verwertbare Vitamine, Mineralien, Zucker, Fettsäuren und Aminosäuren ebenso wie Abfallprodukte, die beim Nährstoffabbau als nutzloser Müll übrig bleiben und über das Exkretionssystem entsorgt werden. Die Nährstoffe werden durch das Verdauungssystem in den Blutstrom aufgenommen und vom Blut zu allen Körperzellen transportiert. Die einzelnen Zellen nutzen dann die Nährstoffe für ihre Stoffwechselreaktionen und den Aufbau körpereigener Strukturen. Nährstoffe werden also katabolisiert (abgebaut) und daraus eigene Moleküle aufgebaut (anabolisiert). Zum Anabolismus zählt im weiteren Sinne auch, wenn die in den Nährstoffen enthaltene Energie in den universellen Energieträger »Adenosintriphosphat« (ATP) umgewandelt wird, der von sämtlichen Körperzellen genutzt wird. Ihre Zellen können also nicht direkt »Pizza-Moleküle« 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.
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 (Pi) zu Succinat. CoA
