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Jeder spricht zwar darüber, dass der Körper ja Kalorien braucht, um Energie zu gewinnen. Wie wichtig da nicht in erster Linie Kohlenhydrate und in zweiter Linie natürlich Zucker sind. Und in welchen Verhältnissen diverse Makronährstoffe aufgenommen werden sollten. Doch ich denke, um Ernährung wirklich verstehen zu können, müssen wir anfangen, Prozesse auf Zellniveau zu verstehen.
Viele haben vielleicht schon mal von ATP und Mitochondrien gehört, aber wenige, die nicht eine naturwissenschaftliche oder medizinische Ausbildung hinter sich haben, werden tieferes Wissen besitzen. Dieser Artikel ist an jene gerichtet, die nicht mit oberflächlichem Wissen zu- frieden sind, sondern die Prozesse wirklich verstehen wollen.
Wir verbrennen nichts! Der menschliche Körper ist kein Ofen
Wenn man davon spricht, dass wir Kalorien „verbrennen“ würden, dann ist das zwar ein einfach verständliches Bild, aber in eigentlich nicht richtig. Wie so oft, richtet die starke Vereinfachung eines komplexen Ablaufes, mehr Schaden als Nutzen an.
Wir verbrennen nicht Zucker oder Fett, wie Holz in einem Ofen. Wir müssen die Energie, die in diesen Verbindungen gespeichert ist, in eine körpereigene „Energiewährung“ umsetzten. Genau so, wie man erstmal Euro in Dollar wechseln muss, wenn wir eine Reise in die USA unternehmen wollen, müssen wir erst die Energie in Adenosintriphosphat (ATP) wechseln – die universale Energiewährung unseres Körpers und beinahe aller Organismen auf der Erde.
Was ist ATP?
ATP steht für Adenosintriphosphat und ist die universale Energiewährung unseres Körpers und wichtiger Regulator energieliefernder Prozesse. Als Energiequelle wird ATP für die grundlegenden energieverbrauchenden Prozesse aller Lebewesen genutzt. Das Molekül des Adenosintriphosphats besteht aus einem Adeninrest, dem Zucker Ribose und drei Phosphaten. Über die Nahrung aufgenommene Energie, muss in dieses Molekül übersetzt werden.
ATP – Adenosintriphosphat
Alle Zellen in unserem Körper brauchen für alle Prozesse ATP. Egal ob das Muskelkontraktion, Enzymaktivität, Transport durch Zellmembranen, Reizweiterleitung an Nervenzellen oder Hormonproduktion ist. ATP ist ein energiereiches Molekül. Diese Energie kann es durch die Abspaltung der letzten Phosphatgruppe abgeben. Wir haben dann ein freies Phosphat und ADP (Adenosindiphosphat).
ATP + H2O → ADP + Pi
ADP und das freie Phosphatatom müsse dann zurück in das Mitochondrium um dort wieder zu ATP regeneriert werden zu können. Dies kann einerseits in der Glycolyse und/ oder in der Elektronentransportkette stattfinden.
Übersicht
Egal ob, Zucker, Fett oder Protein, alles muss über den Citrat-Zyklus und die Atmungskette (Elektronentransportkette) zu ATP verstoffwechselt werden. Dabei entstehen CO2 und H2O, die über die Lunge abgeatmet werden müssen.
Bei der Energiegewinnung entstehen in den Zellen UCH freie Radikale, unvollständige Sauerstoffmoleküle mit großer Reaktionsfreude. Sie sind für die Prozesse der Oxidation wichtig und werden im Normalfall schnell zu weniger reaktiven Stoffen umgewandelt und abgebaut. Das Ausmaß der Radikalenbildung hängt von der Effizienz der oxidativen Phosphorylierung (in der Atmungskette) in den Mitochondrien, von Entgiftungsprozessen und vom Verbrauch des Organismus an Energie und Sauerstoff ab.
Die Eingangs-Substrate werden zu Acetly-CoA umgebaut und dann in den Zitratzyklus eingeschläust.
Schematische Darstellung einer Zelle. Die Glykolyse findet im Zellplasma statt. Krebszyklus und Atmungskette laufen im Inneren der Mitochondrien ab.
Glycolyse
Die Glycolyse ist der schrittweise Abbau von Glucose zu Pyruvat. Die Glycolyse ist der zentrale Abbauschritt aller Kohlenhydrate und wir finden ihn in allen Eukaryoten, dazu gehören Tiere, Pflanzen und Pilze. Die Glycolyse ist stammesgeschichtlich ein sehr alter Prozess, da ihn fast alle Organismen gemeinsam haben.
Die Glycolyse findet im Zellplasma (Cytosol) statt und sie benötigt keinen Sauerstoff. Prozesse, die ohne Sauerstoff ablaufen werden auch als anaerob bezeichnet. Auch dieser Umstand deutet auf eine sehr frühe Entstehung hin, da es zu Beginn des Lebens auf der Erde noch keinen oder sehr wenig Sauerstoff gab.
Der Abbau der Glucose läuft über 10 Schritte ab und aus einem Glucosemolekül werden zwei Moleküle Pyruvat gebildet. Es werden dabei 2 Mol ATP verbraucht und 4 Mol ATP erzeugt. Außerdem werden zwei Moleküle NAD+ zu NADH reduziert. Das heißt ich habe einen netto Gewinn von 2 ATP pro Glucosemolekül.
Wie kann aus Glucose Pyruvat werden? Das ist leichter verständlich, wenn wir uns die chemische Formen anschauen. Glucose besteht aus 6 Kohlenstoffatomen, Pyruvat aus 3.
Nach der Glycolyse habe ich zwei Möglichkeiten wie es weiter gehen kann. Steht kein Sauerstoff zur Verfügung, dann kommt es zur sogenannten Milchsäuregärung, also der Bildung von Laktat. Aus dem Pyruvat kann dann Laktat produziert werden, dieses wird dann in die Leber Transportiert und dort wieder zu Glucose resynthetisiert. Dieser Kreislauf wird als Cori-Zyklus bezeichnet. Aber dies nur am Rande.
Steht Sauerstoff zur Verfügung, wie das üblicherweise der Fall ist, dann verlassen wir das Zellplasma und gehen weiter in die Mitochondrien.
Mitochondrien – die Kraftwerke der Zelle
Mitochondrien sind Zellorganellen, also Strukturen innerhalb der Zelle, die bestimmte Aufgaben erfüllen. Jede Zelle hat nicht nur ein Mitochondrium sonder viele Hundert oder sogar Tausend. Mitochondrien sind etwas ganz besonderes, sie sehen nämlich selber aus wie kleine Zellen.
Mitochondrien haben eine äußere und eine innere Membran sowie ihre eigene DNA. Dies wird durch die sogenannte „Endosymbiontentheorie“ erklärt[1].
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Endosymbiontentheorie
Man nimmt an, dass die Mitochondrien einmal eigenständige Lebewesen waren. Die Vorläufer der Mitochondrien könnten in andere Einzeller eingewandert sein und eine Symbiose gebildet haben. Dies bezeichnet man als Endosymbiont. Später haben sich die Endosymbionten zu Zellorganellen in ihren Wirtszellen entwickelt.
Der Vorteil ergibt sich aus dem Umstand, dass erst mit den Mitochondrien, die Bildung von ATP unter Nutzung von Sauerstoff möglich wurde. Und erst durch diesen Schritt signifikante Mengen an Energie produziert werden können.
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Citrat-Zyklus und Atmungskette
Nachdem wir durch die Glycolyse nun 2 Moleküle Pyruvat erhalten haben, geht es weiter in die Mitochondrien. Dort wird das Pyruvat zu Acetat (2 Kohlenstoffatome). Das Acetat wird dann an ein CoenzymA gebunden und tritt in den Citrat-Zyklus ein[2].
Ablauf Citratzyklus
Der Citrat-Zyklus, auch als Krebs-Zyklus, Zitronensäure-Zyklus oder kurz TCA-Zyklus bezeichnet, ist der nächste Schritt im Stoffwechsel, nach der Glycolyse und findet in der Matrix der Mitochondrien statt.
Im Zitrat-Zyklus wird aus dem AcetylCoA, das aus 2 Kohlenstoffatomen besteht, zusammen mit dem Oxalacetat, das aus 4 Kohlenstoffatomen besteht, ein Molekül Citrat synthetisiert, welches aus 6 Kohlenstoffatomen besteht.
Über mehrere Abbauschritte, wird das Citrat so umgebaut, dass bei den Umbauprozessen mehr Energie entsteht als verbraucht wird. Am Schluss des Zyklus steht wieder das Oxalacetat, das dann in die nächste Runde des Zyklus eingehen kann.
Es entsteht ATP und die beiden anderen energiereichen Verbindungen NADH+H und FADH2.
Die Netto Energiebilanz für den Citrat-Zyklus ist:
10 NADH+H, 4 ATP und 2 FADH2
Die Atmungskette (Elektronentransportkette)
Die Atmungskette läuft in der inneren Mitochondrienmembran ab und ist der letzte Schritt des Energiegewinnungsprozesses. Dabei findet eine Elektronenübertragung von einem Donator (Spender) auf einen Akzeptor statt. Genauer gesagt werden die an FAD und NAD gebundenen Elektronen auf O2 übertragen. Dabei entsteht ein elektro-chemischer Gradient, welcher die Synthese von ATP aus ADP antreibt
In die innere Membran der Mitochondrien sind mehrere Proteinkomplexe eingelagert. Diese Komplexe sind an der schrittweisen Übertragung der Elektronen beteiligt und schleusen Protonen (H+) nach Außen. Dadurch entsteht ein elektro-chemischer Gradient, der dann wiederum die Synthese von ATP über die ATP-Synthase (Komplex V) antreibt.
Die netto Energieausbeute:
Glycolyse: 2 ATP
Citrat-Zyklus: 4 ATP, 10 NADH und 2 FADH2
Atmungskette: 1 NADH = 3 ATP und 1 FADH2 = 2 ATP → 34 ATP
Zusammenfassung
Dies war der Abbau von einem Molekül Glucose. Bis auf die Glycolyse ist der Prozess der Energiegewinnung aus Fettsäuren und Aminosäuren vollkommen gleich. Die Energieausbeute ist jedoch eine andere. Da es auf die Anzahl der Kohlenstoffatome ankommt, und eine Fettsäure aus langen Ketten von Kohlenstoffatomen besteht, liefert eine Fettsäure natürlich auch wesentlich mehr Energie. Der Abbau von Fettsäuren und Aminosäuren wird allerdings Teil eines anderen Artikels sein, da das sonst doch einfach den Umfang sprengen würde.
Titelbild: © famveldman – Fotolia.com
www.LCHF-Deutschland.de
[1] A. F. W. Schimper: Über die Entwicklung der Chlorophyllkörner und Farbkörper. In: Bot. Z.. Bd. 41, 1883 S. 102-113.
[2] Albert L. Lehninger, David L. Nelson, Michael M. Cox: Lehninger Biochemie. 3. Aufl. Springer, Berlin 2009, ISBN 3-540-41813-X, S. 626.
Bilderquellen
ATP „Adenosintriphosphat protoniert“ by NEUROtiker – Own work. Licensed under Public Domain via Commons – https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Adenosintriphosphat_protoniert.svg#/media/File:Adenosintriphosphat_protoniert.svg
Mitochondrium by Tirkfl, original by LadyofHats – German version of Animal mitochondrion diagram en.svg.. Lizenziert unter Gemeinfrei über Wikimedia Commons – https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Animal_mitochondrion
