Kitabı oku: «Prüfungen erfolgreich bestehen im Fach Tierphysiologie»

Dietmar Gradl Almut Köhler

Prüfungen erfolgreich bestehen im Fach Tierphysiologie

Inhaltsverzeichnis

Cover

Haupttitel

Die UTB-Reihe

Inhaltsverzeichnis

Über den Autor

Impressum

Reihentitel

Vorwort

1Stoffwechsel

1.1Intestinale Verdauung am Beispiel Döner Kebab

2Umformen von Energie

2.1Atmungskette und ATP-Synthase

2.2Substratketten-Phosphorylierung

2.3Querbrückenzyklus im Muskel

2.4Zilienschlag

2.5Membranpotenzial

2.6Transferfragen zum Thema Umformen von Energie

3Natriumchlorid

3.1Sinneswahrnehmung: Generierung eines Rezeptorpotenzials in Geschmackspapillen

3.2Membranphysiologie: Generierung von Ruhepotenzialen und Aktionspotenzialen

3.3Resorption – insbesondere Aufnahme von Glukose und Aminosäuren

3.4Hormone und Regulation des Wasser- und Salzhaushalts durch ADH und Aldosteron

4Nerv und Sinne

4.1Reizweiterleitung

4.2Sehen

4.3Reizunterscheidung

4.4Hören

5Kalzium

5.1Muskelfunktion

5.2Synapse

5.3Sekundärer Messenger

5.4Herz-Aktionspotenzial

5.5Blutgerinnung

5.6Zell-Zell-Adhäsion

5.7Regulation der Kalziumkonzentration durch Parathormon und Calcitonin

6Sauerstoff und Höhentraining

6.1Atmung

6.2Anpassung an die Höhe

6.3Transferfragen

7Fight and Flight

7.1Vegetatives Nervensystem

7.2Adrenalin und Noradrenalin

7.3Vergleich der Kommunikation neuronal und humoral

7.4Stress und seine Auswirkungen: Corticoid-Metabolismus

7.5Herz und Kreislauf/Regulation des Blutdrucks

7.6Transferfragen

8Fortpflanzung

8.1Beteiligte Hormone

8.2Hormonelle Regulation des Reproduktionszyklus

8.3Steuerung von Sexualhormonen

8.4Kontrazeption

8.5Therapeutischer Einsatz von Sexualhormonen

9Blut

9.1Zusammensetzung des Blutes

9.2Immunsystem

9.3Blutgerinnung

10Phosphorylierungen

10.1Phosphorylierung von Zuckern bzw. Nukleosiden

10.2Phospholipide

10.3Phosphorylierung von Aminosäuren

10.4Kinasen

11Fragen querbeet

12Übungsklausuren

12.1Klausur A

12.2Klausur B

Literaturverzeichnis

Über den Autor

Dr. Dietmar Gradl, Jahrgang 1966, studierte Biologie an der Universität Ulm. Nach seiner Diplomarbeit am Zoologischen Institut der Universität Ulm über Farbmusterbildung am Schmetterlingsflügel promovierte er 1998 in der Abteilung Biochemie der Universität Ulm über Zell-Zell- und Zell-Matrixadhäsion. Seit dieser Zeit befasst er sich mit unterschiedlichen Aspekten der Wnt-Signalkaskaden. 2001 wechselte er zusammen mit Prof. D. Wedlich von Ulm an das Zoologische Institut der Universität Karlsruhe (TH), Abteilung Zell- und Entwicklungsbiologie. 2007 erlangte er seine Venia Legendi im Fach Zoologie. Dietmar Gradl ist seit seinem Studium mit dem Unterricht tierphysiologischer Themen vertraut; erst als Wissenschaftliche Hilfskraft während seines Studiums, dann durch die Betreuung von Medizinstudenten im Praktikum „Biochemie“ an der Universität Ulm und seit seinem Wechsel nach Karlsruhe mit der Betreuung des tierphysiologischen Praktikums. Derzeit unterrichtet er Tierphysiologie in den Bachelorstudiengängen „Allgemeine Biologie“, „Angewandte Biologie“ und „Chemische Biologie“ am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in Vorlesungen, Praktika und Tutorien.

Almut Köhler, Ph. D., Jahrgang 1971, studierte Tiermedizin an der Tierärztlichen Hochschule Hannover. In ihrer Promotionsarbeit am Institut für Kleintierforschung in Celle befasste sie sich mit hormonellen Einflüssen auf die Gehirnentwicklung und das Verhalten bei Hühnern. 2000 promovierte sie an der Tierärztlichen Hochschule zum Ph.D. Nach einer Postdoc-Phase am Institut für Tierzucht und Tierverhalten in Mariensee (heute Friedrich-Löffler-Institut) kam sie 2002 an das Zoologische Institut der Universität Karlsruhe, Abteilung Zell- und Entwicklungsbiologie. Ihre Forschungsschwerpunkte waren Zelladhäsionsmechanismen in der Zell- und Entwicklungsbiologie, insbesondere die Rolle von Cadherinen bei der Neuralleistenzellentwicklung und in der Organogenese. Außerdem betreute sie dort zusammen mit Dr. Dietmar Gradl über viele Jahre das tierphysiologische Praktikum und die Vorlesungen zur Tierphysiologie in den Bachelorstudiengängen „Allgemeine Biologie“, „Angewandte Biologie“ und „Chemische Biologie“. Seit 2014 ist sie am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Stabsstelle Sicherheit und Umwelt, zentrale Tierschutzbeauftragte.

Impressum

Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

© 2017 Eugen Ulmer KG

Wollgrasweg 41, 70599 Stuttgart (Hohenheim)

E-Mail: info@ulmer.de

Internet: www.ulmer-verlag.de

Produktion: primustype Hurler GmbH | v1

ISBN 978-3-8252-4570-2 (Print)

ISBN 978-3-8463-4570-2 (E-Book)

Reihentitel

Prüfungen erfolgreich bestehen

herausgegeben von

Prof. Dr. Michael Kühl und Dr. Susanne Kühl

weitere Titel in Planung:

Prüfungen erfolgreich bestehen im Fach …

 Mikrobiologie

 Zellbiologie

 Botanik

 Genetik

 Pflanzenphysiologie

 Zoologie

bereits erschienen:

Prüfungen erfolgreich bestehen im Fach …

 Ökologie

 Tierphysiologie

Vorwort

Die Tierphysiologie soll ein grundlegendes Verständnis darüber vermitteln, wie Tiere und Menschen funktionieren. Das reicht von Wechselwirkungen zwischen Organsystemen über koordinierte Funktionen von Organsystemen und Organen bis zu zellulären und molekularen Mechanismen. Über diese Themen lassen sich sehr viele, sehr umfangreiche Bücher schreiben, und es sind tatsächlich sehr gute Lehrbücher auf dem Markt. Eine Auswahl davon ist im Literaturverzeichnis aufgeführt. Wir haben nicht die Absicht, mit dem vorliegenden Buch auch nur eines dieser Lehrbücher zu ersetzen. Vielmehr soll der Wert dieses Buches darin liegen, mit einem Frage-Antwort-Spiel auf Prüfungen vorzubereiten. Auch hier können wir in diesem Buch nicht die gesamte Breite der Tierphysiologie erschöpfend erfassen. Wir freuen uns aber, wenn dieses Buch dazu anregt, weitere Frage-Antwort-Kapitel zu generieren, die Eingang finden in Lehrveranstaltungen, studentische Lernzirkel oder vielleicht in einigen Jahren in eine aktualisierte Auflage dieses Buchs.

Wir hoffen, dass wir durch die Art an Fragen nicht nur helfen, Prüfungen anhand möglicher Klausurfragen zu üben. Vielmehr wollen wir auch dazu anregen, das typische Lernen in Themen-Schubladen zu überwinden und so vernetztes Denken stimulieren.

Die Fragen in diesem Buch sind über die Jahre aus unseren Lehrveranstaltungen zur Tierphysiologie am Karlsruher Institut für Technologie entstanden. Wir profitierten beim Verfassen des Buches nicht nur von den Ideen und Grundlagen der früheren Institutsleitung, Prof. Dr. Doris Wedlich, und unseres langjährigen Kollegen, Dr. Jubin Kashef, sondern vor allem auch von den vielen Diskussionen, Rückmeldungen und Fragensammlungen der Karlsruher Studierenden. Anregungen lieferten aber auch die teilweise abenteuerlichen Antworten, die wir in unseren Klausuren zur Tierphysiologie lesen durften.

Aber die Studierenden waren auch konstruktiv an der Entstehung dieses Buchs beteiligt. Besonders hervorzuheben sind hier Caroline Mertes und Clara-Maria Ell, die bei der Erstellung der Endversion noch viele wichtige Hinweise gaben und so halfen, das Manuskript zu verbessern. Unserer Kollegin Nadine Gretz danken wir für die kritische Durchsicht des Textes und das Aufdecken noch so mancher Fehler. Ein extra Dankeschön geht an die Herausgeber der Buchreihe, Dr. Susanne und Prof. Michael Kühl für die Möglichkeit zu diesem Buch, sowie an Sabine Mann vom Verlag Eugen Ulmer für ihre hervorragende Unterstützung und Ermutigung sowie ihre Nachsicht, wenn wir, die Autoren, unseren Zeitrahmen etwas zu großzügig ausschöpften.

Karlsruhe, im November 2016

Dietmar Gradl, Almut Köhler

1Stoffwechsel

Die allgemeine „Energiewährung“ aller Zellen ist Adenosintriphosphat, ATP. Dabei steckt die nutzbare Energie in den Phosphat-Phosphat-Bindungen dieses Energieträgers, und nach hydrolytischer Spaltung entstehen die energieärmeren Nukleotide Adenosindiphosphat (ADP) bzw. Adenosinmonophosphat (AMP). Ziel des katabolen Stoffwechsels ist es, genügend ATP herzustellen. Die ATP-Synthese erfolgt entweder direkt bei sogenannten Substratketten-Phosphorylierungen oder indirekt über Redox-Reaktionen mit anschließender Oxidation der Reduktionsäquivalente NADH/H+ und FADH2 in der Atmungskette. Die Lieferanten der Reduktionsäquivalente sind dabei hauptsächlich die Energiespeicher Kohlenhydrate und Fette. Diese Energiespeicher gilt es durch Nahrungsaufnahme aufzufüllen. Da der bei Weitem größte Teil der Kohlenhydrate und Fette in der Nahrung in Form komplexer polymerer Verbindungen vorliegt und die Struktur der Resorptionsepithelien eine Aufnahme großer polymerer Verbindungen in der Regel nicht erlaubt, werden im Zuge der intestinalen Verdauung, also im Magen-Darm-Trakt, die Polymere in Monomere zerlegt (s. Abb. 1.1).

Abb. 1.1 Der intestinale Verdauungsvorgang zerlegt die komplexen Nahrungsmoleküle in ihre Monomere. Zur Energiegewinnung werden die Monomere intrazellulär verdaut. Dabei werden die Kohlenstoffe zu CO2 aufoxidiert und O2 zu H2O reduziert.

Fragen und Antworten

Das Kapitel Stoffwechsel umfasst:

 Intestinale Verdauung am Beispiel Döner Kebab

1.1Intestinale Verdauung am Beispiel Döner Kebab

Mit einer ausgewogenen Mahlzeit nehmen wir die drei Grundbestandteile der Nahrung, Kohlenhydrate, Fette und Aminosäuren, als komplexe polymere Verbindungen auf. Im Verdauungskanal werden diese komplexen Polymere in ihre Bestandteile zerlegt, um als Monomere resorbiert zu werden. Triacylglyceride werden zu Diacylglyceriden, Monoacylglyceriden, freien Fettsäuren und Glycerin abgebaut. Polymere Kohlenhydrate werden in monomere Hexosen wie Glukose, Fruktose und Galaktose zerlegt, und Proteine werden zu Tripeptiden, Dipeptiden und vor allem zu freien Aminosäuren zersetzt.

Während die glykosidischen Bindungen der Kohlenhydrate für einen enzymatischen Abbau gut zugänglich sind, sind das Aufbrechen der Esterbindungen der Triacylglyceride, sowie das Aufbrechen der Peptidbindungen der Proteine aus unterschiedlichen Gründen deutlich erschwert. Triacylglyceride sind als lipophile Substanzen im wässrigen Milieu des Verdauungskanals unlöslich und damit räumlich von den im wässrigen Milieu befindlichen hydrophilen Lipasen getrennt. Für eine effiziente Verdauung müssen die Fette also erst in räumliche Nähe zu den Lipasen gebracht werden. Proteine zeichnen sich durch eine komplexe dreidimensionale Struktur aus, mit der Konsequenz, dass bei globulären Proteinen der weitaus größte Anteil an Peptidbindungen im Innern des gefalteten Proteins und damit unzugänglich für Peptidasen liegt. Auch hier muss zuerst gewährleistet werden, dass die Verdauungsenzyme an ihr Substrat gelangen.

Darüber hinaus bestehen polymere Kohlenhydrate wie Stärke aus mehreren tausend Monomeren, Proteine häufig aus über tausend Aminosäuren. Da die Verweildauer im Magen-Darm-Trakt zeitlich begrenzt ist, muss das Aufbrechen möglichst aller glykosidischen Bindungen bzw. Peptidbindungen sehr effizient erfolgen.

Schließlich sollen die monomeren Bestandteile, also Fettsäuren, Aminosäuren und Kohlenhydrate möglichst komplett aus dem Darmlumen ins Blut transportiert werden, teilweise entgegen der Konzen­trationsgradienten.

Die anatomischen Anpassungen und biochemischen Mechanismen unseres Verdauungskanals, die eine effiziente Nahrungsaufnahme überhaupt ermöglichen, sind vielgestaltig und reichen von angehängten Drüsen wie Leber/Galle oder Bauchspeicheldrüse über unterschiedliche pH-Werte in verschiedenen Abschnitten des Magen-Darm-Trakts und Oberflächenvergrößerungen am Resorptionsepithel des Dünndarms bis zu fein justierten Transportmechanismen für die Resorption der Monomere am Dünndarmepithel.

Am Beispiel eines Döner Kebabs werden wir im Folgenden die Verdauung der Kohlenhydrate, der Proteine und der Fette im Einzelnen durchnehmen.

1 Skizzieren und beschriften Sie die Anatomie unseres Verdauungssystems inklusive der akzessorischen Drüsen.

Die Nahrung gelangt über Mund und Speiseröhre in den Magen. Der Pförtner (Pylorus) kontrolliert die Weiterleitung in den Zwölffingerdarm (Duodenum), aus dem der Nahrungsbrei dann weiter über Dünndarm, Dickdarm und Enddarm zum After transportiert wird. Die wesentlichen akzessorischen Drüsen sind prägastrisch, also vor dem Magen gelegen, wie die Speicheldrüsen (Mundspeicheldrüsen und Ohrspeicheldrüse) sowie postgastrisch wie die Bauchspeicheldrüse (Pankreas) und die Leber mit Gallenblase (s. Abb. 1.2).

Abb. 1.2 Anatomie des Verdauungssystems und der akzessorischen Drüsen.

2 Warum schmeckt das Fladenbrot erst nach längerem Kauen süß?

Grundbestandteil des Fladenbrots ist das polymere Kohlenhydrat Stärke. Dieses besteht aus den Komponenten Amylose und Amylopektin, wobei Amylose ein Polymer aus α-1,4-verknüpfter Glukose, Amy­lopektin ein verzweigtes Polymer aus α-1,4- und α-1,6-verknüpfter Glukose darstellt. Die drei großen Speicheldrüsen im Mund – Ohr­speicheldrüse, Unterkieferspeicheldrüse und Unterzungenspeicheldrüse – sezernieren in ihrem Speichelsekret unter anderem das Enzym α-Amylase. Dieses Enzym spaltet α-1,4-glykosidische Bindungen innerhalb eines Moleküls. Als Reaktionsprodukte entstehen aus dem Abbau von Amylose und Amylopektin neben verknüpften Oligosacchariden auch α-1,4-Glukose-Dimere, also Maltose. Maltose bindet an die Zuckerrezeptoren an den Geschmacksknospen der Zunge und vermittelt den Eindruck „süß“. Aus dem Abbau von Amylopektin entstehen darüber hinaus auch verzweigte Oligosaccharide mit α-1,4- und α-1,6-glykosidischen Bindungen.

3 Warum sezerniert auch die Bauchspeicheldrüse Amylase, obwohl doch aus den Mundspeicheldrüsen schon Amylase sezerniert wurde?

Der Ductus pancreaticus, also die Verbindung der Bauchspeicheldrüse mit dem Verdauungskanal, mündet in den Zwölffingerdarm. Der Nahrungsbrei hat also bereits den Magen passiert. Das saure Milieu im Magen hat auch die Amylase der Mundspeicheldrüsen genau wie die mit der Nahrung aufgenommenen Proteine denaturiert und durch die Protease Pepsin angedaut. Damit wird im Magen die Kohlenhydratverdauung gestoppt. Erst durch die Amylasen des Pankreas wird die Kohlenhydratverdauung wieder aufgenommen.

4 Warum erfolgt die Resorption von Glukose im Symport mit Na+, die Resorption von Fruktose aber nicht?

Ausschlaggebend für die Art, wie die unterschiedlichen Hexosen von den Darmepithelzellen aufgenommen werden, sind die Konzentrationsverhältnisse. Die intrazelluläre Konzentration von Glukose ist hoch, sogar höher als die Glukosekonzentration im Blut und deutlich höher als die Glukosekonzentration im Darmlumen. Somit kann Glukose aus den Darmepithelzellen passiv ins Blut diffundieren, muss aber, um vom Darmlumen in die Epithelzelle aufgenommen zu werden, entgegen seines Konzentrationsgradienten transportiert werden. Dies geschieht im Symport mit Na+ (s. Abb. 1.3). An der apikalen Seite wird Glukose über SGLT-Transporter (Sodium/Glukose-Transporter) aufgenommen. Im Darm ist dies SGLT-1, ein Transportprotein, das zwei Natriumionen zusammen mit einem Glukosemolekül aus dem Darmlumen in die Darmepithelzelle einschleust. Die intrazelluläre Glukosekonzentration kann damit deutlich höher sein als die Glukosekonzentration im Darmlumen und im Blut. Die intrazelluläre Na+-Konzentration wird durch die permanente Aktivität der Na+/K+-ATPase an der basalen Seite auf ca. 15 mM gehalten, sodass ein permanenter Natriumgradient über der apikalen Seite der Enterozyten bestehen bleibt. An der basalen Seite strömt Glukose passiv aus der Zelle. Dies geht nur über spezifische Proteine, im Darm hauptsächlich über GLUT2.

Abb. 1.3 Auf der basalen Seite der Enterozyten sorgt die Na+/K+-ATP­ase dafür, dass intrazellulär die Natriumkonzentration sehr gering bleibt. Damit besteht an der apikalen Seite ein Na+-Gradient, Na+ strömt vom Darmlumen in die En­terozyten. Dies geht vorwiegend durch zur Familie der SGLT gehörende Transportproteine im Symport mit Glukose (Glc). Damit steigt die intrazelluläre Glukosekonzentration so hoch, dass an der basalen Seite Glukose passiv durch Kanalproteine der GLUT-Familie ins Blut aufgenommen wird.

Die Konzentrationsverhältnisse für Fruktose sehen anders aus. Die intrazelluläre Fruktosekonzentration ist sehr gering, denn diese Hexose wird schnell und effizient in Glukose umgewandelt. Damit bleibt ein Konzentrationsgradient zwischen Darmlumen und Epithelzelle bestehen, und Fruktose kann mit dem Gradienten in die Zelle diffundieren.

Auf der basalen Seite der Enterozyten sorgt die Na+/K+-ATPase dafür, dass intrazellulär die Natriumkonzentration sehr gering bleibt. Damit besteht an der apikalen Seite ein Na+-Gradient, Na+ strömt vom Darmlumen in die Enterozyten. Dies geht vorwiegend durch zur Familie der SGLT gehörende Transportproteine im Symport mit Glukose (Glc). Damit steigt die intrazelluläre Glukosekonzentration so hoch, dass an der basalen Seite Glukose passiv durch Kanalproteine der GLUT-Familie ins Blut aufgenommen wird.

5 Warum wird die Zellulose des Salatblattes als Ballaststoff unverdaut ausgeschieden?

Wie Amylose ist auch Zellulose ein linear 1,4-verknüpftes Polymer aus Glukose. Der einzige Unterschied zur Amylose ist, dass die 1,4-Bindung in Zellulose in der β-Konformation vorliegt. Zellulose ist damit ein Polymer aus β -1,4-verknüpfter Glukose. Unsere Amylasen können ausschließlich α-1,4-glykosidische Bindungen spalten; die β-1,4-Bindung stellt für sie kein Substrat dar. Tatsächlich gibt es keine höheren Tiere, die entsprechende Enzyme exprimieren. Um die β-1,4-glykosidischen Bindungen aufzubrechen, sind selbst herbivore Tiere wie die Kuh oder das Kaninchen auf eine Symbiose mit Mikroorganismen angewiesen.

Das Fehlen eigener Enzyme für den Abbau β-1,4-glykosidischer Bindungen, einhergehend mit der Symbiose mit Mikroorganismen, erklärt die anatomischen Anpassungen herbivorer Tiere auf ihre Ernährung. Diese anatomische Anpassung kann wie bei Wiederkäuern in einem mehrkammerigen Magen liegen, sodass die Verdauung der Zellulose prägastrisch erfolgt. Sie kann sich aber auch in der Ausbildung einer postgastrischen Gärkammer manifestieren – meist in Form einer massiven Vergrößerung des Blinddarms. Eine postgastrische Verdauung geht dabei meist mit Koprophagie einher, also der Wiederaufnahme eines mithilfe der symbiotischen Mikroorganismen im Blinddarm produzierten Blinddarmkots.

6 Die Proteinverdauung beginnt im sauren Milieu im Magen. Wie kommt es zur Ansäuerung und wozu dient der saure pH?

Für die Ansäuerung des Magensaftes sind spezialisierte Zellen der Magenwand verantwortlich: die Belegzellen. Diese Zellen sezernieren Salzsäure und senken damit den pH-Wert des Chymus auf bis zu pH 1, was dem pH-Wert einer 0,1-molaren Salzsäurelösung entspricht. Das Ansäuern hat zweierlei wesentliche Aufgaben. Zum einen dient es dem Infektionsschutz, da im sauren Milieu säurelabile Mikroorganismen abgetötet werden, zum anderen werden Wechselwirkungen zwischen Aminosäureresten aufgebrochen, wodurch die Nahrungsproteine denaturieren. Erst jetzt können Endopeptidasen wie Pepsin in räumliche Nähe zu ihrem Substrat, den Peptidbindungen innerhalb der Proteine gelangen und die Hydrolyse dieser Peptidbindungen katalysieren.

Als Konsequenz auf dieses saure Milieu im Magen hat sich die Endopeptidase Pepsin evolutionär so angepasst, dass sie ihr pH-Optimum im stark sauren Milieu hat.

Eine weitere Konsequenz des sauren Milieus ist, dass die Zellen der Magenwand von einer Schutzschicht umgeben sind. Dieser „Magenschleim“ besteht aus polymeren Kohlenhydraten, die verhindern, dass die Oberflächenproteine der Magenepithelzellen denaturieren und die Zellen absterben.

7 Die Proteinverdauung wird durch die Endopeptidasen des Pankreas im leicht alkalischen pH-Wert des Zwölffingerdarms (Duodenum) fortgesetzt. Wie kommt es zur Veränderung des pH-Werts? Wie werden Trypsin und Chymotrypsin aktiviert?

Die Bauchspeicheldrüse sezerniert nicht nur Verdauungsenzyme, sondern auch Bicarbonat. Dieses Bicarbonat im Pankreassekret neutralisiert die Salzsäure des Magensafts. Über autonome nervöse Regulationsmechanismen am Pylorus (Pförtner) wird verhindert, dass das Duodenum übersäuert. pH-Sensoren am Zwölffingerdarm erlauben den Muskeln des Pförtners nur kurzzeitig zu öffnen, und zwar dann, wenn der pH-Wert im Zwölffingerdarm neutral bis leicht basisch ist. Somit wird gewährleistet, dass der saure Chymus kontrolliert in den Zwölffingerdarm gelangt und die Darmepithelzellen nicht schädigt.

Mit dem Pankreassaft werden die Endopeptidasen Trypsin und Chymotrypsin als inaktive Vorstufen Trypsinogen und Chymotrypsinogen sezerniert. Aus diesen inaktiven Vorstufen entstehen erst im Duodenum durch limitierte Proteolyse die aktiven Enzyme. Limitierte Proteolyse heißt, dass ein Teil der Peptidkette der inaktiven Vorstufen durch die Aktivität von Endopeptidasen abgespalten wird. Erst dann können sich die Pankreaspeptidasen in aktive Enzyme falten. Dieser Mechanismus verhindert, dass Trypsin und Chymotrypsin bereits im exokrinen Pankreas und im Ductus pancreaticus aktiv sind und die Proteine der Bauchspeicheldrüse und des Pankreasgangs verdauen und damit die Organe schädigen oder gar zerstören. Bei den Endopeptidasen, die Trypsin und Chymotrypsin aktivieren, handelt es sich um Trypsin und Elastase.

8 Wo und wie erfolgt die Abspaltung einzelner Aminosäuren? Warum ist die Vorverdauung durch Endopeptidasen essenziell?

Die vom Magen und Pankreas produzierten proteinverdauenden Enzyme Pepsin, Trypsin und Chymotrypsin sind Endopeptidasen, d. h. als Reaktionsprodukte entstehen Peptide. Unser Resorptionsepithel am Dünndarm nimmt bevorzugt freie Aminosäuren auf. Zu einem geringeren Anteil werden auch Dipeptide und Tripeptide resorbiert. Die Abspaltung einzelner Aminosäuren aus einem Peptid erfolgt von beiden Enden her, dem Aminoterminus und dem Carboxyterminus. Entsprechend sezerniert unser Dünndarmepithel Aminopeptidasen und Car­boxypeptidasen. Diese Exopeptidasen katalysieren also die Abspaltung freier Aminosäuren von den Enden der Peptide.

Für ein effizientes Arbeiten der Exopeptidasen ist eine Vorverdauung der Nahrungsproteine durch Endopeptidasen unerlässlich, denn wenn Proteine zur Resorption in freie Aminosäuren zerlegt werden müssen und die Abspaltung von Aminosäuren nur von den freien Enden erfolgt, so wird die Effizienz der Verdauung deutlich erhöht, wenn die Anzahl freier Enden erhöht wird. Genau dies ist die Aufgabe der Endopeptidasen. Wenn beispielsweise ein 300 Aminosäuren großes Protein in 30 Peptide zerlegt wird, so erhöht sich die Anzahl der Angriffspunkte für Exopeptidasen von zwei auf sechzig.

9 Vergleichen Sie die Resorption der Aminosäuren mit der Resorption von Glukose.

Der prinzipielle Aufnahmemechanismus von Aminosäuren und Glukose ist sehr ähnlich. Sowohl Aminosäuren als auch Glukose werden sekundär aktiv im Symport mit Natrium-Ionen resorbiert. In beiden Fällen stammt die Energie, die benötigt wird, um Monomere entgegen ihres Konzentrationsgradienten zu resorbieren, also von der Aktivität der Na+/K+-ATPase. Dieses Enzym, das an den Epithelzellen baso-lateral lokalisiert ist, hält die intrazelluläre Natriumkonzentration gering, sodass permanent ein Natriumgradient zwischen Darmlumen und Zellinnerem besteht. Für die Resorption von Glukose wird dieser Natriumgradient genutzt, indem er Natrium durch die SGLT-Transportproteine nur einströmen lässt, wenn gleichzeitig Glukose in die Zelle eintritt. Ähnliches gilt auch für die Resorption von Aminosäuren, nur dass hier anstatt des SGLT-Transportproteins Aminosäuren-Transportproteine die Energie des Natriumgradienten nutzen. Dabei gibt es vier unterschiedliche Aminosäuren-Transportproteine, die jeweils für einen Teil der Aminosäuren verantwortlich sind. Diese Aminosäuren-Transportproteine sind gruppenspezifisch, z. B. für saure oder basische Aminosäuren.

10 Was sind Micellen und wie kommen sie zustande?

Micellen sind sogenannte „Fetttröpfchen“, aber nicht zu verwechseln mit einem „Fettauge“, wie es in der Suppe schwimmt. Wesentlich für Micellen ist der amphiphile Charakter der Micellen-bildenden Fette. Dieser amphiphile Charakter sorgt dafür, dass sich im Innern der Micelle die lipophilen Fettsäurereste befinden und außen, also hin zum wässrigen Milieu, die hydrophilen Kopfgruppen. Diese hydrophilen Kopfgruppen können die Phosphatgruppen der Phospholipide sein, aber auch die polaren Komponenten der Gallensalze.

Bei fettreicher Nahrung dominieren Triacylglyceride. Diese sind per se nicht in der Lage, Micellen zu bilden. Die amphiphilen Fette, die wir als Bestandteile der Membranen zu uns nehmen, reichen nicht aus, die große Menge an Triacylglyceriden zu emulgieren. Zur effizienten Micellenbildung sezerniert die Galle die in der Leber produzierten Gallensalze in den Zwölffingerdarm. Gallensalze sind Cholesterinderivate, die durch eine Sulfatgruppe amphiphilen Charakter aufweisen (s. Abb. 1.4). Sie lagern sich zwischen die Triacylglyceride ein und führen spontan zur Micellenbildung.

Abb. 1.4 Cholesterin wird in der Leber zu Gallensalzen, wie z. B. Cholsäure, umgewandelt. Die wesentlichste Veränderung ist dabei der Einbau hydrophiler Gruppen, wie mehrere alkoholische Gruppen, eine Ketogruppe und ein Sulfat-Rest. Dies verstärkt den amphiphilen Charakter und fördert die Micellenbildung.

Die Micellen sind für die Fettverdauung unerlässlich, denn damit werden Angriffspunkte für die enzymatische Aktivität der Pankreaslipasen geschaffen. Erst so kann das hydrophile Enzym Lipase überhaupt in räumliche Nähe zu seinem Substrat, den Esterbindungen zwischen Glycerin und Fettsäuren gelangen. Die Pankreaslipasen spalten aus den Triacylglyceriden freie Fettsäuren, und es verbleiben Diacylglyceride. Diese Diacylglyceride wiederum verstärken die Micellenbildung und der Fettverdauungsprozess kommt in Gang. Freie Fettsäuren, Monoacylglyceride und Glycerin werden dann von den Enterozyten resorbiert.

Entscheidend für die Micellenbildung ist also die Sekretion von Gallensalzen. Tatsächlich werden pro Tag etwa 2–4 Gramm Gallensalze für die Fettverdauung benötigt. Dabei werden aber nur einige Hundert Milligramm Gallensalze pro Tag neu synthetisiert, denn der weitaus größte Teil der Gallensalze pendelt im enterohepatischen Kreislauf zwischen Leber und Darm, d. h. er wird von der Leber über die Galle in den Zwölffingerdarm sezerniert und gelangt nach Resorption im Dünndarm über die Pfortader zurück in die Leber.

11 Wie werden resorbierte Fette vom Blut abtransportiert?

Fette sind als lipophile Substanzen im Blut prinzipiell unlöslich. Dies gilt sowohl für Triacylglyceride als auch für amphiphile freie Fettsäuren und Cholesterin und seine Derivate. Triacylglyceride, die im Dünndarmepithel aus den resorbierten freien Fettsäuren, Monoacylglyceriden, Diacylglyceriden und Glycerin neu synthetisiert wurden, werden von den Epithelzellen in Lipoproteinpartikel, sogenannte Chylomi-kronen, verpackt und gelangen über die Pfortader zur Leber. Hier wird ein Teil der Chylomikronen „umgepackt“ und die Fette als „low density Lipoproteinpartikel“ (LDL), „very low density Lipoproteinpartikel“ (VLDL), „intermediate density Lipoproteinpartikel“ (IDLP) und „high density Lipoproteinpartikel“ (HDL) in den Körperkreislauf entlassen. Der wesentliche Unterschied zwischen den verschiedenen Arten an Lipoproteinpartikeln ist ihre Ausstattung mit Lipoproteinen, zum Beispiel Apolipoproteinen, und ihr Cholesteringehalt.

Chylomikronen sind die größten dieser Lipoproteinpartikel und entstehen im Darmepithel. VLDL entstehen in der Leber und transportieren hauptsächlich die dort synthetisierten Triacylglyceride. LDL entstehen in der Leber und transportieren hauptsächlich Cholesterin und seine Derivate. Auch HDL entstehen vorwiegend in der Leber, dienen aber hautsächlich dem Rücktransport von Cholesterin und seinen Derivaten von der Peripherie zur Leber. Die Proteine in den Lipoproteinpartikeln sind nicht nur dafür da, die Lipide in einen transportfähigen Zustand zu bringen, sondern dienen auch als „Adressaufkleber“ dazu, die Lipide für ihren Bestimmungsort zu markieren.

Neben dem Transport in Lipoproteinpartikeln können amphiphile Lipide auch unspezifisch an Proteine gebunden über das Blut verteilt werden. Der zugrunde liegende Mechanismus ist, dass sehr viele Proteine auch hydrophobe Bereiche aufweisen, an die sich Fettsäuren anlagern können. Das in unserem Körper wesentlichste fetttransportierende Protein ist Albumin.

12 Was ist der enterohepatische Kreislauf und wieso ist dieser Kreislauf bei der Resorption der Fette entscheidend?

Enterohepatischer Kreislauf bedeutet, dass Moleküle vom Darmepithel resorbiert werden, über das Pfortadersystem in die Leber gelangen, dort aufgenommen werden und über die Galle zurück in das Duodenum sezerniert werden, ohne in den großen Körperkreislauf zu gelangen. Diesen Weg nimmt beispielsweise Amanitin, das Gift des grünen Knollenblätterpilzes. Dieses Gift inhibiert die RNA-Polymerase, bringt also die Neusynthese von RNA zum Erliegen. Die Gefährlichkeit dieses Giftes liegt darin, dass es nur äußerst ineffizient ausgeschieden wird, weil es über den enterohepatischen Kreislauf permanent zwischen Leber und Darm pendelt und so nach und nach die Leberzellen abtötet.

Für die Resorption von Fetten ist der enterohepatische Kreislauf insofern von besonderer Bedeutung, als ein Großteil der Gallensalze genau diesen Weg nimmt und im Laufe eines Tages vier- bis zwölfmal zwischen Leber und Darm zirkuliert. Gallensalze sind für das Emulgieren der Nahrungsfette und damit für eine effiziente Fettverdauung unerlässlich. In diesem zirkulierenden System, inklusive dem Speicherort Gallenblase befinden sich insgesamt etwa 2–4 Gramm Gallensalze. Sinn dieses enterohepatischen Kreislaufs ist es also dafür zu sorgen, dass permanent genügend Gallensalze zur Fettresorption zur Verfügung stehen, mit minimalisierten Verlusten durch Ausscheidung und ohne den Cholesterinpool des Körpers zu sehr zu belasten.

13 Welche Rolle spielen Mund, Magen, Leber und Pankreas bei der Verdauung von Kohlenhydraten, Proteinen und Fetten?
a) Kohlenhydrate

Das wesentlichste polymere Kohlenhydrat, das wir mit der Nahrung zu uns nehmen, ist Stärke, also α-1,4-(Amylose) und α-1,4-, α-1,6- (Amylopektin) verknüpfte Glukose. Im Mund wird dieses Polymer durch die Amylase im Speichel teilweise verdaut und als Reaktionsprodukt entsteht das Disaccharid Maltose. Im Magen stoppt die Kohlenhydratverdauung, denn durch das saure Milieu denaturiert die Amylase und durch die Endopeptidase Pepsin wird die Amylase fragmentiert. Zwar sind glykosidische Bindungen generell säurelabil, aber der pH-Wert im Magen ist nicht hinreichend sauer, um bei physiologischen Temperaturen die glykosidischen Bindungen zu spalten.

Im Duodenum wird der saure Magensaft durch Bicarbonat aus der Bauchspeicheldrüse neutralisiert. Amylasen im Pankreassekret setzen die Arbeit der Speichelamylasen fort, sodass die Polymere der Stärke weitestgehend in Dimere zerlegt werden. Disaccharidasen werden von Darmepithelzellen sezerniert und zerlegen die Dimere in monomere Glukose. Im Symport mit Na+ wird Glukose sekundär aktiv aufgenommen. Die Leber spielt hier erst als Speicherort der körpereigenen Glukose-Polymere (Glykogen) eine Rolle.

 Mund: Amylase spaltet Stärke.

 Magen: Niedriger pH-Wert und Pepsin zerstören Amylase; Stopp der Kohlenhydratverdauung.

 Pankreas: Neutralisieren des pH; Sekretion von Amylase.

 Dünndarm: Sekretion von Disaccharidasen und Resorption der Monomere.

 Leber: Speicherung der aufgenommenen Kohlenhydrate als Glykogen.

b) Proteine

Die Verdauung der Proteine beginnt im Magen. Durch das saure Milieu werden die Nahrungsproteine denaturiert, d. h. die Tertiärstruktur wird aufgebrochen. Dies erlaubt der Endopeptidase Pepsin, ihr Sub­strat „Peptidbindung“ im Inneren des Proteins zu erkennen und zu spalten. Bereits im Magen werden Proteine also in kleine Fragmente zerlegt.

Mit dem Eintritt in das Duodenum verliert Pepsin seine Aktivität, denn durch das Bicarbonat des Pankreassekrets steigt der pH-Wert ins leicht Alkalische. Das Pankreas sezerniert die Endopeptidasen Chymotrypsin und Trypsin. Wie bei Pepsin werden diese Endo­peptidasen als inaktive Vorstufen (Chymotrypsinogen, Trypsinogen) sezerniert und erst durch limitierte Proteolyse in aktive Enzyme umgewandelt. Trypsin und Chymotrypsin sind ebenfalls Endopeptidasen und zerteilen die vorverdauten Proteine weiter in kleinere Peptide. Exopeptidasen hy­drolysieren diese Peptide von beiden Enden her: Am N-Terminus greifen Aminopeptidasen an, am C-Terminus Carboxypeptidasen. Beide Exopeptidasen werden vom Darmepithel sezerniert.

Die freien Aminosäuren (etwas weniger auch Di- und Tripeptide) werden über gruppenselektive Transportproteine im Symport mit Na+ von den Epithelzellen des Dünndarms resorbiert und gelangen über die Pfortader zur Leber. Hier werden die Aminosäuren weiter verstoffwechselt und unter anderem zur Synthese unseres Aminosäure-Reservoirs und -Transportproteins Albumin verwendet.

 Mund: keine Proteinverdauung.

 Magen: Der saure pH-Wert denaturiert die Proteine, die Endopeptidase Pepsin spaltet Proteine.

 Pankreas: Neutralisieren des pH-Werts; Sekretion weiterer Endopeptidasen.

 Dünndarm: Sekretion von Exopeptidasen und Resorption der Aminosäuren.

 Leber: Aufnahme der freien Aminosäuren, Synthese von Albumin.

c) Fette

Die Fettverdauung startet erst im Darm. Vorher, in Mund und Magen, liegen Triacylglyceride aufgrund ihres lipophilen Charakters in relativ großen Fetttropfen vor. Je größer die Fetttropfen sind, desto geringer ist die Angriffsmöglichkeit von Lipasen, denn diese sind als Verdauungsenzyme hydrophil und damit in den Fetttropfen unlöslich. Die Fettverdauung beginnt mit der Emulgierung der Nahrungsfette durch die im Gallensekret gelösten Gallensalze. Dabei bilden sich Micellen, also sehr kleine Fetttröpfchen. Dies schafft eine hinreichend große Angriffsfläche für die Pankreaslipase. Diese Lipase spaltet Esterbindungen der Triacylglyceride und zerlegt sie somit in Diacylglyceride, Monoacylglyceride, Glycerin und freie Fettsäuren.

Als lipophile Substanzen können die Fettsäuren, Monoacylglyceride und Diacylglyceride die Membran der Endothelzellen des Dünndarms leicht passieren und werden innerhalb der Endothelzellen wieder zu Triacylglyceriden zusammen gebaut. Ebenfalls innerhalb der Endothelzellen werden die Triacylglyceride in ihre Transportform „Chylomikronen“ verpackt. Diese Chylomikronen sind Lipoproteinpartikel, also Konglomerate aus Triacylglyceriden und Proteinen, die es erlauben, die resorbierten Fette effizient im Blut über das Pfortadersystem zur Leber zu transportieren. Ein Teil der Lipoproteinpartikel wird in der Leber „entpackt“. Die Fette werden mit anderen Lipoproteinen versehen und als „very low density Lipoproteinpartikel“ (VLDL), „low density Lipoproteinpartikel“ (LDL) oder „high density Lipoproteinpartikel“ (HDL) zur Versorgung der Peripherie in den großen Körperkreislauf eingebracht.

 Mund: keine Fettverdauung.

 Magen: keine Fettverdauung.

 Pankreas: Sekretion der Lipase.

 Galle: Sekretion der Gallensalze zum Emulgieren (Micellenbildung).

 Dünndarm: Resorption der Fette und Synthese von Chylomikronen.

 Leber: Produktion der Gallensalze; nach Resorption Umbau der Lipoproteinpartikel.

14 Erläutern Sie die Rollen von Cholecystokinin, Gastrin, Sekretin und Gastroinhibitorischem Peptid (GIP) bei der autonomen hormonellen Regulation der Verdauung.

Gastrin, ein Peptidhormon, wird in spezialisierten Zellen des Magens in der Nähe des Pförtners produziert. Die Ausschüttung des Hormons wird induziert durch eine mechanische Dehnung des Magens, durch Proteine und Peptide in der Nahrung, sowie durch nervöse und hormonelle (Gastrin-releasing Hormon) Stimulation ausgehend vom Nervus vagus. Die Produktion von Salzsäure und damit der sinkende pH-Wert des Magensafts nach einer Mahlzeit unterdrückt die Ausschüttung dieses Hormons. Darüber hinaus wird die Ausschüttung auch noch durch Sekretin und GIP inhibiert.

Der Hauptwirkungsort von Gastrin ist der Magen. Hier wirkt es fördernd auf die Verdauung, stimuliert also die Produktion von Salzsäure in den Belegzellen, die Produktion von Pepsinogen in den Hauptzellen sowie die glatte Muskulatur zur besseren Durchmischung des Nahrungsbreis.

Gelangt der Nahrungsbrei in den Zwölffingerdarm, wird dort (und auch am proximalen Dünndarm) aus spezialisierten enteroendokrinen Zellen das Peptidhormon Cholecystokinin (CCK) sezerniert. Hauptzielorgane dieses Peptidhormons sind die Gallenblase und die Bauchspeicheldrüse (s. Abb. 1.5). Beide Organe werden stimuliert, ihr Sekret in das Darmlumen zu sezernieren. Aus der Gallenblase gelangen so Gallensalze zur Fettverdauung in den Darm, aus dem Pankreas Peptidasen, Amylasen und Lipasen zusammen mit Bicarbonat. Außerdem fördert Cholecystokinin die Darmperistaltik und inhibiert in einem negativen Rückkopplungsmechanismus die Ausschüttung von Gastrin. Kurzum, das Hormon bereitet den Darm auf die Ankunft eines Nahrungsbreis vor und signalisiert dem Magen, dass der Nahrungsbrei den Magen verlassen hat. Unterstützt wird Cholecystokinin dabei durch zwei weitere, auch aus dem Duodenum sezernierte Peptidhormone: Sekretin und Gastroinhibitorisches Peptid (GIP). Der Name dieser beiden enteroendokrinen Hormone zeigt bereits ihre Hauptwirkung, Sekretin stimuliert die Sekretion von Verdauungssäften, wirkt also positiv auf die Gallenblase und das exokrine Pankreas, GIP inhibiert die Verdauung im Magen, inhibiert also die Ausschüttung von Gastrin (s. Abb. 1.5).

Abb. 1.5 Das Peptidhormon Gastrin wirkt stimulierend auf die Magenaktivität. Die Produktion von Gastrin wird durch das Gastrointestinale Peptid (GIP) und Cholecystokinin (CCK) inhibiert. Gleichzeitig stimuliert CCK die Kontraktion der Gallenblase und die Aktivität des exokrinen Pankreas. Dabei wird es von dem Peptidhormon Sekretin unterstützt. GIP, CCK und Sekretin werden vom Zwölffingerdarm synthetisiert, Gastrin von spezialisierten Magenzellen in der Nähe des Pförtners.

2Umformen von Energie

Zur Aufrechterhaltung unserer Körperfunktionen nehmen wir chemisch gespeicherte Energie als reduzierte Kohlenstoffketten mit unserer Nahrung auf. Diese chemisch gespeicherte Energie wird umgesetzt in Bewegungsenergie, in potenzielle Energie in Form von Konzentrationsgradienten über der Plasmamembran und in Wärme. Dabei wird die Energie der reduzierten Kohlenstoffketten nur in den seltensten Fällen direkt in eine andere Energieform umgewandelt. Stattdessen dient als einheitliche Zwischenstufe Adenosintriphosphat (ATP). Die Mengen an ATP, die dabei umgesetzt werden, sind erheblich und machen etwa die Hälfte des Körpergewichts aus. Bei einem 80 kg schweren Menschen werden also täglich etwa 40 kg dieses Energieträgers phosphoryliert und dephosphoryliert.

Die Umformung der in der Nahrung gespeicherten Energie in Bewegung, Potenzial und Wärme geschieht in einem zweistufigen Prozess: der Umwandlung der Energie der Kohlenstoff-Kohlenstoff- und der Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung in die energiereiche Phosphat-Phosphat-Bindung des ATP und der Umwandlung der energiereichen Phosphat-Phosphat-Bindung des ATP in eine andere Energieform.

Generell gilt, dass die reduzierten Kohlenstoffe oxidiert werden und bei diesen Redox-Reaktionen Reduktionsäquivalente in Form von reduziertem Nikotinsäureamid-Adenosin-Dinukleotid (NADH/H+) oder Flavin-Adenosin-Dinukleotid (FADH2) entstehen. Dabei findet der größte Teil dieser Redox-Reaktionen bei der Oxidation von aktivierter Essigsäure (Acetyl-CoA) zu 2 CO2 im zentralen Stoffwechselweg „Citratzyklus“ statt. Weitere Reduktionsäquivalente fallen aber auch bei der β-Oxidation der Fettsäuren und bei der Glykolyse ab.

Die Elektronen dieser Reduktionsäquivalente werden an der inneren Mitochondrienmembran im Zuge einer kontrollierten Knallgasreaktion auf molekularen Sauerstoff übertragen. Bei dieser als Atmungskette bezeichneten Reaktionsfolge wird ein Protonengradient über die innere Mitochondrienmembran aufgebaut. Die chemische Energie ist jetzt in eine potenzielle Energie (Protonenpotenzial) umgewandelt. Der Rückfluss der Protonen verläuft über ein Membranprotein, die ATP-Synthase. Die Energie des Rückflusses wird in der Übertragung einer Phosphatgruppe auf Adenosindiphosphat (ADP) konserviert. Es entsteht ATP. Neben diesem sauerstoffabhängigen Weg zur ATP-Synthese gibt es weitere Wege, die Energie, die in den chemischen Bindungen energiereicher Moleküle steckt, in Form von ATP zu konservieren. Diese Reaktionen werden als „Substratketten-Phospho­rylierung“ zusammengefasst.

Die in der energiereichen Phosphat-Phosphat-Bindung des ATP gespeicherte chemische Energie wird nutzbar durch Übertragung des Phosphats auf Proteine, z. B. auf das Myosinköpfchen oder auf die Na+/K+-ATPase. Das phosphorylierte Protein erfährt eine Konformationsänderung, die sich spontan rückbildet. Bei dieser spontanen Rück­bildung gleitet Myosin über Aktin (Bewegung). Im Fall der Na+/K+-ATP­ase werden Ionen entgegen ihres Konzentrationsgradienten transportiert (Potenziale).

Fragen und Antworten

Das Kapitel „Umformen von Energie“ umfasst:

 Atmungskette und ATP-Synthase

 Substratketten-Phosphorylierung

 Querbrückenzyklus Muskel

 Zilienschlag

 Membranpotenziale

 Transferfragen

2.1Atmungskette und ATP-Synthase
1 Bei welchen Schritten der Atmungskette wird ein Protonengradient über der inneren Mitochondrienmembran aufgebaut?

Während der Atmungskette werden Protonen entgegen ihres Konzentrationsgradienten über die innere Mitochondrienmembran transportiert. Dies geht nur unter Energieverbrauch. Die Redox-Reaktionen der Atmungskette sind exotherme Reaktionen, setzen also Energie frei. Diese frei werdende Energie muss größer sein als die Energie, die zur Translokation der Protonen benötigt wird. Anders ausgedrückt, das Redox-Potenzial der Reaktion muss größer sein als das chemiosmotische Potenzial der Protonen. Dies ist bei drei der vier Schritte der Elektronentransportkette der Fall:

Im Komplex I der mitochondrialen Elektronentransportkette werden die Elektronen des NADH/H+ in die Atmungskette eingeschleust und zugleich Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum gepumpt.

Damit folgt die Reaktion an Komplex I folgender Gleichung:

NADH/H+red. + Qox. + 4 H+Matrix ↔ NAD+ox. + QH2red. + 4 H+Inter.

Dabei stellen Qox und QH2red die oxidierte und reduzierte Form des Co-Faktors Ubichinon (= Coenzym Q) dar. Die Energie, die bei der Redox-Reaktion von NADH/H+red. + Qox. zu NAD+ox. + QH2red frei wird (0,36 V bzw. 69,5 kJ/mol), wird in der Umlagerung von Protonen gespeichert. Vier Protonen aus der Mitochondrienmatrix (H+Matrix) werden in den Intermembranraum gepumpt (H+Inter).

Über den Komplex II werden die Elektronen der Reduktionsäquivalente FADH2 in die Atmungskette eingeschleust und auf Ubichinon übertragen. Die Potenzialdifferenz zwischen FADH2 und Ubichinon ist zu gering, als dass hinreichend Energie frei würde, um Protonen zu translozieren.

Im Komplex III werden die Elektronen von reduziertem Ubichinon auf Cytochrom c übertragen. Entsprechend wird dieser Komplex auch Ubichinon-Cytochrom-c-Oxidoreduktase oder Cytochrom-bc1-Komplex genannt. Über den mobilen Elektronentransporter Cytochrom c werden Elektronen von Komplex III auf Komplex IV übertragen. Da-bei werden Protonen aus der Matrix des Mitochondriums in den Intermembranraum gepumpt. Die Potenzialdifferenz beträgt hier 0,190 V, was 36,7 kJ/mol entspricht, also etwas mehr als der energiereichen Phosphat-Phosphat-Bindung in ATP.

Im Komplex IV werden die Elektronen von reduziertem Cytochrom auf molekularen Sauerstoff übertragen. Dabei wird Cytochrom oxidiert und der Komplex heißt entsprechend auch Cytochrom-Oxidase. Der Gesamtprozess lässt sich mit folgender Gleichung zusammenfassen:

4 Cytcred + 4 H+Matrix + O2 → 4 Cytcox + 2 H2O

Tatsächlich ist diese Reaktion in zahlreiche Teilschritte gegliedert. Dabei werden in den ersten Teilschritten die Elektronen über Cytochrome auf ein Kupferzentrum des Enzymkomplexes übertragen. Molekularer Sauerstoff wird koordinativ an ein reduziertes Zentraleisen einer Häm-Gruppe des Komplexes gebunden. Bei der anschließenden Reduktion des Sauerstoffs zu Wasser werden in der Mitochondrienma­trix Protonen verbraucht. Da diese Reaktion ausschließlich auf der Matrix-Seite abläuft, steigt der Protonengradient über der inneren Mitochondrienmembran. Insgesamt beträgt die frei werdende Energie bei den an Komplex IV katalysierten Reaktionen 112 kJ/mol.

2 Wo und wie blockieren die folgenden Inhibitoren/Gifte die Atmungskette:

 Cyanide

 Rotenon

 Dinitrophenol?

In der Atmungskette an der inneren Mitochondrienmembran werden die Elektronen der Reduktionsäquivalente NADH/H+ und FADH2 in einer Kaskade an Redox-Reaktionen sukzessiv auf molekularen Sauerstoff übertragen. Die dabei frei werdende Energie wird in einen Protonengradienten über der inneren Mitochondrienmembran umgewandelt. Die ATP-Synthase nutzt diesen Protonengradienten dergestalt, dass der Flux der Protonen durch einen Kanal innerhalb der ATP-Synthase Konformationsänderungen des Enzyms verursacht. Diese werden dazu genutzt, eine Phosphodiester-Bindung zwischen ADP und anorganischem Phosphat zu verknüpfen und somit neues ATP zu synthetisieren.

Die Elektronentransportkette (s. Abb. 2.1) besteht aus einem NADH-Dehydrogenase-Komplex (Komplex I), Ubichinon (CoQ), einem Cytochrom-bc1-Komplex (Komplex III), Cytochrom c und der Cytochrom-c-Oxidase (Komplex IV). Prinzipiell führt eine Hemmung an jedem dieser Schritte zum Erliegen der Atmungskette, also dazu, dass kein Protonengradient aufgebaut wird und damit zum Stopp der ATP-Neusynthese.

Abb. 2.1 Die Elektronen der Reduktionsäquivalente NADH/H+ werden über die NADH-Dehydrogenase in Komplex I in die Atmungskette eingeschleust. Bei der Übertragung der Elektronen auf Ubichinon (CoQ) werden Protonen aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum transportiert. Ebenso trägt die Übertragung der Elektronen durch den Komplex III von CoQ auf Cytochrom c und die Reduktion von molekularem Sauerstoff zu Wasser an Komplex IV zum Aufbau eines Protonengradienten bei.

Cyanide hemmen die Cytochrom-c-Oxidase, also das Enzym, das für die Übertragung der Elektronen von Cytochrom c auf molekularen Sauerstoff sorgt (s. Abb. 2.2). Dabei binden Cyanide irreversibel an eines der drei redox-aktiven Metallzentren des Enzymkomplexes. Konkret binden Cyanide an das zentrale Eisenatom der prosthetischen Gruppe Häm a3 und verhindern damit die Reduktion des zentralen Eisenatoms von Fe3+ zu Fe2+. Damit kann diese prosthetische Gruppe keine koordinative Bindung mehr mit molekularem Sauerstoff eingehen. Der finale Elektronenakzeptor O2 steht damit nicht mehr zur Verfügung. Für Cyanid-Vergiftungen weniger relevant ist, dass auch die koordinative O2-Bindung an unserem Transportprotein Hämoglobin durch denselben Mechanismus inhibiert wird, damit insgesamt also die O2-Menge in peripherem Gewebe sinkt.

Rotenon entstammt dem Sekundärstoffwechsel einiger Leguminosen und hat strukturelle Ähnlichkeiten mit Ubichinon. Entsprechend blockiert es den NADH-Dehydrogenase-Komplex (Komplex I) und damit die Übertragung der Elektronen von NADH/H+ auf Ubichinon. Die Elektronen von NADH/H+ können zwar noch auf das Eisen-Schwefel-Zentrum von Komplex I übertragen werden, ihr weiterer Abfluss ist aber verhindert. Damit kann kein Protonengradient aufgebaut werden, und die Antriebskraft für die ATP-Synthase fehlt. Darüber hinaus führt ein Rückstau durch die Akkumulation der Reduktionsäquivalente NADH/H+ zum Erliegen oxidativer Stoffwechselreaktionen wie oxidative Decarboxylierungen, Citratzyklus und β-Oxidation.

Im Gegensatz zu den vorhergenannten Inhibitoren führt eine Vergiftung mit Dinitrophenol nicht zu einer „Verstopfung“ der Atmungskette (s. Abb. 2.2). Stattdessen sind bei einer Dinitrophenol-Vergiftung Protonengradient und ATP-Synthese entkoppelt. Die prinzipielle Wirkungsweise ist also, dass das chemiosmotische Potenzial des Protonengradienten über der inneren Mitochondrienmembran nicht mehr genutzt wird, um durch die ATP-Synthase neues ATP zu generieren, sondern dass diese Energie jetzt als Wärme ungenutzt verpufft. Dinitrophenol nimmt Protonen aus dem Intermembranraum auf, diffundiert protonenbeladen durch die innere mitochondriale Mem­bran in die Matrix und gibt dort die Protonen ab. Ähnliche Entkopplungsmechanismen werden auch bei der zitterfreien Thermogenese im braunen Fettgewebe von Säuglingen und Winterschläfern genutzt. Hier sorgt das Protein Thermogenin für die Entkopplung von Atmungskette und ATP-Synthese. Die physiologische Reaktion des Körpers auf eine Dinitrophenol-Vergiftung ist eine Erhöhung der Stoffwechselrate, um den Mangel an neu synthetisiertem ATP zu kompensieren. Diese Wirkung hat man sich lange Zeit zunutze gemacht, und Dinitrophenole waren als sogenannte „Schlankmacher“ auf dem Markt.

Abb. 2.2 Cytochrom c und Ubichinon sind wesentliche Bestandteile der Atmungskette; Cyanide und Dinitrophenol sind potente Inhibitoren der Atmungskette.

3 Was haben die Blockierung der Atmungskette durch Kohlenstoffmonoxid und die Blockierung des Sauerstofftransports durch Kohlenmonoxid gemeinsam?

Kohlenstoffmonoxid (CO) ist ein Atemgift. Da es farb- und geruchlos ist, erfolgt die Vergiftung meist unbemerkt. Die giftige Wirkung des CO beruht auf der Fähigkeit, Sauerstoff an seinen Bindungsstellen zu verdrängen. Besonders nachteilig wirkt sich das bei Hämoglobin aus. Hämoglobin besteht aus einem Protein-Anteil (Globin) mit vier Untereinheiten. Jede Untereinheit hat eine Häm-Gruppe gebunden. Die Häm-Gruppe besteht aus einem Porphyrin-Ring, der zentral ein zweiwertiges Eisen gebunden hat. An dieses Eisen wird Sauerstoff reversibel angelagert. In Abhängigkeit vom Partialdruckunterschied und von Co-Faktoren kann der Sauerstoff im Gewebe abgegeben werden.

Typisch für die Sauerstoffbindung durch Hämoglobin ist der kooperative Effekt, wodurch die Anlagerung von Sauerstoff an das erste Häm die Bindung von weiteren Molekülen an die anderen Häm-Gruppen erleichtert. Aus diesem Grund verläuft die Sauerstoff-Bindungskurve von Hämoglobin sigmoidal. Diese Kurve kann durch Co-Faktoren wie Protonen, Bisphosphoglycerat (BPG) und CO2 nach links bzw. rechts verschoben werden. Eine Linksverschiebung bedeutet, dass Sauerstoff leichter an Hämoglobin bindet (die Affinität erhöht wird). In der Folge ist die Abgabe im peripheren Gewebe reduziert. Bei einer Rechtsverschiebung reduziert sich die Sauerstoffaffinität und Sauerstoff wird leichter im Gewebe abgegeben. Dafür ist aber die Sauerstoffaufnahme reduziert. CO bindet in Hämoglobin an die gleiche Bindungsstelle wie Sauerstoff. Da die Affinität des Hämoglobins für CO ca. 200 × höher ist als für O2, wird O2 von den Bindungsstellen verdrängt. In der Folge sinkt die Sauerstoff-Verfügbarkeit im Gewebe. Außerdem wird die Sauerstoff-Bindungskurve nach links verschoben, sodass die Abgabe von Sauerstoff im Gewebe vermindert wird. CO kann ebenso an Myoglobin binden, dessen monomere Proteineinheit einer Untereinheit von Hämoglobin ähnelt und auch eine Häm-Gruppe enthält.

Hämoglobin enthält als Häm-Gruppe ein Häm b (s. Abb. 2.3). Es gibt neben Häm b noch andere Häme (Häm a, Häm c etc.). Häme spielen meist bei Elektronen-Übertragungen eine Rolle. Viele Enzyme sind mit einer Häm-Gruppe ausgestattet. Auch einige Enzyme in der Atmungskette besitzen Häm als prosthetische Gruppe. Dazu gehört auch die Cytochrom-c-Oxidase, welche Bestandteil des Komplex IV der Atmungskette ist. In diesem Fall handelt es sich um Häm a. Am Komplex IV werden Elektronen auf den Sauerstoff übertragen, der an der Oxidase gebunden ist. Dabei entsteht zusammen mit Protonen aus dem Intermembranraum der Mitochondrien Wasser. CO kann sich auch hier an das Häm anlagern und Sauerstoff verdrängen. Es lassen sich aber keine Elektronen darauf übertragen, daher kommt es zum Stopp der ATP-Synthese. Andere Enzyme, die auch eine Häm-Gruppe enthalten, sind: Katalasen, Cytochrom-c-Reduktase und Cytochrom P450. Letzteres ist essenziell für die Bildung von Steroidhormonen.

Abb. 2.3 Prosthetische Häm-Gruppe. (A) Häm A und (B) Häm B sind strukturell sehr ähnlich aufgebaut. Über das zentrale Eisen-Atom kann Sauerstoff angelagert und auf andere Moleküle übertragen werden oder als Elektronen-Akzeptor dienen.

4 Berechnen Sie das Potenzial über der inneren Mitochondrienmembran mit folgenden Annahmen: pH Intermembranraum = 6,2, pH Mitochondrienmatrix = 7,6, der Umrechnungsfaktor für RT/zF und die Umwandlung des natürlichen in den dekadischen Logarithmus ist 61 mV.

pH ist der negative dekadische Logarithmus der Protonenkonzentration. Damit wird aus der Nernstschen Gleichung

5 Warum ist der Katabolismus der Fettsäuren strikt aerob?

Der Abbau der Fettsäuren erfolgt in der β-Oxidation. Dabei entstehen neben Acetyl-CoA auch die Reduktionsäquivalente NADH/H+ und FADH2. Wie jede chemische Reaktion verlaufen auch die Redox-Reaktionen der β-Oxidation nur so lange, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Für biologische Reaktionen heißt das, dass diese Reaktionen nur dann dauerhaft ablaufen, wenn entweder die Edukte unbegrenzt nachgeliefert werden oder wenn die Konzentration der Produkte durch nachfolgende Reaktionen gering gehalten wird. Acetyl-CoA wird im Citratzyklus zu CO2 aufoxidiert. Dabei entstehen weitere Reduktionsäquivalente in Form von NADH/H+ und FADH2. Diese Reaktionsprodukte der β-Oxidation und des Citratzyklus (NADH/H+ und FADH2) werden in der Atmungskette verbraucht. Finaler Elektronenakzeptor ist dabei molekularer Sauerstoff. Ohne molekularen Sauerstoff akkumulieren demnach die Reduktionsäquivalente, und die entsprechenden Reaktionen kommen zum Erliegen. Der Katabolismus der Fettsäuren ist also strikt aerob, weil die Reaktionsprodukte des Fettsäureabbaus nur unter Sauerstoffverbrauch weiterverarbeitet werden können.

6 Die Energie der Nährstoffe „Kohlenhydrate“ und „Fette“ wird auf dem Weg zur ATP-Gewinnung zwischenzeitlich in den Reduktionsäquivalenten NADH/H+ und FADH2 gespeichert. Bei welchen Redox-Reaktionen in der Glykolyse, der β-Oxidation und dem Citratzyklus entstehen diese Reduktionsäquivalente?

NADH/H+ und FADH2 sind die Elektronenakzeptoren bei der Oxidation organischer Moleküle. Im Zuge dieser Redox-Reaktionen werden Aliphate erst zu Alkoholen, dann zu Aldehyden/Ketonen und schließlich zu CO2 aufoxidiert.

Dabei verläuft die Oxidation zum Alkohol meist in zwei Schritten: Erst werden in einer durch eine Dehydrogenase katalysierten Redox-Reaktion die Elektronen auf die Reduktionsäquivalente übertragen, wobei im Substrat eine C=C-Doppelbindung entsteht. Diese Doppelbindung wird anschließend durch Anlagerung von Wasser zum Alkohol. Die Oxidation der Ketogruppe verläuft meist in einer als oxidative Decarboxylierung bezeichneten Reaktion, also dass im Zuge dieser Redox-Reaktion CO2 abgespalten wird.

In der Glykolyse entsteht NADH/H+ bei der Oxidation des Aldehyds Glycerinaldehyd-3-Phosphat (GAP) zur Säure 1-3-Bisphosphoglycerat (BPG).

Vor dem Eintritt in den Citratzyklus wird Pyruvat oxidativ decarboxyliert. Chemisch ist das nichts anderes als die Oxidation eines Ketons zur Carbonsäure bzw. hier zu CO2. Die Elektronen werden ebenfalls von NAD+ aufgenommen, und es entsteht NADH/H+.

Im Citratzyklus wird Essigsäure zu zwei CO2 aufoxidiert. Damit gibt es vier Redox-Reaktionen, bei denen Elektronen auf die Reduktionsäquivalente übertragen werden können, nämlich zwei oxidative Decarboxylierungen, eine Oxidation zum Alkohol und eine Oxidation zum Aldehyd/Keton. Genau diese Redox-Reaktionen werden im Citratzyklus auch genutzt (s. Abb. 2.4).

Abb. 2.4 Citratzyklus: Die Acetyl-Gruppe aus Acetyl-CoA wird auf Oxalacetat übertragen, und es entsteht Citrat. Nach einer Umwandlung in Isocitrat folgen zwei oxidative Decarboxylierungen, und es entsteht Succinyl-CoA. Nach der Abspaltung von Coenzym A wird Succinat in drei Schritten zu Oxalacetat aufoxidiert. Die Elektronen, die das Acetat in den Kreislauf einbringt, werden auf Reduktionsäquivalente (NADH/H+ und FADH2) übertragen, und die Kohlenstoffe werden zu CO2 aufoxidiert Die Elektronen der Reduktionsäquivalente NADH/H+ werden über die NADH-Dehydrogenase in Komplex I in die Atmungskette eingeschleust.

Nach der Übertragung der Acetyl-Gruppe von Acetyl-CoA (aktivierte Essigsäure) auf Oxalacetat und der Umwandlung von Citrat in Isocitrat erfolgt die erste oxidative Decarboxylierung. Unter Abspaltung von CO2 entsteht α-Ketoglutarat. Dieses α-Ketoglutarat wird auch oxidativ decarboxyliert, und es entsteht unter Abspaltung von CO2 erst Succinyl-CoA, dann Succinat. Bei beiden oxidativen Decarboxylierungen werden die Elektronen auf NAD+ übertragen, und es entsteht NADH/H+.

Jetzt folgt die Oxidationsreihe einer C-C-Bindung (Aliphat) über einen Alkohol (C-OH) zum Keton (C=O). Wie oben erwähnt, verläuft die Oxidation zum Alkohol in zwei Schritten. Erst wird bei der Redox-Reaktion in Succinat eine Doppelbindung eingefügt, und es entsteht Fumarat. Die Elektronen werden bei dieser Reaktion auf FAD übertragen, und es entsteht FADH2. An Fumarat wird Wasser angelagert, und es entsteht Malat. Die alkoholische Gruppe in Malat wird dann aufoxidiert zur Ketogruppe, und es entsteht Oxalacetat. Auch bei dieser Redox-Reaktion wird NAD+ zu NADH/H+ reduziert.

Bei der β-Oxidation wird die C-C-Bindung bis zur Ketogruppe aufoxidiert, bevor ein C2-Körper (Essigsäure) auf das Coenzym A übertragen und als Acetyl-CoA in den Citratzyklus eingeschleust wird. Die Redox-Reaktionen sind dabei ähnlich den Redox-Reaktionen im Ci­tratzyklus bei der Oxidation von Succinat zu Oxalacetat. Auch hier wird erst eine Doppelbindung eingefügt und dann Wasser angelagert. Entsprechend entsteht aus Acyl-CoA erst 2-Enoyl-CoA, das dann zu 3-Hydoxy-Acyl-CoA hydriert wird.

Die Elektronen werden bei dieser Reaktion auf FAD übertragen, und es entsteht FADH2. Die alkoholische Gruppe im 3-Hydoxy-Acyl-CoA wird dann aufoxidiert zur Ketogruppe in β-Keto-Acyl-CoA. Bei dieser Redox-Reaktion wird NAD+ zu NADH/H+ reduziert.

Einen Vergleich der drei Stoffwechselvorgänge zeigt Tabelle 2.1.

Tab. 2.1 Vergleich von Glykolyse, β-Oxidation und Citratzyklus
	Glykolyse	β-Oxidaton	Citratzyklus
NADH/H+	Glycerinaldehyd-3-P → 1,3-BisphosphoglyceratPyruvat → Acetyl-CoA	3-Hydoxy-Acyl-CoA →β-Keto-Acyl-CoA	Isocitrat → α-Ketoglutaratα-Ketoglutarat → Succinyl-CoAMalat → Oxalacetat
FADH2		Acyl-CoA → 2-Enoyl-CoA	Succinat → Fumarat
ATP	1,3-Bisphosphoglycerat → 3-PhosphoglyceratPyruvat → Acetyl-CoAPhosphoenolypyruvat → Pyruvat
GTP			Succinyl-CoA → Succinat
CO2	Pyruvat → Acetyl-CoA		Isocitrat → α-Ketoglutaratα-Ketoglutarat → Succinyl-CoA

7 Wie nutzt die ATP-Synthase den Protonengradienten zur Neusynthese von ATP?

Die ATP-Synthase ist ein membranständiger Protonenkanal, der in der inneren Membran der Mitochondrien lokalisiert ist. Darüber hinaus besitzt die ATP-Synthase eine katalytische Einheit, die auf der Mitochondrienmatrix-Seite die Neusynthese von ATP katalysiert. In der Atmungskette wird durch die Translokation der Protonen aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum ein chemiosmotisches Potenzial aufgebaut. Der einzig gangbare Weg, diesen Protonengradienten zu egalisieren ist, dass die Protonen durch die ATP-Synthase hindurch in die Mitochondrienmatrix diffundieren. Die ATP-Synthase speichert die Energie, die beim Durchtritt der Protonen frei wird in einer energiereichen Phosphat-Phosphat-Bindung. Der Wirkungsmechanismus dabei ist, dass die diffundierenden Protonen eine Rotation der katalytischen Untereinheit antreiben (s. Abb. 2.5). Dabei gilt, dass jedes Proton eine Drehung um 120° induziert, für eine vollständige Drehung des Enzyms also die Diffusion von drei Protonen erforderlich ist. Demnach liefert die Translokation von drei Protonen ein ATP.

Abb. 2.5 Der Protonendurchtritt induziert eine Rotationsbewegung der zentralen Einheit der ATP-Synthase. Dies induziert Konformationsänderungen im Gesamtprotein, die zur Synthese von ATP genutzt werden.

Die Drehung der ATP-Synthase ist nichts anderes als sich wiederholende Konformationsänderungen des Proteins, die im Wesentlichen darauf beruhen, dass die Protonen mit sauren Resten (Aspartat) des Kanalproteins wechselwirken. Diese induzierten Konformationsän­derungen im Kanal verursachen Konformationsänderungen in der katalytischen Untereinheit. Damit ändern sich in der katalytischen Un­tereinheit die Affinitäten zu ATP, ADP und Phosphat in einer fein abgestimmten Weise, sodass mit einer vollständigen Rotation netto aus ADP und Phosphat ATP synthetisiert wird.

8 Was ist der Unterschied zwischen der ATP-Synthase und einer Protonenpumpe?

Die ATP-Synthase kann prinzipiell auch als Protonenpumpe fungieren und dabei ATP verbrauchen. Diese „Rück“-Reaktion spielt in Mitochondrien allerdings kaum eine Rolle. Während die ATP-Synthase für jedes neu-synthetisierte ATP den Fluss von drei bis vier Protonen benötigt, pumpt eine richtige Protonenpumpe nur zwei Protonen pro ATP-Hy­drolyse. Anders ausgedrückt, die Energie, die in einer Phosphodiester-Bindung des ATP steckt, entspricht bei der ATP-Synthase der Energie von drei bis vier ungleich verteilten Protonen. Bei der Protonenpumpe entspricht diese Energie nur der von zwei ungleich verteilten Protonen. Entsprechend ist für die ATP-Synthase ein relativ geringer Protonengradient hinreichend, um die Energie für die Neusynthese von ATP zu liefern, oder anders ausgedrückt, in der Rückreaktion kann die ATP-Synthase als Protonenpumpe nur einen geringen pH-Gradienten generieren.

Der prinzipielle Mechanismus der durch ATP-Synthase und Protonenpumpe katalysierten Reaktion ist also gleich, der Unterschied liegt letztendlich in der Anzahl an Protonen, die eine vollständige Rotation des Enzyms bewirken.

9 Durch die Arbeit der ATP-Synthase an der inneren Mitochondrienmembran entsteht die größte Menge ATP in der Mitochondrienmatrix. Wie wird die restliche Zelle mit ATP versorgt?

Als stark geladene Moleküle können weder ADP noch ATP die Mitochondrienmembran durch einfache Diffusion überwinden. ATP entsteht in der Mitochondrienmatrix und wird größtenteils außerhalb der Mitochondrien verbraucht. ADP entsteht größtenteils außerhalb der Mitochondrien, wird aber in der Mitochondrienmatrix verbraucht.

Um diesen Transport effizient und koordiniert zu katalysieren, bestehen etwa 14 % der Gesamtproteinmenge der inneren Mitochondrienmembran aus einem Enzym, das ATP-ADP-Translokase (oder Adeninnukleotid-Translokase) genannt wird. Dabei wird für den Abtransport eines ATP-Moleküls aus der Mitochondrienmatrix immer ein ADP-Molekül in die Mitochondrienmatrix übertragen.

Dieser Transportprozess wird unter Energieaufwand betrieben, wobei hier die Energie nicht von der Hydrolyse des ATP herrührt. Stattdessen nutzt die ATP-ADP-Translokase das elektrochemische Potenzial, also den Protonengradienten, über der inneren Mitochondrienmem-bran für seine Konformationsänderungen. Zusammen mit den Adeninnukleotiden werden auch noch weitere Ionen über die innere Mitochondrienmembran transportiert, nämlich ein Phosphat-Ion zusammen mit einem Proton ins Mitochondrieninnere.

Somit werden im normalen „Betrieb“ der Atmungskette etwa 25 % der Energie des Protonengradienten, oder in diesem Fall besser des elektrochemischen Potenzials, für den effizienten Abtransport von ATP und die Bereitstellung von ADP und Phosphat genutzt.

10 Die Mobilisierung von braunem Fettgewebe dient bei Winterschläfern zur schnellen Erhöhung der Körpertemperatur (zitterfreie Thermogenese). Wie geht das?

Zitterfreie Thermogenese bedeutet die Generierung von Wärme ohne Muskelkontraktion, also auf direktem Weg. Tatsächlich erfolgt die Temperaturerhöhung bei der zitterfreien Thermogenese auch ohne Neusynthese von ATP. Die beim Abbau der Fettsäuren des braunen Fettgewebes entstehenden Reduktionsäquivalente NADH/H+ und FADH2 werden als Substrate in die Atmungskette eingeschleust. Die braune Farbe erhält das braune Fettgewebe durch die große Anzahl an Mitochondrien. Damit laufen β-Oxidation, Citratzyklus und Atmungskette im braunen Fettgewebe schnell und effizient ab. Die Elektronen der Reduktionsäquivalente werden in der Atmungskette in einer kontrollierten Knallgasreaktion auf molekularen Sauerstoff übertragen. Die dabei frei werdende Energie wird genutzt, um einen Protonengradienten über der inneren Mitochondrienmembran aufzubauen.

Im braunen Fettgewebe bei Winterschläfern wird das Protein Thermogenin produziert. Dieses Protein kann man sich als Kanalprotein vorstellen. Wird dieses Protein in die innere Mitochondrienmembran eingebaut, fließen die Protonen entsprechend ihres Gradienten zurück in die Mitochondrienmatrix. Die Energie des Protonengradienten wird also nicht wie beim Rückfluss durch die ATP-Synthase chemisch fixiert, sondern wird als Wärme frei. Das Prinzip der zitterfreien Thermogenese ist also, dass durch den Einbau eines Kanalproteins die Reaktionen der Atmungskette von der ATP-Synthese entkoppelt sind.

2.2Substratketten-Phosphorylierung
1 In der Glykolyse und im Citratzyklus wird via Substratketten-Phosphorylierung ATP bzw. GTP generiert. Bei welchen Reaktionen?

In der Glykolyse wird ATP an den Reaktionsschritten generiert, an denen die reaktive Zwischenstufe eine Phosphatgruppe verliert. Die Phosphatgruppe wird dabei vom Substrat auf ADP übertragen. Dies ist in der Ertragsphase der Glykolyse bei der Reaktion von 1,3-bis-Phosphoglycerat (1,3-BPG) zu 3-Phosphoglycerat (3-PG) und bei der Reaktion von Phosphoenolpyruvat (PEP) zu Pyruvat (Pyr) der Fall.

Im Citratzyklus wird bei der Reaktion von Succinyl-CoA zu Succinat ein GTP generiert. Hier ist die Phosphatübertragung nicht so offensichtlich wie bei den Substratketten-Phosphorylierungen in der Glykolyse, da in den allgemeinen Darstellungen dieser Reaktion ein Zwischenprodukt unterschlagen wird. Dieses Zwischenprodukt, Succinyl-Phosphat, entsteht, wenn die energiereiche Thioester-Bindung zwischen Succinat und Coenzym A durch die energiereiche Phosphoester-Bindung zwischen Succinat und Phosphat ersetzt wird.

2.3Querbrückenzyklus im Muskel
1 Welche Rolle spielt ATP im Querbrückenzyklus?

Der Querbrückenzyklus ist der Funktionsmechanismus, mit dessen Hilfe Muskeln kontrahieren. Er beschreibt, dass die Interaktion zwischen Aktin und Myosin keine dauerhafte Bindung ist, sondern ein Wechselspiel aus Bindung und Loslassen zwischen den beiden Molekülen. Tropomyosin unterbindet im Ruhezustand die Bindung von Aktin an Myosin. Unter Ca++-Einfluss wird Tropomyosin von Aktin gelöst, sodass Aktin eine Bindung mit Myosin eingehen kann. Aktin stellt eine Kette aus globulären Monomeren dar. Myosin setzt sich zusammen aus einer Kopf- und einer Schwanzregion, die über eine Hinge-Region miteinander verbunden sind. Die Bindung an Aktin erfolgt über das Myosin-Köpfchen.

ATP dient im Querbrückenzyklus als sogenannter Weichmacher. Das bedeutet, dass ATP die Bindung zwischen Aktin und Myosin unter Energieverbrauch auflöst. ATP bindet im Bereich des Köpfchens am Übergang zur Hinge-Region. Ohne ATP gehen Myosin und Aktin eine relativ feste Bindung ein (s. Tab. 2.2). ATP bindet dann an Myosin. Da Myosin eine ATPase-Domäne hat, wird ATP in ADP + P gespalten. Diese Energie wird genutzt, das Myosin-Köpfchen von Aktin zu lösen und ausschwingen zu lassen. Obwohl ADP und P immer noch gebunden sind, wird jetzt aber die Bindung zu Aktin nicht länger verhindert. Die Freisetzung des P führt dann zum Kraftschlag, d. h. das Myosin-Köpfchen knickt in der Hinge-Region ab und schiebt sich dabei an Aktin vorbei. Die Abgabe von ADP fixiert die Bindung zwischen Aktin und Myosin, welche nachfolgend nur wieder durch ATP gelöst werden kann. Oder ein Rückgang der intrazellulären Kalziumkonzentration führt zur erneuten Anlagerung von Tropomyosin und damit zur Unterbrechung der Aktin-Myosin-Bindung. Tropomyosin hemmt auch die ATPase-Aktivität des Myosins, sodass es den Fortgang des Kraftschlags nicht nur sterisch, sondern auch biochemisch verhindert.

Tab. 2.2 ATP-Zyklus an Myosin
Zustand des ATP am Myosin	Bindung von Aktin an Myosin	Myosin-Kopf
nicht gebunden	fest	abgeknickt
ATP	nicht gebunden	abgeknickt
ADP + P	locker	gestreckt
ADP	fest	knickt ab

2 Wie entsteht die Leichenstarre?

Leichenstarre beruht darauf, dass Aktin und Myosin fest mit einander verbunden sind. Voraussetzung für diese Bindung ist, dass Tropomyosin die Bindungsstelle für Myosin am Aktinfilament nicht verdeckt. Dies ist nur dann der Fall, wenn Troponin Ca++ gebunden hat und damit Tropomyosin von der Myosinbindestelle des Aktins entfernt. Eine Voraussetzung der Leichenstarre ist demnach, dass der intrazelluläre Kalziumspiegel ansteigt. Normalerweise wird die intrazelluläre Kalziumkonzentration durch die Aktivität ATP-verbrauchender Kalziumpumpen im mikromolaren Bereich konstant niedrig gehalten. Sinkt die ATP-Konzentration, können diese Pumpen nicht mehr arbeiten und der Kalziumspiegel steigt. Des Weiteren wird ATP als „Weichmacher“ benötigt, um die Interaktion zwischen Aktin und Myosin zu lösen. Die Leichenstarre ist also eine direkte Folge des ATP-Mangels infolge des Zusammenbruchs der Atmungskette.

2.4Zilienschlag
1 Welche Rolle spielt ATP beim Zilienschlag?

Bewegliche Zilien wie die Kinozilien der Flimmerepithelien entfernen Staubpartikel aus den oberen Atemwegen, strudeln im Eileiter die Oozyten vom Ovar zur Gebärmutter, dienen bei den Ciliaten, Strudelwürmern und Rädertieren der Fortbewegung und kleiden bei zahlreichen Wirbellosen den Darm aus.

Wie die Flagellen von Geißeltierchen sind auch die Kinozilien Membranausstülpungen mit einer zentralen Mikrotubuli-Dublette und neun ringförmig darum angeordneten peripheren Mikrotubuli-Dubletten, also vom Typ 9 × 2 + 2. Jede Mikrotubuli-Dublette besteht aus einem A-Tubulus und einem B-Tubulus. An sogenannten Basalkörpern sind die Mikrotubuli in der Zelle verankert. Diese Basalkörper sind als Mikrotubuli-Organisations-Zentren auch Ausgangspunkt für die Entstehung von Zilien.

Die Mikrotubuli-Dubletten sind über zahlreiche assoziierte Proteine eng miteinander verbunden. Die peripheren Dubletten sind darüber hinaus noch über Dynein-Proteine miteinander in Kontakt, wobei ein Dynein-Proteinkomplex jeweils einen A-Tubulus mit dem B-Tubulus einer benachbarten Dublette verbindet. Dynein ist eine ATPase. Die Energie, die bei der Hydrolyse des ATP frei wird, speichert dieses Enzym ähnlich wie Myosin in einer Konformationsänderung. Dabei löst sich Dynein von seiner Bindungsstelle am B-Tubulus, um nach seiner Konformationsänderung an einer anderen Position zu binden. Bei der folgenden Konformationsänderung in seine ursprüngliche Form verschiebt sich demnach die relative Position benachbarter Dubletten zueinander, die Zilie biegt sich.

2 Worin unterscheidet sich die Bewegung eines eukaryotischen Flagellums von der Bewegung eines prokaryotischen Flagellums?

Die Fortbewegung mit Geißeln findet sich sowohl bei Pro- als auch bei Eukaryoten. Und obwohl beides Geißel heißt, ist der Aufbau dieser Struktur doch bei beiden Klassen grundsätzlich unterschiedlich (Abb. 2.6 und Tab. 2.3).

Abb. 2.6 Vergleich von prokaryotischen und eukaryotischen Flagellen. (A) Die prokaryotischen Flagellen bestehen aus einem spiralig gewundenen Hohlzylinder aus globulären Flagellin-Molekülen. Sie sind über Ringsysteme und Statoren in der Zellmembran verankert. Das Flagellum selbst liegt extrazellulär. Das prokaryotische Flagellum bewegt sich propellerartig. (B) In Eukaryoten liegt das Flagellum intrazellulär und wird von der Zellmembran umhüllt. Es ist aus filamentartigen Mikrotubuli nach dem Muster 9 x 2 + 2 aufgebaut. Das eukaryotische Flagellum bewegt sich wellenförmig.

Tab. 2.3 Vergleich der prokaryotischen und eukaryotischen Flagellen
	Prokaryot	Eukaryot
Protein	Flagellin	Mikrotubuli
Struktur	9 x 2 + 2	helikal
Energie	ATP	Protonen
Bewegung	Drehbewegung	wellenförmig

Eukaryotische Flagellen bestehen aus Mikrotubuli in der Anordnung 9 × 2 + 2, d. h. zwei Mikrotubuli liegen zentral und darum herum sind neun Pärchen Mikrotubuli im Kreis angeordnet. Diese Pärchen setzen sich zusammen aus einem A- und einem B-Tubulus. Am A-Tubulus sind in regelmäßigen Abständen entlang des Tubulus Dynein-Moleküle angeordnet. Mikrotubuli befinden sich immer innerhalb einer Zelle, d. h. das eukaryotische Flagellum ist von der Zellmembran überzogen und stellt damit eine Zellausstülpung dar.

Die Verankerung in der Zelle erfolgt über den Basalapparat. Hier treten Mikrotubuli in einer 9 × 3-Anordnung auf. Um Vortrieb zu erzeugen, tritt das Dynein mit den Mikrotubuli-Molekülen in Kontakt und bewegt so A- und B-Tubulus gegeneinander. Dabei wird ATP verbraucht. Durch die Verkrümmung der Mikrotubuli kommt es zu einer Bewegung der Geißel, die den Vortrieb wellenförmig erzeugt.

Bei prokaryotischen Geißeln sieht der Aufbau grundsätzlich anders aus. Diese sind Zellanhänge, sie befinden sich also außerhalb der Zelle. Das Grundmolekül ist Flagellin. Dies ist ein globuläres Molekül, welches sich helikal als langes Filament zusammensetzt. Es hat damit eine Art Drehrichtung. Innen ist es hohl. Die Flagellin-Monomere werden intrazellulär synthetisiert. Flagellin selbst ist über einen Anker an der Zellmembran verankert und zeigt nach außen. Die Monomere, die intrazellulär gebildet werden, werden durch den inneren Hohlkanal an das äußere Ende transportiert und dort verknüpft. Flagellin wächst also von innen nach außen.

Die Verankerung in der Membran ist komplex. Es gibt jeweils in der Zellmembran zwei Ringe. An der inneren Zellmembran befinden sich der MS-Ring und der Rotor. Oberhalb des MS-Rings sitzt eine Stator-Struktur. Das Flagellin ist über einen Stab und einen sogenannten Haken an den Ringen fixiert. Dieser Haken ist insofern besonders, als er wie ein Gelenk funktioniert. Er hat eine Beugerichtung. Der Antrieb des Rotors erfolgt über einen Protonengradienten. Protonen werden über die innere Zellmembran gepumpt und treiben dann bei der Rückbewegung den Rotor an. Der Stator bewegt dabei zwei Proteine, MotA und MotB, durch Protonenbindung gegeneinander. Diese Bewegung wird in eine Drehbewegung des Rotors übersetzt. Der Mechanismus entspricht in etwa dem Vorgang der ATP-Synthese in der Atmungskette. Auch dort wird mittels eines chemischen Gradienten eine Drehbewegung eines Proteins ausgelöst.

Im Ergebnis stellt die Bewegung der prokaryotischen Geißel eine Drehbewegung ähnlich einem Propeller dar. Die Drehrichtung bestimmt die Bewegungsrichtung des Bakteriums. Dagegen ist die Bewegung der eukaryotischen Flagellen wellenförmig.

2.5Membranpotenzial
1 Wie wird die Ungleichverteilung der Na+- und K+-Ionen über der Plasmamembran aufrechterhalten?

Das entscheidende Enzym für die Ungleichverteilung der Na+- und K+-Ionen ist die Na+/K+-Pumpe oder Na+/K+-ATPase. Dieses membranständige Enzym ändert durch Phosphorylierung/Dephosphorylierung seine Konformation. Der Phosphatrest stammt dabei von ATP; die Phosphorylierungsreaktion wird durch das Protein selbst katalysiert (deshalb ATPase). Dabei verlaufen die Konformationsänderungen zyklisch. Im nicht phosphorylierten Zustand bindet die Na+/K+-Pumpe mit ihrer intrazellulären Domäne drei Moleküle Na+. Die Phosphorylierung verändert die Konformation des Proteins dergestalt, dass die drei Na+-Ionen durch die Na+/K+-Pumpe nach außen gelangen. Dabei hat sich die Affinität des Proteins so geändert, dass diese drei Na+-Ionen extrazellulär durch zwei K+-Ionen ersetzt werden. Nachdem der Phosphatrest am Enzym abgespalten ist, klappt die Na+/K+-Pumpe wieder in ihre ursprüngliche Konformation zurück. Dabei gelangen die beiden K+-Ionen ins Zytoplasma. Die Affinität hat sich jetzt wieder dergestalt verändert, dass intrazellulär die beiden K+-Ionen durch drei Na+-Ionen ersetzt werden. Pro ATP-Hydrolyse werden demnach drei Na+-Ionen von innen nach außen transportiert und zwei K+-Ionen vom Extrazellularraum ins Zytoplasma.

2.6Transferfragen zum Thema Umformen von Energie
1 Was ist die Energiequelle unseres Gehirns?

Fast die gesamte Energie, die unser Gehirn verbraucht, und das sind immerhin 20 % des Grundumsatzes, stammt aus dem Blutzucker, also aus Glukose. Dies hat mehrere Ursachen. Gemessen an der Masse, die das Gehirn in Bezug auf die Gesamtmasse einnimmt, ist unser Gehirn das Organ mit dem höchsten Energiebedarf. Um diese Energie effizient verfügbar zu halten, erfolgt die Energiegewinnung hier strikt aerob. Das Gehirn verfügt im Gegensatz zu anderen Organen nicht über eigene Energiereserven. Es ist also auf die ständige Zufuhr von Energieträgern angewiesen. Dabei wird diese Zufuhr durch die Blut-Hirn-Schranke erschwert. Entsprechend ist auch der Abtransport von Stoffwechselendprodukten erschwert. Die Anforderungen an die Energiequelle bestehen also in einer relativ hohen Energiedichte und einer leichten Anlieferung, d. h. einer guten Löslichkeit im Blut und der Fähigkeit, die Blut-Hirn-Schranke zu passieren, sowie darin, dass als Endprodukte möglichst nur Wasser und Kohlendioxid entstehen.

Der alternative Energielieferant „Fettsäure“ würde als Endprodukte ebenso ausschließlich Wasser und Kohlendioxid liefern und hätte zudem eine deutlich höhere Energiedichte. Die Verfügbarkeit der Fettsäuren ist aber im Vergleich zu Glukose deutlich erschwert. Nicht nur beim Transport über das Blut erfordern Fettsäuren durch ihre Hydrophobie komplexe Transportmechanismen. Vor allem auch die Schwierigkeit, den Übergang durch die Endothelzellen der Blut-Hirn-Schranke zu regulieren und die Problematik der weiteren Verteilung im Liquor machen Fettsäuren daher zur ungeeigneten Energiequelle.

Diese strikte Glukoseabhängigkeit unseres Gehirns ist der Hauptgrund, weshalb wir unseren Blutzuckerspiegel relativ konstant halten. Dabei muss gewährleistet bleiben, dass die Glukoseaufnahme des Gehirns unabhängig von Insulin ist. Tatsächlich sind die Glukosetransporter des Gehirns (GLUT1) insensitiv gegenüber Insulin.

2 Wo und wie wird Glukose in der Niere reabsorbiert?

Generell wird Glukose über die Plasmamembran über zwei Mechanismen transportiert. Mit dem Gradienten erfolgt der Glukose-Transport durch Glukosekanäle, wie GLUT1 oder GLUT4. Entgegen ihres Gradienten wird Glukose im Symport mit Na+ in die Zelle transportiert. In den meisten Fällen ist die intrazelluläre Glukosekonzentration höher als die extrazelluläre Konzentration.

In der Niere erfolgt die Glukose-Reabsorption am proximalen Tubulus. Hier wird obligatorisch der größte Teil des Kochsalzes im Primärharn durch die Na+/K+-Pumpe aktiv reabsorbiert. Die Na+/K+-Pumpe sitzt dabei an der basalen Seite der Epithelzelle und hält einen Natrium-Gradienten vom Tubulus-Inneren zum Zytoplasma der Epithelzelle aufrecht. Na+ strömt also passiv in die Epithelzelle des proximalen Tubulus und wird aktiv ins Blut gepumpt. Die Glukosekonzentration im Zytoplasma der Epithelzelle ist höher als im Blut und höher als im Innern des proximalen Tubulus. Entsprechend strömt an der basalen Seite Glukose passiv durch GLUT1-und GLUT4-Kanäle, an der apikalen Seite dagegen zusammen mit Na+.

3 Bei der Verbrennung unserer Nährstoffe entsteht neben ATP und CO2 auch metabolisches Wasser. Aus welchen Nährstoffen (Kohlenhydrate und Fette) entsteht wie viel Wasser und welche Tiere nutzen dieses metabolische Wasser als wesentliche Quelle zur Deckung ihres Wasserbedarfs?

In der allgemeinen Gleichung zur Oxidation unserer Nährstoffe entsteht aus einer gesättigten C18-Fettsäure:

C17H35COOH + 26 O2 → 18 CO2 + 18 H2O

und aus drei Hexosen entsprechend:

3 C6H12O6 + 18 O2 → 18 CO2 + 18 H2O.

Pro Kohlenstoffatom entstehen also gleich viele Wassermoleküle, egal ob Zucker oder Fette verbrannt werden. Was stimmt an dieser Rechnung nicht?

1 Mol C17H35COOH wiegt 263 Gramm, 3 Mol Glukose wiegen 540 Gramm. Demnach entstehen pro Gramm Fettsäure mehr als doppelt so viele Wassermoleküle wie bei Hexosen. Unter der Berücksichtigung, dass Kohlenhydrate auch in ihrer kompakten Speicherform Glykogen als stark hydratisierte Moleküle vorliegen, also nur in Gegenwart von Wasser gespeichert werden können, Fette dagegen wasserfrei als Fetttröpfchen vorliegen, vergrößert sich dieser Unterschied noch einmal merklich. Tatsächlich entstehen so aus 1 Gramm Triacylglyceriden etwa 4- bis 5-mal so viele Wassermoleküle wie aus einem Gramm Glykogen.

Pro Mol Fettsäure entstehen also etwa 18 Mol Wasser, was etwas mehr als 1 Gramm Wasser pro Gramm Fettsäure entspricht. Damit werden Fette zu sehr effizienten Wasserspeichern, denn im Gegensatz zu Wasser ist der Fettverlust durch Verdunstung zu vernachlässigen. Entsprechend nutzen vor allem Tiere in Wassermangelgebieten wie z. B. Kamele, Fette als Wasserreserven. Die im Kamelhöcker gespeicherten Fette erlauben es diesen Wüstenbewohnern, mehrere Wochen auf Wasseraufnahme zu verzichten. Sie können den Wasserverlust (Verdunsten, Urin) durch die Generierung metabolischen Wassers aus den Fettreserven decken. Ähnliches gilt auch für die Wüstenspringmaus und andere Wüstenbewohner. Selbstverständlich funktioniert dies nur, wenn diese Tiere ihren Wasserverlust minimieren. Dies wird unter anderem durch die Produktion eines konzentrierten Harns, die Minimierung der Transpiration über die Haut durch ein entsprechendes Fell, die Minimierung des Wasserverlusts über die Atmung und nicht zuletzt durch Verhaltensanpassungen erreicht.