Kitabı oku: «Mitochondrien», sayfa 3

Wissenschaftler des Max-Plank-Institutes haben herausgefunden, dass bereits vor der Nahrungsaufnahme Verdauungsprozesse im Körper beginnen. Damit die aufgenommene Nahrung effizient verarbeitet werden kann, wird in dieser sogenannten Kopfphase der Verdauung bereits die Magensäureproduktion aktiviert, sobald wir die Nahrung riechen und sehen; gleichzeitig werden Neuronen, also Nervenzellen, in der Hypothalamusregion des Gehirns aktiviert, die Signale an die Leber leiten, um sie auf die Verdauung vorzubereiten.

Der ganze weitere Prozess der Nahrungsaufnahme sowie der Verwertung und des Transports der für die Energiegewinnung notwendigen Stoffe wird durch ein hoch komplexes Kontroll- und Regelsystem vom Gehirn und vom Hormonsystem und, wie wir später sehen werden (➧ Teil 2 ➧ »Lichtquanten – Biophotonen – Intelligente Zellkommunikation«), von Lichtquanten gesteuert.

Proteinverdauung und Aufnahme von Aminosäuren im Körper

Die über die Nahrung aufgenommenen Eiweiße (Proteine) werden im Magen-Darm-Trakt mithilfe von Enzymen (Pepsine/Proteasen) zunächst zu Oligopeptiden, dann weiter zu Di- und Tripeptiden und schließlich zu Aminosäuren abgebaut. Die erste Spaltung beginnt im Magen. Im Duodenum (Zwölffingerdarm) werden die Proteine mithilfe von Enzymen aus dem Pankreas (Bauchspeicheldrüse) weiter zu Oligopeptiden zerlegt. Letzte Spaltungsschritte werden von Enzymen der Enterozyten durchgeführt, wobei Di- und Tripeptide entstehen.

Die Resorption der Spaltprodukte in die Enterozyten (Zellen der Darmwand) erfolgt aktiv (es wird Energie benötigt), da sich dort bereits eine hohe Konzentration an Aminosäuren befindet. Die Di- und Tripeptide werden hier weiter zu Aminosäuren abgebaut. Über die Mukosazellen der Darmwand werden sie passiv durch Diffusion ins Blut abgegeben und zunächst über die Pfortader zur Leber transportiert. Von hier werden sie weiter über das Blut zu den jeweiligen Zielzellen befördert. Zusätzlich zu den mit der Nahrung aufgenommenen Proteinen werden auch die Proteine in einer Zelle ständig abgebaut, um sie zu erneuern.

Durch diesen regen Proteinstoffwechsel sind immer freie Aminosäuren verfügbar. Deshalb ist es nicht notwendig, Aminosäuren auf Vorrat zu speichern, im Gegensatz zu den Kohlenhydraten und Fetten. Nimmt man mehr Proteine auf, als man braucht, werden die überschüssigen Aminosäuren zu Energie verbrannt. Allerdings entsteht beim Abbau von Aminosäuren eine Art Sondermüll in Form von Ammoniak, der für den Körper giftig ist. Er muss deshalb zunächst über das Blut zur Leber transportiert werden, wo er in den ungiftigen Harnstoff umgebaut wird. Nachdem dieser über das Blut zu den Nieren gelangt ist, kann er mit dem Urin ausgeschieden werden. Das verbleibende Kohlenstoffgerüst der Aminosäuren wird vor allem zu Acetyl-CoA (aktivierte Essigsäure), aber auch zu Acetoacetyl-CoA, Pyruvat, Oxalacetat oder anderen Intermediaten des Zitronensäurezyklus umgewandelt und somit im Energiestoffwechsel zur ATP-Bildung, für die Glukoneogenese oder für die Fettsäuresynthese verwendet (➧ Teil 2).

Fettverdauung und Fettaufnahme in die Zelle

Viele der heutigen Nahrungsmittel enthalten große Mengen an Fetten (Lipiden). Wenn die Aufnahme von Fett den eigenen Bedarf übersteigt, gilt dies als ungesund, da sich das überschüssige Fett in den Arterien ablagern und Herz- und Gefäßerkrankungen verursachen kann. Trotzdem: Ohne Fett kann der Mensch nicht leben.

Fett ist ein wichtiger Geschmacksträger und liefert viel Energie (9,3 kcal bzw. 39 kJ pro Gramm), mehr als doppelt so viel wie Kohlenhydrate (4,1 kcal bzw. 17 kJ pro Gramm) oder Eiweiße (ebenfalls 4,1 kcal bzw. 17 kJ pro Gramm). Weiterhin dient es zur Wärmeisolation, schützt innere Organe und spielt eine wichtige Rolle beim intrazellulären Membranaufbau. Die Fette, die wir über die Nahrung aufnehmen (also Pflanzenöle, Butter etc.), setzen sich aus unterschiedlichen Bestandteilen zusammen: Phospholipiden, Cholesterin, Triglyceriden, den fettlöslichen Vitaminen E, D, K und A und Fettsäuren.

Fette lösen sich nicht in Wasser und können nicht einfach ins Blut aufgenommen und dort transportiert werden; zu diesem Zweck werden sie in sogenannte Lipoproteine (Komplex aus Apoproteinen, Phospholipiden, Cholesterin und Triglyceriden) eingebaut.

Die Fettverdauung beginnt bereits im Mund. Ein dort freigesetztes Enzym (Zungengrund-Lipase) beginnt hier schon mit der Fettzerlegung. Hauptsächlich findet sie jedoch im Dünndarm statt, und zwar mithilfe von Gallensäuren aus der Leber und anderen Lipase-Enzymen aus dem Verdauungssaft der Bauchspeicheldrüse. Durch den Kauvorgang und die Magenmotilität (Motilität = Bewegung) sowie die Beimischung von Gallensalzen im Dünndarm findet eine Emulsion der Fette statt, wodurch sie sich in sehr feine Tröpfchen in der wässrigen Umgebung verteilen und somit den Lipasen eine große Angriffsfläche bieten. Die vorwiegende Fettresorption findet im Zwölffingerdarm (Duodenum) und im oberen Leerdarm (Jejunum) statt. Dafür ist eine Zerlegung der Triglyceride mittels Lipasen in Glycerin und Fettsäuren notwendig. Aus diesen werden im Darmlumen sogenannte Mizellen gebildet, die in die Dünndarmzelle aufgenommen werden und ihren Inhalt, also die Glyceride und Fettsäuren, in die Darmzelle (Enterozyt) abgeben.

Nur kurze und mittellange Fettsäuren gelangen durch die Darmzotten ins Blut, das sie zum Abbau in die Leber transportiert. Für langkettige Fettsäuren findet zunächst eine Resynthese zu Triglyceriden statt. Diese können die Zelle nicht verlassen und müssen vorher mit einer speziellen Proteinhülle versehen werden. Es entstehen sogenannte Chylomikronen, mit deren Hilfe die Fette die Zellmembran wieder passieren können und dann ins Lymphsystem abgegeben werden. Von dort aus gelangen sie in den großen Blutkreislauf und werden zu den Zielzellen transportiert.

Die freien Fettsäuren dienen nun der Zielzelle zur Energiegewinnung. Wie wir gesehen haben, ist die Fettaufnahme, der Fetttransport und der Weg in die Zelle ein hoch komplexer, intelligenter Vorgang, der eines Höchstmaßes an Koordination bedarf.

Der Hauptspeicherort der Fette ist im Zytosol der Zellen.

Kohlenhydratverdauung und Zuckeraufnahme im Körper

Kohlenhydrate bzw. Zucker sind in vielen Lebensmitteln enthalten und als Energielieferanten für uns Menschen lebenswichtig. Besonders der Traubenzucker (Glukose) liefert Energie für sehr viele Vorgänge im Körper.

Die Kohlenhydratverdauung beginnt bereits im Mund unter Einfluss des Enzyms Amylase: Es entstehen Stärke und Maltose. Im Magen quellen die Zuckermoleküle mithilfe von Wasser und Säure auf und entwirren sich. Im Dünndarm findet nun die weitere Aufspaltung statt. Hierbei sind die Enzyme der Bauchspeicheldrüse von Bedeutung, welche die Stärke vollständig in Maltose zerlegen. Mit Enzymen des Bauchspeichels und der Darmwand wird die Maltose weiter in Glukose verwandelt. Aber nicht nur Stärke, sondern alle mit der Nahrung aufgenommenen Polysaccharide (Vielfachzucker) und Disaccharide (Zweifachzucker) werden auf diese Art und Weise in Einfachzucker wie Glukose, Fruktose und Galaktose gespalten. Glukose und Galaktose werden aus dem Dünndarm aktiv resorbiert, Fruktose hingegen wird über erleichterte Diffusion in die Enterozyten des Darms aufgenommen. Von dort gelangen sie über die Blutkapillaren in den Blutkreislauf.

Mit dem Blut wird die Glukose nun zunächst zur Leber transportiert. Die Glukose dient hier zum einen als Energielieferant, zum anderen wird sie als Glykogen gespeichert. Der Hauptanteil jedoch verlässt die Leber und wird zu den Zielzellen transportiert, die Glukose benötigen.

Die meisten Zellen können aber den Zucker nicht direkt aufnehmen. Sie brauchen dazu das Insulin, mit dessen Hilfe der Zucker durch die Zellwand in den Zellinnenraum gelangen kann. Ohne Insulin verbleibt der Zucker im Blut, wo die Konzentration ansteigt – was zu hohe Blutzuckerwerte zur Folge hat und viele negative Auswirkungen, Symptome und Schäden verursacht (z.B. bei Diabetes).

Insulin ist das in der Bauchspeicheldrüse in den Betazellen der Langerhans-Inseln gebildete und dort gespeicherte Hormon. Die Bauchspeicheldrüse hält immer ca. 10 mg Insulin vorrätig – eine Menge, die je nach den momentanen Lebensumständen und Belastungen für ca. 5 Tage ausreicht. Während und nach der Nahrungsaufnahme leert sich dieser Speicher entsprechend dem Insulinbedarf. Die Zuckermengen im Blut werden gemessen und signalisieren der Bauchspeicheldrüse, Insulin auszuschütten und gleichzeitig neues Insulin für das Depot zu bilden.

Auf der Zelloberfläche befinden sich Rezeptoren, an die das Insulin andocken kann; das gleicht einem Schlüssel, der genau ins Schloss passt. Wenn also Insulin die Rezeptoren aktiviert hat, können die Zellen in den Organen die Zuckermoleküle aufnehmen und den Zucker zur Energiegewinnung abbauen, sodass der Blutzuckerspiegel gesenkt wird.

Etwa 2 Stunden nach der Nahrungsaufnahme ist der Zucker mithilfe des Insulins im Blut weitgehend in den Zellen verschwunden. Würde Insulin weiter ungebremst Zucker in die Zellen schleusen, dann würde im Blut »Unterzucker« herrschen. Das Gehirn bekäme dann zu wenig Treibstoff: Dadurch sinkt die Konzentration, die Laune verschlechtert sich und wir fühlen uns immer schwächer. Deshalb schüttet die Bauchspeicheldrüse kein weiteres Insulin aus, sobald der Blutzuckerspiegel das Normalniveau erreicht hat.

Der Gegenspieler des Insulins ist das Hormon Glukagon, das die Leber veranlassen kann, aus den Zuckerdepots (Glykogen) den Zucker freizusetzen.

Eiweiße, Fette und Zucker gelangen wie beschrieben in den Körper und werden zerlegt. Das dabei entstehende Kohlenwasserstoffmolekül wird dann mithilfe von Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser verbrannt. Beim Zucker ist es das Pyruvat, bei den Fetten sind es die Fettsäuren, und bei den Eiweißen sind es die Aminosäuren, die in die Mitochondrien gelangen und über die dortigen Stoffwechselwege in Energie umgewandelt werden.

Bei der Energiegewinnung durch die Zellatmung werden ungefähr 80 Prozent des eingeatmeten Sauerstoffs verbraucht. Durch die Verbrennung wird Energie frei; damit sie nicht auf einmal freigesetzt wird, speichert die Zelle sie in der energiereichen und für die Zelle nutzbaren Form des ATP. Die Zellatmung besteht aus verschiedenen Teilschritten. Zum einen sind dies die Glykolyse im Zytosol sowie der in der Matrix stattfindende Zitronensäurezyklus oder Krebs-Zyklus (nach seinem Entdecker benannt) und zum anderen die Atmungskette mit der oxidativen Phosphorylierung in der inneren Mitochondrien-Membran.

Teil 2

Die Energiebereitstellung in der Zelle

Wir haben nun die wichtigsten Stoffe, die wir zur Energiegewinnung in der Zelle und in den Mitochondrien benötigen, besprochen. Die Energiegewinnung selbst bzw. der Auf-, Um- und Abbau entsprechender »Energiemoleküle« erfolgt im Rahmen der Glykolyse, der Beta-Oxidation der Fettsäuren, eines hoch komplexen Kreislaufs – dem Zitronensäurezyklus, der das Herzstück der Energiegewinnung in der Zelle darstellt, in der Atmungskette und in der oxidativen Phosphorylierung.

Die Energiebereitstellung im Körper

ATP und ADP

Das Molekül Adenosintriphosphat (ATP) besteht aus Adenin (Purinbase), D-Ribose (Zuckermolekül mit fünf Kohlenstoffatomen) und drei Phosphatgruppen.

Die chemische Struktur von ATP

ATP stellt allen möglichen Stoffwechselreaktionen Energie in Form von energiereichen Triphosphat-Bindungen zur Verfügung. Die Spaltung von ATP in ADP (Adenosindiphosphat) und Phosphat setzt die Energie frei, die zuvor zu seiner Bildung aufgewandt wurde.

ATP-ADP-Zyklus

An der Spaltung und am Aufbau sind Enzyme beteiligt. Die Spaltung ist eine stark exotherme (Wärme freisetzende) Reaktion, bei der etwa 32 kJ Energie frei werden. Ohne ATP bricht jeder bekannte Stoffwechsel zusammen, und der Organismus stirbt. Der Mensch kann aber nur 20–30 g ATP speichern, das gerade einmal für ein paar Sekunden Muskelarbeit reicht. Also muss es aus ADP ständig regeneriert werden. Die im menschlichen Körper täglich verbrauchte ATP-Menge entspricht etwa dem Körpergewicht. Die Regeneration von ATP aus AMP (Adenosinmonophosphat) bzw. ADP erfolgt über die Substratkettenphosphorylierung bei der Glykolyse oder die oxidative Phosphorylierung am Ende der Atmungskette. Weiterhin bestehen noch die Möglichkeiten, ATP über den Phosphokreatinkreislauf oder über die Adenylatkinasereaktion zu generieren (➧ Teil 2 ➧ »Weitere Wege der Energiebereitstellung«).

NAD und FAD

NAD – Nikotinamidadenindinukleotid – ist ein Coenzym, das zwei Elektronen und ein Proton (H+) überträgt, wobei NAD+ die oxidierte Form ist und NADH/H+ die reduzierte Form. Die reduzierte Form ist energiereich und dient als energielieferndes Coenzym der Zellatmung, wobei ATP hergestellt wird. In der Atmungskette gibt es die Elektronen, die es vorher im katabolen Glukose- oder Fettstoffwechsel aufgenommen hat, wieder ab und überträgt sie auf den Sauerstoff, wobei wieder NAD⁺ und H⁺ entstehen. Das H⁺ reagiert mit Sauerstoff zu Wasser. Der Sauerstoff nimmt Elektronen auf und wird reduziert. Der Wasserstoff gibt seine Elektronen an den Sauerstoff ab und wird oxidiert. Indem Elektronen auf Sauerstoff übertragen werden, wird Sauerstoff zu Wasser reduziert. Der Wasserstoff wird zu Wasser oxidiert.

NAD wird aus Nikotinsäure (Vitamin B3) und aus Abbauprodukten der Aminosäure Tryptophan hergestellt.

FAD – Flavinadenindinukleotid – ist ebenfalls ein Coenzym, das als Elektronenüberträger in verschiedenen Stoffwechselprozessen dient, kann aber im Gegensatz zu NAD nur einzelne Elektronen übertragen. Das FAD besteht aus ADP, das mit Riboflavin (Vitamin B₂) verknüpft ist. Das FAD spielt in der Atmungskette eine wichtige Rolle. Es kommt beim Enzymkomplex II zum Tragen. FAD ist in der inneren Mitochondrien-Membran fest mit diesem Enzymkomplex gekoppelt. Im Zitronensäurezyklus findet hier die Umwandlung von Succinat in Fumarat statt.

NAD⁺ und FAD sind Zwischenspeicher für energiereiche Elektronen. NADH/H⁺ und FADH₂ werden auch als »Reduktionsäquivalente« bezeichnet.

Die Glykolyse

Die Glykolyse (➧ nächste Grafik) stellt den ersten Schritt der Energiegewinnung dar und findet in allen Zellen, sowohl unter aeroben (mit Sauerstoff) als auch anaeroben (ohne Sauerstoff) Bedingungen statt. Hier werden bereits 2 mol ATP hergestellt. Für die Erythrozyten ist die Glykolyse essenziell zur Energiegewinnung, da sie keine eigenen Mitochondrien besitzen. Die Glykolyse läuft im Zytosol der Zelle ab. Hier wird durch eine Reihe chemischer Prozesse 1 Molekül Glukose in 2 Moleküle Pyruvat (Brenztraubensäure) umgewandelt. Dabei entstehen ATP und NADH/H⁺.

Bevor die Zelle aus Glukose Energie gewinnen kann, muss sie zunächst die Glukosemoleküle aktivieren. Dazu verbraucht sie Energie in Form von 2 ATP-Molekülen. Erst im weiteren Verlauf gewinnt die Zelle die Energie wieder zurück. Diese erste Phase wird auch als »Aktivierungsphase« bezeichnet; sie beginnt, sobald die Glukose in die Zelle eintritt. Eine Phosphatgruppe wird von ATP auf das Glukosemolekül übertragen, wobei Glukose zu Glukose-6-Phosphat reagiert, das 2 negative Ladungen besitzt. Jetzt ist es dem Molekül nicht mehr möglich, wieder durch die Membran hindurchzugehen; die Glukose ist in der Zelle gefangen.

Je nachdem, was die Zelle gerade benötigt, kann das Glukose-6-Phosphat unterschiedliche Wege nehmen. Es kann z.B. zur Bildung von Glykogen in Leber- und Muskelzellen verwendet werden oder zur Regeneration freier Glukose in der Glukoneogenese dienen; es kann zur Bildung von Glykoproteinen in das endoplasmatische Retikulum transportiert werden oder weiter in der Glykolyse abgebaut werden. Dafür sind neun weitere enzymatische Reaktionen erforderlich.

Die Gesamtbilanz der Glykolyse:

1 Glukose + 2 ADP + 2 P_i + 2 NAD⁺

→ 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH/H⁺ + 2 H₂O

Bei der Glykolyse gewinnt die Zelle also Energie in Form von 2 NADH/H⁺ und 2 ATP.

Unter aeroben Bedingungen wird das Pyruvat anschließend in die Mitochondrien transportiert, um dort im Zitronensäurezyklus weiter verstoffwechselt zu werden.

Anstatt im Zitronensäurezyklus abgebaut zu werden, können die Produkte aus der Glykolyse, also ATP und Pyruvat, aber auch als Bausteine für die Synthese von Fettsäuren verwendet werden.

Die Glykolyse

Unter anaeroben Bedingungen wird das Pyruvat zu Laktat umgewandelt. Dies geschieht auch bei hoher Belastungsintensität, bei der die Glykolyse hochgefahren wird, um zusätzlich Energie zu gewinnen. Dabei entsteht mehr Pyruvat, als in den Zitronensäurezyklus eingeschleust werden kann. Zwangsläufig tritt dabei ein Sauerstoffmangel ein. Die Pyruvatkonzentration in der Muskelzelle steigt an, was zur Umwandlung von Pyruvat in Laktat führt. Das Laktat ist es, das Schmerzen und Brennen in den Muskeln verursacht. Bei hohen Konzentrationen tritt es ins Blut über und wird vor allem in Herz, Nieren und Leber verstoffwechselt.

Die Pyruvat-Decarboxylierung

Findet man nun aerobe Bedingungen vor, wird das Pyruvat über Transporter durch die äußere und innere Mitochondrien-Membran in die Mitochondrien-Matrix transportiert. Dort muss das Pyruvat zunächst zu Acetyl-CoA (aktivierte Essigsäure) umgebaut werden. Das Ganze läuft über den sogenannten Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex, an dem mehrere Reaktionen stattfinden. Unter Abspaltung von CO₂ wird das Pyruvat in Anwesenheit von NAD⁺ letztendlich mit Coenzym A zu Acetyl-CoA umgewandelt, und NADH/H⁺ entsteht.

Die Pyruvat-Decarboxylierung

Die Gesamtbilanz der oxidativen Decarboxylierung:

1 Pyruvat + 1 Coenzym A + 1 NAD⁺

→ 1 Acetyl-CoA + 1 NADH/H⁺ + 1 CO₂

Das so entstandene Acetyl-CoA ist nun das Ausgangsprodukt für den Zitronensäurezyklus.

Um einwandfrei funktionieren zu können, benötigt der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex die Vitamine B₁ und B₂ sowie Alpha-Liponsäure und Magnesium.

Liegt ein Mangel von nur einem dieser Cofaktoren vor, wird der Pyruvatabbau gehemmt und Pyruvat staut sich an. Dieser erhöhte Pyruvatspiegel kann im Blut oder Urin gemessen werden. Das Pyruvat geht dann nicht weiter in den Zitronensäurezyklus, sondern wird zu Laktat abgebaut.

Die Beta-Oxidation der Fettsäuren

Fette sind sehr viel effektivere Energieträger als die Kohlenhydrate; deshalb eignen sie sich gut zur Energiegewinnung.

Der Fettsäureabbau, also die Beta-Oxidation (ß-Oxidation), findet ebenfalls in der Mitochondrien-Matrix statt und setzt sich aus vier Reaktionsschritten zusammen. Zunächst müssen die Fettsäuren jedoch mithilfe des Coenzyms A aktiviert werden – was aber Energie in Form von ATP erfordert. Die aktivierte Fettsäure nennt man »Acyl-CoA«.

Alle weiteren Schritte finden in der Mitochondrien-Matrix statt, wofür langkettige Fettsäuren an einen Transporter gebunden werden müssen. Diese Aufgabe übernimmt das Carnitin, ein Mikronährstoff.

Transport langkettiger Fettsäuren in die Mitochondrien

Danach beginnt der eigentliche Abbau, bei dem im vierten Reaktionsschritt Acetyl-CoA (aktivierte Essigsäure) abgeschnitten wird. Das Acetyl-CoA dient nun als Substrat für den Zitronensäurezyklus. An die restliche Fettsäure wird wieder Coenzym A angehängt, und die Beta-Oxidation erfolgt erneut.

Die Beta-Oxidation der Fettsäuren

Diese Abfolge geschieht so oft, bis die Fettsäure komplett abgebaut ist. Jedes gebildete Acetyl-CoA kann in den Zitronensäurezyklus eingeschleust werden. So wird deutlich, dass aus Fettsäuren, vor allem den langkettigen, wesentlich mehr Energie produziert werden kann als aus Glukose. Aus einem Glukosemolekül gehen nur 2 Acetyl-CoA hervor. Aus einem Molekül Palmitat beispielsweise entstehen durch Beta-Oxidation, Zitronensäurezyklus und Atmungskette etwa 98–106 Moleküle ATP. Beim Abbau von 1 Molekül Glukose entstehen nur etwa 32 Moleküle ATP. Diese Zahlen sind Näherungswerte. Die tatsächlich in den Mitochondrien gebildete ATP-Menge hängt davon ab, wie viel Energie aus dem elektrochemischen Gradienten für andere Zwecke verwendet wird.

Damit die Beta-Oxidation gut ablaufen kann, werden als Mikronährstoffe Biotin, Magnesium, die Vitamine B₂, B₃ und B₁₂ sowie die Pantothensäure, also Vitamin B₅, für das Coenzym A benötigt. Für die körpereigene Bildung von Carnitin sind als Mikronährstoffe die Vitamine B₃, B₆ und C sowie Eisen und darüber hinaus die Aminosäuren Lysin und Methionin erforderlich.

Der Zitronensäurezyklus – Drehscheibe des Stoffwechsels

Der Zitronensäurezyklus (auch als Zitratzyklus, Krebs-Zyklus oder Tricarbonsäurezyklus bezeichnet) ist dann ein Weg, bei dem aus den Abbauprodukten der Kohlenhydrate (Glukose), Fette (Fettsäuren) und Eiweiße (Aminosäuren) weiter Energie gewonnen und auf andere Stoffe übertragen wird. Er ist in der Mitochondrien-Matrix lokalisiert und stellt einen der wichtigsten Stoffwechselwege überhaupt dar, da er nicht nur beim Katabolismus (Abbau von Kohlenhydraten, Fetten und teilweise Aminosäuren), sondern auch beim Anabolismus (Lieferant von Bausteinen für die Synthese von Aminosäuren, Fettsäuren, Häm und Glukose über die Glukoneogenese) eine wichtige Rolle spielt. Deshalb wird er oft als »Drehscheibe des Stoffwechsels« bezeichnet. Seine Reaktionen laufen im Kreis und beginnen immer wieder von vorne.

Die wichtigste Funktion besteht darin, durch den Abbau von Acetyl-CoA, das bei der oxidativen Decaboxylierung und der Beta-Oxidation der Fettsäuren entstanden ist, Elektronen für die Atmungskette zu gewinnen. Aminosäuren stellen dabei eine Ausnahme dar; einige Aminosäuren werden direkt zu Acetyl-CoA abgebaut, andere werden dagegen zu anderen Zwischenstufen des Zitronensäurezyklus abgebaut und steigen so in den Zyklus ein.

Der Zitronensäurezyklus

Acetyl-CoA wird in acht Reaktionsschritten zu Kohlendioxid und Wasserstoff abgebaut. Die dabei frei werdenden energiereichen Elektronen sowie der Wasserstoff werden auf NAD⁺ und FAD übertragen, das heißt, sie werden zu NADH/H⁺ und FAD₂ reduziert.

Diese dienen als Substrat für die Atmungskette. Kohlendioxid wird ausgeatmet. Zusätzlich entsteht ein Molekül Guanosintriphosphat (GTP). GTP enthält genauso viel Energie wie ATP. Die Gewinnung von energiereichen Elektronen ist der wichtigste metabolische Beitrag des Zitronensäurezyklus.

Pro Reaktionszyklus wird 1 Acetyl-CoA zu 2 CO2 umgewandelt. Die dabei entstehende Energie wird in Form von 3 NADH/H+, 1 FADH2 und 1 GTP fixiert.

Die Gesamtbilanz des Zitronensäurezyklus:

1 Acetyl-CoA + 3 NAD⁺ + 1 FAD + 1 GDP + 1 P_i + 2 H₂O – 2 CO₂ + 3 NADH/H⁺ + 1 FADH₂ + 1 GTP + 1 Coenzym A

Wichtige Cofaktoren für den Zitronensäurezyklus sind Eisen, Mangan, Magnesium, die Vitamine B₁, B₂ und B3, Alpha-Liponsäure und Biotin. Falls für anaplerotische Reaktionen glukogene Aminosäuren eingeschleust werden, benötigt man zusätzlich die Cofaktoren Vitamin B₆, Kobalt und Vitamin B₁₂.

Das Coenzym A zur Aktivierung von Pyruvat wird aus Pantothensäure, also aus Vitamin B₅, hergestellt.

Sind diese Cofaktoren nicht in ausreichender Menge in den Mitochondrien vorhanden, kann der Zitronensäurezyklus nicht oder nur eingeschränkt funktionieren.

Info: Anaplerotische Reaktionen

Falls der Zitronensäurezyklus als Lieferant von Bausteinen dient, dürfen ihm nicht die nötigen Substrate ausgehen. Anaplerotische Reaktionen sind Stoffwechselwege, die der Belieferung des Zitronensäurezyklus dienen. So kann z.B. aus Pyruvat Oxalacetat gebildet werden.

Die Atmungskette und die oxidative Phosphorylierung

Die Atmungskette und die oxidative Phosphorylierung bilden die letzten Schritte, in denen die Energie aus der aufgenommenen Nahrung in ATP umgewandelt wird. Diese Energie steht dann für alle energieverbrauchenden Lebensvorgänge zur Verfügung. Eine Kette von sogenannten Redoxreaktionen leitet die Energie über energiereiche Verbindungen – nämlich NADH/H⁺ und FADH₂ als die sogenannten »Taxis« – kontrolliert weiter. In der Atmungskette nutzen Proteinkomplexe in der inneren Mitochondrien-Membran diese Energie, um in der oxidativen Phosphorylierung aus ADP und Phosphat ATP herzustellen. Gleichzeitig werden NADH/H⁺ und FADH₂ recycelt, um wieder als NAD⁺ und FAD für weitere Reaktionen zur Verfügung zu stehen.

Die Atmungskette und die oxidative Phosphorylierung

Der ganze Vorgang ist vergleichbar mit einem Motor, der Benzin verbrennt; allerdings findet der Vorgang nicht explosionsartig statt. Wenn sich zwei gasförmige Stoffe verbinden, wenn hier also gasförmiger Wasserstoff auf Sauerstoff trifft, und ein Zündfunken dazukommt, ruft dies eine laute, heftige, mit einer kräftigen Hitzeentwicklung verbundene Knallgasreaktion hervor. Die Atmungskette teilt diese Reaktion in viele kleine Teilschritte auf, bei denen der Wasserstoff nicht direkt auf den Sauerstoff übertragen wird. Stattdessen wird er in seine Protonen (H⁺) und Elektronen aufgetrennt, und die Energie wird »häppchenweise« und kontrolliert, nicht explosionsartig freigesetzt. So kann die ganze Reaktion bei einer Körpertemperatur von ca. 37 °C langsam ablaufen.

Die einzelnen Teilschritte der Atmungskette finden in der inneren Mitochondrien-Membran statt. Die mitochondriale Atmungskette besteht aus vier Proteinkomplexen (I–IV) und einem Proteinkomplex (V) für die oxidative Phosphorylierung. Sie enthalten Reaktionszentren mit Flavinen, Eisenschwefelkomplexen, Kupfer und Eisenporphyrinen (Cytochrome), die Elektronen aufnehmen können. Zwischen den Enzymkomplexen I bis IV befinden sich Zubringermoleküle, die wie Taxis oder Shuttles Elektronen aufnehmen und von einem Multienzymkomplex zu einem anderen transportieren.

In der inneren Mitochondrien-Membran befindet sich das Coenzym Q₁₀ bzw. Ubichinon. Dieses dient als Shuttle, das Elektronen von den Multienzymkomplexen I und II zum Multienzymkomplex III befördert. Es transportiert immer 2 Elektronen gleichzeitig. Damit das funktioniert, muss es gleichzeitig 2 Protonen (H⁺) aufnehmen. Das Cytochrom C ist das Shuttle zwischen den Enzymkomplexen III und IV. Es bewegt sich an der Außenseite der inneren Mitochondrien-Membran. Dieses Shuttle kann im Gegensatz zu Q₁₀ nur ein Elektron transportieren.

Schauen wir uns diesen Vorgang nun genauer an:

NADH/H⁺ kommt an Enzymkomplex I an. Dort wird der Wasserstoff aufgetrennt in sein Proton und seine Elektronen. Die Elektronen beginnen ihre Wanderung durch den Enzymkomplex I und werden auf das Shuttle-Protein Ubichinon übertragen. Gleichzeitig wird das Proton (H⁺) durch den Enzymkomplex in den Intermembranraum transportiert. Die Elektronen wandern mit dem Ubichinon weiter zum Enzymkomplex III. Dort wird wieder das Proton von der Matrix in den Intermembranraum gepumpt, und die Elektronen wandern über das Cytochrom C weiter zum Multienzymkomplex IV. Dort werden erneut die Protonen in den Intermembranraum gepumpt, und die Elektronen werden auf den molekularen Sauerstoff übertragen. Dabei entsteht H₂O₂^, da der Wasserstoff – die Protonen – auch auf den Sauerstoff übertragen wird.

Jedes Elektron wandert also über verschiedene Redoxreaktionen von einem Multienzymkomplex zum nächsten weiter. Die Elektronen werden dabei von einem höheren Energieniveau zu immer niedrigeren weitergegeben. Indem Enzyme Elektronen aufnehmen, werden diese Enzyme reduziert. Durch Abgabe der Elektronen werden die Enzyme oxidiert. Bei diesen Redoxreaktionen wird Energie immer häppchenweise frei; sie wird dazu verwendet, die Protonen aus der Mitochondrien-Matrix in den Intermembranraum zu pumpen. Dadurch haben wir auf der Intermembranseite eine deutlich positivere Ladung als in der Matrix; es hat sich ein Protonengradient bzw. Konzentrationsunterschied gebildet. Dieser Protonengradient wird durch den Multienzymkomplex V – die ATP-Synthase – genutzt. Hier werden die Protonen wieder kontrolliert in den Innenraum der Mitochondrien, also in die Matrix geleitet, und dabei wird die aufgrund des Protonengradienten vorhandene Energie zur Erzeugung von ATP genutzt. Die ATP-Synthase wird angekurbelt, um aus ADP und Phosphat ATP herzustellen, was der oxidativen Phosphorylierung entspricht.

Die Bilanz der ATP-Gewinnung bei der gesamten Zellatmung liegt je nach Betrachtungsweise bei einer Ausbeute von 32–38 mol ATP.

Die Energiebilanz der Atmungskette:

10 NADH/H⁺ + 2 FADH₂ + 32 ADP + 32 P_i + 6 O₂

→ 10 NAD+ + 2 FAD + 32 ATP + 12 H₂O

Die Cofaktoren, die für einen reibungslosen Ablauf der Atmungskette sorgen, sind Coenzym Q₁₀ (Überträgermolekül zwischen Komplex I bzw. II und Komplex III), Vitamin B₂, Eisen, Schwefel, Kupfer, Vitamin B₃ sowie Omega-3-Fettsäuren (für den Membranaufbau unerlässlich, da sie die Enzymkomplexe umhüllen und für einen reibungslosen Ablauf der Atmungskette sorgen). Omega-3-Fettsäuren reagieren empfindlich gegenüber Sauerstoffradikalen (ROS), Lösungsmitteln, Tensiden und Xenobiotika.

Zum Recycling von Coenzym Q10 werden zusätzlich die Cofaktoren Selen und Zink sowie die Vitamine B2 und B3 benötigt.

Wenn auch nur einer der Cofaktoren fehlt, kommt es zu Energiemangelzuständen. Es ist also für ein reibungsloses Funktionieren der Atmungskette und somit für eine korrekte ATP-Herstellung unerlässlich, dass alle benötigten Cofaktoren verfügbar sind.

Die Glukoneogenese

Ein weiterer wichtiger Stoffwechselweg ist die Glukoneogenese, die vorwiegend in Leber und Nieren stattfindet, da nur diese Organe mit allen dafür notwendigen Enzymen ausgestattet sind.

Damit das Gehirn stets mit Energie versorgt werden kann (rote Blutkörperchen ohne Mitochondrien und das Gehirn benötigen Glukose als Energielieferanten), ist ein bestimmter Glukosespiegel im Blut unerlässlich. Um den Blutzuckerspiegel aufrechtzuerhalten, kann im Rahmen der Glukoneogenese aus unterschiedlichsten Stoffen Glukose aufgebaut werden. Ausgangstoffe sind andere Zucker wie Fruktose und Galaktose, Laktat sowie Pyruvat selbst oder bestimmte Stoffe aus dem Zitronensäurezyklus wie Oxalacetat, Glycerin aus dem Fettabbau oder glukogene Aminosäuren.