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Energiegewinnung in der Zelle

Gliederung:

1. Adenosintriphosphat

2. Energiegewinnungswege

• anaerob-alaktazid

• anaerob-laktazid

• aerob aus Kohlenstoffen

• aerob aus Fetten

3. Fazit

Einleitung

Jedes Lebewesen benötigt Energie, um Leben zu können. Egal ob zur

Reizübertragung, zum Bewegen oder zur Zellteilung, jeder Vorgang in einem

Organismus benötigt Energie, um vollzogen werden zu können. Ein Mensch mit einer

Masse von ca. 70kg benötigt ohne größere körperliche Betätigung pro Tag ca. 70 kg

Adenosinphosphat (ATP) - allein 1/3 dieser Menge wird zum Übertragen von

Informationen verbraucht. Es liegt jedoch nur 1/10000 dieser Menge, also 7g, vorrätig

in den Zellen vor, weshalb ATP stets neu synthetisiert werden muss. Es ist jedoch

nicht so, dass im wahrsten Sinne des Wortes Energie gewonnen wird, sondern diese

nur für den Körper brauchbar gemacht wird, da die Energie bereits in Form von

Kohlenhydraten und Fetten im Körper vorhanden ist. Der Körper benutzt folglich diese,

um ATP zu synthetisieren, welches dann als Energieträger verwendet werden kann.

1. Adenosintriphosphat (ATP)

Adenosintriophosphat der universelle Energielieferant für alle Vorgänge in jedem

Körper eines Lebewesens, da es sowohl bei autotrophen als auch bei heterotrophen

Organismen am Ende eines jeden Energiegewinnungswegs steht. Die aerobe

Energiegewinnung läuft bei jedem Eurkaryont in

den Mitochondrien ab. Bei der Abspaltung eines

Phosphats werden 32,3 KJ/mol frei (ATP = ADP

i+ P + 32,3 kJ/mol).

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Strukturformel: Adenosintriphosphat

Damit die Spaltung ökonomischer und bei normaler Körpertemperatur (ca. 37°C)

ablaufen kann, wird diese von Enzymen, so genannten ATPasen, katalysiert. Da nicht

immer dieselbe Menge ATP benötigt wird, reguliert der Körper die Synthese von ATP,

um immer nur genau so viel ATP bereitzustellen, wie gerade benötigt wird. Diese

Regulation wird durch die allosterische Hemmung durchgeführt. ATP und ADP sind

sich aufgrund des einen fehlenden Phosphats in ihrer Struktur ziemlich ähnlich,

weshalb beide Stoffe an das sog. allosterische Zentrum des Enzyms, welches für die

Regulation zuständig ist, binden können. Jedoch verändert die kleine Abweichung in

der Struktur die Oberfläche des Enzyms so, dass an seinem aktiven Zentrum, an

welchem die ATP-Synthese abläuft, ebendiese blockiert oder ermöglicht wird. Bindet

nun also ATP an das allosterische Zentrum, wird die Struktur des Enzyms so

verändert, dass am aktiven Zentrum keine Synthese ablaufen kann, da dort das ADP

und ein freier Phosphatrest nicht mehr anlagern und miteinander verbunden werden

können.

Wenn nun aber ein ADP-Molekül am allosterischen Zentrum bindet, verändert sich die

Struktur des aktiven Zentrums so, dass andere ADP-Moleküle sich zusammen mit

einem freien Phosphatrest dort anlagern und miteinander zu einem ATP-Molekül

verbunden werden können.

Aufgrund der Affinität der Adenosinphosphate zu dem Enzym konkurrieren diese stets

miteinander um das allosterische Zentrum. Je nach Energiebedarf liegt entweder ein

Übergewicht an ADP oder ATP vor, weshalb entweder die ATP-Synthese stärker

angekurbelt oder gehemmt wird. Somit ist es für den Körper durch diesen in den

Jahrmillionen entstandenen, sehr effektiven Mechanismus der allosterischen

Hemmung möglich, immer nur genau so viel ATP zu synthetisieren wie nötig ist.

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2. Energiegewinnungswege

Der Körper besitzt verschiedene Möglichkeiten, ATP zu resynthetisieren. Im Normalfall

läuft die Synthese mit Einbezug von Sauerstoff ab (Atmungskette); wie der Körper sich

nun behilft, wenn ein plötzlicher hoher Energiebedarf auftritt, der nicht durch Sauerstoff

gedeckt werden kann, wird unter Anderem im Folgenden betrachtet. Dies ist zum

Beispiel im Sport der Fall, wenn viele Muskelpartien gleichzeitig beansprucht werden

und ein überdurchschnittlich hoher Energiebedarf vom Körper gedeckt werden muss.

a) anaerob-alaktazid

Auf den anaerob-alaktaziden Energiegewinnungsweg greift der Organismus als erstes

zurück, da dieser ATP verzögerungsfrei sehr schnell nachbilden kann. Hierbei wird die

Energie aus den Phosphatspeichern in der Zelle bereitgestellt, um das ATP, welches

in der Zelle vorgelegen ist und aufgrund des erhöhten Energiebedarfs gespatet wurde,

zu resynthetisieren. Hierbei fällt kein Laktat (Milchsäure) an und es wird auch kein

Sauerstoff in die Energiegewinnung miteinbezogen, da zu dieser Zeit der körperlichen

Belastung ein großes Sauerstoffdefizit herrscht. Problematisch bei dieser Art der

Energiegewinnung ist, dass sie nach ca. 5-8 Sekunden nicht weiter betrieben werden

kann, weil die ATP-Vorräte und die energiereichen Phosphate in der Zelle sehr schnell

erschöpft sind. Deshalb werden direkt nach dem Aufkommen erhöhten Energiebedarfs

andere Stoffwechselprozesse, welche im Folgenden näher beleuchtet werden.

b) anaerob-laktazid

Nachdem nun die intrazellulären ATP- und KP-Reserven ausgeschöpft sind, jedoch

immer noch ein erhebliches Sauerstoffdefizit besteht, greift der Körper nun auf die

Glykogenspeicher der Zelle zurück, um die doch sehr hohe ADP-Konzentration in der

Zelle auszugleichen (allosterische Regulation), da natürlich auch für die ATP-

Resynthese Energie von Nöten ist. Durch den Abbau von Glucose entsteht

Brenztraubensäure, die eigentlich durch weitere Prozesse zu Wasser abgebaut

werden soll.

Strukturformel: Brenztraubensäure

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Für diese weiteren Prozesse, die später noch genauer erläutert werden, an dieser aber

für das Verständnis nicht weiter relevant sind, wird Wasserstoff bereit gestellt, welcher

sich aber durch das Sauerstoffdefizit in der Zelle ebenso wie die Brenztraubensäure

anhäuft. Der freie Wasserstoff lagert sich im Folgenden an die Brenztraubensäure und

es entsteht Milchsäure, auch Laktat genannt. Diese Milchsäure sammelt sich nun in

der Zelle und hemmt die Aktivität der Glykolyseenzyme so,

dass immer weniger ATP resynthetisiert werden und der

Muskel immer weniger kontrahieren kann. Der Körper kann

das anfällige Laktat in benachbarte Zellen abgeben, so dass

die Ermüdung der Muskulatur verzögert werden kann;

Strukturformel: Milchsäure außerdem er durch Laktat in das Blut abgeben, wo es z. B. im

Herzmuskel, der Milchsäure zur Energiegewinnung nutzt, abgebaut wird. Der

Laktatwert im Blut wird im Sport auch als Messgröße für Intensität genutzt, da die

Konzentration von Laktat im Blut zeigt, wie viel Energie benötigt wird. Dieser

Energiegewinnungsweg dominiert bei Belastungen zwischen 15 Sekunden und zwei

Minuten. Da pro Mol Glucose nur zwei Mol ATP synthetisiert werden können, ist die

Energieausbeute ziemlich gering. Jedoch kann durch diesen Energiegewinnungsweg

kurzfristig ungefähr doppelt so viel ATP resynthetisiert werden wie durch den

vollständigen Abbau von Glucose, indem das ATP sehr schnell gebildet werden kann.

Der entscheidende Nachteil ist, dass zum Einen der Muskel sehr schnell ermüdet und

zum Anderen die Glykogenvorräte 20mal so schnell verbraucht werden wie beim

vollständigen Glucoseabbau. Chemisch lässt sich der unvollständige Glucoseabbau

folgendermaßen beschreiben:

6 12 6 3 6 3C H O –> 2 C H O (Milchsäure) / 2 ATP (Energiegewinn)

Beide eben genannten Energiegewinnungswege laufen nicht in den Mitochondrien der

Zelle ab, sondern im Zellplasma, da sie ohne Sauerstoff ablaufen.

Aufgrund der Dauer, welche ca. zwei Minuten beträgt, die das Atemsystem benötigt bis

es sich der Steigerung der Belastung angepasst hat, welche trotzdem nicht maximal

sein kann, weil der Sauerstoffbedarf, der bei maximalen Belastungen auftritt, auch bei

maximaler Leistung des Atmungssystems und des Herz-Kreislauf-Systems nicht

gedeckt werden kann, kann nun die Energie mit Hilfe von Sauerstoff, also aerob,

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bereitgestellt werden. Man unterscheidet zwischen der aeroben Energiegewinnung aus

Kohlenhydraten und der aeroben Energiegewinnung aus Fetten. Zunächst wird sich

mit der aeroben Energiegewinnung aus Kohlenhydraten befasst.

c) aerob aus Kohlenhydraten

Bei geringen bis mittleren Belastungsintensitäten wird die Energie vorwiegend mit

Einbezug von Sauerstoff gewonnen. Nun kommt den vorhin angesprochenen

Prozesse des Abbaus von Brenztraubensäure eine entscheidende Bedeutung zu.

Zunächst wird Glucose zu Brenztraubensäure abgebaut, wie vorhin schon ausführlich

beschrieben. Es folgt nun der Vorgang der oxidativen Decarboxylierung, in dem von

2der Brenztraubensäure ein CO Molekül abgespaltet wird und so aktivierte Essigsäure

entsteht.

Strukturformel: Essigsäure

Es schließt sich dann der Citratzyklus an, welcher den ebenfalls schon

2angesprochenen Wasserstoff für die Atmungskette bereitstellt und erneut CO

abspaltet. Als letzter Schritt schließt sich der für die Energielieferung entscheidende

Prozess an. Der in den eben beschriebenen Prozessen entstandene und an

mitwirkenden Coenzymen gebundene Wasserstoff wird in mehreren weiteren

Prozessen, welche aufgrund ihrer Irrelevanz für das Verständnis nicht weiter

2beschrieben werden, oxidiert. Es entsteht Wasser (H O), welches leicht aus der Zelle

abtransportiert werden kann.

Es entstehen beim vollständigen Abbau von Glucose pro Mol Glucose 38 Mol ATP.

Chemisch kann dies in folgender Reaktionsgleichung dargestellt werden:

6 12 6 2 2 2 2C H O + 6O +6 H O –> CO + 12 H O / 38 ATP (Energiegewinn)

2 2In der Reaktionsgleichung wird deutlich, dass genauso viel CO entsteht, wie O in die

2Reaktion miteinbezogen wird. Dies zeigt, dass der Quotient des ausgeatmeten CO

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2und dem eingeatmeten O gleich 1 ist. Diesen Quotienten bezeichnet man als

Respiratorischen Quotienten.

Dieser Energiegewinnungsweg kann als fast unerschöpflich bezeichnet werden, da der

Körper über sehr große Glykogenspeicher z. B. in der Leber verfügt. Aufgrund der

langen Entleerungsdauer der Glykogenspeicher, ist die aerobe Energiegewinnung für

den Körper am ökonomischsten, da kein Laktat anfällt und somit keine Übersäuerung

möglich ist. Zudem ist die Energieausbeute sehr hoch, wie gezeigt worden ist, was

ebenfalls für die Ökonomie der Energiegewinnung spricht.

d) aerobe Energiegewinnung aus Fetten

Nach ca. 120 Minuten sind die Glykogenspeicher soweit geleert, dass der Körper eine

andere Quelle benötigt, um Energie für die Resynthese von ATP bereitzustellen. Es ist

zwar noch Glykogen im Körper vorhanden, jedoch werden diese Reserven nicht

angegriffen, weil sie als Notreserven dienen und mir im äußersten Notfall geleert

werden. Mit anhaltender Belastung werden immer mehr Fette in die Energiegewinnung

miteinbezogen. Hierbei läuft die Endphase der Energiegewinnung genau so ab, wie

2bei der Energiegewinnung aus Kohlenhydraten. Das bedeutet, dass ebenfalls CO und

2H O als Abfallprodukte anfallen.

Die Zelle benötigt für die Bildung derselben Menge ATP ca. 16% mehr Sauerstoff als

bei der aeroben Energiegewinnung aus Kohlenhydraten. Dies wirkt sich merklich auf

das Herz-Kreislauf-System aus, da dieses bei gleicher Belastung einiges mehr leisten

muss. Zudem wird ATP langsamer resynthetisiert als bei der Energiegewinnung aus

Kohlenhydraten, da pro Zeiteinheit weniger Energie für den Synthesevorgang

bereitsteht. Diese Faktoren zwingen den Körper bei Belastung, deren Intensität zu

verringern. Dieses Phänomen tritt z. B. bei Marathonläufern auf, welche bei einer

Belastungsdauer zwischen zwei und drei Stunden das Gefühl haben, gegen eine

Wand zu laufen. Dies ist mit ebendiesem Effekt der Umstellung von der aeroben

Energiegewinnung aus Kohlenhydraten auf die vorwiegende Nutzung von Fetten zu

erklären, da die Belastungsintensität, welche über die ersten beiden Stunden gehalten

werden kann, nicht mehr gewährleistet werden kann, nachdem die Glykogenspeicher

ausgeschöpft worden sind.

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Fette sind eine sehr starke Energiequelle. Abgesehen von der Problematik, sie in die

Energiegewinnung miteinzubeziehen, liefern sie ungefähr doppelt so viel Energie wie

Kohlenhydrate: 1g Kohlenhydrate liefern 17 kJ Energie; 1g Fett liefert hingegen 39 kJ

Energie.

Zudem kann man sagen, dass der Fettspeicher als nahezu unerschöpflich gilt. Bei

Normalgewicht reicht der Fettspeicher, ohne ihn aufzufüllen, für ca. 17 Marathonläufe

(also 714 km) oder bei normaler körperlicher Belastung für ca. 3 Wochen

Energiegewährleistung.

3. Fazit

Es ist sehr beeindruckend, welchen Problemen der Körper bei der Gewährleistung von

Energiebereitstellung für die Synthese von ATP ausgesetzt ist, und, meiner Meinung

nach, noch beeindruckender, wie er sie löst. Auch die Angepasstheit des ganzen

Organismus an die Energiegewinnung, wie z. B. der Aspekt zeigt, dass der

Herzmuskel, Laktat wiederverwerten kann, welches ursprünglich schädlich für die

Muskelzellen ist. Außerdem wird an einer solchen Betrachtung wie der

Energiegewinnung deutlich, welch ein Wunder der menschliche Organismus ist. Er

scheint zunächst komplex aufgebaut, doch die einzelnen Aufgaben, die vollbracht

werden müssen, werden mit einer doch so ökonomischen Einfachheit ausgeführt, die

man anhand der eben genannten Komplexität gar nicht für möglich gehalten hätte. Ein

konkretes Beispiel dafür wäre die Regulation der ATP-Synthese. Es scheint zunächst

so kompliziert zu sein, immer nur genau so viel ATP bereit zu stellen wie möglich.

Dass jedoch ein einziges Enzym diese Aufgabe übernimmt und so unaufwendig, wie

man es sich nur vorstellen kann, ausführt, ist eigentlich unvorstellbar.

Außerdem spielt das Wissen über die Energiegewinnung im Sport eine sehr große

Rolle, da man darauf aufbauend nun gezielt den für eine Disziplin spezifische

Energiegewinnungsweg trainieren kann und somit eine deutliche Leistungssteigerung

erzielen kann. Auch durch die Ernährung kann disziplinspezifisch so zusammengestellt

werden, dass eine Leistungssteigerung erzielt werden kann. Ein typisches Beispiel

dafür wäre die traditionelle “Spaghetti-Party” am Abend vor einem Marathon. Aufgrund

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der Reichhaltigkeit von Kohlenhydraten in Nudeln, also auch in Spaghetti, wird der

Körper am Abend vor einem Marathon noch einmal mit Kohlenhydraten versorgt,

welche er nach einigen chemischen Prozessen in Form von Glykogen abspeichern

kann. Es wird mit einer solchen “Party” also der Gefahr der unvollständig gefüllten

Glykogenspeicher vorgebeugt und gewährleistet, dass so lange wie möglich Energie

aus Kohlenhydraten gewonnen wird, da, wie erläutert, ein deutlicher Leistungsabfall

nach dem Erschöpfen der Glykogenspeicher zu erwarten ist.

Auch wird bei sportlichen Leistungen empfohlen, bei denen viel Laktat anfällt, sich

einige Tage zuvor, basisch zu ernähren. Damit soll bewirkt werden, dass sowohl Zellen

als auch Blut aufgrund der größeren Säuretoleranz mehr Laktat ertragen können und

so eine große Belastung über eine längere Zeit gehalten werden kann, weil die

Muskulatur langsamer ermüdet.

Anhand dieser Beispiele, die nur wenige von vielen möglichen darstellen, wird die

immense Wichtigkeit der Kenntnis über die Energiegewinnung des menschlichen

Organismus’ deutlich. Auch mir wurde durch die Fokussierung auf ebendiese bewusst,

wie essenziell dieses Wissen für die Biologie und Sportwissenschaft ist. Zudem ist es

mir nun auch leichter, nachdem ich den unvollständigen Glucoseabbau chemisch

betrachtet habe, diesen nachzuvollziehen und zu verstehen, da er mir zunächst sehr

kompliziert erschien.

Aus diesem Grund fand ich es für mich persönlich ziemlich aufschlussreich, mich mit

der Energiegewinnung in der menschlichen Zelle auseinanderzusetzen, da man mit

diesem Wissen auch praktisch einiges anfangen kann.

Philipp Deuchler

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Quellen

Bilder:

ATP: :http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/31/Adenosintriphosphat_protoniert.svg

Brenztraubensäure: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/aa/Brenztraubens%C3%A4ure.svg

Essigsäure: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c6/Essigs%C3%A4ure_Keilstrich.svg

Textinformationen:

Trainingslehre (Sporttheorie für die Schule) von Dr. Karl Friedmann; 2. Auflage; promos Verlag