Kapitel 1

Vorbemerkungen

Um das Herz und den Kreislauf zu verstehen müssen Sie zunächst etwas über ihre Grundfunktionen wissen:

Jeder Körpers eines Lebewesens besteht aus unzähligen Zellen, die äußerlich in einer speziellen Form arrangiert wurden. Bei einem Menschen entsteht durch dieses spezielle Arrangement die spezielle äußere Form eines Menschen und bei einem Hund die ebenfalls spezielle Form eines Hundes.

Bei diesen Zellen, aus denen ein Lebewesen besteht handelt es sich um verschiedene Zell-„Typen“, die unterschiedliche Aufgaben zu erfüllen haben. Einige Zellen sollen beispielsweise die Arme bewegen (das sind Muskelzellen), andere sollen den Körper stützen (das sind die Knochen), wiederum andere sollen Hormone produzieren, elektrische Impulse leiten oder nachdenken und dann gibt es auch noch solche Zellen, die den ganzen Körper des Lebewesens nach außen umschließen und abdichten sollen (das sind die Hautzellen).

Es gibt also eine Vielzahl verschiedener Zellen, die die verschiedensten Aufgaben haben. Um diese Aufgaben wahrnehmen zu können benötigen sie allerdings alle dasselbe: Rohstoffe und Energie.

Stellen Sie sich (um dies zu verstehen) einmal eine Fabrik vor (Abb. 1):

Abb. 1

Sie benötigt

- Rohstoffe (z.B. Kunststoff oder Plastik),

- Maschinen, die aus dem Kunststoff etwas herstellen (z.B. ein Telephon oder eine Kaffeemaschine) (untergebracht in der Produktionshalle)

- Energie (Strom), mit deren Hilfe die Maschinen betrieben werden. Den Strom kann die Fabrik aus dem benachbarten Kraftwerk über Kabel beziehen, sie kann ihn aber auch mit Hilfe von Generatoren (untergebracht im Kraftwerk) selber produzieren (in diesem Fall wird Öl zum Betrieb des Generators benötigt),

- Straßen, über die die verschiedenen Substanzen für Produktion und Produktionsmaschinen mit Lastwagen angeliefert werden und

- Straßen, über die die produzierten Waren mit Hilfe von Lastwagen zu den Kunden transportiert werden

Und schließlich produziert die Fabrik aus den Rohstoffen und aus der verbrauchten Energie auch noch Abfall. Dieser Abfall wird ebenfalls über Straßen, auf denen Müllwagen fahren abtransportiert.

Überträgt man dieses Modell auf den menschlichen Körper kann man von Folgendem ausgehen:

- Die einzelnen Zellen des Körpers sind die Fabriken mit den Maschinen.

- Diese Maschinen, die sich innerhalb der Zellen befinden produzieren (je nach Art der jeweiligen Zelle) unterschiedliche Substanzen:

- Hormonzellen produzieren Hormone,

- Knochenzellen produzieren Knochen,

- Magenzellen produzieren u.a. Magensäure

- Leberzellen produzieren u.a. Gallensäure usw..

- Hier in den Zellen befinden sich auch die Generatoren, aus denen die Energie für die Produktion der verschiedenen Substanzen benötigt werden.

- Die Generatoren zur Energieproduktion benötigen ihrerseits wiederum Substanzen, die sie zu ihrem Betrieb benötigen. Der Stromgenerator, den Sie beispielsweise von einer Baustelle kennen soll Strom liefern, wozu sein Motor mit Öl, Diesel oder Benzin betrieben wird.

- Die Zufuhr der verschiedenen von einer Zelle benötigten Substanzen erfolgt über „zuführende“ Blutgefäße (= Arterien (auch Schlagadern genannt),

- der Abtransport der produzierten Substanzen und auch des Abfalls erfolgt ebenfalls über Straßen.

Über all dies sollen Sie in diesem eBook informiert werden.

Bedenken Sie an dieser Stelle zunächst Folgendes:

Der Kreislauf hat die Aufgabe, Nährstoffe, Bausteine für die Herstellung der verschiedensten Substanzen und Sauerstoff zu jeder einzelnen Teile unseres Körpers zu transportieren und die Abfallprodukte der Zellen und Organe wieder abzutransportieren. Das Herz ist dabei der Motor, der den Kreislauf in Bewegung hält. Damit es diese Aufgabe lebenslang ausüben kann muß es vor allem mit Energie versorgt werden.

Für die Gewinnung seiner Energie muß das Herz mit Sauerstoff versorgt werden. Aber der Sauerstoff ist nicht der alleinige Energielieferant, Zucker, Fette und Eiweiß werden ebenso benötigt. Lesen Sie daher im folgenden Kapitel zunächst etwas über die Energiegewinnung des Herzens (und der anderen Zellen unseres Körpers auch) und damit etwas über den Stoffwechsel.

Sie erfahren, wie der Zucker, das Fett und die Eiweiße, die man mit der Nahrung zu sich nimmt vom Darm ins Blut gelangen, was die Zellen mit diesen Baustoffen machen und welche Rolle der Sauerstoff dabei spielt.

Kapitel 2

Der Stoffwechsel

Alle Zellen des Körpers haben bestimmte Aufgaben:

Die Zellen der Schilddrüse sollen beispielsweise Schilddrüsenhormone produzieren, die Leberzellen produzieren Gallenflüssigkeit, die Magenzellen Magensäure, die Nervenzellen sollen elektrische Impulse bilden oder weiterleiten und die Muskelzellen sollen sich zusammenziehen und dadurch etwas bewegen.

Sie haben schon gelesen, daß alle Zellen zur Erfüllung ihrer Aufgaben 2 Dinge benötigen:

1. Substanzen, aus denen etwas hergestellt werden soll und

2. Energie, ohne die eine solche Produktion nicht liefe.

Sowohl die Herstellung von Energie als auch die Produktion der Endprodukte erfolgt im Rahmen chemischer Prozesse, die man „Stoffwechsel“ nennt.

Man unterscheidet bei diesen Stoffwechseln einen „allgemeinen“ Stoffwechsel, der der Zelle Energie liefert (Energiestoffwechsel) und einen „speziellen“ Stoffwechsel, mit dem spezialisierte Zellen spezielle Produkte wie Hormone, Magensäure, Galle usw. produzieren.

Spezieller Stoffwechsel

Mit Hilfe des speziellen Stoffwechsels werden zwar zahlreiche Substanzen hergestellt, die für die Arbeitsweise des Herzens und des Kreislaufes wichtig sind, z.B.

- Schilddrüsenzellen sollen Schilddrüsenhormone,

- Knochenmarkszellen sollen Blutkörperchen,

- Zellen der Magenschleimhaut sollen Magensäure,

- Leberzellen sollen u.a. Gallensäure und

- die Hirnanhangsdrüse (= Hypophyse) soll bestimmte Steuerhormone für verschiedene Körperfunktionen herstellen.

Die meisten dieser Substanzen werden aber nicht im Herzen selber hergestellt, weshalb ich im Zusammenhang mit Stoffwechselvorgängen an dieser Stelle nicht näher darauf eingehen möchte.

Allgemeiner Stoffwechsel

Das wirft zunächst die Frage auf, welche Energieform eine Zelle denn überhaupt benutzt. Öl, Benzin oder Strom können es ja nicht sein. Also, was ist der Treibstoff des Lebens?

Die Antwort lautet: ATP.

ATP ist die Abkürzung für Adenosin-tri-phosphat. Es handelt sich um ein „energiereiches Phosphat“ und es wird für sämtliche energieverbrauchenden Vorgänge des Körpers benutzt.

Wie funktioniert das?

ATP ist eine Substanz, die sich aus 4 Komponenten zusammensetzt:

Aus Adenosin und aus 3 Phosphaten (Abb. 2).

Abb. 2

Dabei bezeichnet man jede dieser 4 Substanzen als Molekül (Molekül = Teilchen aus 2 oder mehr Atomen, die durch eine chemische Bindung zusammengehalten werden). ATP besteht also insgesamt aus 4 Molekülen (1 x Adenosin und 3 x Phosphat).

Abb. 3: ATP. Rote Pfeile = Bindungsenergie zwischen den einzelnen Molekülen

Damit diese 4 Moleküle miteinander eine stabile Verbindung eingehen können wird bei der ATP-Herstellung Energie benötigt. Diese Energie bleibt nach der Fertigstellung des ATP gespeichert und zwar in jeder der 3 Verbindungen (Abb. 3). Löst sich 1 der 3 Phosphatmoleküle vom Adenosin ab dann wird die Energie für diese Bindung freigesetzt. Sie können sich dies wie in dem folgenden dummen Beispiel vorstellen (Film 1):

Film 1 (nur in elektronischen Buchformaten zu sehen)

Nehmen Sie einen Luftballon, blasen ihn auf und binden seine Öffnung mit einem Faden zu. Durch den Druck, den Sie beim Aufblasen aufgewendet haben haben Sie den Ballon nun mit Energie ausgestattet.

Binden Sie den Ballon nun mit dem Faden an einen schweren Gegenstand, z.B. einen Locher. Hierdurch haben Sie eine Kombination von Luftballon und Locher geschaffen und diese Verbindung ist wegen des im Ballon enthaltenen Drucks energiereich.

Nun schneiden Sie das Ende des Luftballons mit seiner Füllöffnung, das am Locher befestigt ist ab. Durch das Loch entweicht die Druckluft und der Ballon geht in die Luft. Durch die Entfernung des Lochers ist also die im Ballon gespeicherte Energie frei gesetzt worden und konnte nun für spezielle Zwecke (in diesem Fall: Fliegen) verwandt werden.

Dieses Prinzip der freigesetzten Energie durch Entfernung von 1 Komponente funktioniert beim ATP in ähnlicher Weise. Sehen Sie hierzu in Film 2, wie ATP bei der Muskelarbeit benutzt wird. (Kümmern Sie sich nicht um Einzelheiten, dies wird später in Band 2 („Herzmuskel“) noch erklärt werden.)

Film 2 (nur in elektronischen Buchformaten zu sehen

Sie sehen hakenartige Gebilde, die einer der Bestandteile von Muskelzellen sind. Das Köpfchen und der Schaft dieses Gebildes stehen in einem bestimmten Winkel zueinander. Angelagert in das Köpfchen befindet sich1 Molekül ATP.

Wenn das Köpfchen nun von einem Atom Kalzium getroffen wird dann spaltet sich das ATP auf: 1 Phosphatmolekül wird „abgesprengt“, 2 Phosphatmoleküle bleiben zurück. Hierdurch entstehen aus ATP (= Adenosin-tri-Phosphat) 1 Molekül ADP (= Adenosin-di-Phosphat) und 1 Molekül freies Phosphat. Durch diese Abspaltung 1 Phosphatmoleküls vom ATP wird nun (Bindungs-) Energie frei und diese Energie wird dazu benutzt, daß das Köpfchen seine Form ändert, das Köpfchen klappe gegenüber dem Schaft ab. Diese Formänderung wiederum ist erforderlich, um den Muskel arbeiten zu lassen. Wie gesagt: Nehmen Sie dies an dieser Stelle einfach mal zur Kenntnis, auf Einzelheiten der Muskelbewegung gehe ich später in Band 2 noch genauer ein.

Durch diese Arbeitsweise, d.h. durch die Abspaltung 1 Phosphat-Moleküls vom ATP wird Energie zur Verfügung gestellt, die für jeden einzelnen Stoffwechselvorgang unseres Körpers erforderlich ist. Gleichgültig, ob Zellen Haare produzieren, Gallensäure oder Hormone, ob Nieren bestimmte Substanzen aus dem Blut filtern oder unser Gehirn denkt: Immer wird Energie in Gestalt des ATP benötigt.

Das ATP ist also der Energielieferant für alle Stoffwechselvorgänge des Körpers. Dementsprechend groß ist der ATP-Bedarf, den ein Mensch hat. Er benötigt jeden Tag etwa die Hälfte seines Körpergewichts an ATP. Das bedeutet, daß ein 80 kg schwerer Mensch täglich 40 kg ATP benötigt, um ordentlich funktionieren zu können.

Wenn 40 kg täglich verbraucht werden bedeutet dies anders herum, daß diese 40 kg auch wieder hergestellt werden müssen, Tag für Tag, Monat für Monat und Jahr für Jahr. Unglaublich, was?

Diese Unmenge erklärt auch, weshalb es von grundlegender Bedeutung ist, daß jede Zelle des Körpers permanent und ohne Unterbrechung mit ATP versorgt wird. Bricht diese Versorgung zusammen kann kein ATP mehr produziert werden, die Zelle hat keine Energie mehr zur Verfügung und ohne diese Energie stirbt sie.

Dies wirft nun die Frage auf, woher die Zellen das ATP bekommen. Nicht mit der Nahrung, das steht fest, denn ich habe ATP bislang noch auf keiner Konserve und keinem Tiefkühlprodukt unter der Rubrik „Inhaltsstoffe“ gefunden. Also: Woher stammt das ATP?

Woher stammt das ATP?

Nun könnte man als Mensch des 21. Jahrhunderts sagen: Ist doch ganz einfach: Da gibt es irgendwo ein zentrales Organ, in dem ATP produziert wird und von hier aus wird es überall dorthin geliefert, wo es gerade benötigt wird; wahrscheinlich über das Internet.

Kleiner Scherz, denn als der Mensch erfunden wurde gab es noch kein Internet. Und es gibt auch kein zentrales Organ, in dem das ATP produziert und von dort an die Zellen des Körpers weitergeleitet werden. Es ist vielmehr so, daß das ATP von jeder Zelle für sich hergestellt wird. Den Grund dafür kenne ich zwar nicht, aber wenn ich mir die vielen Vorgänge unseres Körpers vor Augen führe dann erkenne ich überall wundersam zusammen gefügte Systeme, bei denen alles äußerst sinnvoll miteinander verbunden ist. Also wird es auch für die Art der dezentralen und Zellen-individuellen Energiegewinnung einen sinnvollen Grund geben. Vielleicht denjenigen, daß wir unweigerlich sterben müßten, wenn es ein einziges zentrales Organ für die Energiegewinnung gäbe und dieses Organ beschädigt werden würde.

Um es auf den Punkt zu bringen: Energie in Gestalt des ATP wird also immer dort gewonnen, wo sie gerade benötigt wird, also in den Muskeln, im Gehirn, im Herzen oder wo auch immer. Und dies geschieht im Rahmen bestimmter chemischer Prozesse, die aufeinander abgestimmt sind und die wir allgemein als „Stoffwechsel“ bezeichnen.

Stoffwechsel sind Produktionsvorgänge, bei denen aus bestimmten Grundsubstanzen bestimmte Endprodukte hergestellt werden. Der eine Stoffwechsel produziert Gallensäure, ein anderer Speichel, wiederum ein anderer Stoffwechsel ist dafür zuständig, daß Blutzellen produziert werden oder Blut gefiltert wird und schließlich gibt es auch einen Stoffwechsel, dessen Aufgabe die Produktion von ATP ist. Dieser Stoffwechsel hat etwas mit Zucker zu tun, derjenige Zucker, den wir mit der Nahrung zu uns nehmen. Wir beschäftigen uns somit zunächst mit dem Stoffwechsel des Zuckers und sehen mal, was das mit der Produktion von ATP zu tun hat.

Der Stoffwechsel des Zuckers

Aufnahme des Zuckers

Damit der Zucker in die einzelnen Zellen gelangt und hier im Rahmen des Energie-Stoffwechsel verarbeitet werden kann muß er zunächst einmal aus der Nahrung aufgenommen werden.

Nun ist das, was wir im allgemeinen Sprachgebrauch als Zucker bezeichnen nicht ein einziges wohl definiertes Molekül. Es gibt chemisch gesehen vielmehr verschiedene Zucker.

Der chemische Oberbegriff für „Zucker“ ist „Kohlenhydrate“.

Kohlenhydrate bestehen im einfachsten Fall nur aus einem einzigen Molekül (Traubenzucker (= Glukose) Abb. 4) oder Fruchtzucker (= Fruktose), es können aber auch 2 Zuckermoleküle miteinander verbunden sein (z.B. beim Kristall-, Milch- oder Malzzucker)

Abb. 4

oder es können zahlreiche Zuckermoleküle miteinander verbunden sein (z.B. Stärke (Abb. 5) oder Zellulose).

Abb. 5

Die einfachen Zuckermoleküle bezeichnet man als „Monosaccharide“, die aus 2 Molekülen zusammengesetzten Zucker als „Disaccharide“ und die aus zahlreichen Zuckermolekülen zusammengesetzten Zucker als „Polysaccharide“. Alle diese verschiedenen Zucker nimmt man mit der Nahrung auf, jedoch können nur einzelne Zuckermoleküle durch die Darmwand hindurch ins Blut aufgenommen werden.

Es ist daher notwendig, daß die langen Zuckerketten (z.B. die Stärke in Abb. 5) in einzelne Zuckermoleküle aufgespalten werden. Dies erfolgt in einer chemischen Reaktion, zu deren Ablauf und Funktion „Enzyme“ benötigt werden.

Enzyme sind dazu da, bestimmte chemische Reaktionen in die richtige Richtung zu lenken. Sie funktionieren zudem nur an bestimmten Molekülen und bewirken hier nur 1 einzige Reaktion. Über das Molekül, an denen sie wirken und die Art der chemischen Reaktion, die sie bewirken tragen Sie ihren Namen. So lesen Sie eine Formel wie diejenige in Abb. 6 folgendermaßen:

Abb. 6

Wenn Zucker zu Alkohol verarbeitet werden soll erfolgt dies mit der Hilfe eines Enzyms namens „Alkohol-Synthetase“ (kein echter Name!). Wenn Zucker zu Alkohol verarbeitet werden soll wird neben dem Enzym „Alkohol-Synthetase“ auch noch Hefe benötigt. Aus beiden Bestandteilen (Zucker und Hefe) entsteht Alkohol und als Abfallprodukt Wasser. (Ich bitte Sie, dies ist nur ein pädagogisches Beispiel. In Wahrheit benötigt man für die Herstellung von Alkohol noch eine Destille und das Ganze ist ohne staatlichen Segen (d.o. Steuermärkchen) illegal!).

Wir essen also Zucker, z.B. Traubenzucker (= Glukose). Es handelt sich (wie Sie ja nun schon wissen) um ein einzelnes Zuckermolekül, das direkt aus dem Darm ins Blut aufgenommen werden kann.

Wenn wir aber andere Zucker, z.B. Kristallzucker (besteht aus 2 Glukose-Molekülen) oder Stärke (ist u.a. in Gemüse enthalten) dann können diese Zucker-„Sorten“ nicht direkt aus dem Darm ins Blut aufgenommen werden, sondern sie müssen zunächst zerlegt werden. Dies erfolgt im Rahmen der sog. Zuckerverdauung.

Abb. 7

Sie beginnt bereits im Mund. Hier liegen die Speicheldrüsen (Abb. 7) und diese produzieren ein Enzym mit Namen α-Amylase (sprich: alfa-Amülase).

Abb. 8

Sie spaltet die verketteten Zuckermoleküle auf, wobei sie die chemische Verbindung zwischen den Kohlenstoff-Atomen 1 und 4 aufbricht (Abb. 8).

Dabei entstehen z.T. einzelne Glukose-Moleküle oder solche Moleküle, die aus 2 miteinander verbundenen Glukose-Molekülen bestehen (Disaccharide) (Abb. 9).

Abb. 9

Weil sich die Nahrung aber nur für kurze Zeit im Mund befindet und die Menge der Speichel-Amylase für die Verarbeitung des gesamten gegessenen Zuckers wohl nicht ausreicht arbeitet bei der Zuckerverdauung auch die Bauchspeicheldrüse (= Pankreas) (Abb. 10) mit. Sie produziert ebenfalls eine Amylase, die hier β-Amylase (sprich: betta-Amülase) heißt.

Abb. 10

Beide Amylasen sorgen dafür, daß der Zucker im Nahrungsbrei aufgespalten wird und zwar in Disaccharide, d.h. solche, in denen nur 2 Glukose-Moleküle miteinander verbunden sind.

Aber auch solche Disaccharide können von der Darmschleimhaut noch nicht aufgenommen werden, dies geht nur mit einzelnen Glukose-Molekülen.

Also gibt es ein weiteres Enzym, das solche Disaccharide in 2 Glukose-Moleküle spaltet: Die Glukosidase.

Sie befindet sich nicht im Speichel und auch nicht im Saft der Bauchspeicheldrüse, sondern sie wird im Darm produziert. Hier befindet sie dichtauf der Oberfläche winziger Ausstülpungen der Darmschleimhaut (sog. Zotten, Abb. 11). Hier wird die Glukosidase produziert.

Abb. 11

Erst diese Glukosidase sorgt dafür, daß aus den Disacchariden Monosaccharide (d.h. Glukose) entsteht und erst diese Glukose kann von der Darmschleimhaut aufgenommen werden.

Die gesamte Prozedur bis zu diesem Schritt kann man wie in Abb. 12 darstellen.

Nun wäre es aber viel zu einfach, wenn man sagen würde, daß die Glukose-Moleküle einfach aus dem Inneren des Darms in das Blut einsickern würden. Wiederum ist es ein wenig komplizierter:

Abb. 12

Sehen wir uns zunächst den Aufbau des Darms an (siehe Abb. 12):

Es sind mehr oder weniger schlauchförmige Gebilde, deren innere Schleimhaut winzige Ausstülpungen (= Zotten) tragen (Abb. 13). Diese Ausstülpungen sind durchzogen von kleinsten Blutgefäßen. Hier in diesen Zotten findet die Aufnahme der Nahrungsmittel aus dem Darm ins Blut statt. Zum Darm hin bedeckt werden diese Zotten durch die Darmschleimhaut.

Abb. 13: Dünndarmschleimhaut im Elektronenmiskroskop. Die Zotten sind die turmartigen Gebilde.

Hier in der Darmschleimhaut befinden sich nun spezielle Strukturen, die für den Transport der Glukose das Zellinnere erforderlich sind:

Da ist zum einen die „Natrium-Kalium-Pumpe“ und zum anderen der „Natrium-abhängige Glukose-Transporter“.

Die Natrium-Kalium-Pumpe spielt im Zusammenhang mit der elektrischen Aktivität des Herzens eine große Rolle, weshalb sie auch erst dort ausführlich beschrieben wird. Sie hat die Aufgabe, Natrium (ein elektrisch geladenes Blutsalz) aus Zellen heraus in die Umgebung zu pumpen und dafür im Gegenzug elektrisch geladenes Kalium in dieZelle hinein zu pumpen.

Pumpt nun diese Natrium-Kalium-Pumpe (aus welchem Grund auch immer) 1 Natrium-Ion (Ion = elektrisch geladenes Teilchen) aus der Zelle heraus dann fehlt hier nun 1 solches Ion (Film 3).

Film 3 (nur in elektronischen Buchformaten zu sehen)

Die Zelle bemerkt diesen Fehlbestand und versucht nun, ihn wieder auszugleichen. Dazu benötigt sie den Natrium-abhängigen Glukose-Transporter.

Der Trick dieses Transporters ist, daß er nur das Natrium und gleichzeitig ein Glukose-Molekül durchläßt. Das Natrium-Atom reißt sozusagen das Glukose-Molekül mit sich ins Zellinnere.

Und weil Zellen immer das Bestreben haben, ihren Inhalt ins einer Zusammensetzung unverändert zu lassen versucht die Zelle nun, das überzählige Glukose-Molekül wieder loszuwerden, oder (anders herum:) Das Glukose-Molekül möchte die Zelle so schnell wie möglich wieder verlassen.

Dazu benutzt es auf der Blutgefäßseite der Darmzelle einen Glukose-Transporter, bei dem es sich einfach um einen Transportkanal handelt, er nichts anderes als Glukose durchläßt.

Auf diese Weise ist die Glukose aus dem Darminhalt über die Darmzellen ins Blut gelangt und wird mit dem Blutfluß des Kreislaufes zu allen Zellen transportiert, die Glukose benötigen. Diese Zellen ihrerseits besitzen ebenfalls Glukose-Transporter in ihrer Zellwand, über die die Glukose nun in diese Zellen hineingelangt.

Einige dieser Glukose-Transporter arbeiten insulinabhängig, andere nicht; einige lassen Glukose nur dann in die Zelle passieren, wenn außerhalb der Zelle sehr viel Glukose im Blut sind, andere lassen Glukosemoleküle immer und unabhängig vom Blutzuckerspiegel durch. Hierdurch wird gewährleistet, daß die wichtigsten Zellen (des Gehirns und des Herzens) mehr oder weniger immer mit Glukose versorgt werden und daß z.B. in der Leber nur dann ausreichend Glukose aufgenommen und in Speicherfett umgewandelt wird, wenn die wichtigen Organe versorgt sind und der Blutzuckerspiegel hoch ist.

Nun hat die Glukose das Blut betreten, sie muß aber überall dorthin transportiert werden, wo Energie und damit auch Glukose benötigt werden. Diese Aufgabe fällt dem Kreislauf zu. Der Darm ist wie jedes andere Organ auch mit Blutgefäßen ausgestattet (Abb. 14) und diese Blutgefäße sind an den Kreislauf angeschlossen. Auf diese Weise kann die Glukose zu allen Zellen unseres Körpers transportiert werden.

Abb. 14

Ist die Glukose an einer Herzmuskelzelle angekommen wird sie hier benötigt, um ATP herzustellen. Wie macht die Herzmuskelzelle das?

Wenn wir uns damit beschäftigen wollen dann werden wir uns zwangsläufig mit Chemie und Biochemie befassen müssen.

Chemie und Biochemie sind teilweise kompliziert und nicht Jedermanns Sache. Wenn Sie an Einzelheiten dieser Vorgänge nicht interessiert sind dann beenden Sie die Lektüre dieses Kapitel und lesen Sie in Band 2 weiter. Hier geht es um den Aufbau und die Arbeitsweise des Blutkreislaufs.

Wenn es Sie aber interessiert dann lesen Sie einfach weiter, ich habe versucht, es einfach und allgemein verständlich zu machen.

Verarbeitung des Zuckers

In den Bildern, die ich Ihnen zeigen werde werden Sie die schematische Darstellung von Molekülen, d.i. der Kombination von Atomen sehen (Abb. 15). In diesen Darstellungen bedeutet der Buchstabe C das Symbol für ein Kohlenstoff-, der Buchstabe O das Symbol für ein Sauerstoff-, das H das Symbol für ein Wasserstoff- und das P das Symbol für ein Phosphor-Atom.

Abb. 15

Und schließlich werden Sie noch einen weiteren Bauteil sehen: Das NAD bzw. NADH:

Das NAD (Nicotinamid-adenin-dinukleotid) ist ein Molekül, d.i. eine Substanz, das die Möglichkeit hat, 2 Wasserstoffatome und 2 elektrisch negative Ladungsteilchen (Elektronen) auf andere Moleküle zu übertragen. Das Original-Molekül bezeichnet man als „NAD“, das Wasserstoff-tragende Molekül als „NADH“. Sie werden es in den folgenden Filmen und in anderen Bildern immer wieder sehen, weil es eine wichtige Substanz ist, die bei biochemischen Reaktionen Wasserstoff-Atome an andere Moleküle abgeben bzw. von anderen Molekülen aufnehmen kann. Sehen Sie das in dem Beispiel in Film 4.

Film 4: Links 2 Sauerstoffatome (O). Unter der „Vermittlung“ des Enzyms „Wasser-Herstellungs-Enzym“ (fiktiver, kein realer Name) gibt das NADH 2 Wasserstoffatome (H) an den Sauerstoff ab, sodaß am Ende Wasser (H_2O) entsteht. (Film nur in elektronischen Buchformaten zu sehen

Das Ganze sieht dann als Bild dargestellt wie in Abb. 16 aus (so werden Sie das in den weiter folgenden Darstellungen der chemischen Reaktionen sehen).

Abb. 16

Also: Die Glukose ist in der Zelle angekommen und muß nun verarbeitet werden, wobei ATP entstehen soll (Sie erinnern sich: ATP ist der Energietreibstoff für sämtliche Zellen unseres Körpers).

Der Abbau der Glukose erfolgt in Gestalt eines biochemischen Vorgangs mit Namen „Glykolyse“ (von „Glukose“ = Zucker und „Lyse“ = Auflösung oder Abbau).

Nobelpreisträger können etwas damit anfangen, wenn ich Ihnen Begriffe wie „Glukose-6-Phosphat“, „Fruktose-6-Phosphat“ oder „Pyruvat“ nenne. Dies sind Namen für chemische Substanzen, die im Ablauf des Zuckerabbaus auftreten. Für uns normalen Sterbliche zeige ich Ihnen das am besten einmal in Gestalt der Abb. 17, ohne daß Sie sich Einzelheiten merken sollten:

Sie erkennt in dieser Abbildung den stufenweisen Abbau der Glukose zum Pyruvat (wenn Sie an chemischen Strukturformeln interessiert sind, mit deren Hilfe Sie die schrittweise Umgestaltung des Glukose-Moleküls in Pyruvat vielleicht besser verstehen können: Bitte besorgen Sie sich ein Biochemie-Lehrbuch oder googeln Sie im Internet mal unter „Glykolyse“ und öffnen Sie die Wikipedia-Seite; hier sehen Sie es genauer, für unsere Zwecke heute soll das Schema der Abb. 17 einmal ausreichen).

Abb. 17

Beachten Sie in diesem Schema bitte das ADP und das ATP:

Auf der einen Seite werden 2 Moleküle ATP verbraucht und zu ADP umgewandelt, auf der anderen Seite werden aber insgesamt 4 ATP-Moleküle produziert.

Wenn man nun berücksichtigt, daß der Mensch täglich ½ kg (!!) ATP pro Kilogramm Körpergewicht (also ein 80 kg schwerer Mensch 40 kg ATP) benötigt sind diese 4 ATP-Moleküle wirklich nicht viel, denn das würde bedeuten, daß dieser Mensch 3.5 kg Zucker am Tag essen müßte, um seinen Energiebedarf zu decken. Es muß da also noch etwas anderes geben und das gibt es auch:

Die ATP-Fabrik

Diese ATP-Fabrik existiert tatsächlich und sie trägt den Namen „ATPase“.

Ihre Aufgabe ist es, aus 1 Molekül ADP und 1 Molekül Phosphat das energiereiche ATP herzustellen.

Betrieben wird diese Fabrik mit Wasserstoff-Ionen, d.h. elektrisch geladenen Wasserstoff-Teilchen.

Die ATPase ist in die Wand der Mitochondrien eingebaut.

Abb. 18

Mitochondrien sind Bestandteile einer Zelle (Abb. 18). Hier arbeiten sie sozusagen als Kraftwerk des Herzens, denn sie sind in der Hauptsache zuständig für die Belieferung der Zelle mit ATP und damit mit Energie. Daher findet man in Zellen, die besonders viel Energie benötigen (z.B. Muskel- oder Nervenzellen) auch besonders viele Mitochondrien.

Abb. 19: A: Mitochondrium als Modell

B: Schematische Darstellung eines Mitochrondiums

C: Schematische Darstellung: 1 = Innere Membran; 2 = Äußere Membran; 3 = Leisten; 4 = Matrix

D = Elektronenmikroskopische Darstellung

Sehen Sie ein solches Mitochondrium in Abb. 19. Die wichtigen Teile sehen Sie in „C“ dieser Abbildung:

Das ganze Mitochondrium ist umgeben von einer äußeren Membran (äußere Hülle (1)). Im Inneren des Mitochondriums befindet sich ebenfalls ein „Häutchen“, d.i. eine Membran (2), die aber vielfach gefaltet ist; zwischen dem Außen- und dem Innenhäutchen liegt der „Membranzwischenraum“. Durch die Fältelung (3) hat das Mitochondrium innen eine sehr große Oberfläche, die es auch benötigt, denn in der Wand dieser Falten befinden sich die ATP-Fabriken.

Eine ATP-Fabrik ist im Grunde genommen ein Enzym, das eine chemische Reaktion (Herstellung von ATP) steuert und dadurch eine bestimmte Substanz (in diesem Falle ATP) produziert.

Abb. 20

Nun ist die ATPase nicht nur ein schlichtes und in aller Eile zusammengesetztes Enzym, sondern ein äußerst kompliziertes Molekül, das aus zahlreichen miteinander verbundenen und speziell geformten Eiweiß-Fäden besteht (Abb. 20).

Sie ist ein echtes Wunderwerk und ich würde Ihnen dieses Wunderwerk am liebsten in einem kleinen genialen Film zeigen, den ich im Internet gefunden habe. Leider habe ich von den Erschaffern dieses Filmes keine Antwort auf meine Bitte bekommen, den Film in dieser Broschüre zeigen zu dürfen, daher muß ich Sie bitten, ihn sich im Internet anzusehen. Sie können, dies, wenn Sie die folgende hier klicken. (Die Erklärungen sind in Englisch, aber der Film ist so genial, daß man ihn auch so versteht). Ich erkläre es nachfolgend aber trotzdem:

Abb. 21

Die ATPase besteht aus einem Rotor, einem Stator und einer Achse, mit der Rotor und Stator miteinander verbunden sind (Abb. 21). An den Rotor angeschlossen sind 2 „Schläuche“: Einen Eintritts- und einen Austrittskanal.

Das Ganze funktioniert folgendermaßen:

Über den Eintrittskanal gelangen positiv geladene Wasserstoffatome aus dem Membranzwischenraum zum Rotor (Film 5).

Film 5 (nur in elektronischen Buchformaten zu sehen)

Dieser wird durch elektromagnetische Phänomene in Drehung versetzt, wobei er nach 1 Drehung die Wasserstoffatome ins Innere des Mitochondriums abgibt. Die ATPase wird also dadurch angetrieben, daß Wasserstoff-Ionen aus dem Zwischenmembranraum ins Innere des Mitochondrium übertreten und dabei den Rotor antreiben.

Film 6 (nur in elektronischen Buchformaten zu sehen)

Der Rotor ist über den Schaft mit dem Stator verbunden, sodaß er sich ebenfalls dreht. Hier im Stator findet die eigentliche Arbeit statt, d.h. hier werden aus ADP und 1 Phosphatmolekül die ATP-Moleküle hergestellt (Film 6):

Der Stator verformt sich nämlich bei dieser Drehung und durch diese Verformung werden ADT und ein Phosphat-Molekül zu einer Einheit ATP zusammengepreßt.

Diese Schilderung ist äußerst vereinfachend, aber man kann die Arbeitsweise der ATPase irgendwie mit einer Wassermühle vergleichen:

Abb. 22

Das Wasserrad (Abb. 22) befindet sich an einem Fluß und wird durch die Strömung angetrieben, wobei das Wasser im Fluß aus einem Stausee kommt. Über die Achse des Wasserrades wird ein Presse angetrieben, die irgendetwas tut, also die z.B. Korn zu Mehl mahlt.

Im Fall der ATPase ist also der Rotor das Wasserrad, das strömende Wasser sind die Wasserstoffatome und die Kartoffelpresse ist der Stator, der die ATP-Moleküle produziert.

Klingt nicht sehr wissenschaftlich, aber ich hoffe, Sie haben verstanden, was ich sagen wollte.

Nun ist die ATP-Fabrik ebenso wie die Wassermühle darauf angewiesen, daß ununterbrochen geladene Wasserstoffatome fließen. Damit etwas fließen kann muß aber eine Kraft vorhanden sein, die den Fluß antreibt. Diese Kraft besteht im Fall der ATPase aus einem Unterschied der Menge der Wasserstoffatome dies- und jenseits der Mitochondrienmembran (Abb. 23):

Abb. 23: Mitochondrienmembran mit ATP-Fabrik. (H+-Ionen = kleine helle Punkte)

Links: Außerhalb des Mitochondriums viele H+-Atome, innen wenige, daher hier Konzentrationsunterschied zwischen innen und außen.

Rechts: Nach langem Betrieb der ATP-Fabrik ausgeglichener Konzentrationsunterschied.

Innen müssen sich immer sehr viel weniger Wasserstoffatome als außerhalb befinden; oder anders gesagt: Die Konzentration an Wasserstoffatomen muß innerhalb der Mitochondrien geringer sein als außerhalb.

Wenn nun aber die ATP-Fabrik eine Weile gelaufen ist und damit immer mehr Wasserstoffatome von außen nach innen geströmt sind gibt es innerhalb kürzester Zeit diesen Mengenunterschied nicht mehr. Die Folge ist, daß kein Konzentrationsunterschied mehr besteht, daß die ATP-Fabrik ihren Betrieb einstellen muß und daß somit kein ATP mehr produziert wird.

Wie bei der Wassermühle: Wenn der Wasserspeicher (bzw. der Stausee bei der Mühle) leer ist gelangt kein Wasser mehr in den Fluß, die Mühle bleibt stehen und es kann kein Kartoffelpüree mehr hergestellt werden (Film 7).

Film 7 (nur in elektronischen Formaten zu sehen)

An der ATP-Fabrik hätte dies zur Folge, daß der Mensch aus „innerem Energiemangel“ sterben würde.

Es ist daher lebensnotwendig, daß die geladenen Wasserstoffatome wieder aus dem Inneren der Mitochondrien nach außen zurückgepumpt werden müssen. Sehen Sie sich einmal Film 8 an:

Film 8 (nur in elektronischen Formaten zu sehen)

2 Wassergefäße sind miteinander verbunden. In dem einem Gefäß befindet sich viel, in dem anderen wenig Wasser. Wenn das Schott in dem Verbindungsschlauch zwischen beiden Gefäßen geöffnet wird dann gleichen sich die Wasserspiegel in beiden Wassergefäßen an und des fließt kein Wasser mehr. Wenn Sie dafür sorgen möchten, daß der Wasserspiegel in dem linken Gefäß würde höher als in dem linken Gefäß wird dann müssen Sie logischerweise Wasser mit Hilfe einer Pumpe wieder von rechts nach links pumpen. Und der Betrieb dieser Pumpe erfordert Energie (= Strom).

Wenn man also Wasserstoff-Ionen aus dem Inneren eines Mitochondriums wieder nach außen pumpen muß benötigt man ebenfalls eine Pumpe. Und auch eine solche Pumpe benötigt Energie.

Nun wäre es komplett sinnlos, wenn man als Energielieferanten für die Pumpe das ATP, das man soeben produziert hat dazu benutzen würde, um die ATP-Fabrik anzutreiben, denn dies wäre ein „Null-Summen-Spiel“, also wird eine andere Form der Energie für das Zurückpumpen der Wasserstoffatome benötigt.

Bei den Überlegungen bzgl. dieser alternativen Energieform hat sich die Natur an den Chemieunterricht erinnert, in dem die sog. „Knallgas-Reaktion“ besprochen wurde.

Sie verläuft nach der chemischen Formel:

4 x H + 1 x O_2 = 2 x H_2O.

(4 Wasserstoffatome verbinden sich mit 2 Sauerstoffatomen und dabei entsteht Wasser.)

Leute, die diese Reaktion kennen wissen aber auch, daß bei dieser Reaktion sehr viel Energie schlagartig frei wird und daß es sich im Grunde genommen um eine Explosion handelt. Man erinnere sich nur an die Explosion des Luftschiffs „Hindenburg“ 1937 (Film 9), die auch mit Wasserstoff gefüllt war. Es versteht sich daher von selbst, daß chemische Reaktionen solchen Ausmaßes nicht innerhalb einer Zelle stattfinden können.

Film 9 (nur in elektronischen Formaten zu sehen)

Das führt zu der Frage, warum der Zeppelin durch die Knallgas-Reaktion explodiert ist und das meine ich jetzt nicht politisch (z.B. Sabotage-Theorien o.ä.), sondern rein chemisch. Weil es sich bei dieser Reaktion um eine Kettenreaktion (Abb. 24) handelt:

Abb. 24

Ein bißchen Wärme (= Energie) wird benötigt, um 4 Atome Wasserstoff und 2 Atome Sauerstoff zu vereinigen. Dabei entsteht Wärme, die wiederum die nächsten chemischen Verbindungen verursacht und das geht immer so weiter und zwar mit einer Geschwindigkeit, die letztlich zur Explosion führt. Sehr plastisch wird eine solche Kettenreaktion in den folgenden Filmen (Filme 10, 11 und 12) demonstriert.

Film 10 (links), Film 11 (Mitte) und Film 12 (rechts) (nur in elektronischen Formaten zu sehen)

Wenn man also die Knallgas-Reaktion und die dabei entstehende Energie nutzen möchte muß man den Ablauf der Kettenreaktion unterbinden. Nehmen Sie einmal Film 10 (der mit den Streichhölzern):

Hier „explodiert“ ein Stapel Streichhölzer, indem alle Hölzer auf einmal zu brennen beginnen, was eine große Energie freisetzt. Dieselbe Energie wird aber ebenfalls frei, wenn man 1 Streichholz nach dem anderen entzünden würde. Die Kettenreaktion unterbleibt und es gelingt relativ einfach, einen Kamin anzuzünden, ohne daß gleich das ganze Haus explodiert.

Genauso macht es die Zelle auch: Es wird dafür gesorgt, daß die „Knallgas-Reaktionen“ eine nach der nächsten und nicht alle gleichzeitig wie bei der Hindenburg ablaufen. Dadurch kann man die Energie dieser Reaktion auf ungefährliche Weise nutzen.

Wie macht das Mitochondrium das?

Hier spielt das eingangs schon erwähnte NADH-Molekül eine entscheidende Rolle. Es stammt aus einer weiteren chemischen Reaktion innerhalb der Mitochondrien, die den Namen „Zitronensäure-Zyklus“ trägt.

Zitronensäure-Zyklus

Abb. 25

Beim Zitronensäure-Zyklus (Abb. 25) handelt es sich um eine Kette aufeinanderfolgender chemischer Reaktionen, von denen jede Einzelne durch ein spezielles Enzym „vermittelt“ wird.

Das Pyruvat, das ja das Endprodukt des Zuckerabbaus (siehe oben) ist wird zu Beginn der weiteren Reaktionen in 2 bestimmte Substanzen umgewandelt (Acethyl-CoA bzw. Oxalacetat), die dann im weiteren Verlauf wiederum weiter umgebaut werden (Ich flehe Sie an: Kümmern Sie sich nicht um die einzelnen chemischen Produkte, ich zeige Ihnen das hier nur des Interesses halber).

Der Witz dabei ist, daß diese Anfangssubstanz in den nun folgenden Reaktionen derartig umgebaut und verändert wird, daß am Ende wieder dieselbe Substanz entsteht. Daher heißt diese Reaktion Zitrat- oder Zitronensäure-Zyklus (Zyklus = Kreis).

In diesem Kreislauf wird zwar eines der zuvor gewonnenen ATP-Moleküle wieder verbraucht, aber hier wird dafür das NADH produziert und zwar (siehe Abb. 25) insgesamt 6 Moleküle NADH pro Durchlauf.

Und diese NADH-Moleküle sind es, um die es im Zitronensäure-Zyklus geht, denn das NADH enthält 2 Wasserstoffatome und 2 negativ geladene Elektronen, die (für welchen Zweck auch immer) abgegeben werden können. Der Zitronensäure-Zyklus liefert also das NADH, das als Transportmittel für 2 Wasserstoffatome und 2 Elektronen dient. Und diese Wasserstoffatome und Elektronen sind der Treibstoff für die nachfolgende „Atmungskette“.

Atmungskette

Diese Atmungskette ist eigentlich nichts anderes als eine Reihe benachbarter Enzym-Komplexe.

Abb. 26

Diese speziellen Moleküle haben die Eigenschaft, Elektronen, d.i. negativ geladene Teilchen aufzunehmen, ab- bzw. weiterzugeben (Abb. 26) und dabei positiv geladene Wasserstoffionen aus dem Inneren ins Äußere zu transportieren. Man nennt diese Moleküle „Komplexe“ und sie sind die Wand der inneren Membran eingebaut (innere Membran, sie erinnern sich, ist die Wand der Fältelungen der Mitochondrien.

Dabei funktioniert der Ablauf in etwa folgendermaßen:

Sehen Sie sich zunächst einmal den Film 13 an, danach zeige ich Ihnen die einzelnen Schritte.

Film 13 (nur in elektronischen Formaten zu sehen)

Zunächst werden im Zitratzyklus (siehe vorhin) NADH-Moleküle produziert.

Diese gelangen in die Matrix (d.i. der Innenraum) des Mitochondriums und kommen hier in Kontakt mit dem Komplex I (NADH-Dehydrogenase).

Hier wird das NADH aufgespalten in positiv geladenes NAD+ und ebenfalls positiv geladenen Wasserstoff (H+).

Abb. 27

Ein elektrisch neutral geladenes Molekül oder Atom besteht aus gleich vielen positiv und negativ geladenen Teilchen, deren elektrische Ladungen sich gegeneinander aufheben. Anders herum bedeutet dies, daß ein positiv geladenes Molekül oder Atom negative Teilchen verloren haben muß. Und so geschieht es mit dem NADH und dem Komplex I (Abb. 27):

Der Komplex I teilt das NADH nicht nur in NAD+ und H+, sondern er spaltet auch 2 negativ geladene Elektronen ab. Verlieren die jeweils neutral geladenen Teilchen NADH und H ein elektrisch geladenes Teilchen so werden sie selber positiv geladen.

Die negativ geladenen Elektronen werden nun mit Hilfe der „Elektronentransportern“ Coenzym Q und Zytochrom c von Komplex I über Komplex III zu Komplex IV weitergeleitet (Abb. 28).

Abb. 28

Jeder Komplex, den das Elektron durchwandert ändert dabei seine Struktur, wodurch ein wenig Energie frei wird. Diese frei werdende Energie wird in den einzelnen Komplexen dazu benutzt, um positiv geladene Wasserstoff-Atome in den Intermembranraum zu pumpen. Und von hier dringen sie dann wieder in die ATPase ein, um ATP zu produzieren.

Abb. 29

Am Ende der Atmungskette schließlich gelangen 2 Elektronen zurück ins Innere des Mitochondrium (Abb. 29). Hier kommen sie in Verbindung mit dem Sauerstoff, der sich schon im Inneren des Mitochondiums befindet.

Der Sauerstoff hat bis zu diesem Zeitpunkt einfach so friedlich herumgelegen.

Sauerstoff besteht chemisch gesehen aus 2 Sauerstoffatomen (2 x O = 1 x O_2). Die Elektronen treffen nun auf diese beiden Sauerstoffatome und laden jedes einzelne negativ auf. Die beiden negativ geladenen Atome trennen sich nun (negativ und negativ stößt sich ab, Sie kennen das von einem Magneten). Gleichzeitig werden sie aber durch ihre negative elektrische Ladung aber auch attraktiv für die positiv geladenen Wasserstoffatome, sodaß es nun zu der schon erwähnten Knallgas-Reaktion kommt.

Dabei wird natürlich auch Energie frei, aber diese kann nicht dazu benutzt werden, um andere Wasserstoff- und Sauerstoffatome dazu zu bringen, sich ebenfalls miteinander zu verbinden, denn der positive Wasserstoff kann mit einem elektrisch neutralen Sauerstoffatom nix anfangen. Das kann er erst, wenn das Sauerstoffatom durch die Aufnahme der elektrisch negativen Ladung „scharf gestellt“ wurde (Abb. 30).

Abb. 30

So entsteht aus 4 Atomen Wasserstoff und 1 Atom Sauerstoff einfaches und ungefährliches Wasser, das durch die Wand des Mitochondriums verschwinden und irgendwo an anderer Stelle Verwendung findet.

Auf diese Weise und mit Hilfe der Elektronentransportkette (so nennt man die Atmungskette auch) ist die Knallgasreaktion also entschärft worden. Sehen Sie das Ganze noch einmal in Film 14.

Film 14 (nur in elektronischen Formaten zu sehen)

Neben dieser „Verwertung“ von NADH kann der Stoffwechsel auch Bernsteinsäure (= Succinat), die ebenfalls aus dem Zitronensäure-Zyklus stammt zur Speisung der Elektronentransportkette und damit zur Energiegewinnung benutzen (Abb. 31).

Abb. 31

Übrigens:

Damit die Sache nicht komplett unübersichtlich wird habe ich in die Abbildungen und den Film die echten Mengenverhältnisse nicht eingegeben, sondern immer nur 1 Molekül NADH, ADP, Phosphor und Wasserstoff eingezeichnet. In Wahrheit entstehen aus 1 Molekül Glukose (Zucker) insgesamt 34 Moleküle ATP und damit wird die Sache schon irgendwie lohnend.

Und dann hätte ich bei dieser Gelegenheit noch 2 „Übrigens“:

1. Der Sauerstoff, den wir einatmen dient, wie Sie nun wissen zum Betrieb der Atmungskette, die wiederum für die Produktion von Energie von ausschlaggebender Bedeutung ist. Das erklärt auch, warum man stirbt, wenn man erstickt, d.h. keinen neuen Sauerstoff bekommt:

Die Energie- (d.i. die ATP-) Produktion bricht zusammen und ohne Energie läuft im Körper überhaupt nichts. Wie aktiv die Atmungskette ist kann man aus der Wirkung von Zyankali sehen: Schluckt man auch nur wenige Milligramm davon (z.B. in Form der berühmten Zyankali-Kapseln) dann blockiert es nicht nur den roten Blutfarbstoff (Hämoglobin), sondern auch noch die Atmungskette. Sauerstofftransport und Atmungskette werden ausgeschaltet und der Mensch ist innerhalb weniger Sekunden (!!) tot. Wir (und bestimmte Schäferhunde namens Blondi) sind halt darauf angewiesen, daß laufend und ununterbrochen große Mengen Sauerstoff zu jeder einzelnen Zelle transportiert wird.

1. ATP-Fabrik und die Atmungskette bestehen aus einer Vielzahl sehr kompliziert zusammengesetzter Eiweißmoleküle. Diese Strukturen müssen ja irgendwann einmal erfunden und in die Zellen eingebaut worden sein. Nun gibt es Menschen, die alleine ATP-Fabrik und Atmungskette als Beweis für die Existenz Gottes ansehen. Denn die Alternative wäre „Zufallsprinzip“: Irgendwann hätten sich in der Ursuppe, aus der alles Leben entstand bestimmte Atome zufällig zu Molekülen zusammengeschlossen, woraus ATPase und Atmungsketten-Komplexe entstanden sind. Bekomme ich eine Steuerrückerstattung von meinem Finanzamt wäre dies schon ein großer Zufall. Bekämen Sie und ich eine Steuerrückerstattung wäre der Zufall schon riesig. Aber wenn man darauf warten würde, daß sich derartige komplex zusammengesetzte und kompliziert arbeitenden Moleküle wie ATP-Fabrik und Atmungskette im Rahmen der Entwicklung des Lebens zufällig bilden dann könnte man wohl Ewigkeiten warten. Und daher sehen besagte Menschen die geniale Hand übergeordneter Kräfte (z.B. Gott) im Spiel, die diese chemischen Wunderwerke in voller und kreativer Absicht geschaffen haben. Entschuldigen Sie diese Abschweifung, es kam mir nur so in den Sinn.

So, und nun wissen Sie mehrere Dinge:

1. Jede Zelle benötigt Sauerstoff, um Energie in Gestalt von ATP zu produzieren. Der Sauerstoff wird dabei in der Atmungskette benötigt.

2. Jede Zelle produziert als Abfallprodukt ihres Stoffwechsels auch Kohlendioxyd (CO_2). Es entsteht im Rahmen des Zuckerabbaus bei der Glykolyse (siehe auch Abb. 32).

Abb. 32

1. Der Körper benötigt zur Energiegewinnung Zucker. Auch Fette und Eiweiß werden zur Energiegewinnung heran gezogen, jedoch spielt dies bei den Eiweißen (im Gegensatz zu den Fetten) eine nur untergeordnete Rolle. Lesen Sie über Fette und Eiweiße später etwas mehr.

Anders herum bedeutet dies:

1. Jede Zelle unseres Körpers muß laufend mit Sauerstoff versorgt werden, um Energie produzieren zu können,

2. Gleichzeitig produziert sie Kohlendioxyd (CO_2) als Abfallprodukt des Stoffwechsels; das CO_2 muß laufend abtransportiert werden,

3. Die Aufgabe des Kreislaufes besteht u.a. darin, Zucker und Sauerstoff an- und CO_2 wieder ab. So, jetzt wissen Sie die Wahrheit!

Bisher habe ich Ihnen über den allgemeinen (Energie-) Stoffwechsel berichtet. Wie schon eingangs dieses Kapitels erwähnt gibt es aber noch den speziellen Stoffwechsel.

Der Stoffwechsel der Fette

Der Stoffwechsel der Fette ist ziemlich kompliziert und unübersichtlich, denn chemisch gesehen gibt es verschiedene Fette (z.B. Cholesterin oder z.B. Neutralfette), die auf verschiedenen Wegen verarbeitet werden; zudem werden die Fette zu zahlreichen Zwecken benötigt:

- Zur Energiespeicherung

- zur Energiegewinnung

- als Strukturbausteine, aus denen z.B. die Membranen der Zellen bestehen oder

- als Synthesevorstufe für zahlreiche Substanzen, die der Körper benötigt (z.B. Hormone oder hormonähnliche Substanzen).

Um die Funktion der Fette als Strukturbausteine oder als Synthesevorstufen möchte ich mich in diesem Zusammenhang nicht kümmern, sondern ich möchte Ihnen hier über die Fette im Zusammenhang mit Energiespeicherung und Energiegewinnung berichten.

Aufnahme der Fette

Chemisch gesehen gibt es jede Menge Fette. Die Bekanntesten sind Cholesterin und die sogenannten Triglyceride.

Cholesterin wird überwiegend als Strukturbaustein und als Synthesevorstufe für andere Substanzen benutzt, für die Energiegewinnung ist es relativ unerheblich, weshalb ich hier nicht näher darauf eingehen möchte. Bedeutsam für die Energiegewinnung sind die Triglyceride.

Die Bezeichnung „Triglyceride“ ist ein Sammelbegriff für chemisch unterschiedlich zusammengesetzte Moleküle, z.B. Stearinsäure, Palmitinsäure, Öl-, Linol- oder Rizinolsäure. Chemisch gesehen unterscheiden sie sich in Einzelheiten, aber allen Triglyceriden ist ihre chemische Grundstruktur gemeinsam:

1 Molekül Glycerin[1] ist mit 3 Molekülen von Fettsäuren verbunden (Abb. 33) (daher die Bezeichnung Triglyceride (tri = drei)).

Abb. 33: Chemischer Aufbau von Triglyceriden. An ein Glycerin-Molekül (grün) sind 3 Fettsäuren (FS1, FS2 und FS3) angekoppelt.

Diese Triglyceride nimmt man beim Essen zu sich, wodurch sie in den Magen und den Darm gelangen. So wie sie hier ankommen können sie aber von der Schleimhaut des Darms nicht ins Blut aufgenommen werden. Daher werden sie durch Enzyme (= Lipasen), die in diesem Fall von den Speicheldrüsen des Mundes und (hauptsächlich:) der Bauchspeicheldrüse gebildet und in den Darm abgegeben werden zunächst einmal zerlegt, und zwar werden die Fettsäuren vom Glycerin abgespalten (Abb. 34).

Abb. 34

Damit diese Zerlegung stattfinden kann müssen die wasserunlöslichen Fette zunächst mit Hilfe der Gallensäuren emulgiert werden. Erst hierdurch können die Lipasen an dem Nahrungsfett angreifen.

Durch die Arbeitsweise der Lipasen entstehen einzelne Fettsäuren und ein Molekül, das aus Glycerin und 1 Fettsäure besteht („Monoglycerid“).

Fettsäuren sind lang gestreckte chemische Verbindungen, die 2 Seiten (= 2 Pole) haben (Abb. 35):

Abb. 35: Fettsäure-Molekül mit dem wasseranziehenden und dem wasserabstoßenden Pol

Ein Pol ist wasserabweisend und der andere Pol nicht. Den wasserabweisenden Pol nennt man „hydrophoben“, den anderen wasser-“liebenden“ Pol den „hydrophilen“ Pol.

Wenn nun im Speisebrei des Dünndarms zahlreiche Fettsäuren herum schwimmen dann schließen sich diese Fettsäuren zusammen, und zwar indem sie kleine Kügelchen (sog. „Micellen“) bilden, in denen die hydrophoben Anteile der Fettsäuren nach außen weisen (Film 15).

Film 15 (nur in elektronischen Formaten zu sehen)

Abb. 36

Sie können das Phänomen der Mizellenbildung mit der Bildung des berühmten Schildkrötenpanzers (Abb. 36) vergleichen, mit dem die Römer vor tausenden von Jahren Asterix, Gallier und andere ihnen feindlich gesinnte Kräfte abgewehrt haben. Der Zweck dieser Übung ist bei den Römer klar (oder?).

Die Bildung der Micellen (Film 15) hat zum Zweck, daß das Fett nun wasserlöslich ist, weil die wasser-„liebenden“ Teile der Fettsäure nach außen zeigen. Und wasserlösliche Kügelchen haben nun nämlich die Möglichkeit, in die Schleimhautzellen der Darmwand einzusickern.

Und hier passiert Folgendes:

Zunächst werden die Fettsäuren und das Monoglycerid wieder zu Triglyceriden zusammengesetzt. Dieser Vorgang verläuft wie derjenige, den ich Ihnen in Abb. 34 gezeigt hatte, nur umgekehrt.

Natürlich ist für diesen Vorgang nicht die „Lipase“ verantwortlich (deren Aufgabe ist ja der Abbau und nicht der Aufbau der Triglyceride), sondern ein anderes Enzym mit Namen „Glycerokinase“. Auf die Arbeitsweise dieses Enzyms möchte ich nicht genauer eingehen, es ist auch so schon kompliziert genug.

Und um es noch komplizierter zu machen werden aus den Triglyceriden nun innerhalb der Schleimhautzellen des Darmes wiederum spezielle Partikel gebildet, die „Chylomikronen“.

Abb. 37

Diese Chylomikronen (Abb. 37) sind kleine Kügelchen, die in ihrem Inneren die ganze Sammlung von Fetten transportieren können und außen mit bestimmten Eiweißen umhüllt sind. Chylomikronen enthalten also Fettsäuren, Cholesterin, Triglyceride, umhüllt von einer Eiweißschicht (so ähnlich wie Wasser in einem Luftballon: Außen ist die Gummihülle, im Inneren befindet sich Wasser.

Diese Chylomikronen gelangen nun aus den Darmschleimhaut-Zellen in Lymphgefäße, die außen an den Schleimhautzellen entlang verlaufen. Die zunächst mikroskopisch feinen Lymphgefäße vereinigen sich zu immer stärker werdenden Gefäße, die schließlich den sogenannten Ductus thoracicus bilden (Abb. 38). Dieser Ductus thoracicus ist damit das Haupt-Sammelgefäß für Lymphflüssigkeit.

Abb. 38

Er verläuft als ein dünnes Gefäß neben der Wirbelsäule vom Bauchraum aus aufwärts und mündet im Bereich der Schulter in die obere Hohlvene.

Das bedeutet, daß die Triglyceride in den Chylomikronen mit der Lymphflüssigkeit über den Ductus thoracicus ins Blut gelangen.

An den Wänden einiger spezieller Blutgefäße (derjenigen für die Herz, Leber und Fettgewebe), befinden sich nun ein weiteres Enzym, die sog. „Lipoproteinlipase“.

Sie arbeitet vom Prinzip her ebenso wie die Pankreaslipase, über die ich Ihnen vorhin bei der Resorption der Triglyceride aus dem Darm berichtet hatte: Sie spaltet die Triglyceride wieder in einzelne Fettsäuren und in das Monoglycerin auf. Die Chlyomikronen berühren also sozusagen die Lipoproteinlipase an den Blutgefäßwänden und werden dadurch wieder zerlegt (Film 16).

Film 16 (nur in elektronischen Formaten zu sehen)

Und ebenso wie Sie das vorhin bei der Fettresorption aus dem Darm gehört haben haben nur diese Fettsäuren und Monoglyceride die Möglichkeit, in die einzelnen Zellen des Körpers einzudringen, wo sie nun weiter zur Energiegewinnung beitragen.

Also, was haben wir bis jetzt erfahren?

1. Fette sind nicht wasserlöslich und können daher ohne weitere „Verarbeitung“ nicht vom Körper aufgenommen werden.

2. Im Rahmen dieser „Verarbeitung“ kommen sie bereits im Mund und später im Dünndarm mit einem Enzym mit dem Namen „Lipase“ in Kontakt.

3. Die Lipasen spalten die Triglyceride auf, indem sie von den 3 Fettsäuren, die an das Glycerin gekoppelt sind 2 abspalten. Dadurch entstehen freie Fettsäuren und ein Glycerin-Molekül, das mit 1 Fettsäure verbunden ist („Monoglycerid“).

4. Fettsäuren und Monoglyceride werden mit Hilfe der Gallensäuren in Micellen umgewandelt.

5. Die Micellen haben nun die Möglichkeit, in die Schleimhautzellen des Dünndarms einzudringen.

6. Hier in den Darm-Schleimhautzellen werden sie zunächst wieder zu Triglyceriden zusammen gesetzt, d.h. die beiden zuvor abgespaltenen Fettsäuren werden nun wieder an das „Monoglycerid“ angekoppelt, sodaß wieder Triglyceride entstehen.

7. Innerhalb der Darmzellen werden diese Fette nun mit einer Eiweißhülle umgeben und zu kleinen Kügelchen („Chylomikronen“) umgeformt.

8. Die Chylomikronen werden auf der vom Darm abgewandten Seite der Darmzellen in die dort entlang laufenden Lymphgefäße abgegeben.

9. Mit der Lymphflüssigkeit werden sie nun durch die feinen Lymphgefäße und schließlich das Haupt-Lymphgefäß (Ductus thoracicus) in das Blut transportiert.

10. In den Wänden von Blutgefäßen bestimmter Organe und Gewebe (Herz, Muskulatur, Fettgewebe) befindet sich ein Enzym mit Namen „Lipoproteinlipase“.

11. An diesen Stellen gelangen die Chylomikronen in Kontakt zur Lipoproteinlipase.

12. Diese Lipoproteinlipase verarbeitet die Triglyceride nun erneut wieder so, daß sie alle 3 Fettsäuren abspaltet, sodaß nun 3 freie Fettsäuren und Glycerin entstehen.

Soweit, so gut, und nun? Der Körper macht das Ganze schließlich nicht aus Langeweile, sondern weil er Energie gewinnen muß. Wie also geht es nun weiter?

Abbau der Fette

Um das Glycerin müssen wir uns nicht weiter kümmern, denn es wird mit dem Blut in die Leber transportiert und hier entweder (je nach den Bedürfnissen des Körpers) in den Abbau der Zucker eingeschleust oder es wird zum Aufbau neuer Triglyceride oder anderer Baustoffe des Körpers benutzt.

Interessant wird es mit den Fettsäuren:

Die Fettsäuren gelangen nun mit Hilfe der Lipoproteinlipase in das Innere der Herzmuskelzelle (Film 17).

Film 17 (nur in elektronischen Formaten zu sehen)

Hier im Inneren der Zelle angekommen wird die Fettsäure nun weiter verarbeitet, wobei auch diese weitere Verarbeitung in den Mitochondrien erfolgt, also dort, wo auch schon die Atmungskette stattfindet.

Je nachdem, welche Fettsäure verarbeitet werden soll (lang- oder kurzkettige, gesättigte oder ungesättigte) und je nachdem, ob die Fettverarbeitung im Zustand des Hungerns stattfindet oder in der Phase, in der der Körper genügend Zucker zu sich genommen hat sind die Transportwege der Fettsäuren in die Mitochondrien und die Art der Fettverarbeitung unterschiedlich. Weil sich dieses eBook nur mit dem Energiestoffwechsel und nicht mit dem Stoffwechsel einzelner Substanzen beschäftigt will ich hier nur den hauptsächlichen Weg der Verarbeitung der Fettsäuren besprechen: Die ß-Oxydation (sprich: beta-Oxüdation) (Achtung, jetzt wird´s wieder sehr chemisch, ggfs. also bitte bis zum Kapitel „Blutkreislauf“ in Band 2 weiter blättern):

Abb. 39

Bevor die Fettsäuren in die Mitochondrien aufgenommen werden können müssen sie zunächst aktiviert werden (Film 17 und Abb. 39).

Diese Aktivierung funktioniert, indem die Fettsäure zunächst mit Hilfe des schon bekannten ATP einen Phosphat-Anhang erhält, der dann gegen Coenzym A ausgetauscht wird. Dieser CoA-Anhang wird dann im nächsten Schritt gegen das Eiweiß Carnitin[2] ausgetauscht und erst dieser Fettsäure-Carnitin-Komplex hat die Möglichkeit, die Membran des Mitochondriums mit Hilfe eines Transporteiweisses („Carnitin-Acylcarnitin-Transporter“) zu passieren.

Innerhalb des Mitochondriums wird das Carnitin nun wieder abgespalten und gegen Coenzym A ausgetauscht. Das Carnitin wird im Inneren des Mitochondriums nun nicht mehr benötigt und wird über den schon erwähnten Transporter wieder nach außen geschafft, wo es für den nächsten Fettsäure-Transport zur Verfügung steht.

Die Fettsäure ist nun endlich dort angekommen, wohin sie gehört, nämlich ins Mitochondrium. Aber damit ist ja eigentlich zunächst noch niemandem gedient, denn die Fettsäure muß nun weiter abgebaut werden. Und dieser Vorgang erfolgt in einer weiteren chemischen Reaktionskette, die den Namen „ß-Oxydation“ trägt.

ß-Oxydation (sprich: beta-Oxidation)

Die ß-Oxydation ist eine Kette chemischer Prozesse, mit der die Fettsäuren stufenweise abgebaut werden. Ich will auf die einzelnen Reaktionen nicht genauer eingehen, aber das Prinzip ist das Folgende:

Fettsäuren sind, wie Sie ja nun schon wissen Moleküle, die aus einer Kette von Kohlenstoffatomen bestehen (Abb. 40).

Abb. 40

Abb 41

Bei der ß-Oxydation (Abb. 41) wird nun von dieser Kette 1 Molekül Acethyl-CoA abgespalten. Dieses Acetyl-CoA enthält 1 Atom Kohlenstoff, sodaß sich die lange Kohlenstoffkette um 1 Kohlenstoffatom vermindert. In der ß-Oxydation läuft dieser chemische Prozess nun solange weiter, bis am Ende, nach zahlreichen Durchläufen nur noch 2 Moleküle Acetyl-CoA übrig bleiben.

Weil es nun verschiedene Fettsäuren gibt, die sich durch die Länge ihrer Kohlenstoffkette unterscheiden kann es Fettsäuren mit einer geraden und einer ungeraden Anzahl von Kohlenstoffatomen geben. Der Abbau dieser ungerade- und gerade-kettigen Fettsäuren unterscheidet sich biochemisch etwas, aber das tut an dieser Stelle nichts zur Sache. Denn entscheidend ist, daß Acetyl-CoA und NADH entstehen. Und wenn Sie nun dieses Buch aufmerksam gelesen haben dann werden Sie sich sofort daran erinnern, das dieses Acetyl-CoA diejenige Substanz ist, die im Zitronensäure-Zyklus weiter verarbeitet wird.

Und jetzt rechne ich mit Ihrem AHA-Effekt, denn Sie erinnern sich:

Im Zitronensäure-Zyklus werden zwar nur schlappe 3 Moleküle ADP, jedoch 6 Moleküle NADH und dieses NADH wiederum ist der Treibstoff für die ATP-Herstellung in der ATPase.

Wenn Sie sich nun einmal die Energiebilanz ansehen und berücksichtigen, daß bei jedem Durchgang der ß-Oxydation neben dem Acetyl-CoA auch noch 1 Molekül NADH produziert wird dann wird Ihnen die Bedeutung der Fette für die Energiegewinnung schlagartig klar werden, denn:

- Aus 1 Molekül Glukose (= Zucker) entstehen insgesamt 32 Moleküle ATP,

- aus 1 Molekül der Fettsäure „Palmitin“ (besteht aus 16 Kohlenstoffatomen) aber 106 Moleküle ATP.

Genial, oder? Wie schon früher einmal gesagt: Ohne Treibstoff geht nichts und die wichtigsten Stoffwechselvorgänge des Körpers beschäftigen sich mit nichts anderem als mit der Herstellung dieser Energie in Gestalt der ATP.

Zucker und Fette sind also diejenigen Nahrungsmittel, die bei der Energiegewinnung die zentrale Rolle spielen. Fette liefern zwar mehr Energie (siehe oben), ihre Aufnahme ins Blut und ihr Abbau sind aber wie beschrieben wurde sehr viel komplizierter und aufwendiger als beim Zucker. Daher wird der Zucker als „schneller“ Energielieferant benutzt und die Fette mehr als Energiespeicher in den Fettdepots des Körpers.

Der Stoffwechsel der Eiweiße

Im Vergleich zur der Energiegewinnung aus Zucker und Fett steht die Energiegewinnung aus Eiweißen ganz im Hintergrund, denn Eiweiße werden nur in Zeiten äußerster Not, d.h. stärksten Hungerns zur Energiegewinnung eingesetzt.

Eiweiße bestehen aus einer Vielzahl miteinander verketteter Aminosäuren. Je nach Anzahl der Aminosäuren spricht man von einem Peptid (1 Aminosäure), einem Oligopeptid (bis zu 10 Aminosäuren), einem Polypeptid (ab 10) oder einem Protein (ab 50 Aminosäuren pro Molekül). Der überwiegende Anteil der bekannten Proteine weist eine Länge von 50 bis 1000 Aminosäuren auf.

Der Körper kombiniert verschiedene Aminosäuren miteinander, um Eiweiße herzustellen, die die unterschiedlichsten Eigenschaften, Formen und Funktionen haben. Hormone, Muskeln, Sehnen, Nervengewebe, alle Organe und schließlich die wichtigen Enzyme, Rezeptoren, Transporter in Zellwänden und die vorhin schon erwähnten lebenswichtigen Substanzen wie ATP und NADH sind alle spezielle Eiweiße. Welches Eiweiß an welcher Stelle des Körpers hergestellt wird ist in der Erbsubstanz der jeweiligen Zelle festgelegt. Man schätzt, daß jeder Mensch ca. 50.000 verschiedener Eiweiße für die unterschiedlichsten Zwecke in sich trägt. Diese 50.000 Eiweiße werden dabei aus nur etwa 20 verschiedenen Aminosäuren hergestellt. Von diesen 20 Aminosäuren kann der Körper etwa 11 selber herstellen, 9 hingegen nicht, obwohl er sie für die Herstellung der verschiedenen Eiweiße benötigt. Diese 9 „essentiellen Aminosäuren“ müssen dem Körper also regelmäßig mit der Nahrung zugeführt werden. Ich will auf die verschiedenen Eiweiße in diesem eBook nicht näher eingehen.

Ebenso wie beim Zucker und beim Fett kann der Darm die komplexen Eiweiß-Moleküle, die wir zu uns nehmen nicht ins Blut aufnehmen. Hierzu müssen diese „Nahrungseiweiße“ zunächst ebenso wie Zucker und Fette zerlegt werden.

Aufnahme der Eiweiße

Hierzu dienen ebenso wie bei Zucker und Fetten Enzyme, die im Magen, der Darmwand und vor allem der Bauchspeicheldrüse (= Pankreas) gebildet werden (Pepsin, Trypsin oder Chymotrysin). Sie spalten die Eiweiße in kurze Ketten von Aminosäuren oder sogar einzelne Aminosäuren auf. Nur diese kurzkettigen Eiweiße (Oligopeptide mit bis zu 10 Aminosäuren) oder die einzelnen Aminosäuren können vom Dünndarm ins Blut aufgenommen und dann mit dem Blut überall im Körper verteilt werden.

Die Aufnahme der Oligopeptide und Aminosäuren in die Zellen der Darmschleimhaut und die anschließende „Weitergabe“ dieser Substanzen ins Blut erfolgt ebenso wie bei den Fetten und dem Zucker über spezielle Transportsysteme. Diese Transportsysteme sind auf die jeweilige Aminosäure bzw. das Oligopeptid spezialisiert, d.h. sie transportieren jeweils nur 1 Aminosäure oder 1 Oligopepdid, ich möchte an dieser Stelle nicht genauer darauf eingehen.

In den Zellen angekommen werden die Aminosäuren bzw. Peptide weiter abgebaut:

Abbau der Eiweiße

Der Abbau der Aminosäuren und Peptide kann in 2 Richtungen erfolgen:

1. Zum Zweck der Energiegewinnung und

2. zur Herstellung spezieller Eiweiße.

Der Abbau der Eiweiße (=Proteine) ist ein generell sehr komplizierter Prozeß, der nicht, wie bei Zucker oder Fettsäuren im Sinne eines einzigen, für alle Eiweiße geltenden Stoffwechselvorgangs erfolgt, sondern es gibt mehrere Abbauwege. Vom Prinzip her funktioniert er aber folgendermaßen:

Im Unterschied zu den Triglyceriden (siehe Kapitel „Fettabbau“), die aus 1 Molekül Glycerin und 3 Molekülen einer Fettsäure bestehen ist ein Eiweißmolekül aus einer Vielzahl von einzelnen Aminosäuren zusammengesetzt, die hintereinander verbunden sind (so ähnlich wie ein Eisenbahnzug mit seinen vielen Anhängern). So unterschiedlich die verschiedenen Aminosäuren (z.B. Alanin, Serin, Valin, Lysin, Asparaginsäure u.v.a.) auch sind: Irgendwo sind sie alle gleichartig aufgebaut sind:

Abb. 42: Chemischer Aufbau einer Aminosäure. Kohlenstoff-Gerüst rot eingerahmt, Aminogruppe rechts außerhalb des roten Kastens

Sie bestehen nämlich aus einem Gerüst aus Kohlenstoffatomen, das an 1 oder an beiden Enden eine Aminogruppe trägt (Abb. 42). Die verschiedenen Aminosäuren unterscheiden sich dabei durch die Länge ihres Kohlenstoffgerüsts und dadurch, ob das Molekül 1 oder 2 Aminogruppen trägt.

Bevor eine Aminosäure abgebaut werden kann, muß zunächst die Aminogruppe abgespalten werden.

Abb. 43: Abbau einer Aminosäure mit Hilfe des Enzyms „Dehydrogenase“.

Die Aminogruppe NH2 wird abgespalten, indem Ammoniak (NH3) entsteht, der Sauerstoff des zugefügten Wasser-Moleküls (H2O) auf das Aminosäure-“Restmolekül“ und der Wasserstoff des Wassermoleküls auf das NAD übertragen werden.

Diese Aminogruppe enthält Stickstoff (chemisches Symbol N) und im Verlauf des Abbaus der Aminosäuren entsteht aus dieser stickstoffhaltigen Aminogruppe erst einmal Ammoniak (Abb. 43).

Ammoniak ist jedoch ein starkes Zellgift und muß daher schnell aus dem Körper entfernt werden.

Er wird dazu mit dem Blut in die Leber transportiert, wo es in den ungiftigen Harnstoff umgewandelt wird. Der Harnstoff wiederum wird aus der Leber ins Blut zurück gegeben und gelangt über den Kreislauf in die Nieren, wo er herausgefiltert und mit dem Urin ausgeschieden wird.

Wenn die Aminogruppe abgespalten wurde bleibt das Kohlenstoffgerüst alleine übrig. Auf diese Weise entstehen beispielsweise aus der Aminosäure „Glutaminsäure“ die Substanz „Keto-Glutarsäure“ (= Ketoglutarat), aus dem Alanin entsteht Brenztraubensäure (= Pyruvat), aus der Asparaginsäure die Fumarsäure (= Fumaratat) und aus Methionin entsteht Succinyl-CoA.

Abb. 44

Solche Abbauprodukte der Aminosäuren (Ketoglutarat, Pyruvat usw.) wiederum fließen in den Zitronensäure-Zyklus (Abb. 44) ein, dessen Bedeutung im Zusammenhang mit der Energiegewinnung einer Zelle ja schon erwähnt wurde.

Anders als beim Abbau des Zuckers und der Fette kann man für den Abbau der verschiedenen Aminosäuren keine „Energiebilanz“ berechnen, d.h. man kann nicht sagen, wie Moleküle ATP aus dem Abbau einer Aminosäure stammen, denn das hängt davon ab, welche Aminosäure abgebaut wird und bei diesem Abbau ATP benötigt wird oder nicht. Ganz grob kann man für die Energiegewinnung die folgende Rechnung aufmachen:

Und ganz allgemein kann man sagen, daß Zucker für die Sofort-Bereitstellung von Energie benötigt wird, Fett der Speicherung von Energie dient und Eiweiß nur dann zur Energiegewinnung verwendet wird, wenn´s hinsichtlich der Nahrungsaufnahme wirklich eng wird (sozusagen „Plan B“), denn Energiegewinnung aus Eiweiß bedeutet letztlich Substanzverlust des Körpers (z.B. durch den Abbau von Muskelmasse).

Jetzt wissen Sie, wie die Zellen Energie gewinnen. Der Zusammenfassung halber finden Sie in der nebenstehenden Tabelle noch einmal Angaben darüber, wieviel ATP aus dem Abbau 1 Moleküle der jeweiligen Substanz stammt.

Soviel zum Thema Stoffwechsel.

Nun unterhalten wir uns hier aber über das Herz und den Kreislauf. Was hat der Kreislauf also mit dem Stoffwechsel zu tun?

Ganz einfach:

Er ist für die Verteilung der verschiedensten Substanzen an die verschiedenen Organe zuständig. Er sorgt beispielsweise dafür, daß der Zucker, der im Darm aufgenommen wurde zu den einzelnen Organen transportiert wird, damit die Zellen dieser Organe mit Hilfe ihres Stoffwechsels ATP und damit Energie gewinnen können. Und er sorgt dafür, daß die Abfallprodukte des Stoffwechsel (z.B. das Kohlendioxyd, das in der Atmungskette entsteht) wieder abtransportiert wird, damit sich die Zellen nicht mit ihren eigenen Abfallprodukten vergiften.

Der Kreislauf sorgt dafür, daß an bestimmten Stellen des Körpers produzierte Substanzen (z.B. Hormone) an diejenigen Stellen transportiert werden, an denen sie benötigt werden. Der Kreislauf ist sozusagen das Straßensystem des Körpers, über den die Lastwagen mit den benötigten Substanzen, aber auch die Müllwagen für den Abfall fahren.

Und damit können wir nun zum nächsten Kapitel kommen, in dem ich Ihnen den Aufbau des Kreislaufes schildern möchte. Lesen Sie hierzu Band 2.

1 Chemische Form eines bestimmten Alkohols. Ist Bestandteil von Fetten

2 chemische Verbindung, die aus 2 Aminosäuren besteht und eine wichtige Rolle im Energiestoffwechsel einer Zelle spielt

Table of Contents

Vorbemerkungen

Der Stoffwechsel

Spezieller Stoffwechsel

Allgemeiner Stoffwechsel

Wie funktioniert das?

Woher stammt das ATP?

Der Stoffwechsel des Zuckers

Aufnahme des Zuckers

Verarbeitung des Zuckers

Die ATP-Fabrik

Zitronensäure-Zyklus

Atmungskette

Der Stoffwechsel der Fette

Aufnahme der Fette

Abbau der Fette

ß-Oxydation (sprich: beta-Oxidation)

Der Stoffwechsel der Eiweiße

Aufnahme der Eiweiße

Abbau der Eiweiße