Physiologie / Biochemie

 


Wie Zellen und Lebewesen

mittels Verbrennung bzw. Oxidation von Nahrungsmitteln

unter Bildung von „Radikalen“ und „ROS“ als Nebenprodukten

ihre Energie gewinnen


In Anlehnung an die Ausführungen auf www.wikipedia.de


Die vier Schritte im Kohlenhydrat-Katabolismus  sind die

- Glykolyse,

- oxidative Decarboxylierung von Pyruvat

- Citratcyclus sowie die

- End-Oxidation in der Atmungskette.


1. Die Glykolyse ist der wichtigste Abbauweg der Kohlehydrate im Stoffwechsel und findet im Cytosol einer Zelle statt. Verstand man früher darunter lediglich den Abbau von Kohlenhydraten unter Sauerstoffmangelbedingungen über Pyruvat zu Lactat, so weiß man heute, dass der Abbau von Glukose bis zu Pyruvat auch bei ausreichendem Sauerstoffangebot anaerob abläuft.

In Prokaryoten wie auch in überwiegend anaerob arbeitenden Zellen von Eukaryoten (z.B. im Skelettmuskel) wird Pyruvat anaerob zu Milchsäure bzw. bei Hefen zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid CO2 abgebaut. Aerob arbeitende Zellen (Prototyp: Herzmuskel) bauen dagegen den „C3-Körper“ Pyruvat zu Acetyl-CoA und Kohlenstoffdioxid ab.

Das Acetyl-CoA wird später im Citratzyklus (siehe unten) unter Bildung von NADH2 und FADH2) zu COund Wasserstoff abgebaut.


2. Die Oxidative Decarboxylierung:

In der Matrix der Mitochondrien wird Pyruvat, das z.B. aus der Glykolyse stammen kann, oxidativ decarboxyliert, d.h. es findet eine Abspaltung von CO2 und anschließend eine Oxidation des Pyruvates statt. Diese Reaktion ist ein wichtiger Schritt im Stoffwechsel, da das Reaktionsprodukt Acetyl-CoA in den Zitratzyklus eingeschleust werden kann.


3. Der Citratzyklus (auch Zitratzyklus, Zitronensäurezyklus, Tricarbonsäurezyklus oder Krebs-Zyklus genannt) ist ein Kreislauf biochemischer Reaktionen im Zentrum des Metabolismus aerober Zellen. Namensgeber ist die als Zwischenprodukt auftretende Zitronensäure resp. deren Salz Citrat. Er läuft bei Eukaryoten in den Mitochondrien, bei Prokaryoten im Cytoplasma oder gegebenenfalls in Mitochondrienäquivalenten ab. Es handelt sich hier um einen amphibolen Stoffwechselprozess, d. h. er kann sowohl anabolen als auch katabolen Charakter haben. Der Citratzyklus geht bei aeroben Organismen der eigentlichen Atmungskette voraus.

Anaerobe Organismen dagegen verwenden zunächst die gleichen Abbauwege für energiereiche organische Substanzen, z. B. die Glykolyse, dann aber nicht die oxidative Phosphorylierung in den Mitochondrien, sondern andere, nicht von Sauerstoff abhängige Fermentationsprozesse (Gärung).


Für den Citratzyklus lässt sich folgende Bilanz aufstellen:

Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Phosphat + 2 H2O → 2 CO2 + 3 (NADH + H+) + FADH2 + GTP + CoA-SH


Acetyl-CoA (das ist Essigsäure gebunden an Coenzym A bzw. Essigsäure in ihrer aktivierten Form) wird also durch den Citratzyklus zu CO2, zu den Reduktionsäquivalenten NADH und FADH2 sowie zum Energieäquivalent Guanosintriphosphat, GTP verstoffwechselt.


Die Reduktionsäquivalente als "biochemischer Wasserstoff" werden in der sich anschließenden Atmungskette mit Sauerstoff zu Wasser oxidiert. Die dabei freiwerdende Energie steht dem Stoffwechsel in Form des Energieäquivalents Adenosintriphosphat, ATP, zur Verfügung.


  1. 4.Die Atmungskette (auch Atmungskettenphosphorylierung oder oxidative Phosphorylierung genannt). Sie findet bei höher entwickelten Lebewesen (Eukaryoten) in den Mitochondrien statt und besteht aus den Enzym-Komplexen I bis V und den Elektronenüberträgern Ubichinon (Coenzym Q) und Cytochrom c, welche in die innere Mitochondrienmembran eingelagert sind.


Netto läuft dabei die exergonische Knallgasreaktion (Oxidation von Wasserstoff zu Wasser) ab. Tatsächlich werden die durch NADH+H+, FMNH2 und FADH2 angelieferten Reduktionsäquivalente mit Hilfe einer Reihe von Redoxvorgängen, die an der inneren Mitochondrienmembran ablaufen, dazu genutzt, aus einem ADP-Molekül und einem freien Phosphat die universelle Energiewährung ATP zu erzeugen. Diese Reduktionsäquivalente (Protonen und Elektronen) entstammen dem Citratzyklus, dem Abbau der Fettsäuren und der Glycolyse.

Dabei spielt nach der chemiosmotischen Theorie auch ein Protonengradient und für die Gesamtausbeute (der zuerst von Peter Mitchell postulierte Q-Zyklus) die entscheidende Rolle.


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