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.
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
