Grundlagen des Stoffwechsels (RD)

Der Stoffwechsel lässt sich grob in zwei Bereiche einteilen:

1. Katabolismus: Abbau von Substanzen zur Energiegewinnung
2. Anabolismus: Aufbau körpereigener Stoffe (z.B. Proteine, Lipide)

Wichtige Energieträger:

• Kohlenhydrate: Glukose
• Fette: Fettsäuren (in Hunger/Insulinmangel auch Ketonkörper)
• Proteine: Aminosäuren (v. a. in katabolen Zuständen)

Zentraler Energieträger: ATP (Adenosintriphosphat)

• ATP besteht aus Adenin, Ribose (Zucker) und 3 Phosphatgruppen
• Wird ein Phosphat abgespalten → Energie wird frei
• ATP wird zu ADP (Adenosindiphosphat)
• ADP kann wieder ein Phosphat aufnehmen → ATP entsteht → dabei wird Energie gespeichert
• ATP entsteht hauptsächlich in den Mitochondrien
• Dafür benötigt der Körper Glukose und Sauerstoff
• Nebenprodukte: CO₂ und Wasser
• Aus 1 Glukose entstehen ca. 30–38 ATP

Stoffwechselwege

Die wichtigsten Stoffwechselwege im Überblick:

Glykolyse:

 Merke

Die Glykolyse ist der erste Schritt des Zuckerabbaus und läuft im Zytosol der Zelle ab. Dabei wird Glukose schrittweise zu Pyruvat abgebaut → während dieses Prozesses entsteht Energie in Form von ATP und NADH.

• Der Prozess kann aerob (mit Sauerstoff) oder anaerob (ohne Sauerstoff) ablaufen:
  1. Anaerob (ohne O₂):
     • Nur Glykolyse → 2 ATP pro Glukose
     • Endprodukt: Laktat
  2. Aerob (mit O₂):
     • Glykolyse + Citratzyklus + Atmungskette → ca. 30–38 ATP pro Glukose
     • Endprodukte: CO₂ + H₂O

Glykogenese:

 Definition

Umwandlung von Glukose in Glykogen zur Speicherung von Energie

• Ort: Hauptorte der Glykogenese sind Leber- und Muskelzellen
• Bedeutung:
  • Speicherung von Glukose bei hohem Blutzucker
  • Schnelle Energie-Reserve
• Ablauf (vereinfacht):
  • Glukose wird aktiviert
  • Einbau in Glykogen (verzweigte Glukosekette)
  • Benötigt ATP
• Wichtigstes Enzym: Glykogensynthase
• Regulation: 
  • Insulin → fördert die Speicherung
  • Glucagon und Adrenalin → hemmen die Speicherung

 Merke

Nach dem Essen → Glukose wird als Glykogen gespeichert

Glykogenolyse:

 Definition

Umwandlung von gespeichertem Glykogen → Glukose zur Energiebereitstellung

• Ort: Hauptsächlich in der Leber und in Muskelzellen
• Bedeutung:
  • Glukosebereitstellung bei niedrigem Blutzucker
  • Schnelle Energieversorgung
• Ablauf (vereinfacht):
  • Glykogen wird abgebaut
  • Glukose wird freigesetzt
• Wichtigstes Enzym: Glykogenphosphorylase
• Regulation:
  • Insulin → hemmt Abbau
  • Glucagon und Adrenalin → fördern den Abbau

 Merke

Nüchtern/Stress → Glykogen wird zu Glukose.

Gluconeogenese:

 Definition

Neubildung von Glukose aus Nicht-Kohlenhydraten (z.B. Laktat, Aminosäuren).

• Ort: Hauptsächlich in der Leber, teilweise in den Nieren, Mitochondrien und Zytosol
• Bedeutung:
  • Hält den Blutzuckerspiegel stabil
  • Wichtig bei Nüchternheit oder Hunger
• Ablauf (vereinfacht):
  • Aufbau von Glukose aus anderen Stoffen
  • Benötigt Energie (ATP)
• Enzyme: mehrere Enzyme (Umgehung der Glykolyse)
• Regulation: 
  • Insulin → hemmt 
  • Glucagon und Cortisol → stimulieren

 Merke

Kein Zucker da → Körper baut neuen

Zitratzyklus

 Definition

Der Zitratzyklus ist ein zentraler Stoffwechselweg, bei dem Acetyl-CoA schrittweise abgebaut wird. Dabei entstehen energietragende Moleküle (NADH, FADH₂), die später zur ATP-Bildung genutzt werden.

Der Prozess läuft nur unter aeroben Bedingungen (mit Sauerstoff) ab.

• Ort: Mitochondrienmatrix
• Bedeutung:
  • Zentral im aeroben Stoffwechsel
  • Liefert NADH/FADH₂ → ATP-Bildung
  • Liefert Bausteine für andere Stoffe
• Ablauf (vereinfacht):
  • Acetyl-CoA wird abgebaut
  • Energie wird in NADH/FADH₂ gespeichert
• Regulation:
  1. Hemmung (viel Energie):
     • ATP ↑
     • NADH ↑
     • Citrat ↑
  2. Aktivierung (Energiebedarf):
     • ADP ↑
     • Ca²⁺ ↑
     • NAD⁺ ↑

 Merke

Zitratzyklus = zentrale Drehscheibe der Energiegewinnung.

 Tipp

„Citronen im Koma sind super für meine Oma.“

• Citronen → Citrat
• im → Isocitrat
• Koma → α-Ketoglutarat
• sind → Succinyl-CoA
• super → Succinat
• für → Fumarat
• meine → Malat
• Oma → Oxalacetat

Atmungskette

 Definition

Die Atmungskette ist ein Stoffwechselprozess, bei dem Elektronen aus NADH und FADH₂ übertragen werden. Dabei entsteht ein Protonengradient, der zur Bildung von viel ATP genutzt wird.

Der Prozess läuft nur unter aeroben Bedingungen (mit Sauerstoff) ab.

• Ort: innere Mitochondrienmembran 
• Bedeutung:
  • Wichtigste Quelle für ATP
  • Nutzt Energie aus NADH/FADH₂
• Ablauf (vereinfacht):
  • Elektronen werden weitergegeben
  • Protonen werden gepumpt
  • ATP entsteht
  • Sauerstoff nimmt Elektronen und Protonen auf → Wasser entsteht
• Regulation: Abhängig von Sauerstoffangebot und ADP-Verfügbarkeit

 Merke

Atmungskette = meiste ATP-Produktion

Lipide - Basics

 Info

• Durchschnittlicher Energiegehalt: ca. 9 kcal/g
• Allgemeine Zufuhrempfehlung: 25–35 % der Gesamtenergie
• Hauptfunktion: Hauptenergiereserve des Körpers + Aufbau der Zellmembran
• Hydrophob (nicht wasserlöslich)

Einteilung:

• Speicherlipide (Triglyceride): Energiedepot
• Membranlipide: Zellmembran (Phospholipide, Cholesterin)

 Merke

Cholesterin als Membranlipid

Cholesterin ist überwiegend hydrophob und im Vergleich zu Phospholipiden daher nur schwach amphiphil. Trotzdem spielt es eine wichtige Rolle als Membranlipid. Cholesterin beeinflusst die Fluidität und Stabilität der Lipiddoppelschicht.

Prozesse des Lipidstoffwechsels:

Die wichtigsten Prozesse des Lipidstoffwechsels und ihre Funktionen sind:

• Hormonelle Steuerung:
  • Insulin: Fördert Lipidspeicherung (Lipogenese) und hemmt den Abbau (Lipolyse)
  • Glukagon und Adrenalin: aktivieren den Fettabbau (Lipolyse) und die Energieproduktion (Beta-Oxidation)

Stoffwechsel der Ketonkörper:

 Definition

Ketonkörper sind Stoffwechselprodukte, die bei Energiemangel aus Fettsäuren gebildet werden. 

• Eigenschaften der Ketonkörper
  • Wasserlöslich: Können ohne Transportproteine im Blut transportiert werden
  • Bedeutung:
    • Versorgung von Organen mit Energie bei Zuckermangel
    • Gehirn stellt sich nach Fasten auf Ketonkörper um und deckt ca. 75% seines Energiebedarfs daraus
    • Herz und Nierenrinde können Ketonkörper effizient verwerten
• Mögliche Entstehung:
  • Mangel an Kohlenhydraten:
    • Mechanismus: Glukosemangel → Blutzucker ↓ → Glucagonspiegel ↑
    • Folge: Stoffwechsel wechselt auf Fettabbau zur Energiegewinnung
  • Hemmung des Citratzyklus:
    • Ursache: Mangel an Oxalacetat (z.B. durch Glukosemangel)
    • Acetyl-CoA kann nicht weiterverwertet werden und wird stattdessen für die Ketogenese genutzt

 Info

Klinischer Ausblick: Ketoazidose

Die diabetische Ketoazidose ist eine akute Komplikation bei Typ-1-Diabetes, die durch schweren Insulinmangel ausgelöst wird. Aufgrund einer gestörten Glukoseverwertung kommt es zu einem „vorgespielten“ Kohlenhydratmangel, wodurch der Körper auf alternative Energiequellen umstellt und vermehrt Ketonkörper bildet.

• Ursachen: 
  • Schwerer Insulinmangel 
  • Mobilisierung alternativer Energiequellen (Fett- oder Muskelgewebe)
  • Erhöhter Leberstoffwechsel 
• Folgen:
  • Hyperglykämie
  • Ketoazidose (Ansammlung von Ketonen im Blut führt zu azidotischen Blut-pH-Werten) mit einhergehender Übelkeit, Erbrechen und Dehydratation möglich
  • Organfunktionsstörung bei Elektrolytverschiebungen
  • Diabetisches Koma bei unbehandelter Hyperglykämie und Ketoazidose 
• Besonderheiten bei Typ-2-Diabetes
  • Meist kein absoluter Insulinmangel, sondern eine relative Insulinresistenz
  • Dadurch seltener vollständige Umstellung auf Ketogenese
  • Lipolyse und Ketogenese weniger stark gesteigert als bei Typ-1-Diabetes

Proteine - Basics

 Definition

Proteine dienen primär dem Zellaufbau. Bei Energiemangel werden Aminosäuren zur Energiegewinnung genutzt. Dabei entsteht Ammoniak, das in der Leber zu Harnstoff umgewandelt wird.

Proteinabbau (Proteolyse):

• Bedeutung des Proteinabbaus:
  • Physiologischer Prozess zur Verdauung von Nahrungsproteinen zum Abbau zelleigener Proteine
  • Findet sowohl außerhalb als auch innerhalb der Zelle statt

Aminosäure-Abbau:

Nach der Proteolyse werden die freigesetzten Aminosäuren weiter abgebaut.
Die drei wichtigsten Reaktionen dabei sind:

1. Transaminierung → Aminogruppe wird auf ein anderes Molekül übertragen
2. Desaminierung → Aminogruppe wird abgespaltet (giftig!)
3. Decarboxylierung → Bildung von Neurotransmittern

 Achtung

Harnstoffzyklus:

• Beim Abbau von Proteinen entsteht Ammoniak (giftig!) → wird in der Leber zu Harnstoff umgewandelt → Ausscheidung über den Urin
• Der restliche Teil (Kohlenstoffgerüst) wird für die Energiegewinnung genutzt

Einteilung der Aminosäuren nach ihrem Abbauweg:

Aminosäuren werden danach eingeteilt, was mit ihrem Kohlenstoffgerüst nach dem Abbau passiert:

Stoffwechsel der Kohlenhydrate:

• Zentraler Energieträger = ATP
• Glykolyse: 
  • Glucose → ATP
  • Aerob = 30-38 ATP
  • Anaerob = 2 ATP
• Glykogenese: Umwandlung von Glukose in Glykogen zur Speicherung von Energie
• Glykogenolyse: Umwandlung von gespeichertem Glykogen → Glukose zur Energiebereitstellung
• Gluconeogenese: Neubildung von Glukose aus Nicht-Kohlenhydraten (z.B. Laktat, Aminosäuren)
• Zitratzyklus: zentraler Stoffwechselweg, bei dem Acetyl-CoA schrittweise abgebaut wird. Dabei entstehen energietragende Moleküle (NADH, FADH₂), die später zur ATP-Bildung genutzt werden. Der Prozess läuft nur unter aeroben Bedingungen (mit Sauerstoff) ab
• Atmungskette: Stoffwechselprozess, bei dem Elektronen aus NADH und FADH₂ übertragen werden. Dabei entsteht ein Protonengradient, der zur Bildung von viel ATP genutzt wird. Der Prozess läuft nur unter aeroben Bedingungen (mit Sauerstoff) ab

Stoffwechsel der Lipide:

 Info

• Durchschnittlicher Energiegehalt: ca. 9 kcal/g
• Allgemeine Zufuhrempfehlung: 25–35 % der Gesamtenergie
• Hauptfunktion: Hauptenergiereserve des Körpers + Aufbau der Zellmembran
• Hydrophob (nicht wasserlöslich)

• Einteilung:
  • Speicherlipide (Triglyceride): Energiedepot
  • Membranlipide: Zellmembran (Phospholipide, Cholesterin)
• Prozesse des Lipidstoffwechsels:

• Hormonelle Steuerung:
  • Insulin: Fördert Lipidspeicherung (Lipogenese) und hemmt den Abbau (Lipolyse)
  • Glukagon und Adrenalin: aktivieren den Fettabbau (Lipolyse) und die Energieproduktion (Beta-Oxidation)
• Ketonkörper:

 Definition

Ketonkörper sind Stoffwechselprodukte, die bei Energiemangel aus Fettsäuren gebildet werden. 

• Versorgung von Organen mit Energie bei Zuckermangel
• Mögliche Entstehung:
  • Mangel an Kohlenhydraten:
    • Mechanismus: Glukosemangel → Blutzucker ↓ → Glucagonspiegel ↑
    • Folge: Stoffwechsel wechselt auf Fettabbau zur Energiegewinnung

Stoffwechsel der Proteine:

 Definition

Proteine dienen primär dem Zellaufbau. Bei Energiemangel werden Aminosäuren zur Energiegewinnung genutzt. Dabei entsteht Ammoniak, das in der Leber zu Harnstoff umgewandelt wird.

• Proteinabbau (Proteolyse):
  • Physiologischer Prozess zur Verdauung von Nahrungsproteinen zum Abbau zelleigener Proteine
  • Findet sowohl außerhalb als auch innerhalb der Zelle statt
• Aminosäure-Abbau:
  • Nach der Proteolyse werden die freigesetzten Aminosäuren weiter abgebaut.
    Die drei wichtigsten Reaktionen dabei sind:
    1. Transaminierung → Aminogruppe wird auf ein anderes Molekül übertragen
    2. Desaminierung → Aminogruppe wird abgespaltet (giftig!)
    3. Decarboxylierung → Bildung von Neurotransmittern

 Achtung

Harnstoffzyklus:

• Beim Abbau von Proteinen entsteht Ammoniak (giftig!) → wird in der Leber zu Harnstoff umgewandelt → Ausscheidung über den Urin
• Der restliche Teil (Kohlenstoffgerüst) wird für die Energiegewinnung genutzt

 Tipp

Wenn ihr mehr wissen möchtet, empfehlen wir euch die verlinkten Artikel aus der Vorklinik.

Kohlenhydrate:

• Glycolyse
• Glycogensynthese
• Abbau von Glycogen (Glycogenolyse)
• Gluconeogenese

Lipide:

• Lipolyse
• ß-Oxidation
• Synthese von Triacylglycerinen (Lipogenese)
• Stoffwechsel der Ketonkörper

Proteine:

• Aminosäureabbau
• Harnstoffzyklus