Zellstoffwechsel und Energie: Enzyme, Glykolyse und Atmungskette

Zelluläre Aufnahme, Verdauung und Ausscheidung

Viele Zellen nehmen Nährstoffe in ihr Inneres auf, reduzieren diese (falls zutreffend) zu Monomeren und scheiden manchmal Abfallstoffe aus. In Analogie zu den Verdauungsprozessen eines Organismus spricht man von der Aufnahme (Ingestion), Verdauung (Digestion) und Ausscheidung (Egestion) von Zellen.

• Aufnahme (Ingestion): Ionen und kleine Moleküle können die Zellmembran durch Diffusion oder aktiven Transport passieren. Hochmolekulare Partikel müssen jedoch durch Endozytose in die Zelle gelangen. Einige Protozoen nehmen große Objekte, wie Bakterien, mittels einer Variante der Endozytose auf: der Phagozytose. Bei Wirbeltieren führen diesen Prozess nur bestimmte Zellen, wie Neutrophile und Makrophagen, durch, um sterbende Zellen oder infektiöse Mikroorganismen zu eliminieren – niemals zu Ernährungszwecken.
• Verdauung (Digestion): Chemisch gesehen bedeutet Verdauen die Hydrolyse, d. h. die Spaltung spezifischer Verbindungen durch Reaktion mit Wasser. Bei Eukaryoten findet dieser Prozess in den Lysosomen statt, vermittelt durch spezielle Proteine, die sogenannten Hydrolasen.
• Ausscheidung (Egestion): Je nach Zelltyp kann Material, das nicht durch Hydrolasen verdaut werden konnte, durch Exozytose ausgeschieden werden. Andernfalls verbleibt es auf unbestimmte Zeit in der Zelle, die sich dann im Zustand der „chronischen Verstopfung“ befindet.

Formen der Energieerzeugung

Phototrophe Organismen

Phototrophe Organismen fangen einen kleinen Bruchteil der Sonnenenergie ein, die die Erde erreicht, und „konzentrieren“ diese in Form komplexer Moleküle. Der Rest wird reflektiert oder als Strahlung, wie Infrarot, neu emittiert und im Raum verteilt. Die Menge der dispergierten Energie ist höher als die der konzentrierten Energie, wodurch der zweite Hauptsatz der Thermodynamik nicht verletzt wird. Beispiele hierfür sind chlorophyllhaltige Parenchymzellen von Pflanzen und Algenzellen.

Chemotrophe Organismen

Chemotrophe Organismen extrahieren die in den chemischen Bindungen von Nährstoffmolekülen gespeicherte Energie. Auch sie zerstreuen einen erheblichen Teil der gewonnenen Energie und leiten einen kleinen Teil für alle Arten zellulärer Arbeit um, einschließlich der Synthese komplexer Makromoleküle. Chemotrophe Zellen, zu denen alle tierischen Zellen und die Mehrheit der Protozoen gehören, gewinnen freie Energie aus chemischer Energie, d. h. aus assoziierten Molekülen, die, in Analogie zu den vorherigen, wie teilweise komprimierte Federn sind. Chemotrophe Zellen nehmen diese Moleküle auf und bauen sie schrittweise zu kleineren Molekülen ab, wodurch die Energie dieser „komprimierten Federn“ freigesetzt wird.

Elektronengewinnung und Redox-Reaktionen

Der Fluss von Elektronen in Redox-Reaktionen ist direkt oder indirekt für die gesamte Arbeit verantwortlich, die von den Zellen geleistet wird. Tatsächlich fungieren Elektronendonatoren in den Abbauwegen oft als Energieträger. In der Natur gibt es viele Elektronendonatoren, und Organismen können nach ihrer Art unterschieden werden:

• Lithotrophe Organismen: Dies sind Organismen, die Elektronen aus anorganischen Molekülen extrahieren. Zum Beispiel oxidieren Pflanzen Wasser, wobei O₂ als Nebenprodukt entsteht.
• Organotrophe Organismen: Dies sind Organismen, die, wie Tiere, organische Materialien oxidieren, um Elektronen zusätzlich zur chemischen Energie zu gewinnen.

Man beachte, dass nicht der Elektronendonor selbst die freie Energie liefert, sondern die chemische Reaktion, die ihn oxidiert. Wenn der Donor eine geringere Affinität zum Elektronenakzeptor hat, fließen die Elektronen spontan vom ersten zum zweiten und setzen dabei Energie frei. Zellen verfügen über mehrere Mechanismen, um diese Energie zu nutzen und biologische Arbeit zu leisten.

Grundlagen des Stoffwechsels

Der Stoffwechsel wird als die Summe aller chemischen Umwandlungen definiert, die in Zellen stattfinden.

Stoffwechselwege und Metaboliten

Der Stoffwechsel ist eine hoch koordinierte Zellaktivität, die aus einer Reihe chemischer Reaktionen besteht, den sogenannten Stoffwechselwegen. Ein Stoffwechselweg umfasst zwischen 2 und 20 aufeinanderfolgende Reaktionen, die so organisiert sind, dass das Produkt der ersten Reaktion zum Edukt der zweiten wird und so weiter.

Auf jeder Stufe des Weges gibt es eine kleine chemische Veränderung, in der Regel die Addition, Übertragung oder Entfernung eines Atoms oder einer funktionellen Gruppe. Das Gesamtergebnis ist die Umwandlung eines Vorläufermoleküls in das Endprodukt durch eine Reihe von metabolischen Zwischenprodukten oder deren Metaboliten.

Einige Stoffwechselwege sind linear, andere sind verzweigt (z. B. werden mehrere Produkte aus einem Vorläufer gebildet) und wieder andere sind zyklisch (eine Komponente des Weges wird bei der Umwandlung des Vorläufers in das Produkt regeneriert).

Die allgemeine Gleichung eines Stoffwechselweges wird durch Addition der chemischen Gleichungen Glied für Glied erhalten (d. h. alle Reaktanten auf der linken Seite und alle Produkte auf der rechten Seite aufschreiben) sowie durch Eliminierung der Metaboliten, die in gleicher Menge auf beiden Seiten der Gleichung erscheinen. Für den zyklischen Pfad der rechten Abbildung sind die Gleichungen:

1. a + X₁ → B
2. B → C + Y
3. C + X₂ → D
4. D → 2A

Die allgemeine Gleichung ist X₁ + X₂ → Y + A.

Die Stoffwechselwege können in zwei Kategorien eingeteilt werden:

Katabolismus (Abbau)

• Der Katabolismus ist die Abbauphase des Stoffwechsels: Komplexe Moleküle (wie Proteine oder Polysaccharide) werden in einfache Moleküle (Ethanol, CO₂, NH₃, ...) umgewandelt.
• Die Abbauwege setzen Energie frei, von der ein Teil zurückgewonnen wird, hauptsächlich in Form bestimmter Nukleotide wie ATP, NADH oder FADH2, und der Rest als Wärme abgeführt wird.
• Die Wege sind in der Regel konvergent, d. h. aus verschiedenen Vorstufen werden die gleichen Produkte gebildet.

Anabolismus (Biosynthese)

• Der Anabolismus ist die Phase der Biosynthese: Aus einfachen Vorstufen und Nährstoffen werden komplexe Moleküle (Proteine, Nukleinsäuren, ...) gewonnen.
• Anabole Wege erfordern Energie, die durch Moleküle wie ATP oder NADPH oder externe Energiequellen wie Licht bereitgestellt wird.
• Sie sind in der Regel divergierende Wege: Aus spezifischen Metaboliten werden viele Endprodukte gebildet.

Enzyme als Katalysatoren

Ein gemeinsames Merkmal aller Stoffwechselreaktionen ist, dass sie dazu neigen, sehr langsam abzulaufen, selbst wenn sie energetisch begünstigt sind, d. h. obwohl die Reaktionsprodukte (P) eine niedrigere freie Energie haben als die Reaktanden oder Substrate (S).

Dies liegt daran, dass die Reaktion, damit S zu P oder P zu S wird, einen Übergangszustand erreichen muss, in dem chemische Gruppen ausgerichtet sind, elektrische Ladungen neu geordnet werden, Bindungen gebrochen und andere Veränderungen vorgenommen werden, die eine hohe Aktivierungsenergie erfordern.

Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit

Die Reaktionsgeschwindigkeit kann auf zwei Arten erhöht werden:

• Erhöhung der Temperatur: Dies erhöht die mittlere kinetische Energie der Moleküle (Wärme). Diese Methode erhöht den Anteil der Moleküle, deren Energie die Aktivierungsenergie überschreitet, ist aber unpraktisch, da Zellen im Wesentlichen isotherme Maschinen sind, d. h. sie arbeiten bei konstanter Temperatur.
• Suche nach alternativen Reaktionswegen mit niedrigerer Aktivierungsenergie: Diese Methode basiert auf Molekülen, den sogenannten Katalysatoren, die die „Höhe“ des Übergangszustandes senken und ihn für eine Vielzahl von Molekülen zugänglich machen, die wenig Energie besitzen. Katalysatoren erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit, ohne dabei verbraucht zu werden, und ohne die endgültige freie Energie der Reaktion zu verändern. Wenn eine Reaktion ohne Katalysator nicht spontan ist, wird sie es auch mit ihm nicht sein.

Die meisten Katalysatoren sind Proteine und werden als Enzyme bezeichnet. Es wurden aber auch katalytische RNA-Moleküle, sogenannte Ribozyme, entdeckt.

Einige Enzyme haben einen klassischen Namen, der in der Regel aus dem Substratnamen mit der Endung „-ase“ gebildet wird. So katalysiert die Urease die Hydrolyse von Harnstoff. Die sogenannten systematischen Namen berücksichtigen jedoch sowohl das Substrat als auch die Art der katalysierten Reaktion. Entsprechend dieser Reaktion werden Enzyme in sechs Klassen und deren Unterteilungen eingeteilt, die alle in einer bestimmten Weise nummeriert sind.

Schlüsseleigenschaften von Enzymen

Um zu verstehen, wie Enzyme die Aktivierungsenergie reduzieren, ist es notwendig, vor allem vier Eigenschaften zu kennen:

Aktives Zentrum und Enzym-Substrat-Komplex

Stoffwechselreaktionen finden in Spalten auf der Oberfläche von Enzymen statt, die als aktive Zentren bezeichnet werden. Jedes Enzym hat ein oder mehrere aktive Zentren, die in der Regel nicht mehr als drei oder vier Aminosäuren umfassen, die oft weit voneinander in der primären Struktur des Enzyms getrennt sind. Der entscheidende Punkt in der Wirkung eines Enzyms ist die Bindung des Substrats (S) an die Aminosäuren des aktiven Zentrums, wodurch ein Enzym-Substrat-Komplex (ES) gebildet wird. Nach der chemischen Reaktion entsteht der Enzym-Produkt-Komplex (EP). Schließlich wird das Produkt P freigesetzt, sodass das Enzym für einen neuen Zyklus bereitsteht:

Diese drei Stufen sind reversibel: S-Moleküle können in P umgewandelt werden, P-Moleküle in S-Moleküle, und S oder P können an das Enzym binden und freigesetzt werden, bevor eine Veränderung eintritt. Die Dominanz der einen oder anderen Reaktion hängt vom endgültigen Verhältnis von S und P ab, um die minimale freie Energie des Systems zu erreichen; das Enzym beschleunigt lediglich das Erreichen dieses Gleichgewichts.

Sättigung mit Substrat

Die ES-Komplexbildung wurde aus Experimenten abgeleitet, bei denen mehrere Reagenzgläser mit der gleichen Menge an freiem Enzym (E) vorbereitet und progressiv steigende Mengen seines Substrats (S) hinzugefügt wurden. Es wäre zu erwarten, dass die anfängliche Reaktionsgeschwindigkeit jedes Röhrchens (gemessen an der Menge des in den ersten Augenblicken gebildeten Produkts P) ebenfalls schrittweise zunimmt, da das Gleichgewicht der Reaktion

nach rechts verschoben würde, wenn die Konzentration [S] erhöht wird.

Wenn [S] jedoch sehr hoch ist, bilden alle Enzymmoleküle schnell ES-Komplexe, und eine zusätzliche Erhöhung von [S] hat keinen Einfluss auf die Anfangsgeschwindigkeit: Zusätzliche S-Moleküle müssen warten, bis das Produkt P freigesetzt wird und die Enzyme zur Verfügung stehen, um sich mit ihnen zu verbinden. Es wurde eine Höchstgeschwindigkeit erreicht, und man sagt dann, dass das Enzym mit seinem Substrat gesättigt ist.

Wirksamkeit (Effizienz)

Die von Enzymen katalysierten Reaktionen sind 10⁵ bis 10¹⁷ Mal schneller als die entsprechenden unkatalysierten Reaktionen.

Spezifität

Enzyme sind in zweierlei Hinsicht hochspezifisch:

• Substratspezifität: Das Enzym wirkt nur auf ein bestimmtes Substrat oder auf eine Gruppe von Substraten mit einem gemeinsamen Merkmal. Im Gegensatz dazu können anorganische Katalysatoren auf viele verschiedene Substanzen wirken.
• Reaktionsspezifität: Es findet nur eine chemische Reaktion statt, ohne Nebenreaktionen oder Nebenprodukte. Das heißt, bei enzymatischen Reaktionen wird eine Ausbeute von 100 % erzielt. Ein künstlicher Katalysator erreicht dagegen selten eine Ausbeute von 90 %.

Enzymkinetik: Michaelis-Menten-Gleichung

Bei einer festen Enzymkonzentration variiert die Anfangsgeschwindigkeit V₀ vieler enzymatischer Reaktionen (die Menge des gebildeten Produkts in der ersten Minute) hyperbolisch mit der Substratkonzentration [S].

Wenn [S] zunimmt, steigt V₀ an. Zuerst steigt sie nahezu linear an, aber wenn [S] hoch ist, ist das Enzym mit dem Substrat gesättigt, und V₀ wächst kaum noch: Die Reaktion hat die maximale Geschwindigkeit (V_max) erreicht.

Die Beziehung zwischen V₀ und [S] kann durch die mathematische Gleichung ausgedrückt werden, die 1913 von dem deutschen Biochemiker Leonor Michaelis (1875–1949) und der kanadischen Ärztin Maud Leonora Menten formuliert wurde:

In dieser Gleichung ist K_M eine Konstante, die charakteristisch für das Enzym und sein Substrat ist und als Michaelis-Konstante bekannt ist. Für einfache Reaktionen kann K_M als Maß für die Affinität des Enzyms zu seinem Substrat interpretiert werden. Niedrige K_M-Werte deuten darauf hin, dass der ES-Komplex sehr stabil ist und sich selten auflöst, ohne dass das Substrat reagiert und das Produkt bildet.

Wie aus der Gleichung ersichtlich ist, gilt: Wenn [S] = K_M, dann ist V₀ = 1/2 V_max.

Mechanismus der Enzymwirkung

Die Aufzählung der Eigenschaften von Enzymen wirft verschiedene Fragen auf: Warum sind ihre Wirksamkeit und Spezifität so auffallend? Wenn die aktive Stelle für die enzymatische Aktivität verantwortlich ist, warum wird der Rest des Moleküls benötigt? Die Antwort auf diese Fragen besteht aus zwei unterschiedlichen, aber komplementären Teilen:

Umlagerung kovalenter Bindungen

Bei vielen Enzymen bilden sich vorübergehende kovalente Bindungen zwischen den Aminosäuren des aktiven Zentrums und dem Substrat, wodurch die Energie des letzteren erhöht und der Übergangszustand angenähert wird. Oft werden auch Protonen oder funktionelle Gruppen zwischen dem Enzym und dem Substrat übertragen, um ein Reaktionszwischenprodukt zu stabilisieren, das sich sonst schnell zersetzen würde, wobei die Produkte als Reaktanten fungieren.

Nicht-kovalente Wechselwirkungen und Bindungsenergie

Die Wirksamkeit eines Enzyms ist auf die drastische Verringerung der Aktivierungsenergie (ΔG^‡) zurückzuführen, die es katalysiert. Um ΔG^‡ um einen bestimmten Betrag zu verringern, muss das System Energie aufnehmen. Der größte Teil dieser Energie stammt aus der sogenannten Bindungsenergie (ΔG^B), die freigesetzt wird, wenn das Enzym eine große Anzahl schwacher Wechselwirkungen, wie Wasserstoff- oder Ionenbindungen, mit dem Substrat eingeht.

Die Notwendigkeit mehrerer nicht-kovalenter Bindungen erklärt, warum ein Enzym viel größer ist als seine aktive Stelle: Das Enzym muss funktionelle Gruppen bereitstellen, um Bindungen herzustellen, die durch seine Tertiärstruktur getrennt sind. Dies erklärt auch seine Spezifität: Nur Substrate mit einer bestimmten Struktur können optimal mit den funktionellen Gruppen des Enzyms interagieren.

In diesem Diagramm spiegeln die Veränderungen der Energie einer Reaktion in Abwesenheit (blau) und Gegenwart (rot) des Enzyms wider. Die Aktivierungsenergie, die zum Erreichen des Übergangszustandes erforderlich ist, dargestellt durch ΔG^‡, ist im zweiten Fall (ΔG^‡_Kat) niedriger als im ersten (ΔG^‡_nocat).

Der Unterschied zwischen beiden ist die Bindungsenergie ΔG^B.

Regulierende Faktoren der Enzymaktivität

Die Enzymaktivität kann durch verschiedene physikalische Faktoren wie pH-Wert oder Temperatur gestört werden.

Einfluss von pH-Wert und Temperatur

Eine Änderung des pH-Wertes kann die elektrische Ladung der Seitenketten von Aminosäuren beeinflussen, die für die Interaktion mit dem Substrat notwendig sind. Daher hat jedes Enzym einen optimalen pH-Wert oder pH-Bereich, bei dem seine Aktivität maximal ist. Ein extremer pH-Wert oder eine extreme Temperatur kann das Protein denaturieren.

Inhibitoren

Die Enzymaktivität kann auch durch die Anwesenheit von Inhibitoren beeinflusst werden, Moleküle, die die Reaktionen verlangsamen oder stoppen. Sie werden in zwei Kategorien eingeteilt:

• Irreversible Inhibitoren: Sie binden kovalent an eine wesentliche Gruppe des Enzyms, zerstören oder deaktivieren es dauerhaft. Dazu gehören viele Medikamente und Gifte, wie Nervengas.
• Reversible Inhibitoren: Sie bilden nicht-kovalente Bindungen. Sie können sein:
  • Kompetitive Inhibitoren: Sie ähneln dem Substrat und binden an das aktive Zentrum des Enzyms, reagieren aber nicht. Sie reduzieren die Affinität des Enzyms zu seinem Substrat (K_M steigt), beeinflussen aber nicht die maximale Geschwindigkeit der Reaktion; es muss lediglich die Substratkonzentration erhöht werden, damit das Enzym normal arbeitet.
  • Akompetitive Inhibitoren: Sie binden nur an den ES-Komplex, nicht an das freie Enzym E. Der Enzym-Substrat-Inhibitor-Komplex (ESI) ist katalytisch inaktiv, wodurch die Geschwindigkeit sinkt, aber auch K_M verringert wird.
  • Gemischte Inhibitoren: Sie binden sowohl an E als auch an ES, aber niemals an das aktive Zentrum. Die Inhibitorbindung reduziert sowohl die Affinität des Enzyms zu seinem Substrat (d. h. K_M steigt) als auch die maximale Geschwindigkeit der Reaktion.

Cofaktoren und Coenzyme

Die Enzymaktivität kann nicht nur durch physikalische oder chemische Faktoren beeinflusst werden, sondern auch durch die Anwesenheit von Nicht-Protein-Substanzen, in der Regel mit niedriger Molmasse, den sogenannten Cofaktoren.

Wenn Cofaktoren für die vollständige enzymatische Aktivität notwendig sind, wird das gesamte Enzym als Holoenzym bezeichnet, und sein Proteinanteil (der allein katalytisch inaktiv ist) als Apoenzym.

Cofaktoren können organischer oder anorganischer Natur sein; einige Enzyme benötigen beides.

Anorganische Cofaktoren (Metallionen)

Dies sind Metallionen wie Fe²⁺, Cu⁺, Mg²⁺ oder Zn²⁺, die nur in täglichen Mengen von Mikrogramm bis Milligramm benötigt werden. Einige können als Brückengruppe fungieren und sowohl das Substrat als auch das aktive Zentrum des Enzyms verbinden. Andere können Elektronen von einem Substratmolekül anziehen (z. B. Fe³⁺-Ionen zu Fe²⁺ wechselnd), um sie an andere abzugeben. Schließlich haben einige Ionen, wie Eisen oder Kupfer, selbst eine gewisse katalytische Aktivität, die jedoch durch das Protein stark verstärkt wird.

Organische Cofaktoren (Coenzyme und prosthetische Gruppen)

Organische Cofaktoren sind als Coenzyme bekannt, wenn die Moleküle nur schwach an das Apoenzym gebunden sind. Wenn die Bindung stark (kovalent) ist, werden sie als prosthetische Gruppen bezeichnet.

Im Allgemeinen fungieren diese Moleküle als Vermittler zwischen Enzymen, die den Transfer von Elektronen oder funktionellen Gruppen katalysieren. Jede Reaktionsklasse hat ihr spezifisches Coenzym, das von einem Satz von Enzymen verbraucht und von einem anderen regeneriert wird. Viele Coenzyme sind modifizierte wasserlösliche Vitamine, aber Substanzen wie ATP oder Coenzym Q sind ebenfalls Coenzyme, aber keine Vitamine.

Regulation der Enzymaktivität

Das gesamte komplexe Netzwerk metabolischer Reaktionen findet in einer sehr kleinen Zelle statt, und jede Reaktion erfordert ein anderes Enzym. Oft ist derselbe Metabolit Teil verschiedener Stoffwechselwege; wenn alle gleichzeitig ablaufen würden, würden sie miteinander konkurrieren, was zu Ineffizienz führen würde. Darüber hinaus muss die Geschwindigkeit der Nährstoffaufnahme oder der Biosynthese von Makromolekülen jederzeit an die Bedürfnisse der Zelle angepasst werden. Schließlich erfordert die Zelldifferenzierung in einem vielzelligen Organismus, dass in jedem Zelltyp unterschiedliche Enzyme arbeiten.

Aus all diesen Gründen muss die Enzymaktivität ordnungsgemäß reguliert werden. Diese Regulation erfolgt auf zwei Ebenen:

• Modifikation der Aktivität von Schlüsselenzymen: Die regulatorische Kontrolle des Stoffwechsels befindet sich in der Regel bei den Enzymen, die die ersten Reaktionen eines Stoffwechselweges katalysieren. Es gibt zwei wesentliche Mechanismen:
  • Allosterische Übergänge: Die dreidimensionale Struktur des Enzyms erfährt Modifikationen, die durch die Bindung eines Modulator- oder Effektormoleküls an eine andere Stelle als das aktive Zentrum induziert werden. Manchmal stimuliert der Modulator die Enzymaktivität, und man spricht von einem positiven Modulator oder Aktivator. Häufiger wirkt der Modulator als gemischter Inhibitor und wird als negativer Modulator bezeichnet. Oft ist der positive Modulator das Substrat selbst und der negative Modulator das Endprodukt des Weges.
  • Kovalente Modulation: Sie ist charakteristisch für Enzyme, die in zwei Formen vorliegen können, inaktiv und aktiv, die durch kovalente Bindung, beispielsweise von Phosphatgruppen, ineinander umgewandelt werden. Die Bindung wird durch Enzyme, sogenannte Kinasen, katalysiert.
• Änderung der Enzymmenge: Eine zweite Regulationsebene besteht darin, die verantwortlichen Enzyme in den Lysosomen oder in Proteasomen abzubauen oder die Herstellung neuer Enzyme in den Ribosomen der Zelle genau zum richtigen Zeitpunkt zu steuern.

Zellatmung und Gärung

Traditionell werden Abbauprozesse in zwei Hauptkategorien eingeteilt, bekannt als Atmung und Gärung.

Allerdings gibt es keine formale Unterscheidung, da viele Stoffwechselreaktionen bei Gärung und Atmung gemeinsam sind.

Die globale Gleichung der Atmung

Die Atmung ist ein chemischer Prozess, der in allen Zellen stattfindet, nämlich die Verbrennung von Kohlenwasserstoffverbindungen, vorzugsweise Glucose, die durch folgende Gesamtgleichung symbolisiert werden kann:

Anhand der globalen Gleichung der Glucoseatmung können die Oxidationszustände der beteiligten Kohlenstoffatome berechnet werden (Sauerstoff wird als die Anzahl der direkten Bindungen zu O minus der Anzahl der direkten Bindungen zu H berechnet):

Der Netto-Oxidationszustand von Glucose, bezogen auf die Kohlenstoffatome, ist 0, während der der sechs CO₂-Moleküle 6 × (+4) = +24 beträgt. Dies bedeutet, dass die C-Atome oxidiert wurden: Ihre Bindungen haben insgesamt 24 Elektronen abgegeben, die auf andere Verbindungen mit größerer „Gier“ nach diesen Elektronen übertragen wurden.

Die „Gier“ oder Affinität für Elektronen kann durch das Redoxpotenzial quantifiziert werden, das nichts anderes als eine Spannung ist, ein Maß für die potenzielle Energie, die in der Lage ist, Elektronen von einigen Bindungen zu anderen zu bewegen. Elektronen, negativ geladene Moleküle, neigen dazu, sich zu einem positiveren Redoxpotenzial zu bewegen.

Eine Substanz wie NAD⁺ kann in zwei Formen existieren, oxidiert (NAD⁺) und reduziert (NADH), was ein Redoxpaar bildet (in diesem Fall das Paar NAD⁺/NADH). Die Tendenz der oxidierten Form, Elektronen zu gewinnen und reduziert zu werden, wird durch ihr Oxidations-Reduktions-Potenzial oder Redoxpotenzial gemessen, das durch E dargestellt und in Millivolt (mV) ausgedrückt wird.

Wäre die Atmung eine einfache Verbrennung, würden Elektronen nur einen einzigen großen Sprung zwischen Glucose und O₂ machen, und dieser Quantensprung würde zur plötzlichen Freisetzung von Energie als Wärme und Licht führen. Dies ist nicht der Fall, da bei der Atmung Glucose in kleinen Schritten abgebaut wird und Elektronen enzymatisch kontrolliert Schritt für Schritt durch Coenzyme wie NAD und Cytochrome „abwärts“ fließen, getrennt durch kleine Unterschiede im Redoxpotenzial. Auf diese Weise wird Energie in einer Menge freigesetzt, die für die Synthese von ATP genutzt werden kann.

Folglich umfasst die Atmung den Abbau organischer Moleküle, bei dem Kohlenstoffatome CO₂, den höchsten Oxidationszustand, erreichen, was mit einer mehrstufigen Freisetzung von Energie in kleinen Mengen einhergeht.

Die Rolle von O₂ ist es, als endgültiger Akzeptor von Elektronen aus den C–H-Bindungen organischer Nährstoffe zu fungieren und diese in O–H-Bindungen von Wasser zu überführen. Dies wird als aerobe Atmung bezeichnet.

Einige Bakterien verwenden alternative endgültige Akzeptoren, wie SO₄^2- (reduziert zu H₂S), Fe³⁺-Ionen (reduziert zu Fe²⁺), NO₃^- (reduziert zu NO₂^- und sogar NH₃) oder CO₂ (reduziert zu CH₄). Die Art der Atmung, die diese Bakterien durchführen, wird als anaerobe Atmung bezeichnet.

Wenn der endgültige Elektronenakzeptor keine anorganische Substanz ist (wie O₂ oder die oben genannten alternativen Akzeptoren), sondern eine andere organische Substanz aus dem Elektronendonormolekül selbst, wird der katabole Prozess als Gärung bezeichnet.

Zu den wichtigsten Gärungen gehören die alkoholische Gärung und die Milchsäuregärung, die den folgenden globalen Gleichungen entsprechen:

Katabolismusreaktionen umfassen im Wesentlichen drei Wege: Glykolyse, den Pentosephosphatweg und den Krebs-Zyklus. Eine der bemerkenswertesten Entdeckungen der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts war, dass die Atmung sowie die alkoholische Gärung und die Milchsäuregärung Reaktionen des ersten dieser Wege teilen.

Glykolyse (EMP-Weg)

Die Glykolyse ist sehr universell und findet sich in fast allen Zellen, Prokaryoten und Eukaryoten. Aufgrund ihrer Entdecker wird sie oft auch als Embden-Meyerhof-Parnas-Weg oder EMP-Weg bezeichnet.

Bei der Glykolyse wird ein Glucosemolekül in zwei Pyruvat-Ionen gespalten, die ionisierte Form der Drei-Kohlenstoff-Verbindung Pyruvat, durch eine Kette von zehn enzymkatalysierten Reaktionen (von E1 bis E10).

Durch die Glykolyse gewinnt die Zelle energiereiche Moleküle wie NADH und ATP aus der Glucoseoxidation. Diese Oxidation betrifft eine Aldehydgruppe (–CHO), wobei im Verlauf der zentralen enzymkatalysierten Reaktionen E6 und E7 der oben genannten Sequenz zwei Elektronen als Hydridion H^- freigesetzt und ein Oxid-Anion O^2- akzeptiert werden, was zu einer Carboxylatgruppe (–COO^-) führt:

Das NAD⁺ kann dann die H^--Ionen aufnehmen und NADH bilden, während die verbleibende Energie genutzt werden kann, um ein ADP-Molekül in ATP umzuwandeln.

Um die Oxidationsreaktion zu verdoppeln, wird das Glucosemolekül in zwei Triosen gespalten. Dies liegt daran, dass Glucose nur eine Aldehydgruppe am Kohlenstoff 1 hat; wenn nur dieser Kohlenstoff oxidiert würde, würde das resultierende Molekül fast die gesamte Energie der ursprünglichen Glucose behalten. Die Spaltung der Hexose liefert zwei oxidierbare Aldehydgruppen, was die Ausbeute des Prozesses verdoppelt.

Die Zwischenprodukte der Glykolyse (die Moleküle zwischen Glucose und Pyruvat) sind kovalent an Phosphatgruppen (PO₃^-) gebunden, was ihnen eine negative Ladung verleiht und sie daran hindert, die Zellmembran zu passieren, da der Zelle Transporter für phosphorylierte Zucker fehlen. Darüber hinaus liefert die Bindung von Phosphatgruppen an die aktiven Zentren der Enzyme Energie zur Fixierung, was dazu beiträgt, die Aktivierungsenergie zu senken und die Wirksamkeit der Reaktionen zu erhöhen.

Die Spaltung und Phosphorylierung der Hexose-Zwischenprodukte erzeugt sechs der 13 notwendigen metabolischen Vorstufen für die Synthese von Makromolekülen. Tatsächlich ist die Glykolyse ein amphibolischer Weg, d. h. sie ist an katabolen und anabolen Prozessen beteiligt, da die meisten ihrer Reaktionen reversibel sind und kleine Moleküle in diesem Prozess zur Erzeugung von Hexosen verwendet werden können.

Phase 1: Vorbereitende Phase (Investitionsphase)

Während dieser Phase wird die Hexose für die Schlüsselreaktion des Weges „vorbereitet“, d. h. für die Oxidation der Aldehydgruppen der beiden Triosephosphate, durch die folgenden Schritte:

• Phosphorylierung von Glucose: Glucose gelangt durch erleichterte Diffusion (passiver Transport) in die Zelle, und die Hydroxylgruppe (–OH) am Kohlenstoff 6 empfängt eine Phosphatgruppe von ATP, wodurch Glucose-6-Phosphat entsteht (und die Zelle nicht verlassen kann).
• Vorbereitung der Hexosespaltung: Damit das Hexosemolekül in zwei Triosen gespalten werden kann, die zuvor an Position 3 phosphoryliert wurden, muss es nicht nur am Kohlenstoff 6, sondern auch am Kohlenstoff 1 phosphoryliert werden. Dies erfordert:
  • Dass Glucose-6-Phosphat zu Fructose-6-Phosphat isomerisiert wird.
  • Dass eine zweite Phosphorylierung stattfindet, die ein weiteres ATP-Molekül verbraucht und Fructose-1,6-bisphosphat bildet.
• Bildung von zwei phosphorylierten Triosen: Der Ring von Fructose-1,6-bisphosphat öffnet sich, und dann wird die Bindung zwischen den C-Atomen 3 und 4 gespalten. Es entstehen Glycerinaldehyd-3-Phosphat und Dihydroxyacetonphosphat. Da die Carbonylgruppe des Ketons nicht so leicht oxidiert wie die Aldehydgruppe, wird Dihydroxyacetonphosphat zu einem zweiten Molekül Glycerinaldehyd-3-Phosphat isomerisiert.

Phase 2: Gewinnphase (Ertragsphase)

Paradoxerweise beginnt ein Weg wie die Glykolyse, der zur ATP-Produktion bestimmt ist, mit deren Verbrauch: In der ersten Phase werden zwei ATP-Moleküle investiert, deren freie Energiegehalt die Zwischenprodukte erhöht. Die anfängliche Investition muss in der zweiten Phase zusammen mit den entsprechenden „Zinsen“ zurückgewonnen werden. Daher wird dieser Satz von fünf Reaktionen, der zweimal abläuft, da ein Glucosemolekül in zwei Glycerinaldehyd-3-Phosphate gespalten wird, als Gewinnphase bezeichnet.

Es ist eine Folge von zwei Ereignissen:

• Die Aldehydgruppe des Glycerinaldehyd-3-Phosphats wird durch die enzymatische Übertragung eines Hydridions (:H^-) auf NAD⁺ oxidiert. Das NAD⁺ wird somit zu NADH reduziert, aber die Aldehydgruppe wird nicht direkt zu einer Carboxylatgruppe oxidiert, sondern zu einem Acylphosphat von 1,3-Bisphosphoglycerat. Das Acylphosphat von 1,3-Bisphosphoglycerat wird durch Übertragung einer Phosphorylgruppe auf ADP in die Carboxylatgruppe von 3-Phosphoglycerat umgewandelt, wodurch ATP gebildet wird.
• Die Phosphoesterbindung am dritten Kohlenstoffatom von 3-Phosphoglycerat hat eine relativ niedrige Hydrolyseenergie. Um die Phosphorylgruppe auf ADP zu übertragen und das in der Vorbereitungsphase verbrauchte ATP zurückzugewinnen, ist es zunächst notwendig, die Bindung vom Kohlenstoff 3 zum Kohlenstoff 2 zu verschieben, wodurch 3-Phosphoglycerat zu 2-Phosphoglycerat wird. Nach dieser Umlagerung wird das 2-Phosphoglycerat oxidiert, wodurch die Verbindung in Phosphoenolpyruvat, ein energiereiches phosphoryliertes Molekül, umgewandelt wird. Hier wird die Phosphorylgruppe von dieser energiereichen Verbindung auf ADP übertragen, wodurch ATP und Pyruvat gebildet werden.

Die globale Gleichung der Glykolyse kann durch Addition der Reaktionsgleichungen Glied für Glied und Vereinfachung der gemeinsamen Terme auf beiden Seiten erhalten werden. Unter Berücksichtigung, dass in der vorbereitenden Phase zwei ATP-Moleküle verbraucht werden, aber in der Gewinnphase, die doppelt abläuft, vier entstehen, ergibt sich:

Die beschriebene Glykolyserate findet im Cytosol der meisten Prokaryoten und Eukaryoten statt. Die bemerkenswerteste Ausnahme betrifft Pflanzen, wo sie auch in den Chloroplasten stattfindet. Obwohl die Enzyme, die die Reaktionen katalysieren, von Zelle zu Zelle variieren können, ist das Endergebnis in allen Fällen dasselbe.

Viele Kohlenhydrate außer Glucose münden schließlich in die Glykolyse, nachdem sie in eines der Zwischenprodukte des Weges umgewandelt wurden:

• Intrazelluläre Reservepolysaccharide wie Glykogen werden durch Enzyme innerhalb der Zelle mobilisiert, indem die Glucose-Reste nacheinander als Glucose-1-Phosphat extrahiert werden, das dann in Glucose-6-Phosphat umgewandelt wird.
• Über die Nahrung aufgenommene Kohlenhydrate, wie Stärke, Laktose oder Saccharose, werden durch die Wirkung von Verdauungsenzymen, den sogenannten Hydrolasen, hydrolysiert. Die resultierenden Monosaccharide wie Fructose oder Galactose passieren das Darmepithel, werden von den Zellen aufgenommen und in phosphorylierte Formen umgewandelt, die schließlich in die Glykolyse als Glucose-6-Phosphat oder Fructose-6-Phosphat eintreten.

Stoffwechselwege nach der Glykolyse

Die Produkte der Glykolyse: Pyruvat, NADH und einige Zwischenprodukte wie Glucose-6-Phosphat können mehrere Wege einschlagen:

1. Pentosephosphatweg (Phosphoglukonat-Weg)

Ein Teil des in der Glykolyse produzierten Glucose-6-Phosphats wird vom Weg „abgelenkt“ und ausschließlich im Cytosol oxidiert, mit folgenden Funktionen:

• Nutzung von fünf der sechs Kohlenstoffatome der Glucose zur Synthese einer Pentose, der Ribose-5-Phosphat, die ein wesentlicher Bestandteil von Nukleotiden und Nukleinsäuren ist.
• Produktion von NADPH als Elektronenquelle, die zur Synthese von Fettsäuren, Cholesterin und Steroidhormonen benötigt wird.
• Verstoffwechselung von Pentosen aus der Verdauung von Nukleinsäuren und deren Umwandlung in Zwischenprodukte der Glykolyse, wie Glycerinaldehyd-3-Phosphat.

2. Pyruvat- und NADH-Weg unter anaeroben Bedingungen (Gärung)

Bei der Oxidation organischer Verbindungen werden Elektronen auf NAD⁺ übertragen, das dadurch zu NADH reduziert wird. Da Zellen nur eine begrenzte Anzahl von NAD⁺ besitzen, muss NADH recycelt werden, um NAD⁺ zu regenerieren. Wenn kein O₂ vorhanden ist, müssen die Elektronen von NADH auf NAD⁺ oxidiert werden, aber unter anaeroben Bedingungen fehlt den Zellen Sauerstoff, und sie verwenden das Pyruvat selbst als Elektronenakzeptor (Gärung), um reduzierte Produkte wie Laktat (Milchsäuregärung), Ethanol (alkoholische Gärung), Propionat oder Aceton zu bilden.

3. Pyruvat- und NADH-Weg unter aeroben Bedingungen

Die meisten eukaryotischen Zellen und eine große Anzahl von Bakterien sind aerob. Für diese Organismen ist die Glykolyse nur die erste Stufe des vollständigen Abbaus von Glucose durch die Atmung, ein Prozess, bei dem das in der Glykolyse gebildete Pyruvat, anstatt zu Laktat oder einem anderen Gärungsprodukt reduziert zu werden, zu CO₂ oxidiert wird. Folglich werden mehr Elektronen freigesetzt, die von Akzeptoren wie NAD⁺ aufgenommen werden. Das verbrauchte NAD⁺ wird regeneriert, indem die Elektronen von NADH entlang einer Abfolge von Trägern, der sogenannten Atmungskette, bis zum O₂ übertragen werden. Dieser Prozess setzt große Mengen an Energie frei, die als ATP genutzt wird.

Die Pyruvatoxidation erfolgt über den Krebs-Zyklus, der in eukaryotischen Zellen in der mitochondrialen Matrix stattfindet.

Der Kohlenstoff „tritt“ in diesen Zyklus als Acetylgruppe ein, die durch eine Thioesterbindung an ein Coenzym gebunden ist; das resultierende Molekül ist Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA).

Das im Cytosol gebildete Pyruvat wird in die Mitochondrien transportiert. Es kann frei durch die äußere Mitochondrienmembran über Porine diffundieren, aber um die innere Membran zu passieren, ist die Beteiligung eines aktiven Transporters, der Pyruvat-Translokase, erforderlich, der Pyruvat gegen OH^--Ionen austauscht.

Anschließend wird Pyruvat durch den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex (ein Komplex aus drei Enzymen und mehreren Coenzymen) in Acetyl-CoA umgewandelt, ein Prozess, der als oxidative Decarboxylierung bekannt ist und dessen Gesamtgleichung lautet:

Die oxidative Decarboxylierung beginnt mit dem Abbau von Kohlenstoff 1 von Pyruvat als CO₂. Der Kohlenstoff 2 wird dann zu einer „aktivierten“ Aldehydgruppe, die, wie in der Glykolyse, oxidiert wird und Elektronen an NAD⁺ abgibt. Die durch die Oxidation freigesetzte Energie wird in der Thioesterbindung von Acetyl-CoA konserviert.

Der Krebs-Zyklus (Citratzyklus)

Der Krebs-Zyklus ist von zentraler Bedeutung im Stoffwechselnetzwerk der Zelle. Er ist nicht nur das Tor für den aeroben Abbau aller Moleküle, die Acetylgruppen in sich aufnehmen können, sondern auch eine wichtige Quelle für metabolische Vorläufermoleküle wie Aminosäuren, Stickstoffbasen oder Cholesterin.

Der Name des Zyklus geht auf seinen wichtigsten Entdecker, den deutsch-britischen Biochemiker Hans Adolf Krebs (1900–1981), zurück, der ihn auch als Zitronensäurezyklus taufte, da dies das erste Molekül ist, das auf dem Weg gebildet wird. Da diese Säure drei Carboxylgruppen besitzt, wurde der Weg auch als Tricarbonsäurezyklus bezeichnet. Der Krebs-Zyklus besteht aus einer Abfolge von acht Reaktionen, die so organisiert sind, dass ein Substrat des ersten, das Oxalacetat, das Produkt des letzten ist.

Bei jeder Runde des Zyklus treten die folgenden Prozesse auf:

• Es treten zwei kleine Kohlenstoffatome in Form von Acetyl-CoA und zwei H₂O-Moleküle in Kondensations- und Hydratisierungsreaktionen ein. Im Gegenzug werden zwei Kohlenstoffatome als CO₂ und zwei Protonen (H⁺) oxidiert.
• Es werden drei Elektronenpaare auf NAD⁺ übertragen, wodurch drei NADH entstehen. Manchmal wird anstelle von NADH NADPH produziert.
• Ein viertes Elektronenpaar ist weniger energiereich als die vorherigen und kann NAD⁺ nicht reduzieren, sondern Ubichinon oder Coenzym Q, wodurch QH₂ entsteht. Hierfür wird ein Enzym verwendet, das FAD als Cofaktor nutzt und in der inneren Mitochondrienmembran von Eukaryoten bzw. der Plasmamembran von Prokaryoten verankert ist, während die übrigen Zyklusenzyme in der mitochondrialen Matrix bzw. im Cytosol löslich sind.
• Eine Oxidation ist mit der Erzeugung von ATP durch einen Prozess der Substratkettenphosphorylierung gekoppelt. In tierischen Zellen kann stattdessen GTP gebildet werden, obwohl dieses Molekül seine Phosphorylgruppe oft an ein ADP-Molekül abgibt, um ATP zu bilden.

Das Gesamtergebnis des Krebs-Zyklus ist:

Die globale Gleichung der Oxidation von Glucose zu sechs CO₂ durch den Krebs-Zyklus lautet:

Die Zwischenprodukte des Zyklus dienen als Ausgangsstoffe in verschiedenen anabolen Wegen. Zum Beispiel ist Succinyl-CoA ein Zwischenprodukt bei der Synthese von Hämoglobin und Chlorophyll. Das heißt, der Krebs-Zyklus ist ein amphibolischer Weg.

Zwischenprodukte, die in anabolen Prozessen verwendet werden, müssen zurückgewonnen werden, da der Zyklus sonst zum Stillstand käme. Dies wird durch bestimmte Prozesse gewährleistet, die als anaplerotische Reaktionen (wörtlich: „Auffüllreaktionen“) bekannt sind und Pyruvat oder Phosphoenolpyruvat in Oxalacetat oder Malat umwandeln.

Katabolismus von Lipiden und Proteinen

Das Acetyl-CoA ist ein Konvergenzpunkt, an dem andere Abbauprozesse neben dem Abbau von Kohlenhydraten zusammenlaufen.

1. Fettsäure-Katabolismus (Beta-Oxidation)

Die Oxidation von Fettsäuren findet hauptsächlich in den Peroxisomen von Pflanzen und den Mitochondrien von Tieren statt. Der Prozess umfasst drei Schritte:

• Aktivierung: Fettsäuren mit 12 oder weniger Kohlenstoffatomen sind frei in den Mitochondrien und werden dort aktiviert. Die Aktivierung von Fettsäuren mit 14 oder mehr Kohlenstoffatomen erfolgt jedoch in der Regel auf der cytosolischen Seite der äußeren Mitochondrienmembran. Um die relative Stabilität der C–C-Bindungen in einer Fettsäure zu überwinden, wird die Carboxylgruppe durch eine Thioesterbindung mit Coenzym A aktiviert, wodurch ein Acyl-CoA (nicht Acetyl-CoA) entsteht. Bei der Hydrolyse werden zwei energiereiche Bindungen von ATP und Pyrophosphat (PPi) verbraucht, dessen sofortige Hydrolyse zu zwei Phosphaten (Pi) große Mengen an Energie freisetzt, die die Reaktion in Richtung der Acyl-CoA-Bildung treibt.
• Transport: Aktivierte Fettsäuren auf der cytosolischen Seite der äußeren Mitochondrienmembran müssen die innere Mitochondrienmembran durchqueren. Dazu bindet das gebildete Acyl-CoA vorübergehend an Carnitin, das durch den sogenannten Acyl-Carnitin-Transporter in die mitochondriale Matrix diffundiert.
• Beta-Oxidation: Dies ist ein wiederkehrender Zyklus von vier Schritten. Die ersten drei beinhalten die Oxidation des Kohlenstoffs in Acyl-CoA, der zweite nach dem Kohlenstoff der Carboxylgruppe. Der vierte Schritt, die Spaltung zwischen den Kohlenstoffatomen α und β, erzeugt ein Acetyl-CoA-Molekül und ein Acyl-CoA mit zwei C-Atomen weniger.

2. Katabolismus von Triglyceriden

Fettsäuren, die von Zellen als Brennstoff verwendet werden, können aus Triglyceriden gewonnen werden, die in Geweben wie dem Fettgewebe gespeichert oder in der Leber aus überschüssigen Kohlenhydraten in der Nahrung hergestellt werden.

Fette sind die wichtigste Energiereserve des Organismus, da ihre Kohlenstoffatome im Vergleich zu denen von Zuckern oder Aminosäuren fast vollständig reduziert sind, sodass ihre Oxidation mehr ATP liefert. Da sie in Wasser unlöslich sind, sind sie nicht hydratisiert und können in den Reservegeweben stärker „gepackt“ werden.

Um in die Zellen zu gelangen, müssen Triglyceride durch Enzyme, sogenannte Lipasen, hydrolysiert werden, wodurch Glycerin und Fettsäuren entstehen:

Triacylglycerol + 3 H₂O → Glycerin + 3 Fettsäuren

Die Fettsäuren werden als Ionen in die Zelle transportiert, wo sie die Beta-Oxidation durchlaufen. Glycerin wird seinerseits durch ein ATP phosphoryliert, und das resultierende Glycerin-3-Phosphat wird oxidiert, wodurch NADH und Dihydroxyacetonphosphat entstehen, das in die Glykolyse eintritt.

3. Protein-Katabolismus

Bei Tieren können Aminosäuren ebenfalls zur Energieproduktion beitragen. Pflanzen hingegen verwenden Aminosäuren niemals als Energiequelle.

Beim Menschen tritt die Aminosäureoxidation in drei verschiedenen Situationen auf:

• Während des normalen Umsatzes zellulärer Proteine: Die meisten Proteine in der Zelle haben eine begrenzte Lebensdauer und werden abgebaut. Dieses Recycling erneuert und verjüngt zelluläre Strukturen und befreit die Zelle von fremden, denaturierten oder falsch gefalteten Proteinen. Letztere sind kurzlebig und werden im Cytosol in Proteinkomplexen, den sogenannten Proteasomen, abgebaut, während langlebigere Proteine schließlich durch Lysosomen verdaut werden.
• Proteinreiche Ernährung: Nahrungsproteine werden im Darm durch Enzyme, sogenannte Proteasen, zu Aminosäuren abgebaut. Wenn die aufgenommene Menge an Aminosäuren den Bedarf für die Proteinsynthese übersteigt, wird der Überschuss abgebaut, da Aminosäuren nicht gespeichert werden können.
• Bei Hunger oder Krankheiten wie Diabetes mellitus: In solchen Situationen gibt es keine Kohlenhydratreserven, oder sie können nicht richtig genutzt werden, und Zellproteine werden als Brennstoff verwendet.

Der erste Schritt beim Abbau von Aminosäuren ist die Trennung ihrer Aminogruppe vom Kohlenstoffgerüst.

Im Allgemeinen wird die Aminogruppe dank Enzymen, den sogenannten Transaminasen, auf α-Ketoglutarat übertragen, wodurch Glutamat gebildet wird. Dieses gelangt in die Mitochondrien der Leber, wo die toxische Aminogruppe als Ammoniumion (NH₄⁺) freigesetzt wird, das in der Leber vieler Tiere durch einen zyklischen Prozess, den sogenannten Harnstoffzyklus, in Harnstoff (H₂N–CO–NH₂) umgewandelt wird. Harnstoff gelangt in den Blutkreislauf und wird über die Nieren mit dem Urin ausgeschieden.

Die oxidierten Kohlenstoffgerüste treten als Zwischenprodukte in den Krebs-Zyklus ein, insbesondere als Acetyl-CoA, α-Ketoglutarat, Succinyl-CoA, Fumarat und Oxalacetat. Einige Aminosäuren werden auch zu Pyruvat abgebaut.

Atmungskette und oxidative Phosphorylierung

ATP wird aus ADP durch die Addition einer Phosphorylgruppe gebildet, d. h. durch Phosphorylierung. Dieser Prozess ist immer an die Übertragung eines Elektronenpaares zwischen zwei Substanzen gekoppelt, die durch eine Redoxpotenzialdifferenz von 300 mV getrennt sind.

Bei der Substratkettenphosphorylierung ist der Elektronendonor ein Metabolit wie Glycerinaldehyd-3-Phosphat, eine energiereiche phosphorylierte Verbindung, die eine Phosphorylgruppe auf ADP überträgt. Die Menge an ATP, die durch diese Methode gewonnen wird, ist gering.

Der größte Teil des bei der Zellatmung gebildeten ATP stammt aus der Reduktion von O₂ mit Elektronen, die von NADH oder anderen Coenzymen (FADH2, Chinonen, ...) über ein System von Membrantransportern, der sogenannten Atmungskette, gespendet werden. Dieser Prozess wird als oxidative Phosphorylierung bezeichnet und hängt vom Fluss von H⁺ oder Na⁺ über Membranen ab.

Elektronentransporter und Komplexe

Die Atmungskette befindet sich in der Plasmamembran von Bakterien oder in der inneren Mitochondrienmembran von eukaryotischen Zellen. Sie besteht aus Elektronenträgern, die nacheinander wirken, von denen die meisten integrale Membranproteine mit prosthetischen Gruppen sind, die ein oder zwei Elektronen abgeben und akzeptieren können. Es werden vier Klassen dieser Transporter unterschieden: Flavoproteine (FAD), Coenzym Q oder Ubichinon (der einzige Elektronenträger, der nicht Teil eines Proteins ist und sich frei durch die Phospholipid-Doppelschicht der inneren Mitochondrienmembran bewegt), Cytochrome (a, a₃, b, c, c₁) und Eisen-Schwefel-Zentren.

Abgesehen von Ubichinon, das durch die Lipiddoppelschicht diffundiert, und Cytochrom c, das sich im Intermembranraum befindet, bilden die Elektronenträger der Atmungskette supramolekulare Komplexe in der inneren Mitochondrienmembran. In den Mitochondrien tierischer Zellen finden sich vier große Komplexe:

• Komplex I oder NADH-Dehydrogenase: Er ist größer als ein Ribosom und überträgt Elektronen von NADH auf Ubichinon. Er enthält FMN als prosthetische Gruppe und mindestens sechs FeS-Zentren.
• Komplex II oder Succinat-Dehydrogenase: Dies ist das Enzym, das die Umwandlung von Succinat in Fumarat im Krebs-Zyklus katalysiert und Elektronen an Ubichinon abgibt. Er besitzt FAD und drei FeS-Zentren als prosthetische Gruppen.
• Komplex III oder bc1-Komplex: Der Name rührt daher, dass dieser Komplex Cytochrome b und c₁ sowie ein spezielles Eisen-Schwefel-Zentrum, das sogenannte Rieske-Zentrum, enthält. Er überträgt Elektronen von Ubichinon auf Cytochrom c.
• Komplex IV oder Cytochrom-Oxidase: Er enthält Cytochrom a und a₃ sowie Kupferatome, die in der Lage sind, vom oxidierten Zustand (Cu²⁺) in den reduzierten Zustand (Cu⁺) überzugehen. Er überträgt Elektronen von Cytochrom c auf O₂.

In Pflanzenzellen gibt es eine zum Cytosol orientierte Dehydrogenase, die Elektronen direkt von dem in der Glykolyse gebildeten NADH auf Ubichinon überträgt. Dieses Enzym fehlt in tierischen Zellen.

Shuttle-Systeme für NADH

Dieser Mangel schafft ein Problem in tierischen Zellen: Komplex I nimmt Elektronen nur von NADH auf, wenn dieses in der mitochondrialen Matrix vorhanden ist. Das in der Glykolyse erzeugte NADH könnte daher grundsätzlich nicht durch die Atmungskette oxidiert werden, da es sich im Cytosol befindet und die innere Mitochondrienmembran für NADH undurchlässig ist. Es gibt jedoch Shuttle-Systeme, die Elektronen von cytosolischem NADH über einen indirekten Weg in die Atmungskette transportieren. Das aktivste davon, das Malat-Aspartat-Shuttle, überträgt Elektronen von cytosolischem NADH auf ein NAD⁺-Molekül in der Matrix, das zu NADH reduziert wird, um seine Elektronen dann auf Komplex I zu übertragen. Das Glycerin-3-Phosphat-Shuttle, das in der Skelettmuskulatur und im Gehirn charakteristisch ist, überträgt Elektronen direkt auf Ubichinon und „umgeht“ damit Komplex I.

Die chemiosmotische Hypothese

Die Elektronen fließen von einem Träger zu einem anderen mit einem positiveren Redoxpotenzial, und dieser Prozess setzt Energie frei, die zur Synthese von ATP genutzt werden kann. Diese Kopplung erfolgt durch den Mechanismus, der 1961 von dem britischen Biochemiker Peter Dennis Mitchell vorgeschlagen wurde und dessen Stufen er als chemiosmotische Hypothese bezeichnete. Der Prozess läuft in zwei Schritten ab:

• Bildung eines Protonengradienten: Die Komplexe I, III und IV der Atmungskette fungieren als Protonenpumpen: Sie nutzen die Energie, die durch den Elektronenfluss bereitgestellt wird, um jeweils 4, 4 und 2 H⁺ aus den Mitochondrien „auszuwerfen“. Insgesamt werden 10 H⁺ pro NADH, das Elektronen an die Atmungskette abgibt, gepumpt, und 6 H⁺, wenn die Elektronen direkt über Ubichinon übertragen werden. Das Ergebnis ist die Bildung eines Gradienten der Protonenkonzentration auf beiden Seiten der inneren Mitochondrienmembran.
• Nutzung des Protonengradienten zur ATP-Synthese: Da die H⁺ eine elektrische Ladung tragen, reichern sie sich auf einer Seite der Membran an und erzeugen sowohl eine elektrische Potenzialdifferenz zur anderen Seite als auch eine pH-Differenz, was eine Ansammlung von Energie darstellt. Diese Energie wird freigesetzt, wenn H⁺ passiv in die Matrix zurückfließt. Diese Rückkehr erfolgt über einen Komplex der inneren Membran, die sogenannte ATP-Synthase oder ATPase.

Vergleicht man die Anzahl der H⁺, die durch die Atmungskette gepumpt werden, mit der Anzahl der H⁺, die zur ATP-Synthese benötigt werden, kommt man zu dem Schluss, dass für jedes NADH, das seine Elektronen überträgt, 3 ATP erzeugt werden. Es ist jedoch zu beachten, dass der H⁺-Gradient nicht nur zur ATP-Synthese genutzt wird. Viele Transporter in der inneren Mitochondrienmembran beziehen ihre Energie direkt aus dem H⁺-Gradienten, nicht aus ATP. Dies ist der Fall bei Transportern, die die für die ATP-Synthese notwendigen Moleküle ADP und Pi in die mitochondriale Matrix einführen, während sie das neu gebildete ATP freisetzen. Diese Prozesse verbrauchen zusätzliche H⁺, sodass die Synthese von drei ATP in Wirklichkeit den Fluss von 13 H⁺ erfordert (10 für einen vollständigen Rotorzyklus und 3 für die entsprechenden ADP und Pi).

Täglich werden weitere zelluläre Prozesse entdeckt, deren Energiequelle nicht die Hydrolyse von ATP ist, sondern der Fluss von H⁺ aufgrund des Konzentrationsgradienten oder in vielen Fällen der Fluss von Na⁺-Ionen. Wir können die Analogie von Lipmann erweitern und schlussfolgern, dass alle bekannten Zellen zwei Energiewährungen besitzen: eine lösliche (ATP, manchmal GTP) und eine membrangebundene (Protonengradient und/oder Natriumionen). Die ATP-Synthase wäre eine Art „Wechselstube“, die in der Lage ist, eine Währung in die andere umzuwandeln.