BIOCHEMISCHE GRUNDLAGEN DER ERNÄHRUNG Dr. rer. nat. Marcel Jenny Sektion für Medizinische Biochemie Biozentrum Medizinische Universität Innsbruck Email: Marcel.Jenny@i med.ac.at I. Die Nährstoffe II. Konzepte und Grundmuster des Stoffwechsels III. Die Energiegewinnung aus Nährstoffen Glykolyse Citratzyklus Oxidative Phosphorylierung Gluconeogenese IV. Vernetzung der Stoffwechselwege Die Nährstoffe Nährstoffe sind chemisch definierte organische und anorganische Bestandteile der Nahrung, die zur Lebenserhaltung im Stoffwechsel (STW) verarbeitet werden und als Energieliferanten, Baustoffe und Steuerungssubstanzen dienen. • essentielle Nährstoffe: auf die der Betrieb des STW angewiesen ist, der Organismus aber nicht selbst synthetisieren kann und über die Nahrung aufgenommen werden müssen. • nicht essentiellen Nährstoffe: können im Org. synthetisiert werden, vorausgesetzt, dass die Nahrung ausreichend geeignete Vorstufen enthält. Kohlenhydrate (KH) • Hauptnahrungsquelle aller heterotropher Organismen • KH werden nicht nur zur Energiegewinnung, sondern auch als Ausgangssubstanzen von Speicher und Gerüststoffen genutzt. • Die Grundeinheit aller KH sind einfache Zucker (Monosaccharide), welche eine starke Neigung zur Polymerisierung zeigen. • Stärke und Glykogen sind die wichtigsten Polysaccharide für die Ernährung und den STW des Menschen Cellulose ist der wichtigste Ballaststoff • KH sind keine essentiellen Nährstoffe, da alle für den Menschen notwendigen KH prinzipell auch vom Menschen synthetisiert werden können. • KH freie Ernährung ist nur schwer realisierbar und gilt als ungesund • Empfehlung zur Deckung des Energiebedarfs: 50 % KH, 35% Fette und 15% Protein • Ernährung in der westlichen Welt: 50% KH und 50 % Fette + Energieaufnahme mit Ethanol (Alkohol konsumierende Teil der Bevölkerung deckt ~8 % der gesamten Energiezufuhr durch Alkohol)
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Die Nährstoffe BIOCHEMISCHE GRUNDLAGEN DER … · BIOCHEMISCHE GRUNDLAGEN DER ERNÄHRUNG Dr. rer. nat. Marcel Jenny Sektion für Medizinische Biochemie Biozentrum Medizinische Universität
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BIOCHEMISCHE GRUNDLAGENDER ERNÄHRUNG
Dr. rer. nat. Marcel JennySektion für Medizinische BiochemieBiozentrumMedizinische Universität InnsbruckEmail: Marcel.Jenny@i med.ac.at
I. Die Nährstoffe
II. Konzepte und Grundmuster des Stoffwechsels
III. Die Energiegewinnung aus Nährstoffen
Glykolyse
Citratzyklus
Oxidative Phosphorylierung
Gluconeogenese
IV. Vernetzung der Stoffwechselwege
Die Nährstoffe
Nährstoffe sind chemisch definierte organische und anorganischeBestandteile der Nahrung, die zur Lebenserhaltung im Stoffwechsel (STW)
verarbeitet werden und als Energieliferanten, Baustoffe undSteuerungssubstanzen dienen.
• essentielle Nährstoffe: auf die der Betrieb des STW angewiesen ist,der Organismus aber nicht selbst synthetisierenkann und über die Nahrung aufgenommenwerden müssen.
• nicht essentiellen Nährstoffe: können im Org. synthetisiert werden,vorausgesetzt, dass die Nahrungausreichend geeignete Vorstufen enthält.
Kohlenhydrate (KH)• Hauptnahrungsquelle aller heterotropher Organismen
• KH werden nicht nur zur Energiegewinnung, sondern auch als Ausgangssubstanzen von
Speicher und Gerüststoffen genutzt.
• Die Grundeinheit aller KH sind einfache Zucker (Monosaccharide), welche eine starke
Neigung zur Polymerisierung zeigen.
• Stärke und Glykogen sind die wichtigsten Polysaccharide für die Ernährung und den STW
des Menschen Cellulose ist der wichtigste Ballaststoff
• KH sind keine essentiellen Nährstoffe, da alle für den Menschen notwendigen KH
prinzipell auch vom Menschen synthetisiert werden können.
• KH freie Ernährung ist nur schwer realisierbar und gilt als ungesund
• Empfehlung zur Deckung des Energiebedarfs: 50 % KH, 35% Fette und 15% Protein
• Ernährung in der westlichen Welt: 50% KH und 50 % Fette + Energieaufnahme mit
Ethanol (Alkohol konsumierende Teil der Bevölkerung deckt ~8 % der gesamten
Energiezufuhr durch Alkohol)
Fettsäuren:
gerade Anzahl von C Atomenunverzweigtunterschiedlich lang (C4 – C24)können eine oder mehrere Doppelbindungenin ihren C Ketten enthalten einfache bzw.mehrfach ungesättigte FS
Lipide• Lipide sind eine wichtige Energiereserve, haben aber auch die Funktion als Baustoffe
(Bestandteil von biologischen Membranen), als thermische undmechanischeIsolatoren, sowie als Lösungsmittel für lipidlösliche Substanzen (z.B. fettlöslicheVitamine)
• Als Nahrungskomponente sind nur die Triglyceride (Triacylglycerine) von quantitativerBedeutung (98%) – 2% der Nahrungslipide: Cholesterin und Phospholipide
• Triglyceride sind Ester, aus Glycerin und drei Fettsäuren (FS)
• Die beiden C18 FS Linolsäure (2 Doppelbindungen) und Linolensäure (3 Doppelbindungen), sowie die C20 FS Arachidonsäure (4 Doppelbindungen) sind essentielleFS, während alle anderen aus Acetyl CoA synthetisiert werden können.
Proteine• Die zentrale Stellung der Proteine beruht darauf, dass die genetische Information in
Form von Proteinen ausgedrückt wird.
• Sie sind Baustoffe (u.a. von biologischen Membranen), fungieren in Form von Enzymen
als Biokatalysatoren, dienen als Hormone und Rezeptoren der Informations
übermittlung und steuern auch sonst in vielfältiger Art die Lebensprozesse jeder Zelle.
• Im Gegensatzt zu Fett und KH werden Proteine beim Menschen nicht gezielt als
Energiereserve gespeichert. Bei entsprechender Anforderung kann aber auch Protein
energetisch verwertet werden.
• Proteine sind Polymere von Aminosäuren (AS), werden im Stoffwechsel ständig
abgebaut undmüssen durch Biosynthesen ersetzt werden.
• Der Proteinbedarf ist im Grunde genommen ein Bedarf an AS.
• Der Mensch benötigt 20 AS zur Proteinbiosynthese:
• Fettlösliche Vitamine akkumulieren im Fettgewebe, während wasserlösliche Vitamine
nur im geringen Umfang gespeichert werden. Den aktuellen Bedarf überschreitende
Mengen, werden renal ausgeschieden.
• DieMengen, zur Ausübung der biochemischen Wirkung von Vitaminen, liegen im
Bereich von Spuren (Gesamtbestand von z.b. ~0.1 mg Vitamin K oder ~ 3.5 g Vitamin C
im Organismus)
• Alle wasserlöslichen Vitamine haben Coenzymfunktion bei zahlreichen enzymatischen
Reaktionen des STW
Mineralstoffe• Mineralstoffe sind anorganische Nährstoffe und werden im Gegensatz zu organischen
Nährstoffe (KH, Lipide undProteine) nicht verstoffwechselt.
• Mineralstoffe werden in größeren Mengen deponiert, aus den Depots freigesetzt undzwischen Kompartimenten verschoben (Mineralstoffumsatz).
• Mineralstoffe werden ausschließlich nach quantitativen Aspekt in die Kategorie derMengenelemente (Tagesbedarf >100 mg) und der Spurenelemente (Tagesbedarf <100mg) eingeteilt.
Die Hydrolyse von ATP ändert das Glgw.-Verhältnis einer Reaktionsfolge um den Faktor von etwa 108, wodurch eine thermodynamisch ungünstigen Reaktion eine sehr günstige
umgewandelt werden kann.
ADP + Pi ATP + H2O +30.5 kJ/mol
Das Phosphorylgruppenübertragungspotential isteine wichtige Form der Energieumwandlung
Kreatinphosphat + ADP + H+ ATP + Kreatin
Muskel (ruhend): ATP [4mM]ADP [0.013 mM]Kreatinphophat [25mM]
ATP-Quellen während körperlicher Anstrengung. In den ersten Sekunden stammt die Energie aus Verbindungen mit hohem Phosphorylgruppenübertragungspotenzial (ATP und Kreatinphosphat). Danach muss ATP durch Stoffwechselreaktionen regeneriert werden.
Kreatinkinase
Verbindungen mit hohem Phosphorylgruppenübertragungs-potenzial.
Brenstoffmoleküle Pyridinnucleotide, Flavine O2
Stoffwechselwege enthalten viele wiederkehrendeMuster
1. Aktivierte Elektronen Carrier für die Brennstoffoxidation:
ATP ist ein aktivierter Carrier von Phosphorylgruppen
2. Aktivierte Elektronen Carrier für reduktive Biosynthese
NADPH wird fast ausschließlich für reduktiveBiosynthesen verwendet, NADH dagegen in erster
Linie zur Erzeugung von ATP.
z.B. bei Fettsäurebiosynthese
Nicotinamidadenindinucleotidphosphat (NADP+)
3. Aktivierte Elektronen Carrier von Acyl gruppen:
Katabolismus, z.B. bei der Oxidation von Fettsäuren
Anabolismus, z.B. bei der Synthese von MembranlipidenCoenzym A
Acetyl CoA + H2O Acetat + CoA + H+ 31.4 kJ/mol
Panthothensäure
2 Schlüsselprinzipien des Stoffwechsels:
1. NADH, NADPH und FADH2 reagieren ohne Katalysatoren nur langsam mit O2,ebenso wie ATP und Acetyl CoA nur langsam hydrolysiern (viele Stunden bzw.Tage). Enzyme sind dadurch in der Lage den Fluß der Energie zu kontrollieren.
2. Die meißten Austauschreaktionen aktivierter Gruppen werden von einem relativkleinen Satz von Carrier Molekülen durchgeführt.
Schlüsselreaktionen wiederholen sich imStoffwechsel
Oxidations-Reduktions-Reaktionen
Ligationsreaktionen
Isomerisierungsreaktionen
Gruppentransferreaktionen
Hydrolysereaktionen
Addition oder Abspaltung vonfunktionellen Gruppen
Stoffwechselprozesse werden auf dreigrundlegende Arten reguliert
1. Kontrolle der Enzymmenge:
2. Kontrolle Kontrolle der Enzymaktivität:
3. Kontrolle der Verfügbarkeit von Substraten:
Synthese Abbau
v.a. durch Änderungen der Transkriptionsrate der Gene die sie codieren
Die Aktivität des Pyruvat Dehydrogenase Komplexwird streng kontrolliert.
eine spezifische Kinase phosphoryliert undinaktiviert die Pyruvat Dehydrogenase (PDH)
eine Phosphatase entfernt das Phosphat undaktiviert dadurch die Dehydrogenase.
Die Kinase und die Phosphatase werdenebenfalls reguliert.
Der Pyruvat Dehydrogenase Komplex istso reguliert, dass er auf die Energieladungder Zelle reagiert.
A) Der Komplex wird durch seine unmittelbarenProdukte, NADH und Acetyl CoA, wie auch durchdas Endprodukt der Zellatmung, ATP, inhibiert.
B) Der Komplex wird durch Pyruvat und ADPaktiviert, welche die PDH phosphorylierendeKinase inhibieren.(CZ Citratzyklus.)
Acetyl CoA im Zentrum kataboler undanaboler Prozesse
Acetyl CoA
Saccharose
Pyruvat
Fettsäuren
Stärke
Glykogen Glucose
PhospholipideTriglyceride
Acetoacetyl CoA
AlaninSerin
LeucinIsoleucin
Mevalonat
Cholesterin Gallensäuren
Steroidhormone
Fettsäuren
Cholesterinester
Triglyceride
CDP Diglyceride
Phospholipide
Isopentylpyrophosphat
CitratzyklusProteine
Citratzyklus und oxidative Phosphorylierung – dieabschließenden STW Wege bei der Oxidation von
Brennstoffmolekülen
Acetyl CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O
2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + 2 H+ + CoA
Citrat
• Der Citratzyklus umfasst eine Reihe von OxidationsReduktions Reaktionen, die mit der Oxidation einerActeyl Gruppe zu CO2 enden.
• entfernt Elektronen aus dem Acetyl CoA undverwendet diese zur Bildung von NADH und FADH2.
• Hauptfunktion: energiereiche Elektronen derBrennstofmoleküle zu sammeln, welche in der derdarauf folgenden oxidativen Phosphorylierung, dieSynthese von ATP antreiben.
Acetyl-CoA
-Ketoglutarat
Succinyl CoA
Die oxidative PhosphorylierungBei der oxidativen Phosphorylierung entsteht ATP, wenn Elektronen über eine Reihe
von Elektronen Carriern von NADH oder FADH2 auf O2 übertragen werden.
Elektronentransport (Atmungs)kette:
Komplex I: NADH Ubichinon–OxidoreduktaseKomplex II: Succinat Ubichinon ReduktaseKomplex III: Ubichinon Cytochrom C–OxidoreduktaseKomplex IV: Cytochrom C Oxidase.Komplex V: ATP Synthase synthetisiert schließlich ATP
V
Die Regulation der oxidativenPhosphorylierung wird hauptsächlich
durch den ATP Bedarf bestimmt
Die vollständige Oxidation der Glucose zuCO2 ergibt 30 ATP Moleküle
Kontrolle des Citratzyklus
Der Citratzyklus wird hauptsächlich durch die ATP undNADH Konzentration reguliert.
Die Aktivität der Pyruvat Dehydrogenase, beeinflußtden Citratzyklus bereits zu Beginn des Kreisprozesses,indem diese die Menge an gebildetem Acetyl CoAkontrolliert.
Die wichtigsten Kontrollpunkte des Citratzyklus sinddie Enzyme Isocitrat Dehydrogenase undKetoglutarat Dehydrogenase.
Die Umsatzrate des Zyklus wird vermindert, wenn dieZelle über einen hohen ATP Spiegel verfügt.
Der Citratzyklus liefert zahlreicheBiosynthesevorstufen
Phosphofructokinase
Glykolyse Die biosynthetischen Aufgabendes Citratzyklus.
Zwischenprodukte werden fürBiosynthesen abgezweigt (durchrote Pfeile markiert), wenn derEnergiebedarf der Zelle gedeckt ist.
Die Zwischenprodukte werden durch die Bildungvon Oxalacetat aus Pyruvat wieder aufgefüllt:
Pyruvat + CO2 +ATP + H2O Oxalacetat + ADP + Pi + 2 H+Pyruvat-Carboxylase
• Die Gluconeogenese ist die Synthese von Glucose aus Substanzen, die keine KH sind,wie Lactat, AS und Glycerin.
• das Gehirn ist in hohem Maße Glucoseabhängig, und Erythrocyten verwenden nurGlucose als Brennstoff.
• tägliche Glucosebedarf des Gehirns: ~120g (~160g Gesamt Glucosebedarf)• Körperflüssigkeiten: ~20g Glucose• aus Glykogen: ~190g
• Die Gluconeogenese ist während einer längerer Zeitspanne, in der der Körper nurwenig Nahrung bekommt oder sogar hungert, besonders wichtig.
• Die Gluconeogenese findet hauptsächlich in der Leber statt – in geringerem Umfangauch in der Niere. Im Gehirn sowie in der Skelettmuskulatur findet nur sehr wenigGluconeogenese statt.
Die Gluconeogenese in Leber und Niere dient dazu, den Blutglucosespiegel so hoch zuhalten, dass Gehirn und Muskeln genügend Glucose entnehmen können um ihren STW
zu decken.
Gluconeogenese
In der Gluconeogenese entstehtGlucose aus Pyruvat.
Lactat: wird vom aktiven Skelettmuskel gebildet,wenn Geschw. der Glykolyse die desoxidat. STW übersteigt.
durch die Lactat Dehydrogenase in Pyruvatumgewandelt.
Aminosäuren: entstehen aus Proteinen der Nahrungund in Hungerperioden aus demAbbau von Skelettmuskelproteinen.
Glycerin: durch die Hydrolyse der Triacylglycerine inFettzellen. Das Glycerin kann über DHAP in denSTW der Gluconeogenese oder der Glykolyseeintreten.
Einige der Reaktionen, die Pyruvat in Glucose umwandeln,sind die gleichen wie die der Glykolyse (blau).
Jedoch erfordert die Gluconeogenese 4 neue Reaktionen(rot), um die drei praktisch irreversiblen
Glykolysereaktionen zu umgehen.
Die wichtigsten Rohstoffe für die Gluconeogenese in derLeber sind Lactat und Alanin
Die Bildung freier Glucose ist ein wichtigerKontrollpunkt
Die Erzeugung von Glucose ausGlucose 6 phosphat.Mehrere Proteine des endoplasmatischenReticulums (ER) spielen eine Rolle bei derErzeugung von Glucose aus Glucose 6phosphat. T1 transportiert Glucose 6phosphat in das Lumen des ER, während T2und T3 das Pi bzw.die Glucose zurück in dasCytoplasma bringen. Die Glucose 6phosphatase wird durch ein Ca2+
bindendes Protein (SP) stabilisiert.
Wenn nicht sofort Energie benötigt wird, endet die Gluconeogenese beim Glucose 6 Phosphatund wird hauptsächlich zur Synthese von Glycogen verwertet.
Glucose 6 phosphat kann nicht wie freie Glucose aus der Zelle diffundieren.
die Erzeugung freier Glucose auf zwei Wegen kontrolliert:
1. Regulation der Glucose 6 phosphatase2. Glucose 6 phosphatase findet man nur in Geweben, die Glucose an das Blut abgeben
(Leber und Niere).
Der Glucosetransporter des ER gleicht jenem, der in der Plasmamembran lokalisiert ist, um die freieGlucose ins Blut zu transportieren.
Gluconeogenese und Glykolyse werdenreziprok reguliert
• Die Geschwindigkeit der Glykolyse wird auch durchdie Glucosekonzentration bestimmt, dieGeschwindigkeit der Gluconeogenese von derKonzentration des Lactats und andererGlucosevorstufen.
Kontrollstellen:
Phosphofructokinase
Fructose 1,6 bihosphatase
Pyruvat Kinase
Pyruvat Carboxylase
Die Gluconeogenese wird bevorzugt, wenn in derZelle viele Biosynthesevorstufen und ATP
enthalten sind.
Glucose 6 Phosphat ist ein wichtiger Knotenpunktdes Stoffwechsels
Glykogen entsteht, wenn Glucose 6 phosphatund ATP im Überschuß vorhanden sind.
Werden dagegen ATP oder Kohlenstoffgerüstefür Biosynthesen benötigt, geht Glucose 6phosphat in die Glykolyse ein.
Der Abbau von Glucose 6 phosphat zu Pyruvatsowohl anabol als auch katabol sein.
Der Eintritt von Glucose 6 phosphat, in denPentosephosphatweg, liefert NADPH fürreduktive Biosynthesen und Ribose 5phosphat für die Nukleotidbiosynthese.
Glucose 6 phosphat kann auch durchGlykogenabbau entstehen oder überGluconeogenese aus Pyruvat und glucogenenAminosäuren synthetisiert weden.
Corizyklus: Kontrahierende Skelettmuskelzellen liefern Lactat an die Leber, welches benutztwird, um Glucose zu synthetisieren und abzugeben. Damit versorgt die Leber denkontrahierenden Skelettmuskel mit Glucose, der durch die glykolyischeUmwandlung der Glucose in Lactat, ATP gewinnt.
Vernetzung der Stoffwechselwege:Der Cori Zyklus und der Glucose Alanin zyklus
Glucose Alanin Zyklus: Bei längerer körperlicher Anstrengung und in Fastenperioden nutzendie Muskeln Aminosäuren als Brennstoff. Der abgespaltene Stickstoffwird auf Alanin übertragen, das dann ins Blut abgegeben wird. DieLeber nimmt Alanin auf und wandelt es für die nachfolgendeSynthese von Glucose in Pyruvat um.
Vernetzung der Stoffwechselwege:Wechselwirkung von Glykolyse und Gluconeogenese
während eines Sprints.
Im Skelettmuskel des Beins wird Glucose aerob zuCO2 und H2O abgebaut oder, während eines schnellesLaufs, anaerob zu Lactat umgesetzt.
Im Herzmuskel kann Lactat in Pyruvat umgewandeltund zusammenmit Glucose als Brennstoff genutztwerden. So wird Energie für die Herzschlägegewonnen, die den Blutfluss des Sprinters aufrechterhalten.
Die Gluconeogenese, eine primäre Funktion derLeber, läuft schnell ab, um sicherzustellen, dassgenug Glucose im Blut vorhanden ist, um Skelettund Herzmuskel sowie andere Gewebe zu versorgen.
Glykogen, Glycerin und Aminosäuren sindzusätzliche Energiequellen welche in Glucoseumgewandelt werden können.
Glykolyse und Gluconeogenese sind gewebespezifisch aufeinander abgestimmt, umsicherzustellen, dass der Energiebedarf aller Zellen gedeckt wird.
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Stryer BiochemieBerg, Jeremy M., Tymoczko, John L., Stryer, Lubert6. Aufl. 2007. 1224 S.ISBN: 978 38274 1800 5