Mitochondrien und aerober Stoffwechsel
Der Sauerstoff wird über die Atemwege zu den Oxidationsstellen in den aktiven Geweben transportiert. Bei intensiver Belastung etablieren die aktiven Zellen der Skelettmuskulatur einen Sauerstoffbedarf, da mehr als 90% der Energie für die Muskeln aufgewendet wird. Der Sauerstoff bindet sich an Hämoglobin in den Erythrozyten, während die Substrate in das Plasma übertreten. Die Sauerstoffversorgung muss kontinuierlich sein, da in den Organismen der meisten Säugetiere nur ein minimaler Sauerstoffvorrat und die Substrate sowohl in den Muskelzellen als auch in den Geweben in großer Menge gespeichert sind.
Oxidative Phosphorylierung in den Mitochondrien
Der aerobe Energiestoffwechsel findet in den Mitochondrien statt und führt zur größten Energieausbeute. Wie der Name schon sagt, ist für diesen Prozess Sauerstoff erforderlich. Die aerobe Glykolyse ist der effizienteste Weg zur Energiegewinnung. Unter anaeroben Bedingungen werden nur 2 mol ATP aus 1 mol Glykogen synthetisiert, während in Gegenwart von Sauerstoff 38 mol ATP aus der gleichen Menge Glykogen synthetisiert werden können (Abb. 3). Der Nettoenergieertrag beträgt 36 mol ATP, abzüglich der verbrauchten 2 mol ATP (38 Moleküle im Herzmuskel, ebenso viele in Nieren und Leber). In den Mitochondrien der Muskelzellen werden Wasserstoffatome aus reduzierten Substanzen freigesetzt, die im Verlauf des Tricarbonsäurezyklus entstehen, in einem Prozess, der als oxidative Phosphorylierung bezeichnet wird. Spezielle Proteinkomplexe, die Elektronen transportieren, übertragen Elektronen vom Wasserstoffatom auf das Sauerstoffmolekül. Die Energie, die während des Elektronentransports freigesetzt wird, wird in Form von ATP gespeichert. Die Elektronen werden entlang der Atmungskette in der Reihenfolge des ansteigenden Redoxpotenzials übertragen – von der elektropositiveren Substanz zum elektropositiveren Sauerstoff.
In Zellen mit hohem Sauerstoffpartialdruck bestimmt der Energiebedarf das Niveau der mitochondrialen Atmung, und die Substratverfügbarkeit bestimmt das Energieniveau der Zelle, bei dem dieses Niveau der mitochondrialen Atmung erreicht wird. Der ATP- und KP-Vorrat ist im Vergleich zur Energiemenge, die für eine aktive Muskelarbeit erforderlich ist, gering. Aufgrund des geringen Vorrats an hochenergetischen Phosphaten kann ATP schneller verbraucht als resynthetisiert werden, jedoch nur für kurze Zeitspannen. Daher muss die ATP-Synthese dann stattfinden, wenn die normalen Zellprozesse ATP hydrolysieren. Daher ist die mitochondriale oxidative Phosphorylierung eng mit mehreren Stoffwechselwegen verbunden und reagiert schnell auf Änderungen des zellulären ATP-Bedarfs. Der Zusammenhang der Atmungskette mit anderen Stoffwechselprozessen ist jedoch nicht so eng. Es wurde berechnet, dass etwa 1-3% des in den Ruhezustand eintretenden Sauerstoffs in Form von Peroxid aus der Atmungskette austritt. Die Bildung hochreaktiver Sauerstoffspezies kann sowohl im Ruhezustand als auch bei körperlicher Belastung einige Auswirkungen haben.
Tricarbonsäurezyklus
Abb. 3 Glukoseabbau mit einer ATP-Ausbeute von 36-38 mol über Glykolyse, Citratzyklus und Elektronentransportkette
Die Mitochondrien in den Skelettmuskeln verbrauchen die größte Menge an Sauerstoff und sind die Hauptquelle der Energie im Stoffwechselprozess zur Aufrechterhaltung der normalen Funktion. Der Zitronensäurezyklus (auch Krebszyklus oder Tricarbonsäurezyklus genannt) ist eine Reihe von Reaktionen in den Mitochondrien, die zum Abbau von Acetyl-CoA führen, wobei Reduktionsäquivalente freigesetzt werden, die bei der oxidativen Phosphorylierung zur ATP-Bildung aus ADP verwendet werden. Der Tricarbonsäurezyklus spielt eine zentrale Rolle im aeroben Stoffwechsel. Er ist der Endweg des Stoffwechsels von Glukose (Glykolyse), Fetten (Beta-Oxidation von Fettsäuren) und Proteinen. Sowohl im Ruhezustand als auch bei körperlicher Belastung liefern die Beta-Oxidation von Fettsäuren und die Glykolyse mehr als 95% des in den Tricarbonsäurezyklus eintretenden Acetyl-CoA.
Im Zitronensäurezyklus verbindet sich Acetyl-CoA mit Oxalacetat und bildet Zitronensäure. In den nachfolgenden Reaktionen wird Oxalacetat wieder regeneriert. Dabei werden 3 NADH, 1 FADH2, 1 GTP und 2 CO2 freigesetzt. Diese Reduktionsäquivalente werden dann der oxidativen Phosphorylierung zugeführt. 3 NADH und 1 FADH2 ergeben 12 ATP.
Häufig gestellte Fragen
Was sind Mitochondrien und ihre Rolle im aeroben Stoffwechsel?
Mitochondrien sind die Orte des aeroben Energiestoffwechsels in der Zelle. Sie sind die Hauptquelle für die Energiegewinnung durch oxidative Phosphorylierung, bei der große Mengen an ATP produziert werden.
Was ist der Tricarbonsäurezyklus und wie funktioniert er?
Der Tricarbonsäurezyklus, auch Zitratzyklus oder Krebszyklus genannt, ist eine Reihe von Reaktionen in den Mitochondrien, bei denen Acetyl-CoA abgebaut wird und dabei Reduktionsäquivalente freigesetzt werden. Diese werden dann in der oxidativen Phosphorylierung zur ATP-Synthese verwendet.
Wie hängen Sauerstoffversorgung und mitochondriale Atmung zusammen?
Der Sauerstoff wird über die Atemwege zu den aktiven Geweben transportiert. In den Mitochondrien der Zellen wird der Sauerstoff dann in der oxidativen Phosphorylierung zur Energiegewinnung genutzt. Der Sauerstoffbedarf bestimmt dabei das Niveau der mitochondrialen Atmung.
Welche Rolle spielen die Reduktionsäquivalente im Energiestoffwechsel?
Die im Tricarbonsäurezyklus freigesetzten Reduktionsäquivalente NADH und FADH2 werden in der oxidativen Phosphorylierung genutzt, um durch den Elektronentransport entlang der Atmungskette schließlich ATP zu synthetisieren.
Wie effizient ist der aerobe Stoffwechsel im Vergleich zum anaeroben?
Die aerobe Glykolyse ist wesentlich effizienter als die anaerobe. Während unter anaeroben Bedingungen nur 2 mol ATP pro Mol Glykogen entstehen, sind es unter aeroben Bedingungen 36-38 mol ATP.