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Stoffwechsel des Menschen
1. RRL-Baustein: Zellatmung und Gärung
Bau und Funktion von Mitochondrien
EM-Bild Mitochondrium
Schematisches Bild Mitochondrium
Funktion
kommen gehäuft in Zellen mit hohem Energiebedarf vor, z.B. in Muskelzellen
sind Orte der Zellatmung
„Kraftwerke“ der Zelle
Kompartimentierung: Schaffung von Reaktionsräumen innerhalb einer Zellorganelle durch
Membranen. Mitochondrien besitzen zwei Membranen, somit zwei Kompartimente. Das
innere Kompartiment heißt Matrix
Struktur-Funktionsbeziehung: Die innere Membran ist gefaltet. Somit entsteht eine größere
Oberfläche auf kleinem Raum und es kann seine Funktion besser erfüllen, indem mehr ATP-
Synthasen Platz haben.
Die Endosymbiontenhypothese
Die Endosymbiontentheorie besagt, dass in einer frühen Phase der Evolution der
Eukaryoten (also aller höheren Organismen) prokaryotische Zellen (d.h. Bakterien und
mikroskopische Algen) durch Endozytose in voreukaryotische Urzellen aufgenommen
wurden und in diesen den Status von Organellen erlangt haben.
Belege für die Endosymbiontentheorie am Beispiel von Mitochondrien und Plastiden
Mitochondrien und Plastide…
...mit 2-8μm in etwa gleiche Größe wie Prokaryoten (1-10 μm)
...von zwei Biomembranen umgeben, wobei die äußere weist Merkmale einer
Eukaryotenmembran und die innere einer Prokaryotenmembran auf.
…besitzen eine eigene ringförmige und „nackte“ DANN (prokaryotentypisch)
… besitzen eigene, prokaryotentypische Ribosomen (70S)
… vermehren sich eigenständig durch Querteilung
…haben haploide Erbinformationen, die der Wirtszelle sind diploid

- Wirtszellen nutzen Stoffwechselprodukte der Mitochondrien und Plastiden, letztere Nutzen
den konkurrenzärmeren, nährstoffreicheren und insgesamt günstigeren Lebensraum.
- Proteinbiosynthese der Mitochondrien und Plastiden wird durch gleiche Antibiotika
verhindert wie bei Prokaryoten.
- In Chloroplasten befinden sich die gleichen Chlorophyll-Moleküle wie in Cyano-Bakterien.
- Rezente Endosymbiosen sind häufig (z.B. Steinkorallen.
Aerober Abbau von Glucose

Anm.: Da 2 mol Pyruvat entstehen, muss der Citratzyklus bei der quantitativen Betrachtung zweimal
durchlaufen werden.
Die lilanen Punkte sind Enzyme, die im nachfolgenden bei der Regulation erwähnt werden.
Die grünen Reaktionen sind endergonische Reaktionen, bei denen energiereiche Stoffe aufgebaut
wurden.
Die roten Reaktionen sind exergonische Reaktionen, bei denen energiereiche Stoffe abgebaut
wurden.

- Redoxsysteme übertragen Elektronen aufeinander und schließlich auf Sauerstoff
- Dieser Elektronentransport ist immer mit H + -Ionentransport in den Intermembran
raum gekoppelt (dadurch sinkt dort der pH-Wert
- Redoxreaktionen zwischen NADH+H + und Sauerstoff setzen Energie frei, die die
Bildung von 3 mol ATP ermöglichen, die zwischen FADH2 und Sauerstoff 2 mol ATP
Wie wird aus der freigewordenen Energie
ATP synthetisiert?
Durch ATP-Synthase, die den Protonenstrom
ausnutzt. Nach jedem Schritt dreht sich der
Komplex um 120° (durch den Protonenstrom)
1. Eine Bindungstelle nimmt ADP und Pi auf.
2. Anlagerung der Protonen bewirkt
Verformung→ ADP und Pi rücken so eng
aneinander, das sie sich zu ATP verbinden.
3. Weitere Drehung bewirkt Freisetzung des
ATP
Den Vorgang nennt man chemiosmotische
Phosphorylierung
Anaerober Abbau von Glucose
Die Glukolyse kommt zum erliegen, wenn alle NAD + -Ionen reduziert worden sind. Daher ist
in der Gärung eine Oxidation der NADH+H + -Ionen erforderlich.
Milchsäuregärung: Joghurt, Dickmilch, Sauerrahmkäse
Alkoholische Gärung: Hefeteig, Bier- bzw. Weinherstellung

Regulation der Stoffwechselprozesse
Um die Stoffwechselprozesse dem Sauerstoffangebot anzupassen sind zunächst zwei
Vorgänge nötig:
1. Glucose-Verbrauch muss dem ATP-Bedarf angepasst werden (Pasteur-Effekt)
2. Folgereaktion von Pyruvat muss geändert werden.
1. Glucose-Verbrauch Regulation durch Phosphorfuctokinase (PFK)
- PFK hat allosterische Zentren für Citrat, ADP/AMP und ATP
- Läuft Gärung ab: wenig ATP wird produziert, also viel ADP, ADP regt PFK an
→ Glukoseabbau wird gefördert
- Läuft Endoxidation ab: viel ATP wird produziert, ATP hemmt PFK
→ Glukoseabbau wird gehemmt
2. Anpassung an Sauerstoffangebot durch NADH+H +
- Pyruvat-Dehydrogenase hat allosterisches Zentrum für NAD + und NADH+H +
- Sauerstoffmangel: NADH+H + kann nicht in der Endoxidation reduziert werden
- NADH+H + - Überschuss → Hemmt Pyruvat-Dehydrogenase, stoppt Citratzyklus
- Pyruvat-Decarboxylase (Gärung) braucht für eine signifikante Enzymaktivität eine hohe
NADH+H + - Konzentration
Stoff- und Energiebilanz
C6H12O6 + 2 NAD + + 2 ADP + 2 Pi → 2 Pyruvat + 2 NADH+2H + + 2 ATP
2 Pyruvat + 2 NAD + + 2 CoA-SH + 2 H + → 2 Acetyl-CoA + 2 NADH+2H + + 2 CO2
2 Acetyl-CoA + 6 NAD + + 2FAD + 6 H2O + 2 GDP+2Pi + 2H + → 4 CO2 + 6 NADH + 6H + + 2
FADH2 + 2 CoA-SH+ 2 H + + 2 GTP
10 NADH + 10H + + 2 FADH2 + 6 O2 + 34 ADP + 34Pi → 10 NAD + + 2 FAD + 34 ATP + 12 H2O
C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O → 6 CO2 + 12 H2O (Gesamtbilanz)

Glykolyse
Ox. Decarboxylierung
Citratzyklus
Gesamt
Wirkungsgrad =
2 NADH+2H +
2 ATP
2 NADH+2H +
6 NADH+2H +
2 FADH2
2 GTP
chemisch gebundene Energie
frei gewordene Energie
=
Beim Transport der, bei der Glykolyse
entstandenen elektronen von Cytoplasma in
Mitochondirenmatrix: -2 ATP
Verbleibend: 36 ATP
Bei der reinen Oxidation von Glykolyse wird 2870
kJ/mol frei.
36 mol ATP
kJ
∙ 30,5
1 mol Glucose mol
2870 kJ
mol
= 38%
2. RRL-Baustein: Spezielle Aspekte des Energieumsatzes
Energetische Koppelung
3. RRL-Baustein: Sportbiologie
6 ATP
2 ATP
6 ATP
18 ATP
4 ATP
2 ATP
38 ATP
Sauerstoff
Sauerstoffaufnahme, -transport und -abgabe
- O2 wird eingeatmet und gelangt in die Lungenalveolen
- O2 diffundiert passiv durch die Wand der Lungenalveolen ins Blut und wird dort an
das Hämoglobin der Erythrozyten gebunden, da O2 im Blut nicht löslich ist
- O2-reiche Blut vom Herz weiter gepumpt und ermöglicht so weitere Diffusion
- Abgabe des Sauerstoffs: im Gewebe herrscht ein geringer Sauerstoffpartialdruck,
dort wird O2 vom Hämoglobin gelöst und diffundiert in die Zellen (Zellatmung); Hier
wird CO2 ins Blut aufgenommen
Sauerstoffbindungskurven
Myoglobin kann ebenso wie Hämoglobin Sauerstoff binden, kommt aber hauptsächlich im
(Muskel-)Gewebe vor und hat eine höhere Sauerstoffaffinität.
Zur Abb.: An den Kurven erkennt man, das Hämoglobin eine niedrigere
Sauerstoffkonzentration braucht um es zu
binden. Ist das Hämoglobin in den
Kapillaren angekommen, löst es sich (durch
das Konzentrationsgefälle) und diffundiert
in das Gewebe. Dort wird es nun an
Myoglobin gebunden. Da Sauerstoff stärker
an Myoglobin gebunden wird, kommt es
nicht zur Rückdiffusion und das
Konzentrationsgefälle bleibt aufrecht
erhalten.

Muskelaufbau
Muskelkontraktion
Sarkomer sind kontraktile Einheiten des
Muskels
- Troponin: bindet Calcium-Ionen
- Tropomyosin: bindet Myosin
- Actinmonomer: bindet Actin
Funktion des quergestreiften Muskels:
können lange in kontrahierter Fform
bleiben und ermöglichen so eine aufrechte
Körperhaltung
Zur Muskelkontraktion (siehe Bild unten):
Die Kontraktion erfolgt, indem die
Filamente durch reversible Bindung des
Myosins mit dem Aktin aneinander
vorbeigleiten und dabei die Sarkomere
verkürzen

Phasen der Energiebereitstellung
1) ATP aus dem Muskel (geringe
Konzentration, 2s)
2) Kreatinphosphat + ADP = ATP + Kreatin,
für 25s, sofort verfügbar, reicht ca. für 25s; im
Ruhezustand wird Kreatin wieder zu Kreatinphosphat
Glykogen wird durch Enzyme zu Glykose
gespalten, Steigerung von Atemtiefe und Puls
3) ATP wird anaerob durch Milchsäuregärung
gewonnen, bis genügend O2 (durch erh.
Puls) da ist 4) ATP wird aerob gewonnen
Nach Belastung noch längeres Atmen wegen
Sauerstoffschuld
Temperaturregulation beim Menschen, Kybernetik
Den Raum, indem ein Zustand einer
Größe konstant gehalten werden soll,
nennt man Regelstrecke
(Körperkern). Die konstant zu
haltende Größe bezeichnet man als
Regelgröße (Temperatur).
Die Information über den konstant zu
haltenden Wert der Regelgröße nennt
man Sollwert (37°). Die Instanz, die
den Sollwert ausgibt, heißt
Führungsglied (Tagesrythmus,
Emotion, Fieber, Menstruation). Ein
Meßglied (Thermorezeptoren)
registriert laufend den vorliegenden
Wert der Regelgröße in der
Regelstrecke und gibt ihn als Istwert
(Nervenerregung bestimmter Stärke)
verschlüsselt an das Regelglied
(Hypothamalus) weiter. Dort erfolgt
ein Vergleich von Ist und Sollwert.
Hat dagegen eine Störgröße (äußere:
Hitze, Kälte; innere: Arbeit, Sport),
die Regelgröße vom Sollwert
entfernt, liefert das Regelglied eine Meldung an die Stellglieder (Leber, Muskeln,
Schweißdrüsen), die dann anfangen zu arbeiten (bei Hitze: Hautgefäße öffnen sich,
Durchblutung steigt, dadurch Wärme vom Hautinneren an die Haut; dadurch Schweiß, der auf
Haut verdunstet; Kälte: Hautgefäße verengen sich; Blut ins Körperinnere geleitet;
Muskelzittern steigert Wärmeproduktion). Damit die Stellglieder arbeiten können, ist Energie
nötig.