Stoffwechsel, Enzyme und Hormone
ATP als Energieträger, wie Enzyme arbeiten, wo die Zellatmung abläuft und wie Hormone über Rezeptoren und Regelkreise steuern.
Jede Zelle braucht ständig Energie in kleinen, sofort nutzbaren Portionen. Hier verfolgst du den Weg vom Zucker zum ATP und lernst, wie Enzyme Reaktionen beschleunigen und Hormone den Körper steuern. Das ist pharmazeutisch wichtig: Viele Arzneistoffe hemmen Enzyme oder greifen in Hormonachsen ein.
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Jede Zelle braucht ständig Energie in kleinen, sofort nutzbaren Portionen. Hier verfolgst du den Weg vom Zucker zum ATP und lernst, wie Enzyme Reaktionen beschleunigen und Hormone den Körper steuern. Das ist pharmazeutisch wichtig: Viele Arzneistoffe hemmen Enzyme oder greifen in Hormonachsen ein.
- Du ordnest jede Etappe der Zellatmung ihrem Ort und ihren Produkten zu.
- Du erklärst, was ein Enzym an einer Reaktion verändert und was nicht.
- Du unterscheidest wasserlösliche und fettlösliche Hormone nach Rezeptor und Wirkweise.
- Du denkst hormonelle Regelkreise mit negativer Rückkopplung durch, auch wenn ein Glied gestört ist.
Aufbau und Abbau
Stoffwechsel (Metabolismus) ist die Summe aller chemischen Reaktionen einer Zelle. Im Katabolismus (Abbau, griechisch kata, „herab“) werden große Moleküle wie Glucose zerlegt, dabei wird Energie frei. Im Anabolismus (Aufbau, ana, „hinauf“) entstehen unter Energieaufwand große Moleküle, etwa Proteine aus Aminosäuren.
Gekoppelt sind beide über ATP. Glucose ist wie Brennholz, ATP wie eine geladene Batterie: Mit einem Holzscheit betreibst du keine Taschenlampe, erst die Zellatmung lädt die Batterie.
ATP als Energiewährung
ATP (Adenosintriphosphat) besteht aus der Base Adenin, dem Zucker Ribose und drei Phosphatgruppen und ähnelt damit einem RNA-Nukleotid mit zwei zusätzlichen Phosphaten, siehe DNA, RNA und Replikation.
\[\text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{ADP} + \text{P}_\text{i} \qquad \Delta G \approx -30\ \text{kJ/mol}\]
Bei dieser Hydrolyse wird mit Wasser die äußerste Phosphatgruppe abgespalten, es bleiben ADP (Adenosindiphosphat) und freies Phosphat (\(\text{P}_\text{i}\)). Das negative \(\Delta G\) zeigt: Etwa 30 kJ pro Mol werden frei, genug für Muskelkontraktion, aktiven Transport und den Aufbau großer Moleküle.
ATP ist kein Vorrat, sondern ein Kreislauf: Der Körper enthält stets wenig davon, setzt aber täglich etwa sein Körpergewicht an ATP um.
Enzyme als Biokatalysatoren
Enzyme, fast immer Proteine, beschleunigen Reaktionen, die bei 37 °C sonst viel zu langsam liefen. Als Biokatalysatoren senken sie die Aktivierungsenergie, den Energieberg bis zum Reaktionsstart, und werden dabei nicht verbraucht.
In der Abbildung starten und enden beide Kurven auf demselben Niveau, nur der Gipfel ist mit Enzym niedriger. Deshalb verschiebt ein Enzym das Gleichgewicht nicht, es stellt sich nur schneller ein.
Substratspezifität: Nur ein bestimmtes Substrat passt ins aktive Zentrum, wie ein Schlüssel ins Schloss; Lactase spaltet Milchzucker, aber keinen Haushaltszucker. Wirkungsspezifität: Das Enzym katalysiert nur einen bestimmten Reaktionstyp. Weil das aktive Zentrum von der Faltung abhängt, haben Enzyme ein Temperatur- und pH-Optimum; Hitze oder ein falscher pH-Wert zerstören die Faltung (Denaturierung).
Denk kurz mit: Pepsin spaltet im Magen Proteine. Was passiert mit ihm im Dünndarm? Und was mit einem Enzym, das du auf 80 °C erhitzt und wieder abkühlst?
Lösung: Pepsin im Darm und das erhitzte Enzym
Pepsin hat sein Optimum bei etwa pH 2 und wird im Dünndarm bei etwa pH 8 inaktiv. Das erhitzte Enzym bleibt meist inaktiv, weil sich die zerstörte Faltung nicht von selbst wiederherstellt, wie beim gekochten Ei.
Viele Arzneistoffe sind Enzymhemmer: Acetylsalicylsäure (ASS) hemmt die Cyclooxygenase, Statine hemmen ein Schlüsselenzym der Cholesterinbildung.
Zellatmung in drei Etappen
Die Zellatmung baut Glucose mit Sauerstoff vollständig ab:
\[\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2 \longrightarrow 6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O}\]
Ein Teil der Energie landet in ATP, der Rest wird Wärme. Pro Glucosemolekül gilt:
| Etappe | Ort | geht hinein | kommt heraus |
|---|---|---|---|
| Glykolyse | Cytoplasma | Glucose (C₆) | 2 Pyruvat (C₃), 2 ATP, 2 NADH |
| Citratzyklus (mit Umbau von Pyruvat zu Acetyl-CoA) | Mitochondrienmatrix | 2 Pyruvat | 6 CO₂, 8 NADH, 2 FADH₂, 2 ATP |
| Atmungskette | innere Mitochondrienmembran | NADH, FADH₂, O₂ | H₂O, etwa 26 bis 28 ATP |
NADH und FADH₂ sind Elektronentransporter (Coenzyme), kein ATP. In der Atmungskette geben sie ihre Elektronen an Proteinkomplexe der inneren Membran ab, die damit Protonen (H⁺) aus der Matrix in den Zwischenmembranraum pumpen: Ein Protonengradient entsteht. Die Protonen strömen durch die ATP-Synthase zurück, die dabei wie eine Turbine ATP bildet.
Mehr zum Mitochondrium steht unter Zellen und Organellen. Probier es mit der Abbildung aus: Wo wird das CO₂ abgespalten, das du ausatmest, und wo entsteht das Wasser?
Lösung: Wo entsteht CO₂, wo Wasser?
CO₂ wird in der Matrix abgespalten: 2 beim Umbau von Pyruvat zu Acetyl-CoA, 4 im Citratzyklus, zusammen die 6 CO₂ der Bruttogleichung. Wasser entsteht am Ende der Atmungskette, wenn Sauerstoff Elektronen und Protonen aufnimmt. Der eingeatmete Sauerstoff landet also im Wasser, nicht im CO₂.
Cyanid, das Gift der Blausäure, blockiert den letzten Komplex der Atmungskette, der die Elektronen auf Sauerstoff überträgt. Die ATP-Bildung stoppt, die Zellen ersticken trotz Sauerstoff im Blut.
Ohne Sauerstoff
Ohne Sauerstoff steht die Atmungskette still, NADH staut sich, und der Glykolyse geht das NAD⁺ aus. Die Milchsäuregärung gewinnt es zurück: Pyruvat nimmt die Elektronen von NADH auf und wird zu Lactat, dem Salz der Milchsäure. Das geschieht im Muskel bei starker Belastung und in Erythrozyten immer, denn sie haben keine Mitochondrien.
Die Gärung liefert nur die 2 ATP der Glykolyse, die Zellatmung etwa 30 bis 32, also wegen \(30 : 2 = 15\) und \(32 : 2 = 16\) das 15- bis 16-Fache. Deshalb hält ein Muskel ohne genug Sauerstoff hohe Leistung nur kurz durch.
Hormone als Botenstoffe
Ein Hormon wird meist in einer Drüse gebildet, ins Blut abgegeben und wirkt nur an Zellen mit dem passenden Rezeptor, wie ein Schlüssel im Schloss. Anders als ein Enzym katalysiert es nichts, es trägt nur eine Information. Wo der Rezeptor sitzt, hängt davon ab, ob das Hormon die fettartige Zellmembran durchqueren kann.
Insulin, Adrenalin: Sie binden außen an einen Membranrezeptor, der innen eine Signalkette auslöst. Wirkung schnell (Sekunden bis Minuten), aber kurz.
Steroide wie Testosteron und Cortisol, Schilddrüsenhormone: Sie binden im Zellinneren an ihren Rezeptor, der im Kern Gene an- oder abschaltet. Wirkung nach Stunden, aber lange.
Regelkreise und negative Rückkopplung
Damit Hormonspiegel nicht entgleisen, bremsen sie wie ein Thermostat ihre eigene Bildung (negative Rückkopplung). Viele Achsen haben drei Stufen: Hypothalamus, Hypophyse, Drüse.
Bei der Schilddrüse löst TRH aus dem Hypothalamus TSH aus der Hypophyse aus, TSH treibt die Bildung von T3 und T4 an. Diese steigern den Grundumsatz und hemmen beide oberen Stufen (rote Pfeile).
Denk einen Störfall durch: Die Schilddrüse braucht Jod für T3 und T4. Was passiert bei Jodmangel mit TSH und der Schilddrüse?
Lösung: Jodmangel
Zu wenig T3 und T4 heißt: Die Hemmung fällt weg, TRH und TSH steigen. Die dauernd angetriebene Schilddrüse bildet trotzdem nicht genug Hormon und wächst zum Kropf.
Gleich gebaut ist die Geschlechtshormonachse: GnRH führt zu FSH und LH, diese zu Testosteron oder Östrogen, die wiederum die oberen Stufen hemmen. Wer Anabolika nimmt, führt Testosteron oder verwandte Steroide von außen zu. Was folgt für die Hoden?
Lösung: Anabolika
Der hohe Spiegel hemmt GnRH und damit LH und FSH. Den Hoden fehlt der Antrieb: Sie bilden weniger Testosteron und Spermien und können schrumpfen.
Beim Blutzucker wirken zwei Gegenspieler der Bauchspeicheldrüse: Insulin senkt ihn, indem es Glucoseaufnahme in Muskel- und Fettzellen sowie Glykogenaufbau in der Leber fördert und Glykogenabbau und Gluconeogenese (Glucoseneubildung) hemmt. Glucagon hebt ihn über Glykogenabbau und Gluconeogenese in der Leber.
Seltene Ausnahme ist positive Rückkopplung: Druck auf den Gebärmutterhals löst Oxytocin aus, das stärkere Wehen und mehr Druck bewirkt, bis zur Geburt.
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