Vorlesung: Energiestoffwechsel

• für alle Prozesse braucht man Energie

  • Biosynthese

  • Aktiver Transport

  • Muskelkontraktion

  • 100m Sprint

• Grundprinzip:

  • Energiebereitstellung durch Oxidation von Brennstoffmolekühlen

  • Nährstoffe werden verbrannt

  • CO2 + H2O entsteht = Energiearme Verbindung

  • Energiereiches ATP wird abgebaut zu ADP+P

  • ATP leitet Prozesse

ATP = Adenin-Tri-Phosphat:

3 Komponenten:

• Base: Adenin

• Ribose:

  • 5-fach Zucker

  • Mit dem Alpha Phosphat über Phosposäureester-Bindung verbunden

• 3 Phosphatgruppen

  • Bezeichnung: Alpha, Beta und Gamma

  • Verbindung durch eine Phosphorsäureanhydrid- Bindung

  • Abspaltung der Phosphate erzeugt Energie

  • ca. 30 kj/mol ATP bei einer Abspaltung

  • Es entsteht: ADP + Phosphat+ Energie

• ATP-Moleküle negativ geladen -> instabile Bindung zwischen den Phosphaten

• Joule= Energieeinheit

• Mol= Stoffmenge (Einheit für ATP)

• -30kj/mol ATP werden standardmäßig freigesetzt beim abspalten eines Phosphats (freie Energie = ohne Energiestoffwechsel)

• Ester-Bindung (Phosphat und Ribosome) bringt -15kj/mol AMP (Adeninmonophosphat)

• Spaltung findet in Muskelzellen statt und ist anbhänig von pH-Wert, aktueller Temperatur und von der Konzentratiom von ATP,ADP und Pi

  • viel ATP wenig ADP und Pi = mehr freie Energie als -30kj/mol

  • Wenig ATP und viel ADP und Pi = weniger freie Energie

ATP-Vorrat im Muskel bei 5mmol/kg Muskelfeuchtmasse

Damit 3-4 maximale Muskelkontrationen möglich

Arbeitsmaterial bei starker körperlicher Arbeit von 1-2s

Deshkan Resynthese

Energiestoffwechsel = Resynthese (Neubildung) aus ADP und freien Phosphathgruppen

3 Mögliche Resynthese Wege:

1. Aus Kreatinohosphat = anaerob alaktazid Resynthese

   • Sauerstoff und Laktat spielt keine Rolle

2. via anaerobe Glycolyse = anaerobe laktazide Resythese

   • kein Sauerstoff

   • Zucker gespalten und Milchsäure produziert

3. über aerobe Oxidation = aerobe Resynthese

   • Verbrennungsprozesse

• Kreatin= Nahrungsergänzungsmittel

• Schnelle Bereitstellung von Energie

• Bildung in Leber Pankreas (Bauchspeicheldrüsen) und Nieren für Muskel

• Gespeichertes Kreatin in Muskulatur: 15-20 mmmol/kg (3-mmol größer als ATP-Vorrat)

• Kreatin verbunden mit Phosphat ist Äquivalent des ATP

• Gewinnung von ATP:

  • Abspaltung eines Phosphats nach Nutzung des ATPs lässt ADP entstehen

  • Kreatinphosphat bindet sich an das verbrauchte ADP und durch das Enzym Kreatinkinase ensteht erneut ATP und Creatin

  • Mithilfe von ATP Spaltung wird ein Phosphat abgegeben und an das Creatin gebunden

  • Kreatin Reaktion = Hin- und Rückreaktion

• 6-8 maximale Kontraktionen möglich durch diese Verbindung

• hochintensive kurze Belastung

• Kreatinphosphat als indirekter Energielieferanten:

  • Phosphat muss sich erst abspalten um zu ATP zu werden

• Messung des Enzyms um Regenerationsprozesse zu fördern

  • 0= Ruhephase: 20mm/kg in Muskulatur

  • Maximaler Verbrauch von ATP

  • Konstanter ATP Verbrauch für 5-6 Sekunden mit Vorrat zusammen = 6-8 Sekunden

  • ATP wird dauerhaft durch Kreatin Neugebildet

  • Belastung kann nicht mehr aufrecht erhalten werden wenn ATP unter einen Wert von 4mmmol/kg sinkt

  • Kontraktion nicht mehr möglich

  • Speicher nach einigen Sekunden erschöpft

  • Je höher die Ausgangsmenge von Kreatin desto höher ist die Grenze wo ATP einknickt und die Kraft nachlässt

    • deshalb nehmen viele Kreatin ein

  • Problem: Kreatin bindet Wasser:

    • Wassereinlagerungen bei den Sportlern

    • Mehr Masse

    • höherer Energieverbrauch

    • Verletzungsrisiko größer

      Lohmann

Grundlage: Kohlenhydrate die Glycose in Sekelttmuskulatur liefern

• Glycogwnolyse: Abbau des Glycogen in Glucose-6-Phosphat

1. Schritt: investieren

   • 2 ATP werden bereitgestellt

2. Schritt: Zerlegen in 2 Teile

   • 2 ATP werden aufgespalten zu 2 ADP + P = Bereitstellung Energie

3. Schritt: Elektronen speichern:

   • 2 ADP+ P wird weiter abgebaut zu 2 NAD+

   • 2 NAD+ nimmt geladenen Wasserstoff auf und wird zu 2 NAD + H+

4. Schritt: ATP gewinnen:

   • erneute Veränderungen erzeugen 4 ADP+ P die zusammengesackt werden zu 4 ATP

5. Schritt: Endprodukt

   • 2 Pyruvat: Brenztraubensäure

• 1 Molekühl Glycose ergibt 2 ATP

• Besonderheit:

  • Reaktion läuft nur so lange wie freie Wasserstofftransporteure (NAD+) da sind

  • Umbau zu NADH + H+ nicht mehr möglich

  • Folge: kein ATP Gewinnung

• Lösung:

  • Brentztraubensäure wird zu Laktat

  • Abspaltung der zwei Hs aus NADH + H+ = Laktatdehydrogenase ( Enzym das diesen Prozess steuert)

  • Freies NAD kann wieder verbunden werden um ATP zu produzieren

Laktatbildung:

• Übersäuerung der Muskelzelle von innen heraus wenn immer mehr laktakt produziert wird

• Schutzmechanismus:

  • Enzym wird bei dem ersten Schritt reduziert

  • Je größer der Säurewert desto mehr wird das Enzym gehemmt

• Säure wird angeben in Nachbarzellen oder ins Blut

• Messung Blut: >20mmmol/l Blut bei maximaler Belastung

  • über das Ohrläppchen

• In Ruhe: Glycolyse läuft auf Sparflamme

• +- 1mmmol/ l Blut im Ruhezustand

• Kurze maximale Leistungen, die nicht mehr alleine durch Kreatinphosphat erbracht werden können (Mittelstreckenläufe)

1. Messung

2 Minuten hochintensive Belastung:

• Anstieg Laktatwerte sehr schnell in Muskelzelle

• Verzögert steigt es auch im Blut an

  • werte nicht so hoch weil sie sich verteilen

• Laktat im Muskel sinkt aber im Blut steigt sie

• Konzentration nimmt langsam ab

• Blutlaktat spiegelt relativ das Muskellaktat wieder, etwas verzögert

• Abbau Laktat im Blut dauert sehr lange

1. Messung

• Je nach Strecke Sauerstoff unterschiedlich

  • 100 m Lauf 95% anaerob

  • 5000m Lauf aerob

• Laktatwerte trotzdem gleich

• Belastung bei Messung wichtig

• Gleiche Laktatwerte trotz unterschiedlicher Energiegewinnung

100 m Lauf = 15mmmol/l

200m Lauf = 20 mmmol/l

400 m Lauf = 23 mmmol/l

800m Lauf = 20 mmmol/l

1500 m Lauf = 20 mmmol/l

5000 m Lauf = 15mmmol/l

10000 m Lauf = 10 mmmol/ l

Laktatabbau:

• nach 4 Minuten Belastung

• passive Erholung: keine Bewegung

  • Eliminationshalbwertszeit: 15 Minuten nach der Hälfte

    • nach 15 Minuten hat man die Hälfte des Laktakts abgebaut

  • Abbau in Herz & Skelettmuskel & Leber

• Aktives Erholen: in leichter Bewegung bleiben

  • beschleunigt Abbau

  • Nach 5 Minuten wird Laktat Halbiert

  • Nach 25-30 Minuten Laktat Ausgangswert erreicht

• allgemeiner Überblick

  

• Verbrennung von Sauerstoff in 4 Abbauschritten

• Anaerobe Engergiebereitstellungen zeitlich limitiert

• Oxidationsprozesse: wichtig für längere Belastung

  • Oxidation = Elektronenabgabe

• Vorraussetzungen:

  • Sauerstoffangebot durch Lunge und Herzkreislauf

  • Nährstoffe die verbrannt werden können (Pyruvat, Fette, Eiweiße)

1.Schritt: Glycolyse

• Abbau von Glycogen zu Glucose-6-Phosphat = Glycogenolyse

2.Schritt: Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion

• Pyruvat das während Glycolyse entstand muss zu Acetyl-CoA abgebaut werden

• Einsatz mehrerer Enzyme und Coenzyme zu einem Multi-Enzymkomplex (Pyruvatdehydrogenasekomplex)

• Erstens: Abspaltung CO2 vom Pyruvat (dekarboxilliert)

• Zweitens: Abtrennen von zwei Wasseratoffatome (Dehydriert) und auf NAD übertragen

• Entstehung von 2 Acetyl-Moleküle weil Glycolyse 2 Pyruvat entstehen lässt

Im Mitochondrien: Zitratzyklus/ Keebszyklus

1. Acetyl-CoA wird an vier Kohlenstoff Moleküle gebunden

2. Entstehung: 6 Kohlenstoff Moleküle (Zitrat)

3. Abspaltung eines Kohlenstoffmolekühls: 5 übrige Kohlenstoff Molekülen

4. Erneute Abspaltung: 4 Kohlenstoff Moleküle

5. Umbau zur anfangs 4er Form lässt Energie frei

6. Es entsteht GTP und Elektronen werden gespeichert

Fazit:

• 1 Glucose bildet 2 Pyruvat

• 2 Pyruvat durchlaufen Kreislauf

• Es entstehen 2 GTP / ATP, 4CO2 & viele Reduktionsäquivalente (Wasserstofftransporteure) NADH

• Abgabe von CO2

Atmungskette:

• Übertragung von Wasserstoff auf Sauerstoff

• Wasserstoff gelangt über NADH+ H+ und FADH2 in Atmungskette

• Über komplexen Transportmechanismus werden Wasserstoffatome (NAD…) in Mitochondrien transportiert

• FADH2 übertragt Wasserstoff in Zitronenzyklus

• Atmungskette übertragt Wasserstoff auf Sauerstoff =oxidative Phosphorylierung

  • 2.5 ATP Moleküle bei Oxidation durch NADH+H+

  • 1.5 ATP Moleküle bei Oxidation von FADH2

  • P/O Quotient= Verhältnis zwischen gewonnenem ATP und verbrauchtem Sauerstoff NAdH =2.5 & FASH = 1.5

ATP Enstehung nach Ocidatoon von Glucose:

• Glycolyse = 3 ATP

• Bildung Essigsäure (Acetyl) = 0 ATP

• Zitronenzyklus = 2 ATP

• Atmungskette = 26-28 ATP

• GESAMT: 31-33 ATP

• fette = Energiereserven gespeichert in Zellen des Fettgewebes und der Muskelzelle

• Transport erfolgt über Blut: Gewebe entnimmt Fettsäuren aus dem Blut und lagert sie an

• Ablauf zur oxidativen Energiegewinnung:

  • ß-Oxidation: Fettsäuren werden im Zytoplasma durch Bindung an CoA aktiviert und es entsteht Acetyl-CoA (2ATP genutzt for Prozess)

  • Transport zum Mitochondrien über Carnitin

  • Abspaltung der Essigsäure und Einfluss in Zitronenzyklus und Atmungskette

  • c.a. 122 ATP entstehen

Abbau von Fett als Energielieferanten findet spät statt

Aerob:

• 10mal größerer Energiemenge pro Glucose

• Verzögerte Energiebereitstellung durch Aktivierung verschiedener Prozesse

Anaerob:

• kurze reaktionskette

• Dafür mehr Verbrauch von Glucose

• Schnelleres Absinken der ATP-Konzentration

• Maximale Umsatzrate um ca. 25fache größer

Enzyme:

• Kreatinkinase = Anaerobe-alaktazid

• Phosphofructokinase = Gylkolyse, beeinflusst durch Ph-Wert

• Pyruvatdehydrogenasekomplex = Pyruvat Abbau, mehrere Einzelenzyme

• ATP-Synthetase = Bildung ATP in Atmungskette