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Der Stoffwechsel. Wir zeigen dir wie er funktioniert.
Guter Stoffwechsel, schlechter Stoffwechsel, der Stoffwechsel schläft, den Stoffwechsel ankurbeln, anregen, … Das Wort Stoffwechsel wird häufig gebraucht und leider auch oft falsch verstanden. Stoffwechsel ist nicht dasselbe wie Verdauung.
Der Stoffwechsel. Um was geht es überhaupt.
Unabhängig davon, ob es sich um Nervenzellen, die elektrische Impulse übertragen, oder Muskelzellen, die mechanische Arbeit leisten, handelt, benötigt jede Zelle im menschlichen Körper Energie. Diese Energie ist innerhalb der Zellen in Form von Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert und wird bei der Aufspaltung von ATP
in Adenosindiphosphat (ADP) und freies Phosphat (Pi) frei.
ATP + Wasser (H2O) -> ADP + P + Energie
Da nur ein sehr begrenzter Vorrat an ATP in den Muskeln gespeichert wird, muss ständig für Nachschub gesorgt werden, indem ATP aus ADP und Pi regeneriert wird. Diese Regeneration erfolgt über 3 verschiedene Systeme, welche in ihrer Ausprägung auf die Eigenschaften der Muskelfasern, den Muskelfasertyp abgestimmt sind. Die
Systeme sind:
- das phosphagene System (höchste metabolische Leistung, aber geringste Kapazität)
- das glykolytische System (niedrigere metabolische Leistung, aber höhere Kapazität als das phosphagene System)
- die mitochondriale Atmung (niedrigste metabolische Leistung, jedoch mit Abstand grösste Kapazität)
Das phosphagene System
Die ATP-Resynthese über das phosphagene System findet im Zellplasma statt und umfasst zwei chemische Reaktionen, über welche die Muskelfaser relativ schnell ATP rückgewinnen kann, die Kreatinkinase- und die Adenylatkinase-Reaktion. 85% der ohnehin bescheidenen Systemkapazität werden mit dem Phosphokreatinspeicher
abgedeckt, 15% entfallen auf die Energiegewinnung durch die Adenylatkinase-Reaktion. Neben ATP entstehen immer auch Nebenprodukte. Das phosphagene System bildet kein Lactat, deshalb nennt man das System auch anerob-alaktazid.
Bei der Kreatinkinase -> ADP + PCr -> ATP und Kreatin (Cr)
Die Adenylatkinase (Enzym) -> 2 ADP -> ATP und AMP (Adenosinmonophosphat)
Der Stoffwechsel funktioniert wie ein Hybridmotor
Wir sprechen bei der Energiebereitstellung auch von einem Hybridmotor, weil jedes Energiesystem ein anderes System in Gang setzt. Beispielsweise sind das Adenosinmonophosphat und dessen Abbauprodukte (bei Adenylatkinase) ein Signalmolekül für die Zelle. D. h. AMP teilt dem Körper mit, dass die Muskelzellen Glucose
(Einfachzucker) und Fettsäuren benötigen, um ATP herzustellen. Somit stimuliert sie das glykolytische System und die mitochondriale Atmung. Zudem stimuliert es indirekt die Aufspaltung von Glycogen (Die Speicherform von Zucker im Körper). Da das phosphagene System bereits von Beginn weg von den anderen beiden Systemen unterstützt wird, kann es über 20 s lang massgeblich zur Energiebereitstellung beitragen.
Wäre es auf sich alleingestellt, wären die PCr-Speicher bereits nach 10 s erschöpft. Das phosphagenen Systems versorgt uns sehr schnell mit Energie für kurzzeitige Bewegungen, wenn wir uns beispielsweise von einem Stuhl erheben oder auf einen Bus sprinten müssen. Es ist dann aber auch sehr schnell erschöpft. Das phosphagene System ist in den Typ II Muskelfasern stärker ausgeprägt als in den Typ I
Muskelfasern.
Das glykolytische System
Das glykolytische System umfasst den biochemischen Prozess der Glykolyse. Diese findet wie die Prozesse des phosphagenen Systems im Zellplasma statt. Dafür wird Glucose oder Glykogen nach 10 Schritten zu Pyruvat. Glykogen ist Vielfachzucker oder gespeicherte Kohlenhydrate in der Muskulatur. In der Leber können
beispielsweise 100g und in er Skelettmuskulatur ca. 400 g Glykogen gespeichert werden. Pyruvat ist ein Zwischenprodukt. Während des Vorgangs von Glucose zu Pyruvat wird bereits sehr viel Energie frei. Pyruvat stehen zwei Energiesysteme zur Verfügung, die anaerobe und aerobe Glykolyse.
Welches System gewählt wird, hängt von der Nachfrage ab.
- Pyruvat kann im Zellplasma zu Lactat und ATP umgewandelt werden. Dabei spricht man von anaerober Glykolyse (anerob-laktazid). Dies nicht, weil kein Sauerstoff vorhanden ist, sondern weil bei dieser Reaktion kein Sauerstoff benötigt wird. Einige unserer Organe verwenden Lactat sehr gerne als Ausgangsstoff für Stoffwechselprozesse. Die Leber und die Niere zum Beispiel wandeln Lactat durch die Gluconeogenese zu Zucker um. Unser Herz bevorzugt Lactat sogar als Energieträger. Somit ist Lactat entgegen der weit verbreiteten Meinung kein Abfallprodukt des anaeroben Stoffwechsels. Es gelangt über spezifische Transporter immer in Kombination mit einem Proton (H+) aus der glykolytischen Muskelzelle (Typ II) ins Blut. Dass Lactat einem ganz ausgeklügelten System zu Grunde liegt, zeigt folgendes Beispiel:
Die glykolytischen Muskelfasern (Typ IIb, ohne oder mit wenig Mitrochondrien) produzieren Lactat und geben dieses ans Blut ab. In der Folge nehmen die oxidativen Muskelfasern (Typ I mit sehr vielen Mitrochondrien) das Lactat auf, bauen es zu Pyruvat um und oxidieren dieses im Mitrochondrium.
Glucose -> Pyruvat (Zwischenprodukt) -> 2 ATP + Lactat
- Wird das Pyruvat nicht zu Lactat, gelangt es ins Mitochondrium und wird zu Acetyl-CoA umgewandelt. Acetyl-CoA stellt den Ausgangsstoff für die aerobe Energiebereitstellung im Mitochondrium dar. Deshalb spricht man in diesem Fall von aerober Glykolyse („unter Gebrauch von Sauerstoff“, nicht „bei
Vorhandensein von Sauerstoff“). Das Acetyl-CoA wird in den Citratcyclus eingespiesen, wobei es unter der Zugabe von Sauerstoff zu vielen ATPs verarbeitet wird.
Glucose + Sauerstoff (O2) -> Kohlenstoffdioxid (Co2) + Wasser (H2O) + viele ATP
Die mitochondriale Atmung
Die Fettsäuren gelangen aus dem Blut via Fettsäuretransporter in die Muskelfasern, wobei Typ I Muskelfasern besser mit diesen Transportern als Typ II Muskelfasern ausgestattet sind. Im Zellplasma der Muskelfasern werden die Fettsäuren aktiviert und daraufhin in die Mitochondrien transportiert. Zu diesem Zweck werden sie
kurzfristig an Carnitin gebunden. Carnitin nimmt daher im Fettstoffwechsel die Rolle eines Shuttles ein. Ohne Carnitin könnte kein Fett verstoffwechselt werden. Die mitrochondriale Atmung findet, wie der Name schon sagt, unter Einfluss von Sauerstoff im Mitrochondrium statt. Im Inneren der Mitochondrien entsteht aus den
Fettsäuren via β-Oxidation (Abbauprozess von Fettsäuren) Acetyl-CoA. Dieses wird im Citratzyklus genauso wie das Acetyl-CoA aus Pyruvat zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) abgebaut. Dabei entsteht Energie in Form von ATP. Der mitochondriale Sauerstoffverbrauch bestimmt den Sauerstoffbedarf des Körpers.
Fettsäuren + Sauerstoff (O2)- > Kohlenstoffdioxid (CO2) + Wasser (H2O) + sehr viele ATP
Der Stoffwechsel schematisch dargestellt.
Folgende Abbildung verdeutlicht den Stoffwechsel. Integration der Systeme zur Energiebereitstellung: Kreatinkinase/Phosphokreatin, phosphagenes System (hier
ohne Adenylatkinase); anaerobe Glykolyse, glykolytisches System; oxidative Phosphorylierung, mitochondriale Atmung.
Die beschriebenen Stoffwechselwege laufen grundsätzlich gleichzeitig (Hybridmotor), aber mit unterschiedlicher Quantität ab. Die Anteile der energieliefernden Prozesse variieren je nach Dauer und Intensität der Belastung. So wird auch in Ruhe Kreatinphosphat aufgespaltet oder Lactat produziert. Je intensiver die Belastung, desto höher der unmittelbare Energie- und ATP-Bedarf der Muskulatur und desto stärker sind die schnellen anaeroben Stoffwechselwege beteiligt. Trotzdem wird auch bei dieser Belastung ein relativ grosser Anteil der benötigten Energie aerob bereitgestellt.
Die Aussage, dass die Fettverbrennung erst nach 30 Minuten Ausdauertraining startet, kannst du also getrost vergessen.
Supplemente zu Steigerung des Stoffwechsels findest du hier