Samstag, 2. April 2016

Mikrozirkulation – wozu: ATP, Zitratzyklus, Atmungskette

Ohne Energie (chemische) keine geordneten Stoffwechselabläufe in den Zellen

Ich möchte den Versuch unternehmen, so einfach wie möglich, die Bedeutung des Energiestoffwechsels (einiger Komponenten) zu erklären. Es geht um Prinzip, nicht um biochemische Genauigkeit.

Chemische (Reaktions-)Energie durch energiereiche Phosphate – ATP (Adenosin-tri-Phosphat)

Solche chemischen „Energiespeicher“ nehmen direkt oder indirekt an gelenkten Reaktionen in den Zellen teil und machen durch dabei „übertragene“ Energie diese meist erst möglich. Sie verändern sich dabei und verlieren an Energie (energiereicher Phosphorsäure). Aus ATP wird ADP (Adenosin-di-Phosphat). Das Adenosin als „Träger“ hat dabei einen Phosphorsäurerest abgegeben. Um es wieder „aufzuladen“, muss in einem (es gibt verschiedene Wege mit und ohne viel zusätzlichem Sauerstoff) Schritt wieder mit Phosphat bepackt werden.

Die Energie dazu wird aus der sogenannten „Knallgasreaktion“ gewonnen. Dabei wird ein Atom Sauerstoff mit zwei Atomen Wasserstoff zu Wasser verbunden. Es ist dazu eine kleine Startenergie (beim Gemisch der Gase genügt ein kleiner Zündfunke zur Explosion - Knallgas) nötig, die den Ausgang Sauerstoffgasmolekül und die Wasserstoffgasmoleküle in reaktionsbereite Atome aufspaltet. Damit jedoch eine Zelle nicht durch die explosionsartig frei werdende Druck- und Hitzeenergie platzt, muss das in den Zellen ganz langsam über Zwischenschritte erfolgen, bei denen jeweils die frei werdende Energie dazu benutzt wird, an ADP Phosphorsäure zu ATP anzulagern. Es wird immer auch ein wenig Wärmenergie frei, die die Körpertemperatur erzeugt und auch chemische Prozesse allgemein beschleunigen kann.

Diese Knallgasreaktion wird in der so genannten Atmungskette gelenkt ausgeführt. Sie ist in sofern ideal, weil neben viel Energie als Endprodukt nur das ungefährliche aber (Zell-) lebenswichtige Wasser entsteht. Sie benötigt aber die Zufuhr von reichlich Sauerstoff (ist aerob).

Wenn diese aus irgendeinem Grunde nicht richtig funktionieren kann – oder allein nicht ausreicht, kann der Körper auf andere bio-chemische Abläufe zurück greifen, bei denen kein (kaum) Sauerstoff benötigt wird (anaerob), bei denen aber Produkte entstehen, die für den Organismus schlechter zu entsorgen sind und auch schädlich wirken können. Aber das Überleben wird gesichert.

Die Zellen können nicht auf Wasserstoffgas als Brennstoff zurückgreifen, da das Gas nicht in den notwendigen Mengen über das Wasser des Körpers in die Zellen zu schaffen ist. Der „Brennstoffwasserstoff“ wird über Energieträger in die Zellen geschafft: Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße. Deren Kennzeichen ist, dass eine zentrale Atomkette aus Kohlenstoff (C) ihr Baugerüst bildet, wobei direkt oder indirekt an den Kohlestoffatomen Wasserstoff gebunden ist („Kohlenwasserstoffe“). Die einfachste Form wären die reinen Kohlenwasserstoffe wie z.B. Hexan (Erdölbestandteil) mit 6 C Atomen in der Kette, an denen jeweils die freie Bildung mit Wasserstoff. Etwa so 3HC-C2H-C2H-C2H-C2H-C3H. Für den Körper kaum sinnvoll zu gebrauchen, weil es eine ölige Substanz ist, die in Wasser nicht löslich und nicht transportabel ist. Kompromiss wäre eine Fettsäure, die an einer oder mehreren Stellen sauerstoffhaltige Gruppen trägt: Triglyceride, Fettsäuren. Eiweiße enthalten als Bauteile neben Kohlenstoff und Sauerstoff auch Stickstoffe und andere Atome (z:B: Schwefel), die für den Körper giftig werden könnten als „Verbrennungsrückstände“. Ideal sind Kohlenhydrate, die, wie der Name sagt aus Kohlenstoff) und Wasser (Hydro) gebildet wurden (in Pflanzen mit Hilfe der Sonnenenergie, Zucker ist gespeicherte Sonnenenergie!) entstanden sind. Grundkette: -H-C-OH-. Diese Kohlenhydrate enthalten bereits alle Bestandteile zur Wasserherstellung HH und O und bei ihrer „Verbrennung“ wird weniger zusätzlicher Sauerstoff gebraucht als bei der Fett-oder Eiweißverbrennung. Und Kohlenhydrate sind leicht in Wasser zu lösen und so zu transportieren.

Man muss die jeweiligen Teile, vor allem den Brennstoff H von Kohlenstoff C abmachen und sicher in die „Brennkammer“ Atmungskette schaffen. Dazu gibt es den Zitronensäurezyklus. In diesen werden Bruchstücke der Energieträgermoleküle Eiweiß, Fett, Kohlenhydrat eingefügt und über einzelne Schritte daraus der Wasserstoff auf den Träger NAD übertragen. Das Kohlenstoffatom, an dem der Wasserstoff hing, wird frei und muss entsorgt werden.

Freier Kohlenstoff ist nicht in Wasser zu lösen und so nicht zu transportieren, Er würde die Zelle schnell „zurußen“. Doch mit Sauerstoff gekoppelt wird er zum Kohlendioxid-Gas (was dann mit Tricks leicht zu entfernen wären – wenn alles klappt).


Zitronensäurezyklus – warum CO2 Entsorgung so wichtig ist

In dem späteren Beiträgen zur Erythrozytenfunktion und Übersäuerung durch gestörte Ery-Funktion werde ich feststellen, dass eine gestörte CO2 Entsorgung den Zitronensäurezyklus blockiert.

Wozu ist dieser Zyklus (in den Mitochondrien) da? Er dient der Gewinnung von Wasserstoff als Brennstoff für die Atmungskette (aerobe Energiegewinnung). Bei einem „Umlauf“ dieses Zyklus werden 8 Wasserstoffatome gewonnen. 6 davon werden mittels Transporteur NAD (Nicotinamid-adenin-dinucleotid) zur Atmungskette geschafft, 2 davon über FAD (Flavin-adenin-dinucleotid)für Synthesen bereitgestellt. (Das ist aus didaktischen Gründen grob vereinfacht gesagt!)
2 dieser Wasserstoffatome kommen über die (aktivierte) Essigsäure in den Zyklus, die aus dem Abbau von Fetten, Eiweißen und Kohlehydraten gewonnen wird. 6 kommen aus 3 Wassermolekülen, die an unterschiedlichen Stellen in den Zyklus eingeführt werden (ohne Wasser geht der Zyklus nicht!).

Der Kohlenstoff (2 Atome) der Essigsäure wird als CO2 Moleküle (es entstehen 2 davon) aus dem Zyklus als „Abfall“ abgegeben. Der notwendige Sauerstoff stammt nicht aus der Atemluft. Ein Atom (der insgesamt 4 in 2 CO“ Moleküle) kommt aus der Essigsäure, die 3 anderen aus den zugeführten Wassermolekülen.

Der Sauerstoff aus der Atemluft wird für die Atmungskette gebraucht.

Wenn das entstehende CO2 nicht aus dem Zyklus abgeführt werden kann und sich dort „staut“, bleibt der Zyklus stehen auf der Ebene einer organischen Säure (die dann zur Übersäuerung der Mitochondrien beiträgt). Der Atmungskette wird Brennstoff entzogen, die aerobe Energiegewinnung wird gestört. Es muss auf anerobe Energiegewinnung – Abfallprodukt Säuren, z.B. die Milchsäure- umgeschaltet werden. Die hierbei entstehenden „Abfallsäuren“ hemmen die CO2 Elimination in den Erythrozyten (siehe im späteren Beitrag). Bicarbonatmangel (im Blut) ist die Folge.





Die Atmungskette – Kontrollierte Knallgasreaktion

Die Atmungskette ist einen Aneinanderreihung von einzelnen „Arbeitsstationen“, Reaktionsmolekülen (Atmungsfermente). Sie hat 2 Eingänge: in den einen wird über das NAD als Transporter der Wasserstoff angeliefert. In den anderen wird der Reaktionssauerstoff (aus der Sauerstoffaufnahme über Lungen aufgenommen und von den roten Blutkörperchen ganz in die Nähe gebracht) eingeführt. Von Station zu Station werden diese, der Wasserstoff und der Sauerstoff zueinander geführt (unter Herausnahme von Energie) und es wird zwischendrin Wasser „ausgeworfen“.

Das Wasser könnte z.B. in den benachbarten Zitronensäurezyklen dazu dienen, den Kohlenstoff zu Kohlendioxid zu machen.








Übrigens: so entstehen Kohlenhydrate in der Pflanze:

CO2 aus der Luft (z.b. abgeatmet von Menschen) wird (über die Blätter) aufgenommen. Wasser H2O über die Wurzeln aus dem Boden geholt. Mit Hilfe des Chlorophylls in den Blättern wird Sonnenlicht in chemische Energie verwandelt. Diese treibt Enzyme an, die (ganz vereinfacht) H20 mit CO2 reagieren lassen zu H2CO3 (Kohlensäure) und aus dieser 2 0 herausholen. Es bleibt im Grundgerüst HCOH (Wasser und Kohlenstoff) und es wird Sauerstoffgas (O2) frei, das die Blätter zu unserem Wohl in die Luft entlassen.

Da schimpfe noch mal einer über Kohlenhydrate! - Gespeicherte Sonnenenergie und wunderbares Recycling.

Copyright K.-U.Pagel 04 2016




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