Eiweißstoffwechsel: Aminosäuren, Proteinumsatz und Stickstoffwege

Proteine erfüllen konkrete Körperaufgaben

Enzyme, Membrantransporter, Antikörper, Rezeptoren und viele Gerüstbestandteile bestehen aus Proteinen. In einer Muskelfaser organisieren verschiedene Proteine Kraftentwicklung und Struktur; im Blut transportieren andere Moleküle Ladung oder wirken an der Gerinnung mit. Der Proteinbestand ist somit gleichzeitig Körpersubstanz und ein großes System arbeitender Moleküle. [4]

Eine Aminosäure besitzt eine Aminogruppe, eine Carboxylgruppe und eine variable Seitenkette an ihrem zentralen Kohlenstoffatom. Die Seitenkette beeinflusst Ladung, Wasserlöslichkeit und weitere Eigenschaften. Über Peptidbindungen werden Aminosäuren zu Ketten verknüpft. Deren Reihenfolge und Faltung bestimmen mit, welche räumliche Struktur und Funktion entstehen. [4]

Verdauung liefert aufnehmbare Bausteine

Im Magen beginnt die enzymatische Verarbeitung vieler Nahrungsproteine unter sauren Bedingungen. Im Dünndarm setzen Enzyme aus der Bauchspeicheldrüse und von der epithelialen Oberfläche die Spaltung fort. Die aufgenommenen Produkte umfassen freie Aminosäuren sowie kleine Peptide; innerhalb der Darmzellen erfolgt weitere Verarbeitung. Die Stoffe erreichen anschließend über das Pfortaderblut die Leber. [4][30]

Ein aufgenommenes Nahrungsprotein wird dabei in Bausteine zerlegt, die später in jeweils neu zusammengesetzte körpereigene Moleküle eingehen können. Zwischen Darm, Leber und anderen Organen besteht ein Austausch unterschiedlicher Aminosäuren. Angebot und Weitergabe hängen zugleich von der Verarbeitung im jeweiligen Organ ab. [4]

Essenzielle Aminosäuren werden zugeführt

Der Körper kann zahlreiche Aminosäuren selbst herstellen, häufig durch Anlagerung einer stickstoffhaltigen Gruppe an ein bereits vorhandenes Kohlenstoffgerüst. Neun Aminosäuren gelten für Erwachsene als unentbehrlich: Histidin, Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan und Valin. Ihre ausreichende Bereitstellung erfolgt über die Nahrung. [4][16]

Bei anderen Aminosäuren hängt die Synthese von vorhandenen Vorstufen und der Stoffwechselsituation ab. Beispielsweise verbinden Umwandlungen einzelne Aminosäuren miteinander. Solche Beziehungen erklären den Begriff der bedingten Unentbehrlichkeit in besonderen Entwicklungs- oder Krankheitslagen. Für die allgemeine Übersicht sind eine benötigte Aminosäure, ihre Vorstufe und die vorhandene Syntheseleistung jeweils zusammen zu betrachten. [4][16]

Der Aminosäurepool wird laufend erneuert

Freie Aminosäuren in Zellen und Körperflüssigkeiten bilden einen verfügbaren Pool für Synthesen und Abbauwege. Er wird durch Aufnahme, körpereigene Bildung und Proteinabbau gespeist. Gleichzeitig entnehmen Zellen daraus Stoffe für neue Proteine und zahlreiche andere Produkte. Größe und Zusammensetzung verändern sich fortlaufend. [4]

Aminosäuren stehen im freien Aminosäurepool und gebunden in körpereigenen Proteinen zur Verfügung. Beim Abbau dieser Proteine werden Aminosäuren freigesetzt. Die abgebauten Moleküle erfüllten zuvor konkrete Aufgaben. Der Zusammenhang zwischen Proteinbestand und Mobilisierung erklärt die Bedeutung eines ausgewogenen Auf- und Abbaus für das Gewebe. [4]

Proteinumsatz verbindet Erneuerung und Anpassung

Zellen stellen neue Proteine entsprechend ihrem Bedarf her und bauen vorhandene wieder ab. Dabei werden beschädigte, nicht mehr benötigte oder regulatorisch kurzlebige Moleküle verarbeitet. Die Geschwindigkeit unterscheidet sich erheblich zwischen Proteinen und Geweben. Enzyme, Transporter und Strukturproteine besitzen jeweils eigene Lebenszyklen. [4]

Insulin, weitere Hormonsignale, Substratangebot und körperliche Anforderungen beeinflussen die Bilanz aus Synthese und Abbau. Auch zwischen Mahlzeiten setzt sich der Proteinumsatz fort. Aminosäuren können daher gleichzeitig aus Geweben freigesetzt, in anderen aufgenommen und für neue Moleküle eingesetzt werden. Die Organverbindung ist ein laufender Austausch mit mehreren Zu- und Abflüssen. [4][29]

Die Stickstoffgruppe wird zunächst übertragen

Bei vielen Aminosäuren beginnt die Weiterverarbeitung mit einer Transaminierung. Ein Enzym überträgt die Aminogruppe auf eine passende Ketosäure. Häufig nimmt α-Ketoglutarat die Gruppe auf und wird dadurch zu Glutamat. Die abgegebene Aminosäure hinterlässt ihr entsprechendes Kohlenstoffgerüst. Der Stickstoff bleibt bei diesem Schritt in einer organischen Verbindung gebunden. [4][23]

Glutamat bildet auf diese Weise einen wichtigen Sammelpunkt. Es kann seine Aminogruppe erneut übertragen oder in anderen Reaktionen Ammonium bereitstellen. Daneben verbindet die Bildung beziehungsweise Verarbeitung von Glutamin verschiedene Stickstoffwege. Die konkreten Enzyme und Zellräume bestimmen, welcher Weg in einem bestimmten Organ vorherrscht. [23]

Alanin und Glutamin vermitteln Organverbindungen

Alanin entsteht durch Übertragung einer Aminogruppe auf Pyruvat. Es kann über das Blut zwischen Organen ausgetauscht werden. In der Leber lässt sich sein Kohlenstoffgerüst wieder als Pyruvat weiterverarbeiten und beispielsweise für Glucoseneubildung einsetzen. Sein Stickstoff gelangt in die dortigen weiteren Verarbeitungswege. [4][20][23]

Glutamin trägt Stickstoff in seiner Amino- und seiner Amidgruppe. Es ist ein wichtiger Austauschstoff und zugleich Ausgangsmaterial für andere Synthesen. Bei seiner Verarbeitung kann Ammonium freigesetzt werden. Die Niere verwendet solche Wege auch im Zusammenhang mit der Regulation des Säure-Basen-Haushalts; Leber und weitere Gewebe besitzen andere Schwerpunkte. [4][23]

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Der Harnstoffzyklus liegt über zwei Zellräume verteilt

Die Leber verarbeitet Stickstoff unter anderem zu Harnstoff. Der Zyklus beginnt in der mitochondrialen Matrix: Die Carbamoylphosphatsynthetase I verbindet unter ATP-Verbrauch Ammonium mit einem aus Hydrogencarbonat stammenden Kohlenstoff. N-Acetylglutamat wirkt als erforderlicher Aktivator des Enzyms. [12][21]

Carbamoylphosphat überträgt seine Gruppe auf Ornithin; es entsteht Citrullin. Dieses wird in das Zytosol transportiert. Dort verbindet sich Citrullin unter weiterem Energieaufwand mit Aspartat zu Argininosuccinat. Aspartat liefert den zweiten Stickstoff, der später im Harnstoff enthalten ist. [12][21]

Aus Argininosuccinat entstehen Arginin und Fumarat. Die Spaltung von Arginin setzt schließlich Harnstoff frei und stellt Ornithin wieder her. Ornithin kehrt in die Matrix zurück. Damit wird der Träger regeneriert, während der Stickstoff als wasserlösliches Endprodukt weitergegeben werden kann. Die fünf Hauptreaktionen verbinden zwei mitochondriale mit drei zytosolischen Schritten. [12][21]

Ein Weg kostet Energie und verbindet Stoffnetze

Der Harnstoffzyklus benötigt drei ATP-Moleküle. Bei einer Reaktion wird ATP bis AMP umgesetzt; insgesamt werden deshalb vier energiereiche Phosphatbindungen beansprucht. Diese Zählweise unterscheidet die Zahl eingesetzter ATP-Moleküle von der chemischen Energiebilanz. [21]

Fumarat stellt eine Verbindung zum Kohlenstoffstoffwechsel her. Der Zyklus entnimmt zudem Aspartat aus einem verbundenen Aminosäurenetz. Stickstoffentsorgung benötigt somit Energie und steht zugleich in einem Austausch mit anderen Reaktionswegen. Der gebildete Harnstoff gelangt in das Blut und wird von der Niere ausgeschieden. [4][12][21]

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Kohlenstoffgerüste erreichen verschiedene Eintrittsstellen

Nach Verarbeitung der stickstoffhaltigen Gruppe bleiben unterschiedliche Kohlenstoffgerüste zurück. Je nach Aminosäure entstehen Pyruvat, Acetyl-CoA oder Zwischenprodukte des Citratzyklus. Diese können der Energiegewinnung und teilweise der Neubildung anderer Stoffe dienen. Die jeweilige Molekülstruktur bestimmt, in welche Stoffwechselwege das Kohlenstoffgerüst eintritt. [4]

Glucogene Aminosäuren liefern Kohlenstoff an Wege, aus denen netto Glucose entstehen kann. Ketogene Anteile führen zu Acetyl-CoA beziehungsweise verwandten Ausgangsverbindungen der Ketonkörperbildung. Einige Aminosäuren besitzen mehrere Abbauzweige. Bei einer Stoffbilanz müssen daher die einzelnen Produkte und ihre Eintrittsstellen verfolgt werden. [4][20]

Purine bilden eine eigene Verbindung zum Stickstoffstoffwechsel

Nukleotide sind Bausteine von DNA und RNA und wirken außerdem als Energieträger oder Bestandteile von Coenzymen. Ihre stickstoffhaltigen Basen gehören zu verschiedenen chemischen Gruppen. Beim Abbau von Purinbasen entsteht beim Menschen schließlich Harnsäure; sie wird über Ausscheidungswege aus dem Körper entfernt. [4]

Damit stehen nebeneinander mehrere stickstoffhaltige Endprodukte mit unterschiedlicher Herkunft. Harnstoff entsteht vor allem aus der Verarbeitung des Aminosäurenstickstoffs, Harnsäure aus dem Purinstoffwechsel. Diese Unterscheidung hilft auch beim Lesen von Laborbezeichnungen, die trotz ähnlicher deutscher Namen verschiedene Moleküle beschreiben. [4]

Nach der Mahlzeit und in der Nahrungspause

Nach einer proteinhaltigen Mahlzeit steigt das Angebot aufgenommener Aminosäuren. Darm und Leber verarbeiten einen Teil, andere Gewebe nehmen verfügbare Bausteine auf. Die Zelle entscheidet über ihr Enzym- und Signalsystem, wie viel in neue Proteine, andere Produkte oder weitere Abbauschritte eingeht. [4][29]

In einer Nahrungspause werden weiterhin körpereigene Proteine erneuert und Aminosäuren zwischen Organen ausgetauscht. Einige Kohlenstoffgerüste tragen dann zur Glucosebereitstellung bei, während Fettsäuren parallel weitere Energieaufgaben übernehmen. Protein-, Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsel lassen sich dadurch als verschiedene Zuflüsse zu gemeinsamen Netzen verstehen. [2][3][4][20][29]

Drei Fragen machen den Weg nachvollziehbar

Für eine einzelne Aminosäure lassen sich drei Vorgänge getrennt verfolgen: ihre Aufnahme beziehungsweise Bereitstellung, die Verarbeitung des Stickstoffs und die Weiterverwendung des Kohlenstoffgerüsts. Proteinsynthese hält beide Bestandteile zunächst zusammen; beim Abbau führen sie in verschiedene Reaktionen. Diese Trennung erklärt zugleich die Zusammenarbeit zwischen Gewebe, Leber und Niere. [4][12][23]

Stickstoff und Kohlenstoff nehmen eigene Wege

Wichtige Begriffe

Aminosäurepool

Verfügbarer Bestand freier Aminosäuren aus Aufnahme, körpereigenem Umsatz und Synthese. [4][30]

Transaminase

Enzym, das Aminogruppen zwischen Aminosäuren und Ketosäuren überträgt. [23][30]

CPS1

Mitochondriale Carbamoylphosphat-Synthetase I; eröffnet den Harnstoffweg und benötigt N-Acetylglutamat als Aktivator. [12]

Ornithin

Aminosäure, die im Harnstoffzyklus regeneriert und für einen neuen Umlauf bereitgestellt wird. [12]

Diese Zusammenhänge vertiefen

• Glykolyse und Citratzyklus: Kohlenstoff und Elektronen Schritt für Schritt verfolgen

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• Stoffwechsel und Energiehaushalt
• ATP, Nährstoffe und Energieumsatz
• Die Leber: Gefäßwege, Stoffwechsel und Versorgung des Körpers
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