Stoffwechsel: Wie Organe Stoffe verarbeiten, verteilen und nutzen

Ein fortlaufender Austausch zwischen Organen

Nach einer Mahlzeit kommen Nährstoffe aus dem Darm hinzu. In den Stunden danach übernehmen gespeicherte und neu gebildete Stoffe zunehmend die Versorgung. Gleichzeitig schlagen Herz und Atemmuskeln weiter, Nervenzellen verarbeiten Signale und Gewebe werden erneuert. Der Stoffwechsel verbindet die zeitweise Nahrungsaufnahme mit einer kontinuierlichen Arbeit der Organe. [1][2]

Die Organe besitzen dafür unterschiedliche Fähigkeiten. Die Leber kann Glucose speichern und wieder in das Blut abgeben. Skelettmuskeln verwenden ihren Glykogenvorrat vor allem für die eigene Arbeit. Fettgewebe lagert Triglyceride ein und setzt bei verändertem Bedarf Fettsäuren frei. Die Niere ergänzt die innere Versorgung durch Rückgewinnung, Ausscheidung und eigene chemische Umwandlungen. [2][3][4][20]

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Aufbauen, abbauen und miteinander koppeln

Katabole Reaktionswege bauen größere oder energiereiche Stoffe in mehreren Schritten ab. Dabei werden kleinere Verbindungen und übertragbare chemische Energie bereitgestellt. Anabole Wege verwenden Bausteine und Energie zum Aufbau körpereigener Substanzen. Membranen, Proteine, Nukleotide und Speicherstoffe sind Beispiele solcher Produkte. [1]

Beide Richtungen sind in Reaktionsnetzen verbunden. Der Abbau einer Verbindung kann Vorstufen für einen anderen Aufbau liefern. Ein Zwischenprodukt des Citratzyklus wird beispielsweise für die Synthese einer Aminosäure benötigt; ein Teil des Glucosestroms kann in die Bereitstellung von Nukleotidbausteinen eingehen. Das Zellgeschehen verteilt Material zwischen mehreren gleichzeitig bestehenden Aufgaben. [1][10][22]

Enzyme ordnen die Reaktionen

Enzyme beschleunigen bestimmte chemische Reaktionen unter den Bedingungen der Zelle. Meist wird das Produkt eines Schrittes zum Ausgangsstoff des nächsten. Die Ausstattung mit Enzymen bestimmt daher wesentlich, welche Wege eine Zelle ausführen kann. Eine Leberzelle besitzt ein anderes Repertoire als ein reifer Erythrozyt oder eine Muskelfaser. [1][6]

Die Aktivität dieser Enzyme lässt sich verändern. Substratangebot, Produkte, kleine regulatorische Moleküle und chemische Modifikationen beeinflussen den Stofffluss. Hormonsignale können rasch auf vorhandene Proteine wirken und längerfristig deren Bildung verändern. Solche verschiedenen Zeitskalen erlauben sowohl die schnelle Reaktion auf Muskelarbeit als auch die Anpassung an eine länger veränderte Versorgungslage. [2][3]

ATP verbindet Energieumwandlung mit Zellarbeit

Adenosintriphosphat, ATP, ist an vielen gekoppelten Reaktionen beteiligt. Die insgesamt energetisch günstige Umsetzung zu ADP und Phosphat kann mit Arbeitsschritten eines Enzyms oder Motorproteins verbunden werden. Beispiele sind der Transport von Ionen, die Bewegung von Muskelproteinen und die Herstellung neuer Moleküle. Die chemische Kopplung macht diese Energie für einen bestimmten Vorgang nutzbar. [2][6]

ADP und Phosphat stehen anschließend wieder für die ATP-Bildung bereit. Glykolyse, mitochondriale Substratverarbeitung und oxidative Phosphorylierung tragen je nach Zelltyp unterschiedlich zur Regeneration bei. In Muskel und weiteren Geweben unterstützt Phosphokreatin die besonders schnelle Wiederherstellung bei wechselndem Bedarf. Diese Systeme arbeiten zeitlich überlappend. [36]

Die Zelle verteilt ihre Arbeit auf verschiedene Räume

Die Glykolyse verarbeitet Glucose im Zytosol bis zu Pyruvat. Mitochondrien bieten weitere Reaktionsräume: Die Matrix enthält viele Enzyme des Substratabbaus, die innere Membran trägt Atmungskettenkomplexe und ATP-Synthase. Membranen und Transportproteine verbinden diese Teilräume über definierte Wege. [2][7][9]

Auch das endoplasmatische Retikulum trägt zur Stoffverarbeitung bei. Dort erfolgen unter anderem Lipid- und Proteinprozesse; bestimmte Enzyme der Glucosebereitstellung sind ebenfalls an dieses Membransystem gebunden. Glykogengranula liegen dagegen im Zytoplasma. Die räumliche Ausstattung lässt sich in der eigenen Leberzellansicht nachvollziehen: Kern, ER, Mitochondrien und Speicherstrukturen sind verschieden organisiert. [2][20][33][34]

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Vom Darm führen zwei große Verteilungswege weiter

Verdauung zerlegt Nahrung in aufnehmbare Bestandteile. Viele Zucker und Aminosäuren erreichen aus dem Dünndarm zunächst die Pfortader und damit die Leber. Hier beginnt ihre weitere Verteilung und Verarbeitung. Darmwand und Leber liegen dadurch als aufeinanderfolgende Stationen zwischen einer Mahlzeit und dem großen Körperkreislauf. [2][4]

Ein großer Anteil der aufgenommenen langkettigen Fettbestandteile wird in Darmzellen erneut zu Lipiden zusammengesetzt und in Chylomikronen verpackt. Diese Partikel gelangen zunächst in die Lymphe und später ins Blut. Enzyme an geeigneten Kapillaren machen Fettsäuren für die Zielgewebe verfügbar. Aufnahme und Transport hängen damit von der chemischen Form eines Nährstoffs ab. [3][27]

Glucose wird genutzt, gespeichert und neu gebildet

Nach Aufnahme in eine Zelle kann Glucose in die Glykolyse eingehen. Sie kann außerdem als Glykogen gespeichert oder für andere Synthesewege bereitgestellt werden. Die erste Phosphorylierung zu Glucose-6-phosphat schafft einen gemeinsamen Knotenpunkt für mehrere dieser Möglichkeiten. Welche Richtung überwiegt, hängt von der Ausstattung und dem aktuellen Zustand der Zelle ab. [2]

Die Leber stellt aus ihrem Glykogen freie Glucose für das Blut bereit. Muskelzellen nutzen den Abbau ihres Glykogens überwiegend innerhalb des eigenen Gewebes. Bei der Gluconeogenese entsteht neue Glucose aus geeigneten Vorstufen, etwa Lactat, Glycerol und bestimmten Aminosäuren. Leber und Niere tragen in situationsabhängiger Gewichtung dazu bei. [2][20]

Insulin fördert unter anderem die Glucoseaufnahme in Muskel- und Fettgewebe sowie die Speicherung und weitere Nutzung. Andere Gewebe besitzen Transportwege für eine laufende Aufnahme bei unterschiedlichen Insulinbedingungen. In der Leber ist die hormonelle Steuerung der chemischen Verarbeitung und Glucoseabgabe besonders bedeutsam. Die gewebespezifischen Wege ergänzen sich bei der Blutzuckerregulation. [2][28]

Fette sind Speicher, Membranbausteine und Vorstufen

Triglyceride enthalten Glycerol mit drei veresterten Fettsäuren. Im Fettgewebe bilden sie einen umfangreichen Energiespeicher. Phospholipide gehören zu den wesentlichen Bausteinen von Membranen. Cholesterin beeinflusst deren Eigenschaften und ist Ausgangsstoff für Steroidhormone und Gallensäuren. Die gemeinsame Bezeichnung Lipide umfasst damit verschiedene Stoffgruppen mit jeweils eigener Aufgabe. [3]

Bei der Lipolyse werden gespeicherte Triglyceride schrittweise hydrolysiert. Freigesetzte Fettsäuren werden im Blut überwiegend an Albumin gebunden transportiert. In geeigneten Geweben können sie oxidativ verarbeitet oder erneut in Lipide eingebaut werden. Glycerol nimmt einen anderen Weg und kann unter anderem der Leber als Vorstufe dienen. [3][19][20]

Für den Transport größerer Lipidmengen dienen Lipoproteinpartikel. Darm und Leber bilden unterschiedliche Partikel, deren Bestandteile unterwegs an Gewebe abgegeben oder umgebaut werden. Ein Lipoprotein ist daher ein Transportverband mit einer wasserverträglichen Oberfläche und einem lipidreichen Inneren. Die Richtung eines Stoffwegs wird erst durch Partikeltyp, beteiligte Enzyme und Rezeptoren verständlich. [3][27]

Aminosäuren verbinden Aufbau und Ausscheidung

Proteine übernehmen Struktur- und Arbeitsaufgaben: als Enzyme, Rezeptoren, Transporter, Antikörper, Muskel- oder Matrixbestandteile. Ihre Aminosäuren werden aus Nahrung und dem fortlaufenden Abbau körpereigener Proteine bereitgestellt. Der Bestand wird ständig erneuert und an die jeweilige Gewebeaufgabe angepasst. [4]

Ein Teil der Aminosäuren kann körpereigen aufgebaut werden. Die unentbehrlichen Aminosäuren müssen in ausreichender Menge von außen verfügbar sein. Dazu gehören Histidin, Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan und Valin. Die Einteilung beschreibt die Fähigkeit zur Bereitstellung des benötigten Grundgerüsts im menschlichen Organismus. [4][16]

Beim Abbau werden stickstoffhaltige Gruppen und Kohlenstoffgerüste unterschiedlich weiterverarbeitet. Die Leber bildet aus gesammeltem Stickstoff unter anderem Harnstoff; dieser gelangt über das Blut zur renalen Ausscheidung. Die Kohlenstoffgerüste können je nach Aminosäure in Glucosebildung, Citratzyklus oder andere Wege eingehen. Aufbau, Energieverwendung und Ausscheidung sind dadurch verbunden. [4][12][23]

Vitamine und Mineralstoffe ermöglichen spezifische Arbeitsschritte

Vitamine übernehmen verschiedene Aufgaben in Reaktionen, Signalwegen und spezialisierten Geweben. Mehrere B-Vitamine liefern Vorstufen von Coenzymen. Ein Beispiel ist Thiamindiphosphat, das an wichtigen Umwandlungen im Glucose- und Aminosäurestoffwechsel beteiligt ist. Transport, Speicherung und Nutzung unterscheiden sich zwischen wasser- und fettlöslichen Vitaminen. [5][32]

Mineralstoffe tragen sowohl zum Aufbau als auch zur Regulation bei. Calcium und Phosphat prägen die mineralische Knochensubstanz. Natrium, Kalium und Chlorid beeinflussen Flüssigkeitsverteilung und elektrische Bedingungen an Membranen. Eisen ist im Hämoglobin am Sauerstofftransport beteiligt. Diese Stofffunktionen verbinden den Stoffwechsel mit Knochen, Nerven, Kreislauf und Nieren. [38][39][40]

Ballaststoffe verändern das Darmmilieu

Ballaststoffe umfassen verschiedene Bestandteile, die von menschlichen Verdauungsenzymen weitgehend ungespalten bleiben. Einige binden Wasser und verändern die physikalischen Eigenschaften des Darminhalts. Andere können von Mikroorganismen des Dickdarms fermentiert werden. Dabei entstehen unter anderem kurzkettige Fettsäuren, die mit dem Darmepithel und dem übrigen Stoffwechsel in Austausch treten. [37]

Wasserbindung, räumliche Struktur und Fermentierbarkeit fallen je nach Stoff unterschiedlich aus. Der Darm ist dadurch zugleich Aufnahmeorgan und Standort mikrobieller Umwandlungen. Die verfügbaren Endprodukte einer Mahlzeit hängen sowohl von deren Bestandteilen als auch von den Fähigkeiten menschlicher Enzyme und der lokalen Mikroorganismen ab. [1][2]

Ruhebedarf, Aktivität und Wärme

Auch im Liegen arbeiten Ionenpumpen, Herz, Atemmuskeln und zahlreiche Synthese- und Erneuerungsprozesse. Der Grundumsatz beschreibt den Energieverbrauch unter festgelegten Ruhe-, Nüchternheits- und Temperaturbedingungen. Zum täglichen Gesamtumsatz kommen körperliche Aktivität und die Verarbeitung der Nahrung hinzu. Körperzusammensetzung, Größe, Alter, hormonelle Bedingungen und aktuelle Situation beeinflussen das Ergebnis. [1]

Bei Muskelarbeit wird ein Teil der chemisch verfügbaren Energie in mechanische Arbeit überführt; zugleich entsteht Wärme. Auch andere Stoffwechselprozesse tragen zur Wärmebildung bei. Über Hautdurchblutung, Wärmestrahlung, Luftbewegung und Verdunstung kann Wärme an die Umgebung abgegeben werden. Wie gut dies gelingt, hängt unter anderem von Temperatur, Luftfeuchte und Bekleidung ab. [1][31]

Stoffbilanz und Energiebilanz ergänzen einander

Die Energiebilanz beschreibt das Verhältnis von verfügbarer Zufuhr und umgesetzter Energie. Über längere Zeit kann ein Unterschied die körpereigenen Speicher verändern. Welche Gewebe dabei auf- oder abgebaut werden, hängt zugleich von Bewegung, Hormonsituation, verfügbarem Ausgangsmaterial und anderen physiologischen Bedingungen ab. Energiegehalt und Zusammensetzung einer Substanz tragen deshalb verschiedene Informationen zum Verständnis bei. [1]

Ein Protein liefert beispielsweise Kohlenstoff und Stickstoff in einer bestimmten Bausteinfolge. Bei der Synthese eines neuen Körperproteins muss die Zelle die benötigten Aminosäuren bereitstellen und Energie für die Verarbeitung aufwenden. Eine Fettzelle speichert dagegen vor allem große Mengen Triglycerid. Solche unterschiedlichen Materialaufgaben bleiben auch dann relevant, wenn man für einen Energievergleich dieselbe Maßeinheit verwendet. [1][3][4]

Nervensystem und Hormone koordinieren die Versorgung

Stoffwechselwege reagieren auf Signale, die den lokalen Bedarf mit dem Zustand des ganzen Körpers verbinden. Insulin und Glucagon verändern besonders die Verarbeitung und Bereitstellung nach einer Mahlzeit beziehungsweise in einer Nahrungspause. Bei erhöhter Aktivierung tragen Katecholamine zur raschen Mobilisierung von Energieträgern bei. Die jeweiligen Zielorgane setzen diese Signale entsprechend ihren Rezeptoren und Enzymen um. [2][3]

Dabei wird eine biochemische Reaktion in ein körperliches Geschehen eingebunden: Ein arbeitender Muskel verändert seine ATP-Nutzung, der Kreislauf liefert Stoffe an, und hormonelle Signale beeinflussen die vorhandenen Speicher. Unterschiedliche Organe können währenddessen verschiedene Brennstoffe verwenden. Die Abstimmung führt zu passenden Stoffflüssen für die gleichzeitig bestehenden Aufgaben. [1][2][3]

Eine Nacht zwischen Abendessen und Frühstück

Nach dem Abendessen liefert der Darm Nährstoffe an Blut und Lymphe. Die Bauchspeicheldrüse verändert ihre Hormonabgabe. Leber und Muskeln können einen Teil der Glucose als Glykogen einlagern; Fettgewebe verändert Aufnahme und Speicherung von Fettsäuren. Gleichzeitig werden die gerade benötigten Stoffe unmittelbar umgesetzt. Speicherung und aktuelle Arbeit laufen parallel. [2][3][29]

Im Verlauf der Nacht nimmt die Zufuhr aus dem Darm ab. Die Leber gibt Glucose aus Glykogen ab und ergänzt sie durch Neubildung. Fettgewebe stellt Fettsäuren bereit, die zahlreiche Gewebe oxidieren können. Die Wege überlappen; ihr Verhältnis verschiebt sich mit zeitlichem Abstand zur Mahlzeit und mit der Aktivität. So bleiben Organe versorgt, obwohl die Nahrungsaufnahme pausiert. [2][3]

Zellstruktur erklärt unterschiedliche Stoffwechselprofile

Das Gehirn nutzt unter üblichen Ernährungsbedingungen überwiegend Glucose. Bei länger anhaltend veränderter Substratlage können Ketonkörper einen größeren Anteil beitragen. Reife Erythrozyten gewinnen ATP über die Glykolyse und geben Lactat an das Blut ab. Die Leber kann dieses wieder aufnehmen und verarbeiten. Verschiedene Zelltypen nutzen damit unterschiedliche Abschnitte desselben Stoffnetzes. [2][3]

Aus der Anordnung von Organen, Membranen, Enzymen und Speichern entsteht eine verteilte Arbeitsteilung. Die Leberzellansicht zeigt zelluläre Orte, die Organwegkarte zeigt den Austausch und die ATP-Erklärung verbindet beides mit der konkreten Zellarbeit. Zusammen lassen sich chemische Einzelreaktionen in ihren körperlichen Zusammenhang einordnen. [1][2][3][4]

Stoffwechselarbeit im Verbund

Wichtige Begriffe

Zellmembran

Lipiddoppelschicht mit Proteinen; organisiert Stoffaustausch und Signalübertragung. [46]

Zellkern

Enthält den größten Teil der zellulären DNA innerhalb einer Doppelmembran mit Kernporen. [47]

Kernkörperchen

Bereich des Zellkerns, in dem ribosomale RNA verarbeitet und ribosomale Untereinheiten zusammengebaut werden. [47]

Chromatin

Verbund aus DNA und zugehörigen Proteinen im Zellkern. [47]

Mitochondrien

Doppelmembranorganellen mit Matrix und innerer Membran; verbinden unter anderem Citratzyklus, Elektronentransport und ATP-Bildung. [46]

Raues ER

Membransystem mit angelagerten Ribosomen; beteiligt an Bildung und Verarbeitung sekretorischer und vieler Membranproteine. [46]

Glattes ER

Ribosomenfreies Membransystem mit Aufgaben in Lipidstoffwechsel und Calciumhaushalt. [46]

Golgi-Apparat

Gestapeltes Membransystem zur Verarbeitung und Sortierung von Zellprodukten. [46]

Golgi-Vesikel

Membranumhüllte Transportbläschen im Verkehr zum und vom Golgi-Apparat. [46]

Sekretvesikel

Membranbläschen mit Fracht, die durch Verschmelzung mit der Zellmembran abgegeben werden kann. [46]

Ribosomen

Komplexe aus RNA und Proteinen, an denen Aminosäuren entsprechend einer mRNA zu Proteinen verknüpft werden. [46]

Lysosom

Saures membranumhülltes Kompartiment zum enzymatischen Abbau aufgenommener oder zelleigener Stoffe. [46]

Peroxisom

Membranorganell mit oxidativen Enzymen, unter anderem für Lipidverarbeitung und Wasserstoffperoxid-Umsatz. [46]

Zytoplasma

Zellinhalt außerhalb des Zellkerns; umfasst Zytosol, Organellen und weitere Strukturen. [46]

Mikrotubulus

Röhrenförmiges Tubulinfilament; dient unter anderem als Transportbahn und Bestandteil des Spindelapparats. [46]

Mikrofilament

Dünnes Aktinfilament mit Aufgaben in Zellform, Bewegung und Kraftentwicklung. [46]

Intermediärfilament

Zytoskelettfaser, die zur mechanischen Belastbarkeit von Zellen beiträgt. [46]

Zentrosom

Mikrotubuli-organisierender Bereich vieler tierischer Zellen mit Zentriolen und umgebendem Proteinmaterial. [46]

Vakuole

Allgemeiner Begriff für einen membranbegrenzten Zellhohlraum; menschliche Zellen gliedern ihren Transport und Abbau unter anderem in Vesikel, Endosomen und Lysosomen. [46]

Katabolismus

Abbauende Stoffwechselwege, die unter anderem Energie nutzbar machen.

Anabolismus

Aufbauende Stoffwechselwege für komplexere körpereigene Stoffe.

Glykolyse

Reaktionsweg im Zellplasma, der Glukose bis zu Pyruvat verarbeitet.

Lipoprotein

Transportpartikel aus Lipiden und Proteinen im Blut.

Kompartiment

Durch Membranen oder andere Grenzen organisierter Reaktionsraum einer Zelle. [6]

Coenzym

Kleines organisches Hilfsmolekül, das an Enzymreaktionen beteiligt ist und beispielsweise Gruppen oder Elektronen überträgt. [6]

Diese Zusammenhänge vertiefen

• Kohlenhydratstoffwechsel: Glucose aufnehmen, speichern und neu bilden
• Fettstoffwechsel: Transport, Speicher und mitochondriale Verarbeitung
• Eiweißstoffwechsel: Aminosäuren, Proteinumsatz und Stickstoffwege

Im Gesundheitswissen weiterlesen

• ATP, Nährstoffe und Energieumsatz
• Das Hormonsystem
• Die Zelle
• Die Leber: Gefäßwege, Stoffwechsel und Versorgung des Körpers