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In ihr laufen die fundamentalen Stoffwechselvorgänge ab, ohne die der Mensch nicht existieren kann. In diesem Kapitel erfahren Sie, welche kleinen Organe, sogenannte Organellen in der Zelle vorkommen und deren Funktion.

Zytoplasma und Organellen der Zelle

Die Körperzelle mit ihren wichtigsten Organellen im Überblick.

Abb. 1: Die Körperzelle mit ihren wichtigsten Organellen im Überblick.

Zytoplasma

Das Zytoplasma füllt die Zelle wie eine „Suppe“. Das Zytoplasma besteht aus Wasser, Salzen, Eiweiß, Fetttröpfchen, Zucker … Hier findet auch die sogenannte Glycolyse statt.

Organellen

Organellen sind die Funktionseinheiten einer Zelle (siehe Abb.1). Hier eine Liste mit ihren wichtigsten Funktionen.

  1. Zellkern – Lateinisch = Nukleus mit Erbinformation (Baupläne) gespeichert in langen chemischen Molekülen = DNS/DNA
  2. Mitochondrien – sind die „Kraftwerke der Zelle“. Energiegewinnung aus Zucker mithilfe des Zitronensäurezyklus unter O2-Verbrauch.
  3. Endoplasmatisches Retikulum – das endoplasmatische Retikulum (= ER) sorgt für den Membranaufbau und Stofftransport innerhalb der Zelle (intrazellulär), Stoffspeicher (z. B. Ca++ in der Muskelzelle).
  4. Ribosomen – sind die „Eiweißfabriken“ unserer Zellen. Hier werden Eiweißketten nach Bauplan (= DNA aus dem Zellkern) zusammengesetzt.
  5. Golgi-Apparat – ist die „Verpackungsfabrik“; Sekrete werden hier in kl. Bläschen (=Vesikel) verpackt und zum Plasmalemm gebracht. Dort wird der Inhalt der Bläschen abgegeben (=Exozytose).
  6. Lysosomen – mit Eiweiß abbauenden Enzymen. Enzym = Eiweiß, das eine biochemische Reaktion in Gang setzt, vergleichbar mit einem „Lötkolben“ oder „Schneidbrenner“. Die Lysosomen verschmelzen mit den ankommenden Nahrungsvakuolen und die Enzyme der Lysosomen bauen die „Nahrung“ ab. Die Nahrungsvakuolen werden durch Endozytose gebildet.

Zytoskelett

Das Zytoskelett besitzt Mikrofilamente aus Eiweißfäden, die sich aneinander entlang hangeln können. Dies bewirkt eine Formveränderung der Zelle, evtl. Bewegung.

Mikrotubuli

Mikrotubuli nennen sich Eiweißröhren (siehe auch Mikrofilamente) z. B. in Cilien = Geißeln = Flimmerhärchen, mit deren Hilfe sich z. B. Einzeller wie das Pantoffeltierchen fortbewegen.

Mikrovilli

Als Mikrovilli werden fingerförmige Membranausstülpungen bezeichnet z. B. zur Oberflächenvergrößerung im Darm.

Stoffaustausch zwischen Extrazellulärraum und Intrazellulärraum

Durchmischung zweier Feststoffe in einer Flüssigkeit durch Diffusion.

Abb. 2: Durchmischung zweier Feststoffe in einer Flüssigkeit durch Diffusion.

Diffusion

Diffusion bezeichnet den Stoffaustausch längs eines Konzentrationsgefälles (Prinzip der größtmöglichen Unordnung).

Biologische Membranen (siehe Abb.2) sind nur für bestimmte Stoffe durchlässig (=semipermeabel), z. B. kleine, ungeladene Teilchen wie O2, CO2, H2O aber auch fettähnliche Stoffe. Viele andere Stoffe gehen durch stoffspezifische Porenproteine, da die Membran sonst für sie undurchlässig ist, z. B. geladene Teilchen (=Ionen) wie Na+, Cl usw. wie in der Nervenzelle (siehe das menschliche Nervensystem).

Aber auch große Moleküle, z. B. Zucker (Glucose), Insulin (= Schlüssel für Zucker-Porenproteine). Bei Insulinmangel kann der Zucker nicht in die Zellen, er bleibt im Blut -> Diabetes mellitus.

Osmose

Osmose bezeichnet die Diffusion von H2O zum Ausgleich von Konzentrationen, z. B. rotes Blutkörperchen  „Ery“ in konzentrierter Salzlösung.

Abb. 3: Das Wasser diffundiert nach dem Zufallsprinzip in beide Richtungen jedoch mehr in Richtung der Seite in der die Konzentration der Glucose höher ist. Diese Osmose dauert so lange an, bis die Konzentration auf beiden Seiten gleich hoch ist.

Plasmolyse

Durch das Bestreben des Wassers, den Salzgehalt im roten Blutkörperchen (Ery) dem der Salzlösung anzugleichen, schrumpft das dieses immer mehr zusammen (siehe Abb.4).

Abb. 4: Durch das Bestreben des Wassers, den Salzgehalt im Ery der Umgebung anzugleichen, schrumpft dieses zusammen.

Hämolyse

Jetzt verhält es sich genau entgegengesetzt: Durch das Bestreben des Wassers, den Salzgehalt im roten Blutkörperchen (Ery) dem des destillierten Wassers anzugleichen, quillt dieses immer mehr auf (siehe Abb.5). Dies kann so weit gehen, dass das „Ery“ platzt.

Abb. 5: Hier versucht das Wasser, die höhere Konzentration im Ery auszugleichen.

Alle Flüssigkeiten mit gleicher Konzentration wie das Zellplasma sind isoton z. B. 0,9-prozentige NaCl-Lösung.

  • Alle Flüssigkeiten mit höherer Konzentration sind hyperton.
  • Alle Flüssigkeiten mit niedrigerer Konzentration sind hypoton.

Aktiver Transport nennt sich der Stoffaustausch gegen das Konzentrationsgefälle unter Energieverbrauch. Z. B. Na+ – K+ – Pumpe in der Membran von Nervenzellen. Sie pumpt nach der Erregung Na+ wieder aus der Zelle -> Herstellung der Ursprungsordnung. Z. B. Jodpumpe in Schilddrüsenzellen.

Exozytose

Golgivesikel wandern zum Plasmalemm, verschmelzen mit diesem und geben ihren Inhalt nach außen ab; z. B. Drüsen, Erregungsweitergabe an den Synapsen von Nervenzelle zu Nervenzelle.

Endozytose

Umfließen von „Nahrung“ und Aufnahme in eine Vesikel. Ein Beispiel dafür ist die Phagozytose (siehe Abb.6).

Abb. 6: Phagozytose: Ein weißes Blutkörperchen (Leukozyt) frisst eine Bakterie.

Metabolismus der Zelle

  • Metabolismus – Energiestoffwechsel. Dient der Aufnahme, dem Transport und der chemischen Umwandlung von Nährstoffen sowie der Abgabe von Stoffwechselendprodukten in einem Organismus.
  • Anabolismus – auch Assimilation genannt, bezeichnet das Wachstum, den Aufbau und die Speicherung körpereigener Bestandteile.
  • Katabolismus – auch Dissimilation genannt, bezeichnet die Baustoffgewinnung und die Energiegewinnung eines Organismus.

Der Kohlenhydratabbau

Abb. 7: Kohlenhydratketten (links) werden zu Glucose (rechts) zerkleinert.

Glycolyse

Glycolyse beschreibt den Vorgang der anaeroben Energiegewinnung aus Glucose im Zytoplasma.

  • Im Zytoplasma der (Muskel) Zellen findet permanent die sogenannte Glykolyse statt.
  • Dort wird die Glucose (Blutzucker) zur Energiegewinnung in 10 Schritten verstoffwechselt.
  • Die dabei freiwerdende Energie ist gering.

Endprodukte der Glycolyse sind pro Glukosemolekül:

  • 2 Pyruvatmoleküle
  • 2 ATP-Moleküle
  • 4 Wasserstoffatome

In Ruhe bzw. bei geringer Belastung wird praktisch das gesamte entstandene Pyruvat in den Zitronensäurezyklus zur aeroben Energiegewinnung eingeschleust. Bei hoher Belastung kann das dann vermehrt anfallende Pyruvat jedoch nicht mehr vollständig über den Zitronensäurezyklus verarbeitet werden. Dieser Pyruvatüberschuss wird innerhalb der (Muskel) Zelle in Laktat umgewandelt.

Zitronensäurezyklus (Zitratzyklus)

Zitronensäurezyklus (Zitratzyklus) beschreibt den Vorgang der aeroben Energiegewinnung aus Glucose in den Mitochondrien.

Abb. 8: Der Zitronensäurezyklus (siehe auch Abb. 13)

Das aus der Glycolyse entstandene

  • Pyruvat gibt innerhalb des Mitochondriums 2 Wasserstoffatome ab und zerfällt dabei zu:
  • Acetyl-Coenzym A (Ac-CoA) siehe Abb.8a und Abb.13
  • Das Ac-CoA geht in den Zitronensäurezyklus ein und wird dort immer weiter verbrannt (oxidiert).
  • Innerhalb des Zitronensäurezyklus entsteht nur 1 ATP, jedoch 8 Wasserstoffatome, natürlich nicht in gasförmiger Form. Dieser würde sofort durch Diffusion die Zelle verlassen. Der Wasserstoff in der Zelle wird mit Hilfe von Coenzymen gespeichert. Das ist chemisch gebundener Wasserstoff (z. B. in Form von NADH/H+oder FADH2).
  • Alle bis dahin gewonnenen Wasserstoffatome werden von den Coenzymen abgegeben und unter Sauerstoff mit großem Energiegewinn in mehreren Teilschritten zu H2O verbrannt:
    NADH/H+ + 1/2 O2 => H2O + NAD+ + Energie
  • Die dabei freiwerdende Energie wird in das Energietransportmolekül ATP verpackt, um portionsweise an die Stellen des Energieverbrauches gebracht zu werden (z. B. Membran, Golgi-Apparat, Ribosom, Zytoskelett). Pro Glucose-Molekül werden im Optimalfall bis zu 38 ADP zu ATP beladen.

Der Fettabbau (Lipolyse)

Fett wird zu Monoglycerid und Fettsäuren zerkleinert.

Abb. 9: Fett wird zu Monoglycerid und Fettsäuren zerkleinert.

Abb. 9: Fett wird zu Monoglycerid und Fettsäuren zerkleinert.

Die oben genannten Bruchstücke werden ins Blut bzw. in die Lymphe aufgenommen (=Resorption) und zu den Zellen transportiert. In der Zelle findet weiterer Abbau statt.

Aerobe Energiegewinnung aus Fett

Körperfett kann ebenfalls in Acetyl-CoA umgewandelt und in den Zitronensäurezyklus eingeschleust werden, allerdings ist die chemische Reaktion sehr langsam, sodass diese Form der Energiebereitstellung mit wachsender Belastung einen abnehmenden relativen Anteil der bereitgestellten Energie liefert. Ein Rechenbeispiel der Verteilung von Kohlenhydraten und Fett bei steigender körperlicher Belastung finden Sie unter dem Beitrag Mythos Fettverbrennung.

Anaerobe Energiegewinnung aus Fett

Fett kann bei Sauerstoffmangel ebenfalls zu Energiegewinnung herangezogen werden. Bei der dabei freiwerdenden Energie entstehen CO2 und H2O sowie Ketokörper (Abb.10).

Abb. 10: anaerobe Energiegewinnung aus Fett.

 Der Eiweißabbau

Eiweißketten werden zu Aminosäuren zerkleinert.

Abb. 11: Eiweißketten werden zu Aminosäuren zerkleinert.

Anaerobe Energiegewinnung aus Eiweiß

Eiweiß kann unter Ausschluss von Sauerstoff abgebaut werden, um Energie zu gewinnen (Abb.12). Bei der dabei freiwerdenden Energie entstehen Glucose und Harnstoff.

  • Die freiwerdende Energie wird verwendet um ATP generieren.
  • Der entstandene Harnstoff wird über die Nieren ausgeschieden.
  • Die entstandene Glucose geht in den Kohlenhydratstoffwechsel (Glycolyse bzw. Zitronensäurezyklus) ein.

Abb. 12: Anaerobe Energiegewinnung aus Eiweiß.

Anabolismus = Stoffaufbau (Assimilation)

Kohlenhydrat-Aufbau

Glucose wird zu Zuckerketten (Membranbausteine) aufgebaut, oder auch als Glycogen (Energiespeicher) in der Leber gespeichert. Siehe auch unter: Kohlenhydrate

Fett-Aufbau

Fett wird u.a. als Membranbaustein genutzt und eignet sich auch hervorragend als Energiespeicher. Dazu wird das Fett in Depots unter der Haut gespeichert. Siehe auch unter: Fette und Öle

Eiweiß-Aufbau

Geschieht an den Ribosomen: Zusammensetzung der AS-Ketten nach Bauplan (DNA) aus dem Zellkern (= Proteinbiosynthese). Eiweiß ist ein Baustein für Mikrofilamente (Muskel), Membrane und Enzymaufbau.

Schematische Zusammenfassung der Energiegewinnung in der (Muskel) Zelle

Abb. 13: Schema der Energiegewinnung in der Zelle.

Dieser Beitrag wurde zuletzt am 7. Jun 2018 @ 22:21 überarbeitet.

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Den mengenmäßig weitaus größten Bestandteil der menschlichen Nahrung machen neben Fett und Eiweiß die Kohlenhydrate aus.

Hierbei bilden die diversen Getreidearten (z. B. Hafer, Reis, Mais, Weizen, Hirse, Roggen) – sowie Produkte daraus, wie Nudeln, Brot und andere Backwaren – aufgrund ihres hohen Kohlenhydratanteiles –  das Fundament unserer Ernährung und werden aus diesem Grund auch als Grundnahrungsmittel bezeichnet.

Aber auch Hülsenfrüchte wie Bohnen, Erbsen und Linsen, sowie Kartoffeln sind reich an Kohlenhydraten. Kohlenhydrate finden sich in mannigfachen Formen in der Fauna und Flora. Viele dieser Formen kennen wir, allerdings nicht als Kohlenhydrat. Oder wussten Sie, dass der Chitinpanzer der Insekten eine Kohlenhydratform ist?

Eine kleine Auswahl von Kohlenhydratformen

Kohlenhydrate kommen in mannigfacher Form vor. Hier eine Liste der am häufigsten vorkommenden.

  • Glucose (Traubenzucker oder seltener Dextrose)
  • Fructose (Fruchtzucker)
  • Saccharose (Rübenzucker oder Rohrzucker)
  • Lactose (Milchzucker)
  • Lactulose (synthetisch abgewandelter Milchzucker).
  • Stärke (Nahrungsmittelbestandteil)
  • Zellulose (Stützsubstanz im Pflanzenreich). Für den Menschen unverdaulich. Von Wiederkäuern wie Rindern, Schafen und Ziegen verwertbar, da diese in Ihren Vormägen (Pansen) Bakterien beherbergen, welche bei der Verdauung der Zellulose helfen.
  • Glykogen (Energiespeicher in Muskeln und Leber)
  • Chitin (Stützsubstanz des Exoskeletts der Gliedertiere und Insekten)
Insekten nutzen eine Zuckerart, um ihren Panzer auszubilden.

Bild: © Sven Weber | fotolia.de

Verdauung und Verwertung der Kohlenhydrate

Der universelle Energieträger und Transporter unseres Körpers ist das Adenosintriphosphat (ATP), welches alle biologischen Prozesse, zum Beispiel auch die Muskelkontraktion antreibt, und an fast allen Energie verbrauchenden Prozessen als Energielieferant beteiligt ist.

ATP liegt in unseren Zellen nur in geringer Konzentration vor und muss durch aeroben und anaeroben Abbau unserer Nahrung (Fett, Kohlenhydrate, Proteine) nachgeliefert werden.

Hauptenergielieferant sind die Kohlenhydrate, da diese im Gegensatz zu den Fetten relativ schnell verwertbar sind. Das wichtigste Kohlenhydrat für unseren Körper ist hierbei die Glucose.

Die akute Energieversorgung unseres Körpers wird im Wesentlichen über die im Blut gelöste Glucose gewährleistet. Ihre Konzentration im Blut, der sogenannte Blutzuckerspiegel, wird in engen Grenzen gehalten.

Zucker in seiner reinen Form.

Bild: © Anne Kitzmann | fotolia.de

Kohlenhydrate liegen in der Nahrung in mehr oder weniger langen Ketten vor. Diese müssen im Verdauungstrakt zuerst zu Glucose aufgespaltet werden. Werden stärkehaltige Nahrungsmittel wie Brot oder Kartoffeln gegessen, so zerlegen die Verdauungsenzyme die Kohlenhydratketten der Stärke in immer kleinere, einzelne Bruchstücke bis hin zur Glucose.

Je nach Länge der Kohlenhydratketten geschieht dies unterschiedlich schnell. Die einzelnen Glucosemoleküle gehen dann nach und nach in den Blutkreislauf über. Je schneller die Glucose im Verdauungstrakt freigesetzt wird, desto schneller steigt auch der Blutzuckerspiegel an.

Wenn sie in Form von Zucker, also direkt als Glucose, aufgenommen wird, so steigt der Blutzuckerspiegel sehr schnell an. Diese Wirkung können wir uns im Ausdauersport zunutze machen. Bei körperlicher und/oder geistiger Aktivität wird der Körper so, z. B. durch ein zuckerhaltiges Getränk, schnell mit Energie versorgt.

Speicherung der Kohlenhydrate

Wenn die Versorgung der Gewebe mit Glucose größer ist als ihr Verbrauch, wird der Überschuss zuerst in Leber und Skelettmuskulatur gespeichert. Dabei können in der Leber ca. 200 Gramm und in der Skelettmuskulatur ca. 300 Gramm Glucose gespeichert werden. Sind diese Glucosespeicher gefüllt, wird die noch verbliebene Glucose in Fett umgewandelt und als Depotfett gespeichert.

Fette haben pro Masse einen höheren Energiegehalt als Kohlenhydrate (1 Gramm Fett hat 9,3 Kcal, 1 Gramm Kohlenhydrat hingegen 4,1 Kcal). Sie sind für die langfristige Energiespeicherung also platzsparender als Kohlenhydrate und bewirken eine bessere Wärmedämmung des Körpers.

Kohlenhydrate im Sport

Entgegen der landläufigen Meinung wird zur Energiegewinnung ständig auf die Fettdepots zugegriffen und nicht erst, wenn der Glycogenspeicher im Muskel reduziert ist. Tatsächlich ist es so, dass in Ruhe der Anteil der Fettverbrennung zur Energiegewinnung mit ca. 70 % am größten ist!

Auch, dass eine Fettverbrennung erst nach ca. 30-minütigem Ausdauertraining einsetzt, ist falsch. Tatsächlich verhält es sich so, dass das Adenosintriphosphat (ATP) für intensive Muskelarbeit ständig durch mehrere Energiequellen beliefert wird, auch durch Fett.

Wie es sich tatsächlich mit der Fettverbrennung während sportlicher Aktivitäten verhält, beschreibt der Beitrag Mythos Fettverbrennung.

Reis ist ein hochwertiger Kohlenhydratlieferant.

Bild: © Tatyana Nyshko | fotolia.de

Je intensiver die Anstrengung ist, desto stärker nehmen die anaeroben Anteile zu und die aeroben ab. Folglich nimmt der relative (= prozentuale) Anteil der Fettverbrennung bei erhöhter Pulsfrequenz ab, die absolute Menge des verwerteten Fettes nimmt aber sehr wohl zu, da der Leistungsumsatz ebenfalls zunimmt.

Dazu kommt, dass nach dem Training ein Glucosemangel im Blut herrscht. Die Fette werden deshalb über das Training hinaus verbrannt, um die leeren Energiespeicher wieder zu füllen.

Auch Erbsen, Bohnen und Linsen sind wertvolle Kohlenhydratlieferanten.

Bild: © juliannedev | fotolia.de

Wenn allerdings direkt nach einem Training dem Körper Kohlenhydrate zugeführt werden, tritt dieser Effekt nicht ein. Wird also während des Trainings viel Glucose verbrannt, wird in der Erholungsphase umso mehr Fett verbrannt. Mit zunehmendem Training vergrößert sich die Muskelmasse, die Sauerstoffaufnahme verbessert sich und der Grundumsatz erhöht sich.

Dieser Beitrag wurde zuletzt am 10. Jun 2018 @ 18:06 überarbeitet.

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