Biochemie der Ernährung

Teil I Grundlagen der Stoffwechselregulation auf zellulärer Ebene 1 Die Ebenen der Stoffwechselregulation beim höheren Eukaryoten 3 1.1 Die biologische Membran 5 1.1.1 Molekulare und strukturelle Organisation der biologischen Membran 5 1.1.1.1 Die Lipidzusammensetzung der einzelnen Membrantypen ist in qualitativer und quantitativerer Hinsicht unterschiedlich 7 1.1.1.2 Die Membranproteine sind ein Spiegelbild der funktionellen Spezialisierung der einzelnen Membrantypen 10 1.1.1.3 Die supramolekulare Organisation der biologischen Membran ergibt sich aus den physikochemischen Eigenschaften der Bausteine 12 1.1.2 Die biologische Membran als Voraussetzung eines selektiven Stoffaustausches 13 1.1.2.1 Die Plasmamembran hat vielseitige Aufgaben 14 1.1.2.2 Nur wenige Substanzen überwinden die Barriere der Lipiddoppelschicht durch einfache Diffusion 14 1.1.2.3 Spezifische Membranproteine sind Vermittler eines effektiven Stofftransports 15 1.1.2.4 Die Kinetik einer einfachen Diffusion unterscheidet sich grundsätzlich von der Kinetik der erleichterten Diffusion 17 1.1.2.5 Aktive Transportprozesse benötigen Stoffwechselenergie 17 1.1.2.6 Die Na+/K+-ATPase ist ein lebenswichtiges Transportsystem in der Plasmamembran jeder tierischen Zelle 18 1.1.2.7 Bei der Na+/K+-ATPase sind die enzymkatalysierten Prozesse direkt an die Transportvorgänge gekoppelt 19 1.1.2.8 Die Funktion der Na+/K+-ATPase ist Grundlage zahlreicher zellulärer Prozesse 21 1.1.2.9 Es gibt verschiedene Klassen von Ionentransport-ATPasen 22 1.1.2.10 Die durch die Transport-ATPasen geschaffenen Ionengradienten werden für den sekundär aktiven Transport genutzt 23 1.1.2.11 Die Transportsysteme lassen sich in mehrere Typen einteilen 26 1.1.3 Rezeptoren der biologischen Membran als Empfänger und Übermittler von Signalen 27 1.1.3.1 Die Rezeptoren der Signaltransduktion übermitteln einen spezifischen chemischen oder physikalischen Reiz an das Zellinnere 27 1.1.3.2 Typ-I-Rezeptoren haben intrinsische Enzymaktivitäten, die durch die Bindung des Liganden angeregt werden 28 1.1.3.3 Zu den Typ-II-Rezeptoren gehören ligandengesteuerte Ionenkanäle 30 1.1.3.4 Typ-III-Rezeptoren übertragen Signale mit Hilfe von G-Proteinen 32 1.1.3.5 G-Proteine sind zwischengeschaltete Mediatoren der Signaltransduktion 32 1.1.3.6 Die Adenylat-Cyclase ist das bekannteste primäre Effektorsystem der Typ-III-Rezeptor-vermittelten Signalkette 33 1.1.3.7 Bei einigen Prozessen der Signaltransduktion ist das cyclische Nucleotid cGMP der second messenger 36 1.1.3.8 Auch manche Ionenkanäle werden durch G-Proteine gesteuert 37 1.1.3.9 Die Entstehung von zwei second messenger aus Phosphatidylinositol wird ebenfalls durch G-Proteine vermittelt 37 1.1.3.10. Bei vielen Arten der Signaltransduktion ist Calcium das Endglied der Übertragungskette 38 1.1.3.11. Eine spezielle Klasse von Membranrezeptoren vermittelt die Endocytose 39 1.2 Die Zellkompartimentierung 41 1.2.1 Der Zellkern 44 Exkurs 1.1: Die Kern-DNA und ihre Replikation 45 1.2.1.1 Die Speicherung der genetischen Information und ihre Umsetzung in funktionelle Proteinmoleküle sind bei Eukaryoten räumlich getrennt 49 Exkurs 1.2: Die Transkription der DNA - Erster Schritt zur Expression der genetischen Information 51 1.2.1.2 Die räumliche Trennung von Transkription und Translation macht durch Kernporen geregelte Transportvorgänge notwendig 55 1.2.2 Das endoplasmatische Reticulum 57 1.2.2.1 Die enzymatische Ausstattung des glatten endoplasmatischen Reticulums weist eine ausgeprägte gewebespezifische Variabilität auf 59 1.2.2.2 Die Lipide der Membran-Bilayer werden ebenfalls am glatten endoplasmatischen Reticulum synthetisiert 59 Exkurs 1.3: Was ist ein Ribosom? 61 1.2.2.3 Das rauhe endoplasmatische Reticulum mit seinen membrangebundenen Ribosomen ist ein Ort intensiver Proteinsynthese 63 1.2.2.4 Sekretproteine und Transmembranproteine nehmen nach ihrer Synthese unterschiedliche räumliche Anordnungen ein 65 Exkurs 1.4: Die Translation - Ein Prozess außerhalb des Kernraumes 66 1.2.2.5 Die am endoplasmatischen Reticulum synthetisierten Proteine werden vielfältig modifiziert 69 1.2.3 Der Golgi-Apparat 71 1.2.3.1 Die im endoplasmatischen Reticulum synthetisierten N-gekoppelten Oligosaccharide werden im Golgi-Apparat weiter modifiziert 72 1.2.3.2 Auch die Proteoglykane werden sekundär im Golgi-Apparat glykosyliert 73 1.2.3.3. Zahlreiche Proteine werden im Golgi-Apparat durch posttranslationale Proteolyse verändert 75 1.2.3.4 Für die Lenkung von Proteinen und sonstigen Syntheseprodukten an den Ort ihrer Bestimmung ist ebenfalls der Golgi-Apparat zuständig 75 1.2.4 Das Lysosom 77 1.2.4.1 Das abzubauende Material gelangt auf unterschiedlichen Wegen in die Lysosomen 78 1.2.4.2 Lysosomen-Hydrolasen tragen Mannose-6-phosphat als Erkennungssignal 79 1.2.5 Das Peroxisom 80 1.2.5.1 Mehrere Enzyme der Peroxisomen katalysieren Reaktionen, an denen molekularer Sauerstoff und Wasserstoffperoxid beteiligt sind 81 1.2.5.2 In den Peroxisomen findet eine alternative Form des Fettsäureabbaus statt 81 1.2.6 Das Mitochondrion 82 1.2.6.1 Mitochondrien sind Endosymbionten der Eukaryotenzelle 82 Exkurs 1.5: Die mitochondriale DNA und ihre Leistung 83 1.2.6.2 Außen- und Innenmembran des Mitochondrions weisen signifikante Unterschiede auf 85 1.2.6.3 Beim oxidativen Stoffwechsel der Mitochondrien sind mehrere Prozesse aneinander gekoppelt 86 1.2.6.4 Die miteinander vernetzten Prozesse des oxidativen Stoffwechsels bedürfen einer koordinierten Regulation 87 1.2.6.5 Im Mitochondrion finden auch weitere Reaktionen statt, die nicht direkt zur Prozessfolge des oxidativen Stoffwechsels gehören 88 1.2.6.6 Verschiedene Transportsysteme ermöglichen den Stoffaustausch über die innere Membran des Mitochondrions 90 1.2.6.7 Für den Import von Proteinen aus dem Cytosol in das Mitochondrion existieren spezifische Transportsysteme 93 1.2.7 Das Cytosol 96 1.2.7.1 Das Cytosol ist von einem dichten Netzwerk aus Proteinfilamenten durchzogen 96 1.2.7.2 Das Cytosol ist ein zentrales Kompartiment des gesamten Zellstoffwechsels 99 1.2.7.3 Im Cytosol findet ein gesteuerter Proteinabbau statt 101 1.3 Die enzymatische Regulation 103 1.3.1 Die Menge des Enzymproteins lässt sich sowohl durch Steuerung der de novo Synthese als auch durch Steuerung des Abbaus modifizieren 106 1.3.1.1 Die Expression bestimmter Gene wird durch Induktion erhöht, durch Repression verringert 108 1.3.1.2 Die Menge eines Enzyms lässt sich auch durch Steuerung der Proteolyse kontrollieren 111 1.3.2 Die enzymatische Katalyse muss sich der Stoffwechsellage kurzfristig und auch ohne Änderung der Enzymmenge anpassen 111 1.3.2.1 Die Wechselwirkung zwischen Enzym und Substrat spielt sich im "aktiven Zentrum" des Enzyms ab 112 1.3.2.2 Zwischen der Geschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion und der Substratkonzentration besteht eine gesetzmäßige Beziehung 113 1.3.2.3 Zahlreiche Enzyme brauchen für die Katalyse nicht-proteinartige niedermolekulare Cofaktoren 116 1.3.2.4 Die Inhibierung enzymatischer Reaktionen dient ebenfalls der Steuerung des Stoffwechsels 120 1.3.2.5 Allosterische Modulatoren interagieren mit einer zweiten Bindungsstelle des Enzymproteins 123 1.3.2.6 Die Aktivität interkonvertierbarer Enzyme lässt sich durch chemische Modifikation des Enzymproteins an- und abschalten 126 1.3.2.7 Der pH-Wert in der Umgebung des Enzyms beeinflusst die Katalyse 128 1.3.3 Bei manchen Enzymen wird eine irreversible Aktivierung durch Proteolyse erreicht 129 1.3.4 Die Existenz von Isoenzymen ermöglicht unterschiedliche Steuerungsmöglichkeiten in verschiedenen Organen und verschiedenen Zellkompartimenten 131 1.4 Die hormonale Regulation 132 1.4.1 Hormone können nach unterschiedlichen Gesichtspunkten klassifiziert werden 133 1.4.2 Hormone stehen in Wechselwirkung miteinander und bilden in vielen Fällen hierarchische Systeme 137 1.4.3 Synthese und Sekretion der Peptidhormone erfolgt in der Regel nach einem für alle Sekretproteine gültigen Muster 141 1.4.3.1 Insulin wird in den B-Zellen der Langerhansschen Inseln des Pankreas synthetisiert 141 1.4.3.2 Die sehr vielfältigen biochemischen Wirkungen des Insulins entfalten sich auf verschiedenen Ebenen 145 1.4.3.3 In den A-Zellen der Langerhansschen Inseln wird der Gegenspieler des Insulins, das Glucagon synthetisiert 148 1.4.3.4 Die biochemischen Wirkungen des Glucagons werden durch Typ-III-Rezeptoren mit Hilfe von G-Proteinen vermittelt 150 1.4.4 Viele Hormone und sonstige Signalstoffe entstehen durch Modifikation von Aminosäuren 150 1.4.4.1 Die Tyrosin-Abkömmlinge Noradrenalin und Adrenalin werden im Nebennierenmark und in anderen neuralen Geweben synthetisiert 151 1.4.4.2 Die Wirkung der Catecholamine an den Erfolgsorganen wird durch den Typ des membranständigen Rezeptors determiniert 154 1.4.4.3 Die Schilddrüsenhormone sind ebenfalls Tyrosin-Derivate 155 1.4.4.4 Die Schilddrüsenhormone üben ihre Wirkung auf nuclearer Ebene aus 158 1.4.5 Die Steroidhormone des Menschen und anderer Wirbeltiere sind Metaboliten des Cholesterins 159 1.4.5.1 Bei der Synthese des Cortisols wechseln die Intermediärprodukte mehrmals das Zellkompartiment 161 1.4.5.2 Das Mineralocorticoid Aldosteron ist ein Syntheseprodukt der Zona glomerulosa der Nebennierenrinde 162 1.4.5.3 Alle Steroidhormone entfalten ihre molekulare Wirkung auf der Ebene der Transkriptionskontrolle 164 1.4.5.4 An der Synthese von Calcitriol beteiligen sich die Haut, die Leber und die Niere 165 1.4.5.5 Zielorgane des Calcitriols sind der Darm, die Niere und der Knochen 166 1.4.6 Auch Derivate des Vitamin A wirken als Hormone 167 1.4.7 Eikosanoide sind Signalstoffe besonderer Art 169 Teil II Regulation des Metabolismus der Nährstoffe auf der Ebene des Organismus 2 Regulation der Nahrungsaufnahme 175 2.1 Hunger und Sättigung sind Empfindungen mit sehr komplexen Auslösungsmechanismen 176 2.1.1 Das Gehirn empfängt und prozessiert alle Signale, die die Empfindung von Hunger und Sättigung auslösen 177 2.1.2 Signalträger für das Gefühl von Hunger und Sättigung entstehen auf unterschiedlichen Ebenen 178 2.1.3 In der postresorptiven Phase steuern unter anderem die Makronährstoffe und ihre Metaboliten die Nahrungsaufnahme 179 2.1.4 Pankreatische und gastrointestinale Hormone beteiligen sich ebenfalls an der Steuerung der Nahrungsaufnahme 184 2.1.5 Einige Neurotransmitter und Neuromodulatoren steuern auf zentraler Ebene nicht nur die Energieaufnahme, sondern auch die Selektion der Makronährstoffe 186 2.1.6 Gentechnologische Methoden eröffnen der Forschung über die Regulation der Nahrungsaufnahme und des Körpergewichts neue Möglichkeiten 189 2.1.7 Nun dann: Guten Hunger? 192 3 Wahrnehmung des Geschmacks und des Geruchs der Nahrung 193 3.1 Der Geschmack wird über im Mund und im Rachen lokalisierte Geschmacksknospen wahrgenommen 194 3.2 Die einzelnen Geschmacksqualitäten kommen durch unterschiedliche molekulare Prozesse zustande 195 3.3 Die Geschmacksinformationen werden durch mehrere afferente Nerven der zentralen Verarbeitung zugeführt 199 3.4 Die Geruchsempfindung wird durch spezifische Sinneszellen der Riechschleimhaut vermittelt 200 3.5 Auch bei der Geruchswahrnehmung spielen G-Protein-gekoppelte Rezeptoren eine Schlüsselrolle 201 3.6 Die neurale Verarbeitung der Geruchsreize ist komplex 203 3.7 Die Wahrnehmung des flavours der Nahrung hat vielfältige physiologische Konsequenzen 204 3.8 Die Grundgeschmacksqualitäten lassen sich in vielen Fällen mit bestimmten molekularen Strukturen in Zusammenhang bringen 206 3.9 Die Zusammenhänge zwischen stereochemischer Struktur und Geruchsqualität sind weitgehend ungeklärt 210 4 Die Nährstoffe 211 4.1 Nur wenige Kohlenhydrate haben eine quantitative Bedeutung für die Ernährung des Menschen 211 4.2 Die Lipide bilden eine außerordentlich heterogene Stoffklasse 215 4.2.1 Unter den alimentär zugeführten Lipiden überwiegen die Triglyceride 215 4.3 Kein anderes Biomolekül übertrifft die funktionelle Vielfalt der Proteine 218 4.3.1 Zwanzig proteinogene L-Aminosäuren sind Bausteine aller Proteine 220 Exkurs 4.1: Von der Peptidkette zum biologisch aktiven Protein 222 4.3.1.1 Die Nahrung enthält auch kleine Mengen an D-Aminosäuren 226 4.3.1.2 Einige Aminosäuren werden im Peptidverband posttranslational modifiziert 227 4.3.2 Aminosäuren sind die Vorstufen fast aller stickstoffhaltigen Verbindungen des Organismus 228 4.4 Vitamine sind essentielle Spurennährstoffe 229 4.4.1 Die vier fettlöslichen Vitamine haben unterschiedliche biochemische Funktionen 230 4.4.1.1 Carotinoide sind Provitamine der Retinoide 231 4.4.1.2 Dem Wirkungsmechanismus nach ist das Vitamin D ein Steroidhormon 232 4.4.1.3 Das Vitamin E nimmt an Redox-Reaktionen teil 233 4.4.1.4 Das Vitamin K ist Coenzym bei der g-Carboxylierung des Glutamates 233 4.4.2 Alle wasserlöslichen Vitamine haben Coenzymfunktionen 236 4.4.2.1 Biologisch wirksam sind die Phosphatester des Thiamins 237 4.4.2.2 Das Riboflavin ist Baustein der Flavinnucleotide 238 4.4.2.3 Das "Niacin" liefert die Nicotinamid-Einheit für die Synthese der Pyridinnucleotide 239 4.4.2.4 Pyridoxalphosphat ist als Coenzym an zahlreichen Reaktionen des Aminosäurestoffwechsels beteiligt 241 4.4.2.5 Folsäure dient als Coenzym bei der Übertragung von C1-Einheiten 244 4.4.2.6 Das Vitamin B12 beteiligt sich an der Katalyse von intramolekularen Umlagerungen und von Methylierungen 246 4.4.2.7 Das Biotin ist essentieller Cofaktor der Carboxylierungsreaktionen 249 4.4.2.8 Die Pantothensäure ist Baustein des Coenzym A 250 4.4.2.9 Das Vitamin C hat die Funktion eines Redox-Systems 251 4.5 Die Mineralstoffe werden auch als anorganische Nährstoffe bezeichnet 252 4.5.1 Nur etwa ein Viertel der Elemente des Periodensystems sind "Bioelemente" 253 4.5.2 Die Mineralstoffe haben strukturbildende, katalytische und regulatorische Funktionen 256 4.6 Das Wasser ist ebenfalls ein essentieller Nährstoff 258 4.6.1 Wasseraufnahme und Wasserabgabe müssen im Gleichgewicht stehen 259 4.6.2 Der Wasserbestand des Organismus ist ungleichmäßig verteilt 260 4.6.3 Die Wasseraufnahme wird durch den Durst gesteuert, die Wasserabgabe hormonell auf renaler Ebene geregelt 263 5 Die Gewinnung biologischer Energie aus Nährstoffen 269 5.1 Beim anaeroben Abbau von Nährstoffen entsteht das ATP durch Substratkettenphosphorylierung 271 5.2 Der überwiegende Teil nutzbarer biologischer Energie wird durch den oxidativen Abbau der Nährstoffe gewonnen 272 5.2.1 Die Reaktionsfolge des Tricarbonsäurecyclus liefert den Hauptanteil der Reduktionsäquivalente für die Atmungskette 274 5.2.1.1 Der Tricarbonsäurecyclus ist amphibol 275 5.2.1.2 Der Tricarbonsäurecyclus wird hauptsächlich bei drei enzymatischen Schritten reguliert 277 5.2.2 Energiekonservierung durch Protonengradienten an der Innenmembran der Mitochondrien ist ein zentrales Prinzip der Bioenergetik 278 5.2.2.1 Die Elektronenübertragung auf Sauerstoff erfolgt in der Atmungskette kaskadenartig 279 Exkurs 5.1: Oxidativer Stress und Abwehrmechanismen 282 5.2.2.2 Die im Protonengradienten gespeicherte Energie ist die Triebkraft für die ATP-Synthese 285 5.2.2.3 Die oxidative Phosphorylierung wird durch den Energiebedarf der Zelle bestimmt 287 6 Die Entwicklung von Organen als evolutionärer Fortschritt 289 6.1 Zelldifferenzierung, Gewebeentwicklung und Organogenese sind Grundlagen einer effektiven Arbeitsteilung 289 6.2 Die Zellen bilden hochdifferenzierte Funktionseinheiten: Die Gewebe und Organe 293 6.3 Die morphologische Differenzierung wird von der Diversifizierung des Zellstoffwechsels begleitet 299 6.3.1 Der Stoffwechsel der Hauptnährstoffe hat organspezifische Charakteristika 300 7 Der Gastrointestinaltrakt - Vermittler zwischen Außen- und Innenwelt des Organismus 301 7.1 Die gastrointestinalen Funktionen werden komplex geregelt 302 7.2 Die Nahrung wird in der Mundhöhle nicht nur zerkleinert 305 7.2.1 Die Innervierung der Speicheldrüsen lässt "das Wasser im Munde zusammenlaufen" 305 7.3 Der Magen erfüllt in erster Linie Kontrollfunktionen 308 7.3.1 Magenfunktionen werden mit intestinalen Sekretionsprozessen koordiniert 309 7.3.2 Die Digestionsleistungen des Magens sind vermutlich nicht sehr bedeutend 313 7.4 Verschiedene morphologische Strukturen führen zu einer extremen Vergrößerung der inneren Darmoberfläche 316 7.4.1 Der obere Dünndarm funktioniert wie ein Bioreaktor mit Prozessüberwachung 318 7.5 Das Gallensekret dient primär der Solubilisierung der Lipide des Chymus 322 7.6 Die enzymatische Hydrolyse der Nährstoffpolymere im oberen Dünndarm hat eine luminale und eine membrangebundene Phase 324 7.6.1 Die Digestion und Resorption von Kohlenhydraten erfolgt mit rasanter Geschwindigkeit 324 7.6.2 Im menschlichen Dünndarm existiert während der Fettverdauung ein Zwei-Phasensystem 328 Exkurs 7.1: Die intestinale Resorption von Cholesterin wird durch spezifische Membranproteine begrenzt 334 7.6.3 Die Digestion der Proteine liefert vielfältige Produkte 335 7.6.4 Die Resorption von Aminosäuren erfolgt über eine Vielzahl von Transportsystemen 337 7.6.5 Auch größere Oligopeptide und Proteine werden vom Darmepithel intakt aufgenommen 339 Exkurs 7.2: Gastrointestinales Schicksal von DNA und RNA 341 7.7 Die Resorptionsprozesse von Elektrolyten und von Wasser sind osmotisch gekoppelt 343 7.7.1 Die Resorption der Mengenelemente Calcium, Magnesium und Phosphat wird von Wechselwirkungen bestimmt 345 7.7.2 Die Resorption von Eisen zeigt eine eindrucksvolle Adaptation an die Versorgungslage des Organismus 346 7.8 Die gastrointestinalen Vorgänge bei der Resorption von wasserlöslichen Vitaminen sind so vielgestaltig wie deren chemische Struktur 348 7.8.1 Die meisten wasserlöslichen Vitamine werden vor und nach der Resorption enzymatisch verändert 349 7.8.2 Cobalamine der Nahrung werden über einen exklusiven Weg resorbiert 349 7.8.3 Die Freisetzung der Vitamine aus den Coenzymformen erfordert vor allem membrangebundene Hydrolasen 351 7.8.4 Die wasserlöslichen Vitamine sind überwiegend schwache Elektrolyte 352 7.9 Der Dickdarm dient als Fermentationskammer 353 7.9.1 Die Stoffwechselleistungen der Flora beeinflussen das Darmepithel 353 8 Das Blut - Transportsystem und Vermittler der Homöostase 357 8.1 Das Blut ist ein sehr effektives Verteilersystem 357 8.2 Das Blut lässt sich in zwei Hauptfraktionen trennen 360 8.3 Das Blutplasma enthält eine große Vielfalt unterschiedlicher Substanzen 361 8.3.1 Die einzelnen Plasmaproteine haben verschiedene biologische Funktionen 362 8.3.2 Das Blutplasma transportiert die Lipide in Form von Lipoprotein-Komplexen 366 8.3.3 Die Lipoprotein-Komplexe werden im Blutplasma vielfältig modifiziert 369 8.3.4 Im Plasmawasser sind zahlreiche hydrophile, organische Verbindungen gelöst 373 8.3.5 Der Plasmaspiegel der meisten essentiellen Mineralstoffe wird in engen Grenzen konstant gehalten 374 8.3.6 Die Konzentration der Elektrolyte ist im intravasalen, im interstitiellen und im intrazellulären Raum unterschiedlich 380 8.3.7 Der pH-Wert des Blutes dient als Indikator für den Säure-Basen-Status des Organismus 383 8.3.8 Die Puffersysteme des Blutes halten den pH-Wert im extrazellulären Kompartiment im physiologischen Bereich 385 8.3.9 Um ihrer Aufgabe zu genügen, müssen die Puffersysteme des Blutes regeneriert werden 388 8.4 Die Erythrocyten sind auf den Transport von Sauerstoff und Kohlendioxid spezialisiert 390 8.4.1 Die Synthese des Hämoglobins erfolgt während der Erythropoese 390 8.4.2 Sauerstoffaufnahme und -abgabe werden von Änderungen der Quartärstruktur des Hämoglobins begleitet 392 Exkurs 8.1: Das Hämoglobin - Funktionieren eines O2-transportierenden allosterischen Proteins 395 8.4.3 Der Transport von Sauerstoff und von Kohlendioxid sind aneinander gekoppelte Prozesse 398 9 Die Leber als multifunktionelles Organ 403 9.1 Die Leber weist eine spezifische Feinstruktur auf 403 9.2 Die "Filterwirkung" der Leber sorgt für eine weitgehend konstante Nährstoffkonzentration im peripheren Blut 405 9.3 In der Leber finden alle wichtigen anabolen und katabolen Prozesse des Kohlenhydrat-Stoffwechsels statt 408 9.3.1 Die Glykolyse ist der Hauptweg zur Verwertung von Glucose 410 9.3.2 Die Gluconeogenese ist zur Aufrechterhaltung der Glucose-Homöostase unerlässlich 412 9.3.3 Die Schlüsselreaktionen von Glykolyse und Gluconeogenese werden durch verschiedene Enzyme katalysiert 413 9.3.3.1 Die Biosynthese der glykolytischen und gluconeogenetischen Schlüsselenzyme steht unter der Kontrolle von Hormonen und Signalmetaboliten 416 9.3.3.2 Auch allosterische Liganden tragen zur Regulation der Glykolyse und Gluconeogenese bei 418 9.3.4 Die aerobe Verwertung der Glucose führt über das Acetyl-CoA 422 9.3.5 Die Leber speichert Glucose in Form von Glykogen 425 9.3.5.1 Synthese und Abbau von Glykogen werden durch Interkonversion und allosterische Modulation der Schlüsselenzyme reguliert 428 9.3.6 Der Abbau der Galactose findet ebenfalls in der Leber statt 431 9.3.7 Die Fructose ist als Bestandteil der Saccharose ein bedeutendes Kohlenhydrat der menschlichen Ernährung 432 9.3.8 Im Pentosephosphat-Weg wird die Glucose direkt zu CO2 abgebaut 435 9.4 Die Leber ist auch die Drehscheibe des Proteinstoffwechsels 439 9.4.1 Der Hepatocyt katabolisiert und synthetisiert sowohl zelleigene als auch nicht-zelleigene Proteine 442 9.4.2 Ein Teil der Aminosäuren wird von allen Zellen abgebaut 444 9.4.2.1 Für die Abspaltung der Aminogruppe gibt es mehrere Möglichkeiten 444 9.4.2.2 Ein Teil des Ammoniaks wird zur Biosynthese stickstoffhaltiger Moleküle reutilisiert 446 9.4.2.3 Der cyclische Prozess der Harnstoffsynthese ist auf zwei Zellkompartimente verteilt 449 9.4.3 Aus dem Kohlenstoffgerüst der Aminosäuren entstehen Intermediate des Tricarbonsäurecyclus 452 9.4.3.1 Das Pyruvat spielt auch beim Katabolismus von Aminosäuren eine zentrale Rolle 454 9.4.3.2 Das Kohlenstoffgerüst der meisten Aminosäuren lässt sich ganz oder teilweise für die Gluconeogenese verwenden 456 9.4.3.3 Einige Aminosäuren sind hauptsächlich oder vollständig ketogen 462 9.5 Die Leber spielt auch im Lipidstoffwechsel eine zentrale Rolle 465 9.5.1 Die Bildung von Ketonkörpern dient der Energiekonservierung 465 9.5.2 Die Leber synthetisiert einen großen Teil des endogenen Cholesterins 469 9.5.2.1 Die b-Hydroxy-b-methyl-glutaryl-CoA-Reductase ist das Schlüsselenzym der Cholesterin-Biosynthese 473 9.5.2.2 Der Cholesterin-Austausch zwischen den Geweben wird durch Lipoprotein-Komplexe vermittelt 474 9.5.3 Das Cholesterin ist die Muttersubstanz der Gallensäuren 476 9.5.3.1 An der exkretorischen Funktion der Leberzelle sind mehrere Transportsysteme beteiligt 478 9.6 Der Leberstoffwechsel weist eine periportal-perivenöse Zonierung auf 480 Exkurs 9.1: Ethanol - Energielieferant, Genussmittel, Suchtdroge 482 10 Das Fettgewebe als Energiespeicher und Drehscheibe des Lipidstoffwechsels 487 10.1 Das histologische Bild widerspiegelt die spezifische Aufgabe des Fettgewebes 487 10.1.1 Die Entwicklung des Fettgewebes ist für die Pathogenese der Adipositas von größtem Interesse 489 10.2 Im Fettgewebe finden fast alle anabolen und katabolen Prozesse des Lipidstoffwechsels statt 489 10.2.1 Die Biosynthese der Fettsäuren findet im Cytosol statt 490 10.2.1.1 Die Fettsäure-Synthase ist ein Enzymkomplex 491 10.2.1.2 Die gesamte Reaktionssequenz der Fettsäuresynthese katalysiert der Multienzymkomplex 492 10.2.1.3 Einfach ungesättigte Fettsäuren werden aus gesättigten durch Desaturierung gewonnen 494 10.2.1.4 Die tierische Zelle kann mehrfach ungesättigte Fettsäuren nicht synthetisieren 496 10.2.1.5 Aus Linolsäure entsteht durch weitere Desaturierung und durch Kettenverlängerung die Arachidonsäure 496 10.2.2 Der katabolen und anabolen Verwertung der Fettsäuren geht stets eine Aktivierung voraus 497 10.2.3 Die Verwertung der Fettsäuren zur Energiegewinnung beginnt mit ihrem intramitochondrialen Abbau zu Acetyl-CoA 498 10.2.3.1 Die aktivierten Fettsäuren gelangen als Acyl-Carnitin-Ester in den mitochondrialen Matrixraum 498 10.2.3.2 Die b-Oxidation gesättigter Fettsäuren umfasst vier Reaktionsschritte 499 10.2.3.3 Für den Abbau ungesättigter Fettsäuren sind Modifikationen im Ablauf der b-Oxidation notwendig 501 10.2.3.4 Bei der b-Oxidation von Fettsäuren mit einer ungeraden Zahl von Kohlenstoffatomen entsteht Propionyl-CoA 502 10.2.4 Eine b-Oxidation von Fettsäuren findet auch in den Peroxisomen statt 502 10.3 Im Fettgewebe werden die Fettsäuren vorwiegend zur Synthese der Triglyceride verwendet 503 10.3.1 Zur Biosynthese der Triglyceride dienen aktiviertes Glycerin und aktivierte Fettsäuren 503 10.3.2 Der Abbau der Triglyceride wird durch Lipasen katalysiert 504 10.3.3 Synthese und Abbau der Triglyceride werden in einer konzertierten Aktion von Hormonen gesteuert 506 10.4 Die Phosphatidsäure ist auch die Vorstufe der meisten Phospholipide 509 10.5 Im braunen Fettgewebe findet eine "zitterfreie Thermogenese" statt 511 10.6 Das Fettgewebe entpuppt sich als endokrines Organ 513 11 Das Muskelgewebe - Energietransformator und Proteinspeicher 517 11.1 Die Kontraktion der Muskelzelle kommt durch die Interaktion der Myofilamente zustande 519 11.1.1 Bei der Muskelkontraktion spielen mehrere Proteine eine Rolle 520 11.1.2 Grundlage der Muskelkontraktion ist die Interaktion des Myosinkopfes mit dem Actinfilament 522 11.1.3 Calciumionen wirken als Mediatoren zwischen der Membranerregung und der Kontraktion und Relaxation der Myofibrillen 523 11.2 Die Energieversorgung der Muskulatur ist durch mehrere ATP-Quellen gesichert 527 11.2.1 Der Muskel kann das ATP aus Glucose anaerob oder aerob gewinnen 528 11.2.2 Der Muskel speichert Glykogen als Energiereserve und mobilisiert das Glucosepolymer bei Bedarf 530 11.2.3 Fettsäuren und Ketonkörper werden von der Muskelzelle zur aeroben Energiegewinnung verwendet 532 11.2.4 Zur schnellen Regenerierung von ATP dienen Transphosphorylierungen 533 11.3 Die Skelettmuskulatur enthält die größte Proteinreserve des Organismus 535 12 Die Niere als Ausscheidungsorgan 539 12.1 Der spezifische histologische Aufbau ist die Grundlage der renalen Funktionen 539 12.2 Die Hauptaufgabe der Nieren ist die Ausscheidung von Wasser und wasserlöslichen Substanzen mit dem Harn 543 12.2.1 Die glomeruläre Filtration ist ein druckabhängiger passiver Prozess 544 12.2.2 Für die Resorption und Sekretion der Harnbestandteile haben die einzelnen Tubulusabschnitte vielfältige Transportmechanismen 544 12.2.2.1 Glucose und Aminosäuren werden im proximalen Tubulus physiologischerweise fast vollständig zurückgewonnen 546 12.2.2.2 Die Rückgewinnung von Natriumchlorid und von Wasser aus dem Primärharn hat den Charakter eines "Massentransportes" 549 12.2.2.3 Die Kalium-Bilanz wird vor allem renal reguliert 553 12.2.2.4 Die Niere ist auch an der Aufrechterhaltung der Calcium-, Magnesium- und Phosphat-Bilanz beteiligt 554 12.2.3 Der Organismus des Menschen kann Protonen ausschließlich über die Nieren eliminieren 556 12.2.3.1 Puffersysteme im Tubuluslumen verhüten die Übersäuerung des Harns 557 12.2.4 Die Nieren sind sowohl für die Ausscheidung zahlreicher Kataboliten des Stoffwechsels als auch für die Exkretion von Xenobiotica zuständig 561 12.2.4.1 Harnstoff ist der quantitativ überwiegende Feststoff im Endharn 561 12.2.4.2 Auch zahlreiche andere Stoffwechselprodukte sind ausscheidungspflichtig 563 Exkurs 12.1. Woher stammt die Harnsäure? 563 12.3 Der renale Stoffwechsel weist einige Besonderheiten auf 566 12.4 Die Nieren