Biochemie: Grundlagen PDF

1 BIOCHEMIE: GRUNDLAGEN  2 In diesem Thema lernt ihr die Grundlagen der Biochemie, der Wissenschaft über chemische Prozesse in Organismen. Dieses Thema soll euch die grundlegenden Hintergrundinformationen liefe...

1 BIOCHEMIE: GRUNDLAGEN  2 In diesem Thema lernt ihr die Grundlagen der Biochemie, der Wissenschaft über chemische Prozesse in Organismen. Dieses Thema soll euch die grundlegenden Hintergrundinformationen liefern, um zu verstehen, wie der Körper Energie produziert, welche er für alles, von der Nierenfunktion bis zur Muskelkontraktion, benötigt. Solange ihr die Take-home Messages versteht, seid ihr als Personal Trainer gut aufgehoben. Die gesamten Informationen dieses Dokuments werden in den nächsten Modulen über die 3 wichtigsten Makronährstoffe erneut genauer behandelt.  3 Jegliche Materie besteht aus Teilchen. Eine der grundlegendsten Klassen von chemischen Elementen, die ein Ernährungswissenschaftler kennen muss, sind die Makronährstoffgruppen. Makronährstoffe sind Bestandteile der Nahrung, die der Organismus zur Funktion benötigt (Nährstoffe) und die in großen (Makro-)Mengen verzehrt werden. Es gibt 3 wichtige diätetische Makronährstoffe: Allen 3 Nährstoffen ist gemeinsam, dass ihre Molekularstrukturen auf einem Kohlenstoffgerüst basieren – das heißt mehreren Kohlenstoffatomen, die zu einer Kohlenstoffkette verbunden sind. Kohlenhydrate Protein Fett Es gibt auch einen vierten Makronährstoff, der für einige von euch wichtig sein könnte: Alkohol. Darauf werden wir hier aber nicht eingehen. Allen drei Makronährstoffen ist gemeinsam, dass ihre molekularen Strukturen auf einem Kohlenstoffgerüst basieren: Mehrere Kohlenstoffatome, die miteinander in einer Kohlenstoffkette verbunden sind. Kohlenhydrate Wie der Name schon sagt, sind Kohlenhydrate hydratisierte Kohlenstoffe; Kohlenstoffe (C) mit daran gebundenem Wasser (H2O). Die grundlegendste Form von Kohlenhydraten ist Glukose.  4 Die Molekularstruktur der Glukose Kohlenstoff ist schwarz, Zucker ist weiß. Wenn man weißen Zucker dehydriert, dann kann man den schwarzen Kohlenstoff erkennen, wie man in diesem Video sehen kann. Protein (Eiweiß) Ein Proteinmolekül ist eine lange Kette von Aminosäuren (=Polypeptid), die sich zu einer dreidimensionalen Struktur faltet. Aminosäuremoleküle sind über Peptidbindungen miteinander verbunden. Jede Aminosäure besteht aus einer Kohlenstoffkette (α-Carbon und der Seitenkette (R), die eine Aminogruppe (H 3N+) und eine Säuregruppe (COO-) trägt. Eine Ausnahme ist die Aminosäure Glycin, die nur den α-Kohlenstoff und keine Seitenkette enthält. Fett Fettsäuren bestehen aus langen Kohlenstoffketten mit einer Säuregruppe (Carboxylgruppe).  5 Die Erkenntnis, dass alle 3 Makronährstoffe aus Kohlenstoffketten aufgebaut sind, ist entscheidend für das Verständnis der wichtigsten Prinzipien des menschlichen Stoffwechsels. Energieproduktion und Fettspeicherung Es ist wichtig im Hinterkopf zu behalten, dass alle 3 Makronährstoffe auf Kohlenstoffketten basieren, wenn man die wichtigsten Prinzipien des menschlichen Stoffwechsels verstehen möchte. 1. Der menschliche Körper oxidiert („verbrennt“) Kohlenstoffketten, um Energie zu gewinnen. Aus diesem Grund können wir aus Kohlenhydraten, Eiweiß und Fett Energie gewinnen. 2. Die Abbauprodukte (Metaboliten) von Kohlenhydraten, Eiweiß und Fett können ineinander umgewandelt werden. Dies verbindet Stoffwechselwege und ermöglicht es dem Körper, eine Nährstoffklasse in eine andere umzuwandeln, wie z.B. Kohlenhydrate als Fett in einem Energieüberschuss zu speichern oder Glukose aus dem Kohlenstoffgerüst von Aminosäuren herzustellen, wenn keine Glukose durch die Nahrung aufgenommen wird.  6 Unten ist ein schematisches Diagramm einer Verbindung zwischen verschiedenen Stoffwechselwegen, welches zeigt, wie der Körper aus allen 3 Makronährstoffen Energie erzeugen kann (direkt oder indirekt). Wie ihr seht, ist Acetol-CoA das zentrale Stoffwechselprodukt für die Energieproduktion (über die Oxidation zu Kohlendioxid, CO2) und der Körper kann dieses aus jedem beliebigen Makronährstoff beziehen, den man zu sich nimmt. Aus Kohlenhydraten, über die zwischenzeitliche Umwandlung von Glukose in Pyruvat, ein Prozess, der Glykolyse genannt wird. Aus Fett, und zwar aus Fettsäuren. Aus Eiweiß, und zwar aus Aminosäuren.  7 Acetyl-CoA kann auch in Fett umgewandelt werden. Da der Körper Acetyl-CoA nicht nur aus Fett, sondern auch indirekt aus Kohlenhydraten und Eiweiß herstellen kann, kann der Körper alle 3 Hauptmakronährstoffe als Substrat („Bausteine“) zur Speicherung von Körperfett verwenden. Jegliche Energie, die wir konsumieren, kann uns dick machen. ATP Die Energieproduktion im menschlichen Körper endet im Wesentlichen immer mit ATP (Adenosintriphosphat). ATP transportiert chemische Energie, welche für Stoffwechselprozesse benötigt wird. ATP ist im Wesentlichen eine Batterie. Energie wird freigesetzt, wenn ATP zu ADP (Adenosindiphosphat) hydrolysiert wird, so dass ADP im Grunde eine teilweise geladene Batterie ist. ADP kann weiter zu AMP (Adenosinmonophosphat) hydrolysiert werden, um mehr Energie freizusetzen und die Batterie vollständig zu entleeren.  8 Da wir nun die Grundlagen der Energieproduktion verstehen, wollen wir uns bestimmte Stoffwechselwege näher ansehen. Diese Stoffwechselwege erklären, wie der Körper aus der Nahrung, die wir essen, Energie erzeugt und wie er die auf diesem Weg entstehenden Abfallprodukte wie Kohlendioxid (CO2) und Harnstoff ausscheidet. Nachstehend findet ihr eine detailliertere Übersicht über die menschliche Energieproduktion. Wir beginnen mit dem grünen Bereich oben links.  9 Eine genauere Abbildung darüber, wie der Körper Energie produziert. Achtet auf die Position von Acetyl-CoA und Oxalacetat in diesem Bild und vergleicht sie mit der vorherigen vergrößerten Übersicht. Es wird noch nicht erwartet, dass ihr diese Grafik versteht, aber nach den Modulen zu jedem Makronährstoff solltet ihr zu dieser Übersicht zurückkehren und sie vollständig begreifen. Energieproduktion durch Kohlenhydrate Wie wir im spezifischen Modul über Kohlenhydrate näher erläutern werden, werden die meisten Kohlenhydrate, die wir essen, zu Glukose abgebaut. Jedes Glukosemolekül wird dann in einem Prozess, der Glykolyse genannt wird, in kleinere Moleküle aufgespalten. Das Produkt der Glykolyse ist Pyruvat. Bei der Glykolyse wird bereits etwas Energie (ATP) freigesetzt, aber Pyruvat kann auf 2 Arten weiter abgebaut werden. Erstens, wie ihr gelernt habt, kann Pyruvat zu Acetyl-CoA abgebaut werden, das als Körperfett für die zukünftige Energieproduktion gespeichert oder für die unmittelbare Energieproduktion verwendet werden kann. Die Energiegewinnung aus Acetyl-CoA erfolgt über den so genannten TCA-Zyklus und die oxidative Phosphorylierung. Das gesamte Acetyl-CoA wird vollständig oxidiert und verbrannt, so dass nur CO2, welches wir über unsere Lunge ausstoßen und Wasser, H2O, übrig bleiben. Wie der Name schon sagt, findet diese Art der Energieproduktion unter aeroben (sauerstoffhaltigen) Bedingungen statt. Wenn kein Sauerstoff verfügbar ist, unter anaeroben Bedingungen oder wenn der Bedarf an schneller Energie hoch ist, wird Pyruvat in Laktat umgewandelt. Die Umwandlung in Laktat erfolgt vor allem in Zeiten anstrengender Bewegung, wenn der Sauerstoffbedarf der arbeitenden Muskeln die verfügbare Menge übersteigt.  10 Der Tricarbonsäurezyklus (TCA) Der Tricarbonsäurezyklus (TCA), auch Krebszyklus oder Citratzyklus genannt, ist ein lebenswichtiger Energieproduktionsweg für den Körper. Stoffwechselprodukte aus Kohlenhydraten, Fett und Eiweiß, die in den Zyklus eintreten, können vollständig zu CO2 und H2O oxidiert werden, wobei Energie freigesetzt wird (wobei jedoch einige Zwischensubstrate gebildet werden, die u.a. zur „Rückverwertung“ in Glukose oder Aminosäuren verwendet werden. Ihr müsst die Besonderheiten des TCA-Zyklus nicht verstehen, aber als Anhaltspunkt: In einem Prozess, der Decarboxylierung genannt wird, wird CO2 aus Pyruvat, dem Produkt der Glykolyse, entfernt, um Acetyl-CoA zu bilden. Das Produkt von Pyruvat ist Acetyl, das an Coenzym A (CoA) gekoppelt ist, welches als Träger fungiert. Acetyl-CoA wird in Oxalessigsäure eingearbeitet, um Zitronensäure zu bilden und geht anschließend in der Decarboxylierungsstufe des TCA-Zyklus als CO2 verloren. Zwei wichtige Produkte des TCA-Zyklus sind NADH und FADH2. Diese Produkte können zur Reduktion von O2 zu H2O in einem Prozess verwendet werden, der als oxidative Phosphorylierung bezeichnet wird und bei dem ATP gebildet wird. Ein weiteres Produkt des TCA-Zyklus` ist GTP, welches eine ähnliche Funktion wie ATP hat, aber eine höhere „Reaktionsspezifität“ besitzt: Es kann nur für bestimmte Reaktionen verwendet werden. Man muss nur begreifen, dass der TCA-Zyklus und die anschließende oxidative Phosphorylierung im Wesentlichen ein Stoffwechselofen ist. Der Körper wirft die Stoffwechselprodukte der Makronährstoffe, die wir essen, in den Ofen und verbrennt sie, um uns Energie zu liefern.  11 Weiterführende Literatur Wenn ihr euch für die Feinheiten der Biochemie interessiert ist das Buch Advanced Nutrition and Human Metabolism eine hervorragende Referenz. Es ist jedoch schwierig zu lesen und enthält weit mehr Informationen, als ihr in der Praxis brauchen werdet, weshalb alle wichtigen Themen aus diesem Buch in den Kursunterlagen in einem leserfreundlicheren Format zusammengefasst sind.  12 Lernziele In diesem Modul solltet ihr die grundlegenden Begriffe der Biochemie lernen und verstehen, wie der Körper Energie produziert. All dies wird in den Abschnitten, in denen es für die praktische Anwendung relevant wird, weiter ausgeführt und wiederholt, aber mittlerweile solltet ihr einige grundlegende biochemische Begrifflichkeiten verinnerlichen, darunter die folgenden: ATP (Adenosintriphosphat) Aerober vs. anaerober Stoffwechsel Glykolyse Stoffwechselprodukte Oxidation →Klicke hier für beispielhafte Prüfungsfragen