Verbindungen zwischen Zellatmung und den anderen Wegen

Bisher haben wir viel Zeit damit verbracht, die Wege zu beschreiben, mit denen Glukose abgebaut wird. Zum Mittagessen isst du vielleicht ein Putensandwich, einen Gemüseburger oder einen Salat, aber du wirst wahrscheinlich nicht eine Schale reine Glukose löffeln. Wie werden dann die anderen Bestandteile der Nahrungsmittel - wie Proteine, Lipide und die Kohlenhydrate neben der Glukose - abgebaut, um ATP zu erzeugen?

Wie sich zeigt, sind die zellulären Atmungswege, die wir bereits gesehen haben, wesentlich an der Gewinnung von Energie aus all diesen verschiedenen Molekülen beteiligt. Aminosäuren, Lipide und andere Kohlenhydrate können in verschiedene Zwischenprodukte der Glykolyse und des Citratzyklus umgewandelt werden, sodass sie durch eine Vielzahl von Seitentüren in die Zellatmung einsteigen können. Sind sie einmal in diesen Weg eingetreten, macht es keinen Unterschied mehr, woher sie kommen: Sie durchlaufen einfach die verbleibenden Schritte und liefern NADH, FADH${}_2$‍ und ATP.

Außerdem durchläuft nicht jedes Molekül, das in die Zellatmung eintritt, den gesamten Weg. So wie verschiedene Arten von Molekülen durch verschiedene Zwischenprodukte in die Zellatmung eingespeist werden, können Zwischenprodukte der Glykolyse und dem Citratzyklus in verschiedenen Stadien entfernt und zur Herstellung anderer Moleküle verwendet werden. Zum Beispiel werden viele Zwischenprodukte der Glycolyse und des Citratzyklus in den Stoffwechselwegen verwendet, in denen Aminosäuren hergestellt werden.${}^1$‍

In den folgenden Abschnitten werden wir uns einige Beispiele ansehen, wie verschiedene andere Moleküle neben der Glukose in die Zellatmung eintreten können.

Die meisten Kohlenhydrate treten während der Glykolyse in die Zellatmung ein. In einigen Fällen wird dafür einfach ein Glukosepolymer in einzelne Glukosemoleküle aufgespalten. Das Glukosepolymer Glykogen wird beispielsweise sowohl in Leber- als auch in Muskelzellen in unserem Körper gespeichert. Wenn der Blutzuckerspiegel sinkt, wird das Glykogen in Glukosemoleküle, an die eine Phosphatgruppe gebunden ist, gespalten, die leicht in die Glykolyse eintreten können.

Andere Monosaccharide neben der Glukose können auch in die Glykolyse eintreten. Zum Beispiel besteht Saccharose (Haushaltszucker) aus Glukose und Fruktose. Wenn dieser Zucker gespalten wird, kann die Fruktose leicht in die Glykolyse eintreten: Durch Bindung einer Phosphatgruppe wird sie zu Fructose-6-phosphat, das dritte Molekül der Glykolyse.${}^2$‍ Da sie kurz nach Beginn der Glykolyse eintritt, entsteht aus Fruktose während der Zellatmung die gleiche Anzahl von ATP wie bei Glukose.

Wenn du mit deiner Nahrung Proteine ​​isst, muss dein Körper sie in Aminosäuren aufspalten, bevor sie von deinen Zellen verwendet werden können. Meistens werden Aminosäuren recycelt und verwendet, um neue Proteine ​​herzustellen, und nicht als Brennstoff oxidiert.

Wenn jedoch mehr Aminosäuren vorhanden sind, als der Körper benötigt, oder wenn Zellen hungern, werden einige Aminosäuren über die Zellatmung in Energie umgewandelt. Um in die Zellatmung einzutreten, muss den Aminosäuren zunächst die Aminogruppe entfernt werden. Bei diesem Schritt entsteht Ammoniak $({\text{NH}}_3)$‍ als Abfallprodukt, das bei Menschen und anderen Säugetieren in Harnstoff umgewandelt und mit dem Urin aus dem Körper ausgeschieden wird.

Sobald sie desaminiert wurden, treten die verschiedenen Aminosäuren in unterschiedlichen Phasen in die Zellatmung ein. Die chemischen Eigenschaften jeder Aminosäure bestimmen, in welche Zwischenstufe sie am einfachsten umgewandelt werden kann.

Die Aminosäure Glutamat, die eine Seitenkette mit einer Carboxylgruppe aufweist, wird zum Beispiel in α-Ketoglutarat, ein Zwischenprodukt des Citratzyklus, umgewandelt. Dieser Eintrittspunkt für Glutamat ist sinnvoll, da beide Moleküle eine ähnliche Struktur mit zwei Carboxylgruppen aufweisen, wie unten zu sehen ist.${}^3$‍

Fette, förmlicher als Triglyceride bezeichnet, können in zwei Komponenten gespalten werden, die in verschiedenen Phasen in die Zellatmung eintreten. Ein Triglycerid besteht aus einem Molekül mit drei Kohlenstoffatomen, das Glycerin genannt wird, und aus drei Fettsäureschwänzen, die an das Glycerin gebunden sind. Glycerin kann zu Glycerinaldehyd-3-phosphat, einem Zwischenprodukt der Glykolyse, umgewandelt werden und über den Rest des Zellatmung weiter verarbeitet werden.

Fettsäuren müssen andererseits in einem Vorgang namens beta-Oxidation abgebaut werden, der in der Matrix der Mitochondrien stattfindet. Bei der beta-Oxidation werden die Fettsäureschwänze in eine Reihe von Einheiten mit zwei Kohlenstoffatomen zerlegt, die an Coenzym A binden und Acetyl-CoA bilden. Dieses Acetyl-CoA tritt problemlos in den Citratzyklus ein.

Wir haben viel darüber nachgedacht, wie Moleküle in die Zellatmung eintreten können, aber es ist auch wichtig zu überlegen, wie sie austreten können. Moleküle innerhab der Zellatmung können in vielen Phasen herausgezogen werden und zum Aufbau anderer Moleküle, einschließlich Aminosäuren, Nukleotiden, Lipiden und Kohlenhydraten, verwendet werden.

Um nur ein Beispiel zu geben, kann das oben erwähnte Acetyl-CoA, das bei der Zellatmung entstehtn, aus dem Citratzyklus herausgeleitet und zum Aufbau des Lipids Cholesterin verwendet werden. Cholesterin bildet das Rückgrat der Steroidhormone in unserem Körper, wie Testosteron und Östrogen.

Ob es besser ist, Moleküle über die Zellatmung als Brennstoff zu "verbrennen" oder sie zum Aufbau anderer Moleküle zu nutzen, hängt von den Bedürfnissen der Zelle ab – und auch von den spezifischen Molekülen, für deren Aufbau sie verwendet werden!