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1 Der Energiestoffwechsel im Zentrum der Biochemie

1.1 Was ist Biochemie?

Im Rahmen des Medizinstudiums ist Biochemie ein Fach der vorklinischen Semester. In dieser Perspektive kann man Biochemie als die Wissenschaft definieren, die sich unmittelbar an die Anatomie anschließt und dafür zuständig ist, die Strukturen des menschlichen Körpers zu erforschen, die derart klein sind, dass sie weder makroskopisch, noch mikroskopisch nachweisbar sind. Offenbar geht es dabei um Strukturen in molekularen Dimensionen, und es sind chemische Methoden erforderlich, um sie untersuchen zu können. Aber was bekommt man zu sehen, wenn man den menschlichen Körper in diesen molekularen Dimensionen in den Blick nimmt?

Zunächst einmal begegnet man einer enormen Vielfalt an unterschiedlichen Strukturen. Bei näherer Betrachtung zeigt sich dann allerdings, dass einem in unterschiedlichen Zusammenhängen immer wieder die gleichen Bauteile begegnen. Dieser Sachverhalt fällt sofort auf, wenn man sich etwa die Struktur der DNA ansieht, die in den Chromosomen enthalten ist ( ▶ Abb. 1.1):

DNA enthält bekanntlich vier verschiedene Basen, in deren Abfolge die Erbinformation kodiert ist. Die einzelnen Basen sind jeweils mit einer Desoxyribose verbunden, die ihrerseits mit einer Phosphatgruppe verbunden ist. Eine derartige Baueinheit wird als Nukleotid bezeichnet. Alle 46 Chromosomen, die im Zellkern einer menschlichen Zelle enthalten sind, bestehen aus insgesamt etwa 6 Milliarden solcher Nukleotide, die alle nach dem gleichen Schema aufgebaut sind. Und auch alle DNA-Moleküle, die in irgendeiner Zelle in irgendeinem Organismus in der Welt enthalten sind, bestehen nur aus derartigen Nukleotiden. Dabei sind es eben diese DNA-Moleküle, die im Wesentlichen bestimmen, um was für einen Organismus es sich jeweils handelt: Das mag eine Palmenart sein, oder ein bestimmtes Bakterium im Darm einer Mücke, oder ein Mensch.

Die Biochemie ist also eine Wissenschaft, die sich darauf einlässt, die vielen kleinen und kleinsten Bestandteile des menschlichen Körpers und überhaupt aller Organismen in den Blick zu nehmen. Aber interessanterweise ist das Ergebnis nicht unbedingt ein Versinken in einem Ozean chaotischer Vielfalt. Vielmehr sei hier als erste These dieses Lehrbuchs behauptet: Die Biochemie ist nicht nur die Wissenschaft der kleinsten Details, sondern auch die Wissenschaft der größten Vereinfachung.

Palmen, Bakterien und Menschen bestehen aber doch nicht nur aus DNA, sondern auch aus unabsehbar vielen anderen Bestandteilen, die ihrerseits sehr eigentümliche Strukturen haben. Was sind diese anderen Bestandteile?

1.2 Was muss ein Mensch essen?

Offensichtlich entstehen in den Zellen permanent irgendwelche Moleküle aus irgendwelchen anderen Molekülen. Dabei ist es sicherlich nicht gänzlich beliebig, aus welchen Ausgangstoffen die einzelnen Moleküle hervorgehen. Tatsächlich entstehen alle Moleküle, aus denen die Strukturen des Körpers eines Menschen zusammengesetzt sind, letztlich aus einer recht kleinen Gruppe an molekularen Bausteinen. Welche Bausteine könnten das sein?

Um dieser Frage nachzugehen, kann man zunächst ermitteln, was die essenziellen Bestandteile unserer Nahrung sind. Denn offensichtlich können im Stoffwechsel ausgehend von diesen Bestandteilen im Laufe der Zeit sämtliche Moleküle gebildet werden, die in den Geweben eines Menschen enthalten sind. Eine Nahrung, die nur aus Bestandteilen besteht, die für die Ernährung unbedingt wichtig sind, erhalten Patienten bei einer parenteralen Ernährung (also einer Ernährung unter Umgehung des Verdauungstrakts) beispielsweise auf einer Intensivstation ( ▶ Abb. 1.5). Die Infusionslösungen enthalten dabei die folgenden Komponenten: Kohlenhydrate, Aminosäuren, Fette und Vitamine, sowie Salze und Spurenelemente.

Das Verfahren der parenteralen Ernährung demonstriert, welche molekularen Bausteine den Kern der gesamten Biochemie bilden. Sehen wir uns diese molekularen Bausteine näher an!

1.2.1 Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind der Menge nach die wichtigsten Bestandteile unserer Nahrung. Als Kohlenhydrate bezeichnet man eine heterogene Gruppe von Verbindungen, von denen einige in Form sehr großer Moleküle vorliegen können. Äpfel und Kartoffeln bestehen z.B. zu etwa 80% aus Wasser, ansonsten aber zum weitaus größten Teil aus dem Kohlenhydrat Stärke. Dabei handelt es sich um große, vielfach verzweigte Glucose-Ketten, in denen mehrere tausend Glucose-Einheiten miteinander verbunden sind ( ▶ Abb. 1.2).

Die Glucose-Einheiten, aus denen Stärke besteht, haben die gleiche chemische Struktur wie die Glucose (= „Traubenzucker“), die wir im Blut haben. Wenn im Blut ausreichend viel davon vorhanden ist, nehmen bestimmte Zellen unseres Körpers Glucose auf und bilden daraus Glykogen. Dieses Glykogen hat dann im Prinzip die gleiche Struktur wie die Stärke der Pflanzen: Menschen, Tiere und Pflanzen bilden in ihrem Stoffwechsel extrem große, verzweigte Moleküle, die nur aus Glucose bestehen und sich lediglich in der Anzahl der Verzweigungen unterscheiden.

Auch Cellulose, der wesentliche Bestandteil des Holzes der Bäume, ist ausschließlich aus kettenförmig miteinander verbundenen Glucose-Einheiten aufgebaut. Entsprechend bestehen auch Bücher, Möbel, Baumwoll-Jeans und sogar manche Häuser im Wesentlichen aus Glucose!

Neben der Glucose werden in den Organismen auch andere Zucker gebildet, z.B. der Zucker Desoxyribose der DNA. Die Desoxyribose wird in den Zellen allerdings ausgehend von Glucose synthetisiert. Und wenn ein Apfel süß schmeckt, dann liegt das daran, dass er die Zucker Fructose und Saccharose enthält, aber auch diese Zucker sind ausgehend von Glucose entstanden. Im Stoffwechsel des Menschen werden tatsächlich alle Kohlenhydrate direkt oder indirekt aus Glucose synthetisiert. Deshalb ist Glucose auch das einzige Kohlenhydrat, das in den Nährlösungen enthalten ist, die bei einer parenteralen Ernährung eingesetzt werden.

1.2.2 Proteine

Proteine sind ebenfalls wichtige Bestandteile der Nahrung, und es gibt eine unabsehbar große Vielfalt an Vertretern dieser Stoffklasse. Aber alle diese vielen verschiedenen Proteine bestehen im Wesentlichen aus den gleichen 21 Aminosäuren. Wenn man diese 21 Aminosäuren kennt, weiß man bereits, aus welchen Bausteinen sämtliche Proteine eines Menschen bestehen, und man weiß auch, aus welchen Bausteinen sämtliche Proteine einer Palmenart oder eines Bakteriums im Darm einer Mücke bestehen. Die Proteine der Organismen der Welt bilden gleichsam so etwas wie eine gigantische Weltliteratur, und zwar bereits seit mehreren Milliarden Jahren. Aber um diese lesen zu können, braucht man nur 21 Vokabeln zu kennen: Die Weltliteratur der Proteine ist nur mit eben diesen 21 Aminosäuren geschrieben worden.

1.2.3 Fette

Darüber hinaus sind in der Nahrung auch Fette enthalten. Was sind Fette? In der Biochemie werden die Bestandteile der pflanzlichen und tierischen Fette der Gruppe der Lipide zugeordnet. Die chemischen Strukturen der verschiedenen Lipide sind derart unterschiedlich, dass auf den ersten Blick keinerlei Ähnlichkeiten zu erkennen sind. Mitte des 20. Jahrhunderts entdeckte der Münchner Biochemiker Feodor Lynen (1911–1979) jedoch, dass alle diese unterschiedlichen Lipide im Stoffwechsel der Organismen ausgehend von der gleichen Substanz synthetisiert werden. Diese Substanz wird kurz als Acetyl-CoA bezeichnet, dabei ist „CoA“ die Abkürzung für „Coenzym A“ (vgl. ▶ Abb. 1.3).

Alle Lipide entstehen aus der Acetyl-Gruppe (der H3C-CO-Gruppe) des Acetyl-CoA bzw. aus den Acetyl-Gruppen mehrerer Acetyl-CoA-Moleküle. Ausgehend von dieser kleinen Atomgruppe entstehen die Fette der Bratwürste und das Öl der Oliven, aber auch freie Fettsäuren wie die Palmitinsäure, sowie das Östradiol der Frauen und das Testosteron der Männer. Auch in diesem Fall ist es also möglich, eine enorme Fülle an unterschiedlichen chemischen Verbindungen auf die Herkunft aus dem gleichen Baustein zurückführen: für die Lipide ist es die kleine Atomgruppe H3C-CO.

Acetyl-CoA kann im Stoffwechsel des Menschen auf verschiedene Weise synthetisiert werden, u.a. auch ausgehend von Glucose. So erklärt es sich, dass Menschen adipös werden können, auch wenn sie sich vorwiegend von Kohlenhydraten ernähren. Allerdings gibt es zwei wichtige Fettsäuren (Linolsäure und α-Linolensäure), für die im menschlichen Stoffwechsel geeignete Synthesewege fehlen. Diese beiden Fettsäuren sind für den Menschen essenzielle Bestandteile der Nahrung und...