Fortsetzung von „Die Zelle als Chemiefabrik“
Die Zauberformel
Ursprung aller irdischen Lebensenergie ist ein gigantisches kosmisches Kernkraftwerk, in dem das Zusammenspiel der vier physikalischen Grundkräfte pro Sekunde vier Millionen Tonnen Masse zu elektromagnetischer Strahlung verdampft. Ein winziger Teil dieser Sonnenenergie erreicht die Erde und trifft hier auf die vergleichsweise einfache Lebensform der Pflanzen. Mithilfe der Strahlung aus dem All verbinden sie zwei anorganische Moleküle zu einer organischen Substanz: Aus Kohlenstoffdioxid und Wasser entsteht der Einfachzucker Glucose, mit reinem Sauerstoff als Nebenprodukt. Es ist die wichtigste chemische Reaktion auf unserem Planeten:
(Sonnen)Energie + 6 CO2 + 6 H2O ⇆ C6 H12 O6 + 6 O2.
Aus thermodynamischer Sicht enthält C6H12O6, mehr Information, mehr Ordnung, als CO2 und H2O allein. Die Energie der Sonne ist nun in den Bindungen des Glucosemoleküls gefangen. Dieses Speichern kosmischer Kraft bezeichnen wir als Photosynthese. Sie steht am Anfang einer langen Kette gegenseitiger Abhängigkeiten, die die Schicksale von Pflanzen und Tieren miteinander verweben: Tiere vermögen es, die Photosynthesereaktion umzukehren und die dabei wieder freigesetzte Sonnenenergie für sich zu nutzen. Dieser Zusammenhang begründet den fundamentalen Unterschied zwischen Tieren und Pflanzen: Pflanzen, sowie einige Bakterien, sind in dieser Welt für das Konstruktive zuständig. Sie bauen auf. Tiere und Pilze sind hingegen auf diese Aufbauprodukte angewiesen. Sie müssen Leben zerstören, um selbst leben zu können. In nüchterner Biologensprache heißt das: Pflanzen sind autotroph, Tiere heterotroph.
Die beiden Lebenswelten unterscheiden sich grundsätzlich. Den Pflanzen fällt Energie gleichsam zu; der tägliche Sonnenaufgang, dem sie ihre Autarkie verdanken, ist nicht an Bedingungen geknüpft. Das erlaubt ihnen einen passiven, standortgebundenen Lebensstil. Tiere aber müssen sich ihre Brennstoffzufuhr aktiv erarbeiten. Die Unsicherheit ihrer Energieversorgung macht sie unstet, aber auch kreativ.
Stoffwechsel I: So gewinnen Pflanzen ihre Energie
Ihre beneidenswerte Unabhängigkeit verdanken die Pflanzen den Chloroplasten. Chloroplasten sind Zuckerraffinerien, die mit zwei grundlegenden Syntheseschritten arbeiten. Im ersten Schritt, der Lichtreaktion, wird mittels Photonen Wasser gespalten. Die dabei freiwerdende Energie wird dazu verwendet, das Molekül Adenosindiphosphat (ADP) mithilfe eines dritten Phosphoratoms zu Adenosintriphosphat (ATP) aufzubauen. ATP ist eines der wichtigsten Bio-Moleküle überhaupt. Ein Mini-Akku, der alle pflanzlichen und tierischen Zellen mit wohl dosierten Energieeinheiten versorgt.
Der zweite Photosyntheseschritt, die Dunkelreaktion, nutzt die bei der Lichtreaktion gewonnenen Wasserstoffprotonen, um mithilfe von Kohlendioxid dann das Glucosemolekül herzustellen. (Der Begriff Dunkelreaktion ist missverständlich, denn es muss keinesfalls dunkel sein, damit dieser Vorgang ablaufen kann. Gemeint ist lediglich, dass hierfür kein Licht benötigt wird.)
Die Energie für den Aufbau liefert das zuvor hergestellte ATP, indem es sein drittes Phosphoratom wieder abgibt. Zurück bleibt ADP, sozusagen ein leerer Akku. Hinter dieser vereinfachten Beschreibung steckt tatsächlich ein komplexer, vielstufiger Regenerierungskreislauf, der nach seinem Entdecker, Melvin Calvin, als Calvin-Zyklus bezeichnet wird. Mit dem Nebenprodukt Sauerstoff weiß die Pflanze nichts anzufangen – vielmehr birgt eine Oxidation sogar die Gefahr, dass Zellgifte entstehen. Die Pflanze entlässt ihn deshalb sicherheitshalber in die Umwelt. Dies ist der Ursprung fast sämtlichen freien Sauerstoffs in der Atmosphäre. Die Pflanze kann die Glucose nun entweder für den energetischen Eigenbedarf in Früchten oder Knollen speichern, oder weiter zu dem komplexen Kohlehydrat Cellulose aufbauen, dem universellen Baustoff für Stängel, Rinden und Blätter.
Stoffwechsel II: So gewinnen Tiere ihre Energie
Der pflanzliche Einfachzucker ist die Währung, in der das Leben Energie zwischen den Organismen verrechnet. Die zugrundeliegenden Transaktionen bezeichnen wir als Nahrungskette: Tiere fressen Pflanzen (aus Sicht der Pflanzen sind auch Pflanzenfresser Raubtiere), Pflanzenfresser werden Opfer von Fleischfressern, die ihrerseits anderen Fleischfressern als Nahrungsquelle dienen. Die chemischen Abläufe, die dem tierischen Stoffwechsel zugrunde liegen, sind dabei ungleich komplexer als bei den Pflanzen. Höhere Wirbeltiere, auf die wir uns im Folgenden beziehen, müssen dem Energiegewinnungsprozess gleich drei ihrer Organsysteme widmen: Verdauungstrakt, Blutkreislauf und Harnsystem.
Der Verdauungstrakt, ein schlauchartiges System, das den ganzen Körper durchzieht, rückt Kohlehydraten, Eiweißen und Fetten mit recht rabiaten Mitteln zu Leibe. Sie werden mechanisch zermahlen, mithilfe aggressiver Chemikalien wie Salz- und Gallensäure zerfasert und schließlich durch Enzyme in kleine Einheiten zerschnitten. Im Dünndarm angelangt, sind die komplexen Biomoleküle wieder in ihre ursprünglichen Bausteine Aminosäuren, Einfachzucker, Fettsäuren und Glycerin aufgespalten. Erst damit liegt die Nahrung in einer für den Organismus verwertbaren Form vor. Aminosäuren, die ein tierischer Organismus nicht selbst herstellen kann und die er daher mit der Nahrung aufnehmen muss, werden als „essentiell“ bezeichnet. Beim Menschen sind dies acht der insgesamt 22 proteinerzeugenden Aminosäuren.
Die Monomere werden nun durch die Darmwand in den Blutkreislauf geschleust. Blut – ein „ganz besonderer Saft“ – übernimmt als flüssiges Organ alle weiteren Beförderungs- und Verteilaufgaben. Unter anderem reist mit ihm auch der für die Reaktionen nötige Sauerstoff zu den Zellen, der sich zu diesem Zweck an den eisenhaltigen Proteinkomplex Hämoglobin bindet. Das so entstandene Eisenoxid verleiht dem Blut seine rote Farbe. Angetrieben wird das System durch eine druckwellenerzeugende Hochleistungspumpe, das Herz. Bei Säugetieren und Vögeln besteht dieser mächtige Hohlmuskel aus zwei getrennten und mit Rückschlagventilen gesicherten Kammern. Dieses Konstruktionsprinzip erlaubt es, den Blutkreislauf in zwei Teile, Lungen- und Körperkreislauf, zu zerlegen, die mit unterschiedlichem Druck betrieben werden können. Der niedrigere Druck des Lungenkreislaufs erleichtert den Gasaustausch zwischen Lungenbläschen und Blutgefäßen. Die Venen des Lungenkreislaufs führen das sauerstoffreiche Blut in die linke Herzkammer. Von dort bringen es die Arterien des Körperkreislaufs zu den Zellen.
An den zahllosen Wendepunkten des Kreislaufs treffen arterieller Sauerstoff und venöse Glucose zusammen. Dadurch kommt in den Zellen ein Verbrennungsprozess in Gang: Zuckermoleküle geben Elektronen ab, Sauerstoffatome nehmen sie auf. Die dabei freiwerdende Energie ist Grundlage unserer Existenz. Durch sie werden Moleküle bewegt, komplexe Stoffe aufgebaut, Nerven befeuert und Muskeln in Aktion versetzt.
Betrachten wir die zugrundeliegenden Abläufe etwas näher.
Lauter schwierige Wörter
Da Tiere keine Chloroplasten haben, benötigen sie für ihren ATP-Akku eine andere Ladetechnik. Sie besteht aus einer aufwändigen Prozesskette mit vier zentralen Abschnitten. Der erste Abschnitt, die Glykolyse, ist ein Prozess, den nicht nur Tiere, sondern praktisch sämtliche Lebewesen der Erde beherrschen. (Für sehr einfache Lebensformen wie Bakterien und Archaeen ist sie zugleich die einzige Möglichkeit der Energiegewinnung.) Die Glykolyse kommt ohne Sauerstoff aus und funktioniert grundsätzlich wie die alkoholische Gärung: Das Zuckermolekül mit seinen sechs Kohlenstoffatomen wird im Cytoplasma in zwei sogenannte Pyruvat-Moleküle aufgespalten. Die dabei freiwerdende Bindungsenergie lädt zwei ADP zu ATP auf. Diese Form der Energiegewinnung ist zwar schnell, aber auch ausgesprochen ineffizient, denn sie nutzt nur 5% des im Glucosemolekül gebundenen chemischen Potentials. Die beiden folgenden Prozessabschnitte, oxidative Decarboxylierung und Citratzyklus dienen dazu, die Erschließung der noch ungehobenen Kraftreserve vorzubereiten. Zunächst wird das Pyruvat in den Mitochondrien in Acetyl und CO2 aufgespalten. Aus dem Acetyl werden wiederum Wasserstoffprotonen und Elektronen gewonnen, die von den Trägermolekülen Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid und Flavin-Adenin-Dinukleotid aufgenommen werden. (Aus verständlichen Gründen werden die Trägermoleküle üblicherweise mit NAD und FAD abgekürzt.) Hierbei entstehen ganz nebenbei zwei weitere ATP-Einheiten.
Noch immer sind rund 90% der vorhandenen chemischen Bindungsenergie ungenutzt. Erst im vierten und letzten Schritt, der oxidativen Phosphorylierung, auch als Atmungskette bezeichnet, wird die Energiegewinnung wirklich effizient. Denn jetzt kommt der Sauerstoff ins Spiel. Er verleiht dem Leben jenen Energieschub, ohne den sich komplexe tierische Organismen nie hätten entwickeln können. Der Sauerstoff reagiert mit den von NAD und FAD bereitgestellten Protonen und Elektronen zu Wasser. Das klingt harmlos, doch Chemiker wissen, dass die Wassersynthese ein überaus spektakulärer Zusammenschluss ist, der nicht ohne Grund auch als „Knallgasreaktion“ bezeichnet wird und unter anderem bei Raketenantrieben Verwendung findet.
Kalorien zu verbrennen ist daher für die Zelle im Wortsinne ein Spiel mit dem Feuer. Die Natur hat jedoch einen höchst eleganten Weg gefunden der Zelle die oxidativ erzeugte Energie in wohldosierten Mengen zuzuführen. Das grundlegende Prinzip ist die chemische Redoxreihe: Elemente und Moleküle lassen sich nach absteigenden Elektronegativitäten sortieren. Eine solche elektrochemische Spannungsreihe findet sich auch an der Innenmembran der Mitochondrien. Zwischen dem mit Wasserstoff aufgeladenen NAD und dem ersten Enzym der Reihe besteht nur ein geringer Elektronegativitätsunterschied; es kann daher die Elektronen ohne heftige Reaktion aufnehmen. Gleichzeitig wird die Elektronenenergie genutzt, um Wasserstoffprotonen in den Raum zwischen Innen- und Außenmembran des Mitochondriums zu pumpen. Schritt für Schritt werden nun die Elektronen an den Eiweißkomplex mit der jeweils nächstniedrigeren Elektronegativität übergeben, dabei werden jedes Mal weitere Protonen nach außen befördert. Die Natur verfährt hier wie bei einem Hausumzug: Das Klavier wird nicht aus dem vierten Stock geworfen, sondern langsam, Stufe für Stufe, die Treppe hinuntergetragen.
Die zwischen den Membranen des Mitochondriums eingezwängten Wasserstoffprotonen haben mittlerweile, wie ein voller Luftballon, einen beträchtlichen Druck aufgebaut. Um den Druckunterschied auszugleichen, diffundieren die Protonen nun durch eigens dafür vorgesehene Tunnelproteine in den Innenraum zurück. Mithilfe der dabei entstehenden starken Strömungsenergie werden etwa 34 weitere ADP zu ATP aufgebaut, während der Sauerstoff sich am Ende der Elektronegativitätstreppe nun ganz ohne Knall mit den Wasserstoffprotonen zu Wasser verbindet.
Sauerstoff macht den Unterschied
Der vollständige Abbau eines Zuckermoleküls liefert insgesamt also rund 38 ATP, 90% davon durch Sauerstoffatmung. Wenn wir essen und uns ausruhen, tun wir das letztlich, um dem dritten Phosphoratom die Möglichkeit zu geben, sich wieder an das ADP-Molekül anzuflanschen. Wir laden dann unsere Akkus tatsächlich im Wortsinne neu auf.
Neben Kohlenhydraten, können auch Proteine und Fette ATP erzeugen. Ihre Abbauprodukte – Aminosäuren, Fettsäuren und Glycerin – lassen sich ebenfalls in Pyruvat und Acetyl verwandeln. Allerdings werden Fettreserven erst dann angegriffen, wenn die reguläre Glucoseversorgung unterbrochen ist. Aminosäuren werden nur in dramatischen Notlagen zur Energiegewinnung eingesetzt – sie sind für den Aufbau körpereigener Proteine vorgesehen und somit schlichtweg zu wertvoll, um einfach nur verbrannt zu werden.
Wenn die ATP-Akkus aufgeladen sind, das Blut aber noch weiterhin Glucose, Glycerin und Fettsäuren anschwemmt, kann aus den Nährstoffen keine unmittelbare Energie mehr gewonnen werden. Der Überschuss wird daher eingelagert. Glucose wird dazu in den Mehrfachzucker Glykogen umgewandelt und in Muskulatur und Leber deponiert. Bei Bedarf kann der Organismus im Schnellverfahren auf diese kleinen Reserven zugreifen und sie rasch wieder in Glucose zurückverwandeln. Soll die Energie längerfristig gelagert werden, wird Fettgewebe aufgebaut. Fett ist ein ideales Speichermedium, denn es hat von allen Biomolekülen die höchste Energiedichte: Sein Brennwert ist etwa doppelt so hoch, wie der von Kohlehydraten und Proteinen. Die Auf- und Abbauprozesse laufen dabei immer über das Zwischenprodukt Acetyl – es ist der zentrale Dreh- und Angelpunkt im Hin und Her des Stoffwechsel-Labyrinths.
Kompliziertes Zusammenspiel
Das alles klingt bereits sehr kompliziert. Tatsächlich sind die Vorgänge aber noch weitaus komplexer als hier dargestellt. Neben unzähligen Stoffwechselreaktionen müssen weitere Parameter wie Wasserhaushalt, Druckverhältnisse, Ionenkonzentrationen oder pH-Wert des Bluts, permanent im Lot gehalten und an wechselnde Umweltbedingungen angepasst werden. Ist auch nur eine der zahllosen Einflussgrößen nicht exakt justiert, gibt es Probleme. Menschen, denen etwa das für den Abbau von Milchzucker zuständige Enzym fehlt, leiden an der Stoffwechselkrankheit Laktoseintoleranz, ein Phänomen, das weltweit immerhin drei Viertel aller Erwachsenen betrifft. Die damit verbundenen Verdauungsbeschwerden sind zwar eher harmlos, doch das Beispiel lässt erahnen, dass andere Fehleinstellungen weitaus dramatischere Folgen haben können. In jedem Augenblick muss eine unüberschaubare Zahl an Bedingungen erfüllt sein, damit Billionen chemischer Reaktionen unseren Organismus jede Sekunde am Leben erhalten, anstatt ihn zu zerstören. Ein Wunder, das wir allein der Unbestechlichkeit der Naturgesetze verdanken.
Wer mehr wissen will:
Die hier behandelten Stoffwechselprozesse sind vereinfacht dargestellt. Die folgenden Übersicht vermittelt einen Eindruck von der wahren Komplexität:
Immer wieder hocherfreulich! - Vieles habe ich sicher schon gewusst, aber ich habe jetzt schon mehr verstanden und bin motiviert, weiter einzudringen. So klar und motivierend könnte ich es gewiss nicht darstellen!
Nirgendwo sonst sah ich die hoch-komplexen Stoffwechsel-Vorgänge so anschaulich dargestellt. Aber zum allerersten Satz
(= Ursprung aller irdischen Lebensenergie ist ein gigantisches kosmisches Kernkraftwerk, in dem das Zusammenspiel der vier physikalischen Grundkräfte pro Sekunde vier Millionen Tonnen Masse zu elektromagnetischer Strahlung verdampft.)
erlaube ich mir diese Bemerkung :
So faszinierend das "kosmisches Kernkraftwerk" dargestellt wird als Ursprung für das Leben, es bleibt ungeklärt der Ursprung eben genau dessen, was hier das kosmische kernkraftwerk in Gang gesetzt hat.
...was logischerweise abdriftet in den Horizont des Geistes als Ursprung aller Dinge.