Teil I - Die Zelle

In diesem Beitrag erfahren Sie, aus welchen einzelnen Organellen die Zelle besteht, wie unsere Nahrung zu den Zellen gelangt und dort daraus unter Sauerstoff (aerob) mit Hilfe des Zitronensäurezyklus Energie gewonnen wird, wie unser Organismus auch ohne Sauerstoff (anaerob) Energie gewinnen kann, welche Abfallstoffe dadurch entstehen und welchen praktischen Nutzen wir aus dem Wissen dieser Abläufe ziehen können.

• Die Physiologie ist die Wissenschaft von den Grundlagen des allgemeinen Lebensgeschehens, besonders von den normalen Lebensvorgängen und Funktionen des menschlichen Organismus.
• Die Pathophysiologie befasst sich mit Krankheitsvorgängen und Funktionsstörungen im menschlichen Organismus.
• Die Muskelphysiologie beschäftigt sich mit den Grundlagen der normalen Vorgänge und Funktionen der Muskulatur.
• Die Muskelpathophysiologie befasst sich mit Krankheitsvorgängen und Funktionsstörungen der Muskulatur.

Die Zelle - Unser Grundbaustein

Eine Zelle (lateinisch cellula = kleine Kammer, Zelle) ist die elementare Einheit aller Lebewesen. In ihr laufen die fundamentalen Stoffwechselvorgänge ab, ohne die der Mensch nicht existieren kann. In diesem Kapitel erkläre ich Ihnen welche kleinen Organe, sogenannte Organellen in der Zelle vorkommen und deren Funktion.

Abb.1 Schematische Darstellung einer Zelle mit ihren Organellen

Zytoplasma und Organellen der Zelle

Zytoplasma	Das Zytoplasma füllt die Zelle wie eine „Suppe“. Das Zytoplasma besteht aus Wasser, Salzen, Eiweiß, Fetttröpfchen, Zucker … Hier findet auch die sogenannte Glycolyse statt.
Organellen	Organellen sind die Funktionseinheiten einer Zelle (siehe Abb.1). Hier eine Liste mit ihren wichtigsten Funktionen:
Zellkern (1)	Zellkern (Nukleus) Mit Erbinformation (Baupläne) gespeichert in langen chemischen Molekülen = DNS/DNA
Mitochondrien (2)	Mitochondrien sind die "Kraftwerke der Zelle". Energiegewinnung aus Zucker mit Hilfe des Zitronensäurezyklus unter O2-Verbrauch.
Endoplasmatisches Retikulum (3)	Endoplasmatisches Retikulum (ER) sorgt für den Membranaufbau und –speicher, Stofftransport innerhalb der Zelle (intrazellulär), Stoffspeicher (z. B. Ca++ in der Muskelzelle).
Ribosomen (4)	Ribosomen sind die "Eiweißfabriken" unserer Zellen. Hier werden Eiweiß-Ketten nach Bauplan (= DNA aus dem Zellkern) zusammengesetzt.
Golgi-Apparat (5)	Golgi-Apparat ist die "Verpackungsfabrik", Sekrete werden hier in kl. Bläschen (=Vesikel) verpackt und zum Plasmalemm gebracht. Dort wird der Inhalt der Bläschen abgegeben (=Exozytose).
Lysosomen (6)	Lysosomen mit Eiweiß abbauenden Enzymen. Enzym = Eiweiß, das eine biochemische Reaktion in Gang setzt, vergleichbar mit einem „Lötkolben“ oder „Schneidbrenner“. Die Lysosomen verschmelzen mit den ankommenden Nahrungsvakuolen und die Enzyme der Lysosomen bauen die „Nahrung“ ab. Die Nahrungsvakuolen werden durch Endozytose gebildet.
Zytoskelett	Das Zytoskelett besitzt Mikrofilamente aus Eiweißfäden, die sich aneinander entlang hangeln können. Dies bewirkt eine Formveränderung der Zelle, evtl. Bewegung.
Mikrotubuli	Mikrotubuli nennen sich Eiweißröhren (siehe auch Mikrofilamente) z. B. in Cilien = Geißeln = Flimmerhärchen, mit deren Hilfe sich z. B. Einzeller wie das Pantoffeltierchen fortbewegen.
Mikrovilli	Als Mikrovilli werden fingerförmige Membranausstülpung bezeichnet z. B. zur Oberflächenvergrößerung im Darm.

Abb.2 Ansicht einer Zellmembran mit einem Kanal- (Poren) Protein hydrophil = wasserfreundlich, hydrophob = wasserfeindlich

Stoffaustausch zwischen Extrazellulärraum und Intrazellulärraum

Diffusion

Diffusion bezeichnet den Stoffaustausch längs eines Konzentrationsgefälles (Prinzip der größtmöglichen Unordnung)

Biologische Membranen (siehe Abb.2) sind nur für bestimmte Stoffe durchlässig (=semipermeabel). Z. B. kleine, ungeladene Teilchen wie O₂, CO₂, H₂O aber auch fettähnliche Stoffe. Viele andere Stoffe gehen durch stoffspezifische Porenproteine, da die Membran sonst für sie undurchlässig ist, z. B. geladene Teilchen (=Ionen) wie Na⁺, Cl^- usw. wie in der Nervenzelle (siehe Abb.3).

Abb.3 Beispiel eines stoffspezifischen Porenproteins anhand einer Nervenzelle

Aber auch große Moleküle, z. B. Zucker (Glucose), Insulin (= Schlüssel für Zucker-Porenproteine). Bei Insulinmangel kann der Zucker nicht in die Zellen, er bleibt im Blut -> Diabetes mellitus.

Osmose

Osmose ist die Diffusion von H₂O zum Ausgleich von Konzentrationen, z. B. rotes Blutkörperchen  "Ery" in konzentrierter Salzlösung:

Abb.4 Durch das bestreben des Wassers, den Salzgehalt im Ery der Umgebung anzugleichen, schrumpft dieses zusammen.

Durch das bestreben des Wassers, den Salzgehalt im roten Blutkörperchen "Ery" dem der Salzlösung anzugleichen, schrumpft das "Ery" immer mehr zusammen (siehe Abb.4). Dieser Vorgang wird Plasmolyse genannt.

Oder im destilliertem Wasser:

Abb.5 Hier versucht das Wasser die höhere Konzentration im Ery auszugleichen

Jetzt verhält es sich genau entgegengesetzt: Durch das bestreben des Wassers, den Salzgehalt im roten Blutkörperchen "Ery" dem des destillierten Wassers anzugleichen, quillt das "Ery" immer mehr auf (siehe Abb.5). Dies kann so weit gehen, das das "Ery" platzt. Dieser Vorgang wird Hämolyse genannt.

• Alle Flüssigkeiten mit gleicher Konzentration wie das Zellplasma sind isoton z. B. 0,9-prozentige NaCl-Lösung.
• Alle Flüssigkeiten mit höherer Konzentration sind hyperton.
• Alle Flüssigkeiten mit niedrigerer Konzentration sind hypoton.

Aktiver Transport nennt sich der Stoffaustausch gegen das Konzentrationsgefälle unter Energieverbrauch. Z. B. Na⁺ - K⁺ - Pumpe in der Membran von Nervenzellen. Sie pumpt nach der Erregung Na⁺ wieder aus der Zelle -> Herstellung der Ursprungsordnung. Z. B. Jodpumpe in Schilddrüsenzellen.

Exozytose

Golgi-Vesikel wandern zum Plasmalemm, verschmelzen mit diesem und geben ihren Inhalt nach außen ab.
z. B. Drüsen, Erregungsweitergabe an den Synapsen von Nervenzelle zu Nervenzelle

Endozytose

Umfließen von „Nahrung“ und Aufnahme in eine Vesikel. Ein Beispiel dafür ist die Phagozytose (siehe Abb.6).

Abb.6 Phagozytose: Eine weißes Blutkörperchen (Leukozyt) frisst eine Bakterie

Der Metabolismus (Energiestoffwechsel) der Zelle

Katabolismus

Katabolismus = Stoffabbau (auch Dissimilation) dient der Baustoffgewinnung und der Energiegewinnung. Nährstoffe werden in den Magen-Darm-Trakt aufgenommen und dort mechanisch zerkleinert (=Verdauung).

Der Kohlenhydratabbau

Kohlenhydrate werden zu Zucker (Glucose) zerkleinert.

Abb.7 Kohlenhydratketten (links) werden zu Glucose (rechts) zerkleinert

Glycolyse = anaerobe Energiegewinnung aus Glucose im Zytoplasma

• Im Zytoplasma der (Muskel)zellen findet permanent die sogenannte Glykolyse statt.
• Dort wird die Glucose (Blutzucker) zur Energiegewinnung in 10 Schritten verstoffwechselt.
• Die dabei freiwerdende Energie ist gering.
• Endprodukt der Glycolyse sind pro Glukosemolekül:
  • 2 Pyruvatmoleküle,
  • 2 ATP-Moleküle
  • 4 Wasserstoffatome

Die Glycolyse verbraucht keinen Sauerstoff, sie ist also ein anaerober Vorgang.

In Ruhe bzw. bei geringer Belastung wird praktisch das gesamte entstandene Pyruvat in den Zitronensäurezyklus zur aeroben Energiegewinnung eingeschleust. Bei hoher Belastung kann das dann vermehrt anfallende Pyruvat jedoch nicht mehr vollständig über den Zitronensäurezyklus verarbeitet werden. Dieser Pyruvatüberschuss wird innerhalb der (Muskel)zelle in Laktat umgewandelt.

Zitronensäurezyklus oder Zitratzyklus = aerobe Energiegewinnung aus Kohlenhydraten in den Mitochondrien

1. Das aus der Glycolyse (siehe "Anaerobe Energiegewinnung aus Glucose im Zytoplasma") entstandene
2. Pyruvat gibt innerhalb des Mitochondriums 2 Wasserstoffatome ab und zerfällt dabei zu
3. Acetyl-Coenzym A (Ac-CoA) siehe Abb.8a und Abb.13
4. Das Ac-CoA geht in den Zitronensäurezyklus ein und wird dort immer weiter verbrannt (oxidiert).
5. Innerhalb des Zitronensäurezyklus entsteht nur 1 ATP, jedoch 8 Wasserstoffatome, natürlich nicht in gasförmiger Form. Dieser würde sofort durch Diffusion die Zelle verlassen. Der Wasserstoff in der Zelle wird mit Hilfe von Coenzymen gespeichert. Das ist chemisch gebundener Wasserstoff (z.B. in Form von NADH/H⁺oder FADH₂).
6. Alle bis dahin gewonnenen Wasserstoffatome werden von den Coenzymen abgegeben und unter Sauerstoff mit großem Energiegewinn in mehreren Teilschritten zu H₂O verbrannt: NADH/H⁺  +  1/2 O₂   =>   H₂O  +  NAD⁺   +   Energie
7. Die dabei freiwerdende Energie wird in das Energietransportmolekül ATP verpackt, um portionsweise an die Stellen des Energieverbrauches gebracht zu werden (z. B. Membran, Golgi-Apparat, Ribosom, Zytoskelett). Pro Glucose-Molekül werden im Optimalfall bis zu 38 ADP zu ATP beladen (siehe Abb. 8b).

Abb.8a Der Zitronensäurezyklus, siehe auch Abb.13

Abb.8b ADP + P + Energie ergibt ATP

Der Fettabbau (Lipolyse)

Fett wird zu Monoglycerid und Fettsäuren zerkleinert.

Abb.9 Fett wird zu Monoglycerid und Fettsäuren zerkleinert

Die oben genannten Bruchstücke werden ins Blut bzw. in die Lymphe aufgenommen (=Resorption) und zu den Zellen transportiert. In der Zelle findet weiterer Abbau statt.

Aerobe Energiegewinnung aus Fett

Körperfett kann ebenfalls in Acetyl-CoA umgewandelt und in den Zitronensäurezyklus eingeschleust werden, allerdings ist die chemische Reaktion sehr langsam, so dass diese Form der Energiebereitstellung mit wachsender Belastung einen abnehmenden relativen Anteil der bereitgestellten Energie liefert. Ein Rechenbeispiel der Verteilung von Kohlenhydrate und Fett bei steigender körperlicher Belastung finden unter Kohlenhydrate.

Anaerobe Energiegewinnung aus Fett

Fett kann bei Sauerstoffmangel ebenfalls zu Energiegewinnung herangezogen werden. Bei der dabei freiwerdenden Energie entsteht CO₂ und H₂O, sowie Ketokörper (Abb.10).

Abb.10 anaerobe Energiegewinnung aus Fett

Der Eiweißabbau

Eiweißketten werden zu Aminosäuren zerkleinert.

Abb.11 Eiweißketten werden zu Aminosäuren zerkleinert

Anaerobe Energiegewinnung aus Eiweiß

Eiweiß kann unter Ausschluss von Sauerstoff abgebaut werden, um Energie zu gewinnen (Abb.12). Bei der dabei freiwerdenden Energie entsteht Glucose und Harnstoff.

• Die Energie wird verwendet um ATP generieren
• Der entstandene Harnstoff wird über die Nieren ausgeschieden.
• Die entstandene Glucose geht in den Kohlenhydratstoffwechsel (Glycolyse bzw. Zitronensäurezyklus) ein.

Abb.12 anaerobe Energiegewinnung aus Eiweiß

Schematische Zusammenfassung der Energiegewinnung in der (Muskel)zelle

Abb.13 Schematische Zusammenfassung der Energiegewinnung in einer (Muskel)zelle.

Anabolismus = Stoffaufbau (Assimilation)

Der Anabolismus ist zuständig für Wachstum, Regeneration, Enzyme, Speicherung

Kohlenhydrat-Aufbau
Glucose wird zu Zuckerketten (Membranbausteine) aufgebaut, oder auch als Glycogen (Energiespeicher) in der Leber gespeichert. Siehe auch unter: Kohlenhydrate

Fett-Aufbau
Fett wird u.a. als Membranbaustein genutzt und eignet sich auch hervorragend als Energiespeicher. Dazu wird das Fett in Depots unter der Haut gespeichert. Siehe auch unter: Fette und Öle

Eiweiß-Aufbau
Geschieht an den Ribosomen: Zusammensetzung der AS-Ketten nach Bauplan (DNA) aus dem Zellkern (= Proteinbiosynthese).
Eiweiß ist ein Baustein für Mikrofilamente (Muskel), Membrane und Enzymaufbau. Siehe auch unter: Eiweiß

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Gerne stehe ich Ihnen bei Interesse oder auch Fragen zur Verfügung. Hier können Sie unverbindlich Kontakt mit mir aufnehmen.

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