Energiebereitstellung über Fette – Citratzyklus und Ketogenese

01 Vom Nahrungsfett zur Zellenergie: Worum es geht

Vor einiger Zeit ging es hier bereits um das Thema Adipositas und seine weitreichenden Auswirkungen auf die Gesundheit: Adipositas – Nicht nur ein optisches Problem. In weiteren Beiträgen wurden die Adipozyten, die Fettzellen unseres Körpers, sowie deren Auf- und Abbauvorgänge durchleuchtet: Fettabbau und Fettaufbau / Stoffwechsel der Adipozyten – Teil I und Teil II.

Diese Vorgänge finden je nach Bedarf über eine Reihe von Enzymen und Botenstoffen statt. Überschüssiges Nahrungsfett wird als Triglycerid-Verbindung in den Adipozyten gespeichert. Wird Bedarf angemeldet, müssen eingespeicherte Fette wieder abgegeben und in für den Körper verwertbare Energie umgewandelt werden. Fett kann in seiner Form nicht direkt als Energieträger für beispielsweise eine Muskelkontraktion dienen oder unser Gehirn mit Energie versorgen. Hierzu bedarf es einer Vielzahl an Umwandlungsschritten.

Genau um diese Schritte geht es hier: Der Artikel gibt einen Einblick in die grundlegenden Stoffwechselvorgänge unserer Zellen im Umgang mit Fetten.

02 Fette: Aufbau und Funktionen

Fette (auch Lipide genannt) sind organische Substanzen mit einer schlechten Löslichkeit in Wasser, jedoch einer guten Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln. Unter den Begriff Fette fallen Fettsäuren, Triglyceride (Neutralfett), Cholesterin, Phospholipide, Wachse, Terpene, Eicosanoide, Glykolipide, Cerebroside und Ganglioside.

Funktionen

Die verschiedenen Fette haben eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen:

• Fettsäuren dienen dem Körper als relativ schnell verfügbares Energiesubstrat im aeroben (sauerstoffabhängigen) Stoffwechsel.
• Triglyceride sind der wichtigste Energiespeicher unseres Organismus. Als Depot- oder Baufett schützen sie uns zudem vor Kälte und mechanischen Beanspruchungen. Etwa 90 % der Nahrungsfette sind Triglyceride, also langkettige Fettsäuren, die der Energiebereitstellung dienen.
• Phospholipide und Glykolipide (Fette, die im Molekül einen Kohlenhydratbestandteil enthalten) dienen als Bausubstrate für die Synthese von Membranbestandteilen unserer Zellen.
• Cholesterin dient als Vorstufe für die Synthese von Steroidhormonen und ist nötig für die Bildung von Galle zur Fettverdauung.
• Eicosanoide verbessern die Kommunikation zwischen einem Botenstoff und der Zielzelle.

Fette (Lipide) dienen also nicht wie Kohlenhydrate „nur“ als Energieträger, sondern erfüllen eine Vielzahl wichtiger, teils essenzieller Funktionen im Körper. Das macht sie zu einem wesentlich wertvolleren Nährstoff.

„Fette (Lipide) dienen nicht wie Kohlenhydrate „nur“ als Energieträger, sondern erfüllen eine Vielzahl wichtiger, teils essenzieller Funktionen im Körper.“

03 Verdauung und Resorption von Fetten

Die Verdauung der Fette beginnt bereits im Magen. Der Hauptteil findet jedoch im Duodenum (Zwölffingerdarm) und im Jejunum (Leerdarm, ein Teil des Dünndarms) statt.

Magen

Das Enzym Lipase spaltet Triglyceride in Monoglyceride, freie Fettsäuren und Glycerin. Das Enzym Cholesterolesterase hydrolysiert Cholesterinverbindungen, Phospholipasen und Phosphatasen verdauen Phospholipide. All diese Enzyme entstammen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas). Durch die Aktivität der Enzyme im Magen werden bis zu 15 % der in den Nahrungsfetten enthaltenen Fettsäuren freigesetzt.

Zwölffingerdarm

Die Leber produziert die zur Fettverdauung benötigte Galle. Diese wird in der Gallenblase gespeichert und bei Bedarf in den Zwölffingerdarm abgegeben. Wirksamer Bestandteil der Galle sind die Gallensalze. Mithilfe der Gallensäuren, Phospholipide und bereits vorhandener β-Monoacylglyceride werden die aus dem Magen ankommenden Fette emulgiert (intensives Mischen fetter und wässriger Flüssigkeiten) und zu Mizellen (Transporteinheiten) ausgebildet.

Mizellen bestehen aus ca. 35 % Gallensäuren, 45 % freien Fettsäuren, 5 % Lysophospholipiden, 2 % Cholesterin und 1 % fettlöslichen Vitaminen. Ohne Cholesterin keine Bildung von Galle und folglich auch keine Mizellenbildung, kein Transport und keine Resorption von Fetten und fettlöslichen Vitaminen.

Dünndarm

Im Dünndarm findet die Aufnahme der Mizellen über die Mukosazellen der Dünndarmschleimhaut statt. Für diese Aufnahme wird die in den Mizellen enthaltene Gallensäure benötigt. Kurzkettige freie Fettsäuren können auch ohne Anbindung die Dünndarmschleimhaut überwinden und gelangen direkt ins Blut und weiter zur Leber.

Vor der Resorption werden die Mizellenbestandteile rekonstruiert, und es werden Chylomikronen gebildet, die dann über den Dünndarm in die Lymph- und Blutbahn aufgenommen werden. Chylomikronen sind Lipoproteine und dienen als Transporteinheiten für wasserunlösliche Substanzen (siehe auch den Beitrag zu Cholesterin).

Resorption

Resorption ist im Allgemeinen die Aufnahme von Nahrungsbestandteilen über den Darm. Man unterscheidet zwischen aktiver und passiver Resorption.

Passiv: Im Dünndarmlumen (Innenraum) liegt eine hohe Konzentration an Lipidbestandteilen vor, die Zellen der Darmschleimhaut haben dagegen eine niedrige Konzentration. Dadurch kommt es im Rahmen der Osmose zum passiven Übergang. Für Osmose ist ein solches Konzentrationsgefälle nötig.

Aktiv: Aktive Resorption ist auch gegen ein Konzentrationsgefälle möglich. Hierzu werden Transportmoleküle und Energie in Form von ATP benötigt.

Fette wandern an Chylomikronen gebunden in den Blutkreislauf und gelangen so zu ihrem Bestimmungsort im Körper. Eine Störung der Fettverdauung steht meist in Zusammenhang mit einem Mangel an fettlöslichen Vitaminen.

04 Energiespeicher füllen: die Lipogenese

Das Auffüllen von Energiespeichern ist eine der Hauptfunktionen der Fette. Der genaue Vorgang der Lipogenese wurde bereits ausführlich in den Beiträgen über Adipozyten behandelt: Teil I und Teil II.

Fest steht, dass für den momentanen Bedarf nicht benötigte Fette (Lipogenese) ebenso wie nicht benötigte Glukose aus dem Blut (Liponeogenese) zum Auffüllen der Adipozyten als Energiespeicher verwendet werden. Nach der Aufnahme nicht benötigter Fette kommt es über mehrere Umwandlungsschritte zur Ausbildung von Triglyceriden, der Speicherform in den Adipozyten.

Die Triglyceridsynthese findet im Zytoplasma der Zelle statt. An ihr beteiligt sind:

• Acyl-CoA
• Glycerolphosphat
• Acyltransferase-Enzyme (ATF)

Da die ATF-Enzyme unterschiedlich gut mit Acyl-CoA zusammenarbeiten, kommt es oftmals zu einer asymmetrischen Fettverteilung im Körper, zum Beispiel zwischen linker und rechter Hüfte. Nicht benötigte Fette werden als Triglyceride in den Adipozyten abgelegt.

05 Energiebereitstellung über freie Fettsäuren

Freie Fettsäuren können auf zwei Wegen genutzt werden:

• direkt über Beta-Oxidation, Citratzyklus und Atmungskette zur aeroben Energiegewinnung, oder
• in der Leber abgebaut und in Ketonkörper umgewandelt werden.

Welcher Weg gewählt wird, hängt von der allgemeinen Versorgungssituation ab, hauptsächlich mit Glukose. Mit dem Ketonkörper-Stoffwechsel schafft sich der Organismus ein alternatives Energiesubstrat, das die Glukose in Fastenzeiten ersetzen kann.

06 Citratzyklus: ATP-Bildung aus Fettsäuren

Der Weg von der Fettsäure in den Citratzyklus

Der Citratzyklus ist einer der wichtigsten Stoffwechselwege der menschlichen Zellen und nimmt eine zentrale Rolle in der aeroben Energiebereitstellung ein. Bei der Verstoffwechslung von Glukose kommt es zunächst zur Bildung von Pyruvat und weiter zu Acetyl-CoA, das dann in den Citratzyklus eintritt. Im Falle der Fettsäuren entsteht das Acetyl-CoA im Rahmen der Beta-Oxidation (die der besseren Verständlichkeit wegen im Abschnitt zur Ketogenese beschrieben wird).

Im Citratzyklus selbst laufen viele komplizierte Vorgänge ab, deren Erläuterung den Rahmen dieses Beitrags sprengen würde. Effektiv handelt es sich ab der Verfügbarkeit von Acetyl-CoA um 8 Syntheseschritte:

1. Bildung von Citrat
2. Bildung von Isocitrat
3. Bildung von Oxalsuccinat
4. Bildung von Ketoglutarat
5. Bildung von Succinat
6. Bildung von Fumarat
7. Bildung von Malat
8. Bildung von Oxalacetat

Bei all diesen Abbauschritten entsteht NAD+, das sich dann mit dem über die beschriebenen Reaktionsschritte freigesetzten Wasserstoff verbindet und zu NADH/H+ wird.

Atmungskette

Ziel des Citratzyklus ist es, möglichst viel NADH/H+ herzustellen. Dieses gelangt in die Atmungskette und reagiert mit Sauerstoff aus der Atemluft. Die Endreaktion in der Atmungskette ist die Entstehung von Wasser, bei der eine große Menge Energie in Form von ATP frei wird.

ATP ist die zentrale Energiequelle für die in Zellen ablaufenden Reaktionen. Es wird für alle energieaufwendigen Stoffwechselprozesse genutzt, dazu zählen in hohem Umfang auch Muskelkontraktionen.

Unter normalen Ernährungsbedingungen und bei ausreichend Glukose verläuft die Verstoffwechslung von Fettsäuren über die Beta-Oxidation, weiter über den Citratzyklus und endet in der Atmungskette mit der Entstehung von ATP.

07 Ketogenese: Energie bei Glukosemangel

Wechselbeziehungen zwischen Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsel

Unser Stoffwechsel löst je nach kalorischer Phase bestimmte metabolische Prozesse aus. Beim Ausbleiben der Nahrungszufuhr unterscheidet er zwischen zwei Phasen:

• Postresorptionsphase A oder Hungern (weniger als 24 Stunden keine Nährstoffzufuhr)
• Postresorptionsphase B oder Fasten (mehr als 36 Stunden keine Nährstoffzufuhr)

Das vorrangige Ziel unseres Organismus ist es, den Blutzuckerspiegel konstant zu halten, um Gehirn, Nierenmark, zentrales Nervensystem (ZNS) und Erythrozyten ausreichend mit Glukose versorgen zu können.