Der Katabolismus von Fetten und Proteinen

Erkläre, was die β-Oxidation ist, an welchem Ort der Zelle sie stattfindet und welches Produkt sie an den Citratzyklus liefert. Gib außerdem an, welche mit Elektronen beladenen Moleküle während des Vorgangs entstehen.

Bei der β-Oxidation werden die Fettsäuren jeweils um zwei Kohlenstoffatome verkürzt. Erkläre, warum sie diesen Namen trägt (an welchem Kohlenstoffatom der Kette die Oxidation erfolgt) und welches Fragment in jedem Durchgang des Vorgangs abgespalten wird.

Eine gesättigte Fettsäure mit $18$ Kohlenstoffatomen wird durch β-Oxidation vollständig abgebaut. Berechne, wie viele Durchgänge der β-Oxidation nötig sind und wie viele Moleküle Acetyl-CoA entstehen, und begründe die Rechnung.

Wo werden die Reservefette im Körper gespeichert? Erkläre, was im Fettgewebe geschieht, wenn der Körper Energie benötigt (Lipolyse), und welche Moleküle dann ins Blut abgegeben werden.

Vor ihrer Oxidation müssen Fettsäuren aktiviert werden, indem sie sich an Coenzym A binden. Erkläre, was Coenzym A ist und welche allgemeine Rolle es als Überträger von Acylgruppen im Stoffwechsel spielt.

Begründe, warum 1 g Fett mehr ATP liefert als 1 g Glucose. Gehe dabei auf den Reduktionsgrad der Kohlenstoffatome der Kohlenwasserstoffkette der Fettsäuren und auf die Menge an Elektronen ein, die sie an die Atmungskette abgeben können.

Bei längerem Fasten oder einer sehr fettreichen Ernährung steigen die Ketonkörper im Blut an. Erkläre, was Ketonkörper sind, und begründe, warum sie entstehen, wenn der Citratzyklus nicht das gesamte Acetyl-CoA aus der β-Oxidation verarbeiten kann.

Die Proteine der Nahrung werden im Körper nicht gespeichert. Erkläre, was mit überschüssigen Aminosäuren geschieht: Welche Gruppe wird abgespalten, wie wird der überschüssige Stickstoff ausgeschieden und welches Schicksal hat der Rest des Moleküls?

Die Aminosäuren aufgenommener Proteine können drei Wege einschlagen: zum Aufbau neuer Proteine dienen, in andere stickstoffhaltige Moleküle umgewandelt oder zur Energiegewinnung abgebaut werden. Erkläre sie kurz und gib an, welcher Weg bei ausgewogener Ernährung Vorrang hat.

Harnstoff wird in der Leber aus Ammonium gebildet. Erkläre, warum der Körper Energie aufwendet, um das sehr giftige Ammonium in Harnstoff umzuwandeln, und gib an, wie dieser aus dem Körper ausgeschieden wird.

Beschreibe die Desaminierung der Aminosäuren und erkläre das Schicksal der beiden entstehenden Teile: der Aminogruppe (und ihrer Umwandlung in Harnstoff) und des Kohlenstoffgerüsts (das als Pyruvat, Acetyl-CoA oder Zwischenprodukte des Citratzyklus in die katabolen Stoffwechselwege eingehen kann).

Ordne die drei Typen energieliefernder Biomoleküle (Kohlenhydrate, Fette und Proteine) nach der Energie, die sie pro Gramm liefern, und erkläre, warum der Körper bevorzugt Kohlenhydrate nutzt und nur in Extremsituationen auf Proteine zurückgreift.

Das Glycerin aus den Triglyceriden kann, in ein Zwischenprodukt mit drei Kohlenstoffatomen umgewandelt, in die Glykolyse eintreten. Erkläre, warum dieser Teil der Fette sehr wohl in Glucose umgewandelt werden kann, während geradzahlige Fettsäuren bei Tieren dies nicht können (Acetyl-CoA ist nicht glukoneogen).

Aminosäuren werden in glukogene (ihr Abbau liefert Pyruvat oder Zwischenprodukte des Citratzyklus) und ketogene (sie liefern Acetyl-CoA oder Acetoacetyl-CoA) eingeteilt. Erkläre, was diese Einteilung bedeutet und warum glukogene Aminosäuren beim Fasten zur Herstellung von Glucose dienen können.

Das Schema fasst zusammen, wie die katabolen Stoffwechselwege von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen im aeroben Zellstoffwechsel zusammenlaufen:

1. a) Benennen Sie die mit ?1 und ?2 gekennzeichneten katabolen Prozesse. Wenn ein Arzneimittel selektiv den mitochondrialen Carnitin-Shuttle hemmt, leiten Sie ab, welcher Weg (?1, ?2 oder Glykolyse) blockiert wird und welche Substrate die Zelle bevorzugt nutzen muss, um den Acetyl-CoA-Spiegel aufrechtzuerhalten.
2. b) Beim längeren Fasten wird ein großer Teil des Oxalacetats des Citratzyklus in die hepatische Glukoneogenese umgeleitet, während der Weg ?1 hochaktiv ist. Begründen Sie, welchen alternativen Weg das angesammelte Acetyl-CoA nimmt, da es nicht im Citratzyklus kondensieren kann.
3. c) Wird Rotenon zugegeben (ein Hemmstoff, der den Elektronenübergang von NADH auf Komplex I der Atmungskette blockiert), sagen Sie voraus, wie sich der intramitochondriale Quotient $[\text{NADH}]/[\text{NAD}^+]$ verändert und welche unmittelbare Folge dies für die Geschwindigkeit des Citratzyklus hat.