Der heterotrophe Anabolismus

Definiere den heterotrophen Anabolismus und nenne zwei konkrete Beispiele für anabole Prozesse einer menschlichen Zelle (Synthese von Proteinen, Fettsäuren oder Glykogen). Gib dabei an, was diese Prozesse verbrauchen (ATP, NADPH und Vorstufen).

Um ihre Proteine herzustellen, benötigt eine Zelle Aminosäuren, Energie und Information. Erkläre, woher eine menschliche Zelle jedes dieser drei Dinge bezieht.

Die Proteinsynthese ist einer der Prozesse mit dem höchsten Energieverbrauch in der Zelle. Gib an, in welchen Schritten der Synthese Energie verbraucht wird (Aktivierung der Aminosäuren, Translation), und erkläre, warum eine Zelle, die viele Proteine herstellt, intensiv atmen muss.

Bei der Verdauung werden die Nährstoffe in kleine Moleküle zerlegt, und der Anabolismus bewirkt das Gegenteil. Nenne zwei Beispiele für Polymere, die der menschliche Körper aus Monomeren aus der Nahrung herstellt, und gib an, welches Monomer jeweils dazugehört.

Muskelproteine werden ständig abgebaut und neu synthetisiert, auch wenn der Muskel nicht wächst. Erkläre, worin dieser Proteinumsatz (Turnover) besteht und welche Bedeutung er für den Energieverbrauch in Ruhe hat.

Was ist die Glukoneogenese und in welchem Organ findet sie hauptsächlich statt? Nenne zwei Beispiele für Vorstufen, die keine Kohlenhydrate sind und aus denen der Körper Glucose herstellen kann.

Die Glukoneogenese nutzt fast alle Enzyme der Glykolyse in umgekehrter Richtung, umgeht aber drei irreversible Schritte mit anderen Reaktionen. Erkläre, warum die Zelle verhindert, dass Glykolyse und Glukoneogenese gleichzeitig ablaufen (Leerlaufzyklen, „futile cycles“), und wie beide Wege durch die Hormone Insulin und Glukagon koordiniert werden.

Nach einer kohlenhydratreichen Mahlzeit steigt die Insulinausschüttung. Erkläre, welche anabolen Prozesse Insulin in der Leber, im Muskel und im Fettgewebe aktiviert und was mit denselben Prozessen in der Zeit zwischen den Mahlzeiten geschieht.

Eine gesunde Person unterzieht sich nach einer ausgewogenen Mahlzeit einem klinischen Test mit kontrolliertem Fasten über 48 Stunden. Im Blut werden regelmäßig die Spiegel von Glucose, freien Fettsäuren, Ketonkörpern, Insulin und Glucagon überwacht.

1. a) In den ersten 12 Stunden bleibt der Blutzuckerspiegel ohne Nahrungszufuhr praktisch konstant. Begründen Sie, welcher Stoffwechselweg der Leber in dieser ersten Phase hauptsächlich für die Aufrechterhaltung des Blutzuckers verantwortlich ist und wie der Glucagon/Insulin-Quotient die Aktivierung dieses Wegs gegenüber seinem gegenläufigen Weg steuert.
2. b) Nach 36 Stunden Fasten ist das Leberglykogen vollständig aufgebraucht; dennoch fällt der Blutzucker nicht auf null und die Konzentration der Ketonkörper im Blut steigt sehr stark an. Erklären Sie, welche nicht-kohlenhydratartigen Substrate die Leber zur De-novo-Synthese von Glucose nutzt und warum der massive Fettsäureabbau in den Hepatozyten in dieser Phase zwangsläufig in die Ketogenese mündet.
3. c) Diese Person hätte eine inaktivierende Mutation in der hepatischen Carnitin-Palmitoyltransferase I (CPT-I). Sagen Sie begründet voraus, was nach 24 Stunden Fasten mit ihren Plasmaglucose- und Ketonkörperspiegeln geschehen würde.

Erkläre, was Glykogen ist, in welchen Organen es hauptsächlich synthetisiert wird und aus welcher Vorstufe es gebildet wird. Gib an, ob der Vorgang Energie verbraucht oder freisetzt.

Welche Rolle spielt die Leber im Anabolismus? Nenne zwei Syntheseprozesse, die sie durchführt (Glykogen, Plasmaproteine, Cholesterin, Fettsäuren), und erkläre einen davon kurz.

Wenn Glucose im Überschuss vorhanden ist, synthetisiert die Zelle im Zytosol Fettsäuren aus Acetyl-CoA. Erkläre, woher dieses Acetyl-CoA stammt, wie es ins Zytosol gelangt und welche Rolle NADPH bei dieser Synthese spielt.

Cholesterin wird im Körper aus Acetyl-CoA synthetisiert, wird aber auch mit der Nahrung aufgenommen. Erkläre, warum der Körper seine eigene Cholesterinsynthese entsprechend der Zufuhr über die Nahrung reguliert, und nenne zwei Beispiele für essenzielle Moleküle, die aus ihm hergestellt werden.

Eine Person verliert nach Monaten von Diät und Training $5\ \text{kg}$ Körperfett. Begründe, was stoffwechselbezogen mit diesem Fettgewebe geschehen ist (Lipolyse und Oxidation der Fettsäuren), und erkläre, warum der größte Teil des verlorenen Kohlenstoffs den Körper als ausgeatmetes $\text{CO}_2$ verlässt.

Der Muskel speichert Glykogen, kann aber keine Glucose ins Blut abgeben, weil ihm das Enzym Glucose-6-Phosphatase fehlt. Erkläre, wofür er sein Glykogen dann verwendet, warum die Leber sehr wohl Glucose ins Blut abgeben kann und welchen Vorteil diese Arbeitsteilung für den gesamten Organismus hat.

In einer Kultur von Leberzellen (Hepatozyten), die einer kohlenhydratreichen, hyperkalorischen Ernährung ausgesetzt sind, beobachtet man eine intensive zytosolische Synthese von Fettsäuren und, koordiniert dazu, die Synthese nicht essenzieller Aminosäuren. Das Schema zeigt den Citratzyklus als zentrale Drehscheibe des Stoffwechsels.

1. a) Leiten Sie begründet die Identität des Zwischenprodukts ?1 ab, das das Mitochondrium verlässt, und erklären Sie, welches Problem der Membrandurchlässigkeit sein Austritt löst, um die Fettsäuresynthese im Zytosol zu ermöglichen.
2. b) Bestimmen Sie die Zwischenprodukte ?2 und ?3, die Vorstufen von Glutamat und Aspartat (bzw. Oxalacetat für die Glukoneogenese) sind, und begründen Sie, warum die ständige Entnahme dieser Moleküle die Oxidation von Acetyl-CoA zum Erliegen bringen würde, wenn die „anaplerotischen Reaktionen“ nicht eingriffen.
3. c) Begründen Sie auf Grundlage des Bisherigen, warum es ein biologischer Fehler ist, den Citratzyklus als rein katabolen Stoffwechselweg zu bezeichnen.

Ein Neugeborenes mit einer angeborenen Stoffwechselerkrankung zeigt Nüchternhypoglykämie, schwere Laktatazidose und eine erhöhte Konzentration von Alanin im Plasma. Enzymtests belegen einen vollständigen Mangel an mitochondrialer Pyruvat-Carboxylase, während der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex eine normale Aktivität aufweist.

1. a) Schreiben Sie die von der Pyruvat-Carboxylase katalysierte Reaktion auf und erklären Sie, warum sie als anaplerotische Reaktion eingestuft wird.
2. b) Begründen Sie, warum das Fehlen dieses Enzyms sowohl die Glukoneogenese aus Pyruvat als auch die Fähigkeit der Mitochondrien blockiert, Acetyl-CoA aus der $\beta$-Oxidation der Fettsäuren zu oxidieren.
3. c) Sagen Sie voraus, was mit der zellulären Acetyl-CoA-Konzentration geschehen wird, und erklären Sie die biochemische Ursache, warum dieser Patient krankhafte Mengen an Milchsäure im Blut anreichert.

Bei einem $400\ \text{m}$-Lauf arbeiten die Skelettmuskelfasern fast vollständig unter anaeroben Bedingungen. Nach dem Zieleinlauf bleibt der Sportler stehen, aber sein Sauerstoffverbrauch bleibt über mehr als 20 Minuten gegenüber dem Ruhewert stark erhöht (Phänomen der „Sauerstoffschuld“ bzw. EPOC).

1. a) Begründen Sie, warum Muskelzellen Pyruvat zu Lactat umsetzen müssen, statt die Glykolyse anzuhalten, und geben Sie an, welches limitierende Coenzym bei dieser Reaktion recycelt wird.
2. b) Das Lactat gelangt ins Blut und nimmt am Cori-Zyklus teil. Berechnen Sie die ATP-Nettobilanz für den Organismus pro Glucosemolekül, das im Muskel vergoren und in der Leber resynthetisiert wird, und begründen Sie, warum dieser Zyklus für den Organismus Nettoenergiekosten bedeutet.
3. c) Setzen Sie die in Teilaufgabe b ermittelte Nettobilanz in Beziehung zum erhöhten Sauerstoffverbrauch der Leber nach dem Lauf: Welcher mitochondriale Prozess der Leber verbraucht diesen zusätzlichen $\text{O}_2$ und zu welchem Zweck im Stoffwechsel?

Die Transaminierung ermöglicht es den Zellen, nicht essenzielle Aminosäuren herzustellen. Erkläre, worin diese Reaktion besteht und wie Zwischenprodukte des Citratzyklus (wie α-Ketoglutarat oder Oxalacetat) als Ausgangspunkt für die Synthese von Aminosäuren dienen.

Begründe, warum essenzielle Aminosäuren zwingend mit der Nahrung aufgenommen werden müssen, nicht essenzielle dagegen nicht, und erkläre, welches Stoffwechselproblem auftritt, wenn die Ernährung arm an vollständigen Proteinen ist.

Ein 15-jähriger Jugendlicher im Wachstumsschub und ein 35-jähriger Erwachsener mit sitzender Lebensweise haben exakt dieselbe Körpermasse ($62\ \text{kg}$). Physiologische Analysen zeigen jedoch, dass der Jugendliche eine deutlich positive Netto-Stickstoffbilanz (+3,8 g N/Tag) aufweist, der Erwachsene dagegen eine ausgeglichene Bilanz, und dass sein empfohlener täglicher Energiebedarf etwa $600\ \text{kcal}$ höher liegt als der des Erwachsenen.

1. a) Interpretieren Sie die Stickstoffbilanz beider Personen und leiten Sie ab, welche Biomolekülklassen beim Jugendlichen netto aufgebaut und angereichert werden.
2. b) Begründen Sie thermodynamisch (Enthalpie und Entropie), warum die Polymerisation von Monomeren zum Aufbau von Muskelmasse und Zellmembranen eine kontinuierliche Zufuhr von Stoffwechselenergie erfordert, und erläutern Sie, wie die Kopplung an die ATP-Hydrolyse dabei wirkt.
3. c) Angenommen, der Jugendliche würde seine Energiezufuhr auf dasselbe eingeschränkte Maß wie der Erwachsene begrenzen. Sagen Sie begründet die Auswirkungen auf sein Knochen- und Muskelwachstum voraus und begründen Sie die stoffwechselbezogene Herkunft der Kohlenstoffvorstufen und des Reduktionsmittels, die für den Baustoffwechsel nötig sind.

In einer Studie zum längeren Fasten werden die Stoffwechselparameter einer freiwilligen Versuchsperson 25 Tage lang überwacht. Es werden folgende Phasen beobachtet:

1. Der Blutzuckerspiegel sinkt in den ersten 36 Stunden leicht und bleibt danach stabil bei etwa $3,8\ \text{mmol/L}$.

2. Die Stickstoffausscheidung im Urin (Harnstoff) erreicht um Tag 3 ein Maximum (etwa $13\ \text{g/Tag}$), sinkt aber bis etwa Tag 10 auf ein Drittel ($4\ \text{g/Tag}$) und stabilisiert sich.

3. Die Plasmakonzentration von Acetacetat und $\beta$-Hydroxybutyrat vervielfacht sich im Verlauf der ersten beiden Wochen um mehr als das 25-Fache.

1. a) Begründen Sie den Spitzenwert der Harnstoffausscheidung an Tag 3: Welche Makromoleküle werden bevorzugt abgebaut, in welchem Gewebe findet das statt und welcher Stoffwechselweg der Leber speist diesen Katabolismus?
2. b) Interpretieren Sie den drastischen Rückgang der Harnstoffausscheidung ab Tag 10: Setzen Sie diesen Befund in Beziehung zum Anstieg der Ketonkörper und erläutern Sie, welche Stoffwechselumstellung im Gehirn es ermöglicht, die Muskelmasse des Organismus zu erhalten.
3. c) Ein Schüler schlägt vor, die Leber könne, um keinen Muskel zu verlieren, die Fettsäuren aus dem Fettgewebe durch Gluconeogenese direkt in Glucose umwandeln. Widerlegen Sie seinen Vorschlag begründet anhand der Stöchiometrie der Decarboxylierungen im Citratzyklus.

Eine stillende Mutter gibt täglich etwa $750\ \text{mL}$ Muttermilch ab, wodurch sie ihrem Säugling etwa $500\ \text{kcal/Tag}$ in Form chemischer Nährstoffe überträgt: Kohlenhydrate (Lactose: $7,0\,\%$), Fette (Triglyceride: $4,0\,\%$) und Proteine (Casein und Lactalbumin: $1,0\,\%$). Ernährungsgremien schätzen jedoch, dass sich ihr Grund- und Leistungsumsatz um etwa $650\ \text{kcal/Tag}$ erhöht.

1. a) Wenden Sie die Hauptsätze der Thermodynamik auf den Zellstoffwechsel an, um zu begründen, warum die Energie, die die Mutter aufnehmen muss ($650\ \text{kcal}$), deutlich größer ist als die in der abgegebenen Milch enthaltene chemische Energie ($500\ \text{kcal}$).
2. b) Analysieren Sie auf biochemischer Ebene den Energieaufwand für den Aufbau der Milchbestandteile: Geben Sie an, welche Nucleosidtriphosphate oder Reduktionsäquivalente bei der Aktivierung von Monosacchariden zur Bildung der O-glykosidischen Bindung der Lactose und bei der Kondensation von Aminosäuren zur Bildung von Peptidbindungen konkret verbraucht werden.
3. c) Die Mutter ernährt sich mit einem starken Kalorien- und Kohlenhydratdefizit. Sagen Sie voraus, welche Körpergewebe Reserven mobilisieren, um die Laktogenese aufrechtzuerhalten, und begründen Sie, welche katabolen Stoffwechselwege in diesen Geweben vorrangig aktiviert werden.

In einem agrarwissenschaftlichen Versuch wird die Symbiose zwischen Rhizobium und Sojapflanzen (Glycine max) untersucht. Drei Bedingungen werden betrachtet: Gruppe A wächst auf stickstoffarmem Boden; Gruppe B erhält kontinuierlich anorganischen Stickstoffdünger; Gruppe C ist eine mutante Sojalinie, der das funktionsfähige Gen für Leghämoglobin fehlt und die mit einem normalen Rhizobium-Stamm beimpft wurde.

1. a) In Gruppe A verbrauchen die Bakteroide bis zu 20 % der von der Pflanze produzierten Kohlenhydrate, um die Aktivität der Nitrogenase aufrechtzuerhalten. Begründen Sie auf molekularer Ebene, warum die Reduktion von $\text{N}_2$ zu $\text{NH}_4^+$ einen so hohen Aufwand an ATP und Reduktionsmittel erfordert (beachten Sie die Bindungsart des Distickstoffs) und welchen metabolischen Nettonutzen die Pflanze im Gegenzug für die Abgabe dieser Kohlenhydrate erhält.
2. b) In Gruppe B verringert die Pflanze die Knöllchenbildung drastisch und unterdrückt die Aktivität der bakteriellen Nitrogenase. Begründen Sie die bioenergetische Logik dieser Anpassungsreaktion.
3. c) In Gruppe C sinkt die biologische Stickstofffixierung auf null, obwohl das Enzym Nitrogenase strukturell intakt ist. Erklären Sie, worauf dieser Ausfall beruht, und sagen Sie begründet voraus, welche essenziellen Makromoleküle in der Pflanze nicht mehr synthetisiert werden können.