Ein informativer Artikel über Fette und Enzyme.
Fette und fettähnliche Verbindungen
Nach ihrem natürlichen Vorkommen unterscheidet man tierische und pflanzliche Fette:
Tierische Fette sind zum Beispiel Schweineschmalz, Sahne und Butterfett. Außerdem enthalten alle Fleisch- und Wurstwaren etwa 5–45 % „verstecktes“ Fett. Pflanzliche Fette sind etwa Olivenöl, Sonnenblumenöl, Kokosfett und Weizenkeimöl. Bei Raumtemperatur liegen Fette flüssig oder fest vor; die flüssigen Fette nennt man (Speise-)Öle.
Neutralfette (Triglyzeride)
Die größte Gruppe natürlicher Fette bilden Gemische sogenannter Triglyzeride, auch Neutralfette genannt.
Tri = 3; jedes Triglyzerid besteht aus einem Glyzerinmolekül und drei Fettsäuremolekülen.
Der menschliche Körper speichert Fett als Triglyzeride im Zytoplasma der Fettzellen. Der biologische Zweck dieser Speicherform ist eine große Energiereserve für „schlechte Zeiten“ bereitzuhalten: Fette liefern mehr als doppelt so viel Energie wie Kohlenhydrate (9,3 kcal pro Gramm statt 4,1 kcal).
Ein 70 kg schwerer Mensch mit 11 kg Fettreserven besitzt so etwa 100 000 kcal (!) in Form von Triglyzeriden.
Außerdem erfüllt das Fettgewebe, besonders das Unterhautfettgewebe, Isolations- und Schutzfunktionen.
Fettsäuren sind lange Kohlenwasserstoffketten, meist mit 16 oder 18 Kohlenstoffatomen. Je nachdem, ob das Kohlenstoffgerüst der Fettsäuren Doppelbindungen aufweist, unterscheidet man
- gesättigte Fettsäuren: Sie besitzen ausschließlich Einfachbindungen,
- einfach ungesättigte Fettsäuren: Sie tragen eine Doppelbindung; sowie
- mehrfach ungesättigte Fettsäuren: mit zwei, drei oder noch mehr Doppelbindungen.
Fettsäuren können über die Nahrung aufgenommen oder von den Zellen selbst gebildet werden, wobei jedoch höchstens eine Doppelbindung eingebaut werden kann.
Mehrfach ungesättigte Fettsäuren
Fettsäuren mit mehr als einer Doppelbindung, beispielsweise Linolsäure, Linolensäure und Arachidonsäure, kann der Organismus nicht synthetisieren und bezeichnet sie daher als essenzielle Fettsäuren; sie müssen in der Nahrung vorhanden sein.
Diese mehrfach ungesättigten Fettsäuren sind für den Menschen lebensnotwendig, da sie Ausgangsstoffe für die Bildung verschiedener körpereigener Substanzen darstellen. In pflanzlichen Ölen (Sonnenblumenöl, Sojaöl, Leinöl) sowie in Fischölen liegen mehrfach ungesättigte Fettsäuren wesentlich höher konzentriert vor als in tierischen Fetten.
Fettlöslichkeit und Wasserlöslichkeit
Wie andere Säuren dissoziiert auch eine Fettsäure teilweise im Wasser; es entstehen H+-Ionen, die Lösung wird also sauer. Zusätzlich bildet sich das sogenannte Fettsäureanion. Dieses Molekül vereinigt zwei gegensätzliche Eigenschaften:
- Der lange „Schwanz“ ist stark fettlöslich und schlecht wasserlöslich – man nennt ihn lipophil (fettfreundlich) bzw. hydrophob (wassermeidend).
- Der kleine „Kopf“ hingegen ist gut wasserlöslich (hydrophil) und schlecht fettlöslich (lipophob).
Durch diese beiden entgegengesetzten Eigenschaften können Fettsäuren lipophile Stoffe emulgieren, also in Wasser dispergieren. Auch Seifen bestehen aus Fettsäuren und wirken nach demselben Prinzip.
Fettsäuren als Energieträger
Nach der Glukose sind Fettsäuren der zweitwichtigste Brennstoff für die zelluläre Energiegewinnung. Sie entstehen unter dem Einfluss von Hormonen wie Adrenalin durch Spaltung der in Fettzellen gespeicherten Neutralfette in Glyzerin und Fettsäuren (Lipolyse).
Durch eine sich wiederholende Abfolge von Reaktionen in den Mitochondrien, die sogenannte β-Oxidation, wird die Fettsäurekette jeweils um zwei C-Atome verkürzt, wobei NADH, FADH2 und Acetyl-CoA entstehen. Das Acetyl-CoA gelangt anschließend in den Zitratzyklus und wird dort ebenso wie die reduzierten Coenzyme weiterverarbeitet. Aus Palmitinsäure, einer Fettsäure mit 18 C-Atomen, können so insgesamt 131 ATP-Moleküle regeneriert werden.
Daran erkennt man erneut, dass die Bildung von Acetyl-CoA, der Zitratzyklus und die Atmungskette übergreifende Stoffwechselwege darstellen, die keineswegs nur dem Abbau von Glukosemetaboliten dienen.
Physiologischerweise werden nicht alle beim Fettabbau entstehenden Acetyl-CoA-Moleküle in den Zitratzyklus eingespeist. Ein Teil dient der Synthese sogenannter Ketonkörper, die ebenfalls zur Energieversorgung genutzt werden können.
Comme déjà mentionné, la plupart des cellules du corps préfèrent le glucose comme source d'énergie, mais il existe des exceptions :
Herzmuskelzellen und Zellen der Nierenrinde nutzen Ketonkörper lieber als Glukose. Von Nervenzellen weiß man, dass sie bei länger anhaltendem Glukosemangel ihren bevorzugten Brennstoff durch Ketonkörper ersetzen können.
Lipogenese
Wie mehrfach dargestellt, kann der Körper überschüssige Energie als Fett speichern. Dies gilt ebenso für einen Überschuss an Kohlenhydraten oder Proteinen. Aus Glukose kann im Organismus folgendermaßen Fett entstehen (Lipogenese):
Aus einem Zwischenprodukt der Glykolyse, dem Glyzerinaldehyd-3-phosphat, wird die Glyzerinkomponente der Neutralfette gebildet. Die andere Komponente, die Fettsäuren, kann aus Acetyl-Coenzym A synthetisiert werden.
Andere Lipide
Zu den Lipiden (Fette und fettähnliche Stoffe) zählen neben den beschriebenen Neutralfetten weitere Substanzen mit folgenden gemeinsamen Eigenschaften:
- Sie lösen sich schlecht in Wasser
- und gut in organischen Lösungsmitteln wie Chloroform oder Äther.
Die beiden wichtigsten Vertreter dieser Gruppe sind Cholesterin und die sogenannten Phospholipide.
Cholesterin
Cholesterin ist eine für den Organismus bedeutende Verbindung, die einerseits im Körper gebildet und andererseits über tierische Lebensmittel aufgenommen wird. In Pflanzen kommt Cholesterin nicht vor.
Cholesterin ist
- ein wesentlicher Bestandteil der Zellmembranen,
- Vorläufer der Steroidhormone (siehe unten) und
- Ausgangsstoff der Gallensäuren (siehe unten).
Steroidhormone
Steroidhormone leiten sich von einem Kohlenwasserstoffringsystem, dem Steroidgrundgerüst, ab und lassen sich nach der Anzahl der Kohlenstoffatome einteilen.
Les hormones stéroïdes les plus importantes sont les soi-disant corticostéroïdes hydrocortisone, cortisone, aldostérone et progestérone ainsi que les hormones sexuelles œstrogène et testostérone.
Die Synthese der Steroidhormone, die in Nebennierenrinde und Keimdrüsen stattfindet, geht vom Cholesterin aus. Ihr Abbau erfolgt in der Leber.
Da Steroidhormone lipophil sind, dringen sie in die Zelle ein und binden dort an spezifische Hormonrezeptoren. Der entstehende Hormon-Rezeptor-Komplex gelangt in den Zellkern, aktiviert die Transkription bestimmter Gene und damit die Produktion entsprechender Proteine. Steroidhormone sind weit verbreitet und wurden beispielsweise auch bei Hefen und höheren Pflanzen gefunden.
Synthetische Steroide sind
- Kontrazeptiva (Verhütungsmittel, die den Eisprung unterdrücken),
- Cortison und zahlreiche synthetische Cortisonderivate, die am häufigsten eingesetzten Steroide,
sowie Anabolika, die die Proteinsynthese anregen und zum Muskelaufbau verabreicht werden. Sie sind Abkömmlinge des männlichen Sexualhormons Testosteron. Heute verwendet man Anabolika bei Hochleistungssportlern (Doping). Das Gesundheitsrisiko ist sehr hoch, da diese Steroide schwere körperliche und psychische Nebenwirkungen auslösen. Das Internationale Olympische Komitee (IOC) hat 1974 den Einsatz von Anabolika verboten. Zahlreiche Sportler wurden aufgrund positiver Tests von Wettkämpfen ausgeschlossen.
Gallensäuren
Gallensäuren sind steroidartige Verbindungen, die in der menschlichen Galle vorkommen.
In den Leberzellen entstehen aus Cholesterin die primären Gallensäuren Cholsäure und Chenodesoxycholsäure, die nach weiterer Umwandlung zu „gepaarten Gallensäuren“ als Lebergalle in den Darm abgegeben werden. Durch bakterielle „Hydroxylierung“ im Darm bilden sich die sekundären Gallensäuren Desoxycholsäure und Lithocholsäure.
Gallensäuren sind unentbehrlich für die Emulgierung der Fette, die Aktivierung der Lipasen, die Aufnahme der Fettsäuren sowie anderer Stoffe, etwa Vitamine, im Darm. Etwa 90–95 % der ausgeschiedenen Gallensäuren werden im Dünndarm rückresorbiert und über die Pfortader zur Leber zurückgeführt, von wo sie erneut in die Galle gelangen (enterohepatischer Kreislauf).
Idealerweise herrscht Gleichgewicht zwischen aufgenommenem beziehungsweise selbst gebildetem Cholesterin einerseits und ausgeschiedenem beziehungsweise verarbeitetem Cholesterin andererseits. Versagt diese Regulation, steigen die Cholesterinspiegel im Blutserum an.
Phospholipide
Les phospholipides ont une structure similaire aux graisses neutres (triglycérides). Le phospholipide le plus connu est la lécithine.
Ihre wichtigste Funktion haben Phospholipide als Bestandteile der Zellmembranen.
Proteine (Eiweiße)
„Alles, was der Mensch ist, ist er durch seine Proteine.“
Dieser etwas vereinfachte Ausspruch verdeutlicht, dass Eiweiße sowohl für Aufbau als auch Funktion des Menschen von herausragender Bedeutung sind.
- Die Gestalt eines Menschen beruht im Wesentlichen auf Proteinen, da sie Hauptbestandteile fast aller Organe sind.
- Als wichtigste Komponenten der Muskulatur ermöglichen Proteine die Beweglichkeit des Menschen.
- Proteine bilden die „Tore“ jeder Zellmembran und sichern so die Individualität der Zelle, indem sie den Stofftransport in die Zelle und aus ihr heraus steuern.
Außerdem sind Proteine in Form von Enzymen für die Funktionsfähigkeit des Organismus entscheidend.
Die Enzyme
Le métabolisme accélère ses réactions en utilisant des substances auxiliaires vitales, appelées enzymes (biocatalyseurs).
Ils sont essentiels pour construire des structures biologiques complexes dans la cellule et garantir leur fonctionnement ordonné.
Acides aminés comme éléments constitutifs des protéines
Les protéines sont constituées de différents acides aminés. Tous les acides aminés ont essentiellement la même structure de base. Un atome de carbone central est lié à quatre groupes ou atomes différents :
- un groupe COOH,
- un groupe NH2 (groupe amine),
- un atome d'hydrogène
- et un résidu variable.
C'est ce résidu (R) qui distingue les 20 acides aminés présents dans les protéines humaines.
Parmi ces 20 acides aminés, huit sont essentiels, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent pas être synthétisés par le corps, tout comme les acides gras essentiels.
Ils doivent donc être apportés par l'alimentation. En revanche, le corps peut produire lui-même des acides aminés non essentiels.
Les acides aminés essentiels incluent la valine, la phénylalanine, la leucine, l'isoleucine, la thréonine, le tryptophane, la méthionine et la lysine. Pour les nourrissons, l'arginine et l'histidine sont également essentielles.
La chaîne des acides aminés
Lorsque deux acides aminés réagissent ensemble, un dipeptide se forme. La liaison créée par élimination d'eau est appelée liaison peptidique.
Chaque peptide possède une extrémité libre à laquelle d'autres acides aminés peuvent être ajoutés.
Lorsqu'un troisième acide aminé est ajouté à un dipeptide, un tripeptide se forme.
Lorsque des acides aminés supplémentaires sont ajoutés, on parle de polypeptides (poly = nombreux).
Les polypeptides contenant plus de 100 acides aminés sont définis comme des protéines. La plupart des protéines humaines sont composées de 100 à 500 acides aminés.
Étant donné que 20 acides aminés différents sont utilisés pour la synthèse des protéines et que leur ordre est variable, cela entraîne une énorme diversité de protéines différentes.
Pour qu'une protéine soit fonctionnelle, par exemple en tant qu'enzyme, il est crucial que la chaîne d'acides aminés se replie en une structure tridimensionnelle.
On peut imaginer cette structure comme une pelote de laine. Si cette structure spatiale est perdue, par exemple par la chaleur, la protéine perd sa fonction biologique.
Ainsi, lors de la désinfection et de la stérilisation, les protéines, y compris les protéines virales, peuvent être rendues inactives par la chaleur. On parle alors de dénaturation thermique des protéines.
Métabolisme des protéines et des acides aminés
Pendant la digestion, les protéines sont décomposées en leurs éléments constitutifs, les acides aminés, qui atteignent d'abord le foie via la veine porte.
Dans le corps, les protéines sont constamment dégradées (catabolisme des protéines), libérant ainsi des acides aminés.
Ces acides aminés libérés peuvent être réutilisés de différentes manières selon les besoins de l'organisme.
Premièrement, ils peuvent servir à la construction de protéines corporelles (anabolisme des protéines), par exemple lors de la croissance ou des processus de réparation.
Pour cela, certains acides aminés peuvent être transformés en d'autres acides aminés, selon ceux qui manquent.
Seuls les acides aminés essentiels ne peuvent pas être produits par des processus de transformation, mais doivent être fournis par l'alimentation.
Le rôle clé des enzymes et des coenzymes
La vie de chaque cellule corporelle est indissociable de nombreuses réactions chimiques qui s'y déroulent en permanence.
Lors des réactions anaboliques, de petites molécules sont combinées en unités plus grandes par la formation de nouvelles liaisons.
Ces réactions sont généralement couplées à un apport énergétique fourni par l'"accumulateur cellulaire" ATP.
En revanche, lors des réactions cataboliques, les liaisons existantes sont rompues, libérant de l'énergie.
Cette énergie sert généralement à restaurer l'ATP consommé.
L'efficacité de cette conversion énergétique en ATP n'est cependant pas complète, ce qui entraîne également la production de chaleur.
Les réactions anaboliques jouent un rôle essentiel dans le métabolisme de construction, car elles servent à la formation de nouvelles structures.
En revanche, le métabolisme de fonctionnement se déroule principalement par des réactions cataboliques.
Pour le bon fonctionnement du métabolisme, les composés organiques du carbone sont essentiels, mais ils réagissent très lentement entre eux.
C'est pourquoi chaque cellule possède des outils pour accélérer presque chaque chaîne de réactions chimiques : les enzymes mentionnées (biocatalyseurs).
Enzymes et coenzymes
Chimiquement parlant, les enzymes appartiennent au groupe des protéines. Les substances transformées par une enzyme sont appelées substrats.
Au cours de la réaction enzymatique, le substrat est chimiquement modifié par la formation de nouvelles liaisons ou la rupture de liaisons existantes.
Cela produit un ou plusieurs produits de réaction. L'efficacité d'une enzyme dépend de son centre actif.
Cela résulte d'un pliage spécial de la chaîne polypeptidique dont est constitué l'enzyme. Cela forme à la surface une structure qui s'adapte exactement au substrat.
Tout comme une clé ne s'adapte qu'à une serrure spécifique, le substrat ne se lie qu'au centre actif "de son" enzyme.
Pour que les enzymes fonctionnent, la plupart ont besoin d'un "assistant" supplémentaire, appelé coenzyme.
Cela est nécessaire car l'enzyme elle-même ne participe pas directement à la réaction chimique, mais se contente de rapprocher les partenaires de réaction de manière appropriée.
Seul le coenzyme est modifié pendant la réaction enzymatique, en captant ou en cédant des électrons ou des atomes donnés par le substrat.
Les coenzymes sont généralement des molécules organiques complexes et ne sont fondamentalement pas des protéines.
Les coenzymes dérivent souvent des vitamines.
La vitesse à laquelle une seule molécule d'enzyme transforme les substrats en produits est énorme. Elle peut atteindre plusieurs centaines de milliers de molécules de substrat par seconde.
Facteurs influençant les réactions enzymatiques
De nombreux enzymes travaillent non seulement avec des coenzymes, mais aussi avec certains ions comme Mg2+, Fe2+ ou Zn2+. En l'absence de ces ions, la fonction enzymatique est altérée.
De plus, la température corporelle et le pH sont très importants pour l'activité enzymatique. Avec l'augmentation de la température, le taux de conversion du substrat par une enzyme augmente d'abord fortement.
À des températures élevées, comme lors d'une fièvre supérieure à 41 °C, l'enzyme est cependant endommagée et sa structure protéique détruite. Le taux de conversion chute alors presque à zéro.
La fonction enzymatique dépend également du pH. Pour la plupart des enzymes intracellulaires, un pH d'environ 7,2 est optimal.
Les enzymes travaillant de manière extracellulaire, comme les pepsines protéolytiques dans l'estomac, ont généralement un pH optimal nettement différent.
Oxydation et réduction
Le fonctionnement des enzymes et des coenzymes peut être illustré par deux formes de réaction métabolique particulièrement courantes :
- l'oxydation (réaction d'oxydation)
- et la réduction (réaction de réduction)
On parle d'oxydation lorsqu'une molécule cède des électrons. Cela se produit généralement par la libération d'atomes d'hydrogène, c'est-à-dire un électron et un proton chacun.
Une oxydation n'est possible que si une autre substance reprend les électrons cédés dans une réaction inverse.
La capture d'électrons est appelée réduction. La réduction se produit souvent par la capture d'atomes d'hydrogène, c'est-à-dire un électron et un proton chacun.
Lors de la réaction d'oxydation décrite ci-dessus, la réduction du coenzyme NAD+ impliqué a lieu simultanément :
NAD+ + 2 H– + 2 électrons >> NADH + H+.
NAD+ (nicotinamide-adénine-dinucléotide) est un coenzyme complexe dérivé de la vitamine acide nicotinique. Il joue le rôle le plus important dans le métabolisme en tant que transporteur d'électrons ou d'atomes d'hydrogène.
Lors de l'oxydation mentionnée du lactate en pyruvate, le coenzyme est réduit de NAD+ à NADH + H+.
En net, NAD+ ne capte pas les deux atomes d'hydrogène cédés, mais un proton et deux électrons.
Il en résulte que les réactions d'oxydation et de réduction sont inextricablement liées, on parle de réactions redox.
Chaque fois qu'une substance est oxydée, une autre doit être réduite.
Dans des conditions appropriées, la réaction peut également se dérouler dans le sens inverse. Le pyruvate est alors réduit, c'est-à-dire qu'il capte des électrons ou des atomes d'hydrogène, et le NADH est oxydé. Le NADH cède alors deux électrons et un proton.
Indépendamment de la direction de la réaction, elle est toujours liée à une enzyme spécifique, dans l'exemple cité à la LDH (lactate déshydrogénase).
Sans cette enzyme, la réaction se déroule extrêmement lentement, et il n'y a pas de conversion notable du substrat.
