Viel mehr als nur Fett

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.

Wie bereits erwähnt, bevorzugen die meisten Körperzellen Glukose als Energielieferant, es existieren jedoch Ausnahmen:

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.

Die wichtigsten Steroidhormone sind die sogenannten Adrenocorticosteroide Hydrocortison, Cortison, Aldosteron und Progesteron sowie die Sexualhormone Östrogen und Testosteron.

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

Phospholipide besitzen einen ähnlichen Aufbau wie Neutralfette (Triglyzeride). Das bekannteste Phospholipid ist Lecithin.

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

Der Stoffwechsel beschleunigt seine Reaktionen, indem er lebenswichtige Hilfsstoffe nutzt, sogenannte Enzyme (Biokatalysatoren).

Sie sind entscheidend, um in der Zelle komplexe biologische Strukturen aufzubauen und deren geordnetes Funktionieren zu gewährleisten.

Aminosäuren als Bausteine der Proteine

Proteine bestehen aus verschiedenen Aminosäuren. Alle Aminosäuren besitzen im Prinzip denselben Grundaufbau. Ein zentrales Kohlenstoffatom ist mit vier unterschiedlichen Gruppen oder Atomen verbunden:

• einer COOH-Gruppe,
• einer NH2-Gruppe (Aminogruppe),
• einem Wasserstoffatom
• und einem variablen Rest.

Durch diesen Rest (R) unterscheiden sich die 20 Aminosäuren, die in menschlichen Proteinen vorkommen.

Von diesen 20 Aminosäuren sind acht essenziell, das heißt sie können, ähnlich wie essenzielle Fettsäuren, nicht vom Körper synthetisiert werden.

Sie müssen deshalb über die Nahrung zugeführt werden. Nichtessenzielle Aminosäuren kann der Körper dagegen selbst herstellen.

Zu den essenziellen Aminosäuren gehören Valin, Phenylalanin, Leucin, Isoleucin, Threonin, Tryptophan, Methionin und Lysin. Für Säuglinge sind zusätzlich Arginin und Histidin essenziell.

Die Verkettung der Aminosäuren

Wenn zwei Aminosäuren miteinander reagieren, entsteht ein Dipeptid. Die dabei unter Wasserabspaltung gebildete Bindung wird Peptidbindung genannt.

Jedes Peptid besitzt ein sogenanntes freies Ende, an dem weitere Aminosäuren angehängt werden können.

Wird an ein Dipeptid eine dritte Aminosäure angelagert, entsteht ein Tripeptid.

Werden zusätzliche Aminosäuren angeknüpft, spricht man von Polypeptiden (poly = zahlreich).

Polypeptide mit mehr als 100 Aminosäuren werden definitionsgemäß Proteine genannt. Die meisten menschlichen Proteine bestehen aus 100 bis 500 Aminosäuren.

Da 20 verschiedene Aminosäuren zur Proteinsynthese genutzt werden und ihre Reihenfolge variabel ist, ergibt sich eine enorme Vielfalt unterschiedlicher Proteine.

Für die Funktionsfähigkeit eines Proteins, zum Beispiel als Enzym, ist entscheidend, dass sich die Aminosäurekette zu einer dreidimensionalen Struktur faltet.

Man kann sich diese Struktur bildlich wie ein Wollknäuel vorstellen. Geht diese räumliche Struktur etwa durch Hitze verloren, verliert das Eiweiß seine biologische Funktion.

So können bei Desinfektion und Sterilisation Proteine, auch Virusproteine, durch Hitze unwirksam gemacht werden. Man spricht dann von Hitzedenaturierung von Eiweiß.

Protein- und Aminosäurenstoffwechsel

Während der Verdauung werden Proteine in ihre Bausteine, die Aminosäuren, zerlegt, die über die Pfortader zuerst zur Leber gelangen.

Auch im Körper werden ständig Proteine abgebaut (Proteinkatabolismus), wodurch Aminosäuren freigesetzt werden.

Diese frei werdenden Aminosäuren können je nach Bedarf des Organismus auf verschiedene Weise weiterverwendet werden.

Erstens können sie zum Aufbau körpereigener Proteine dienen (Proteinanabolismus), etwa bei Wachstum oder Reparaturprozessen.

Dazu lassen sich einige Aminosäuren in andere Aminosäuren umwandeln, abhängig davon, welche gerade fehlen.

Nur die essenziellen Aminosäuren können nicht durch Umbauprozesse entstehen, sondern müssen über die Nahrung bereitgestellt werden.

Die Schlüsselrolle von Enzymen und Coenzymen

Das Leben jeder einzelnen Körperzelle ist untrennbar mit unzähligen chemischen Reaktionen verknüpft, die ständig in ihr ablaufen.

Bei anabolen Reaktionen werden kleinere Moleküle zu größeren Einheiten verbunden, indem neue Bindungen entstehen.

Solche Reaktionen sind meist an Energiezufuhr gekoppelt, die vom „Zellakku“ ATP geliefert wird.

Bei katabolen Reaktionen hingegen werden bestehende Bindungen gespalten, wobei Energie frei wird.

Diese Energie dient in der Regel zur Wiederherstellung des verbrauchten ATP.

Die Effizienz dieser Energieumwandlung in ATP ist jedoch nicht vollständig, sodass zusätzlich Wärme entsteht.

Anabole Reaktionen haben einen wesentlichen Anteil am Baustoffwechsel, da sie dem Aufbau neuer Strukturen dienen.

Dem gegenüber steht der Betriebsstoffwechsel, der überwiegend über katabole Reaktionen abläuft.

Für das Funktionieren des Stoffwechsels sind organische Kohlenstoffverbindungen entscheidend, die jedoch nur sehr langsam miteinander reagieren.

Daher besitzt jede Zelle Werkzeuge, welche nahezu jede chemische Reaktionskette beschleunigen: die genannten Enzyme (Biokatalysatoren).

Enzyme und Coenzyme

Chemisch gesehen gehören Enzyme zur Gruppe der Proteine. Die Stoffe, die durch ein Enzym umgesetzt werden, heißen Substrate.

Im Verlauf der Enzymreaktion wird das Substrat chemisch verändert, indem neue Bindungen entstehen oder vorhandene gespalten werden.

Dabei entstehen ein oder mehrere Reaktionsprodukte. Für die Wirksamkeit eines Enzyms ist sein aktives Zentrum verantwortlich.

Dieses entsteht durch eine spezielle Faltung der Polypeptidkette, aus der das Enzym besteht. Dadurch bildet sich an der Oberfläche eine Struktur, die genau zum Substrat passt.

So wie ein Schlüssel nur in ein bestimmtes Schloss passt, bindet auch das Substrat nur an das aktive Zentrum „seines“ Enzyms.

Damit Enzyme funktionieren können, benötigen die meisten zusätzlich einen „Helfer“, das sogenannte Coenzym.

Dies ist nötig, weil das Enzym selbst an der chemischen Reaktion nicht direkt teilnimmt, sondern lediglich die Reaktionspartner passend zusammenführt.

Nur das Coenzym wird während der Enzymreaktion verändert, indem es vom Substrat abgegebene Elektronen oder Atome aufnimmt oder an das Substrat abgibt.

Coenzyme sind meist komplex aufgebaute organische Moleküle und grundsätzlich keine Proteine.

Häufig leiten sich Coenzyme von Vitaminen ab.

Die Geschwindigkeit, mit der ein einzelnes Enzymmolekül Substrate in Produkte verwandelt, ist enorm. Sie kann mehrere hunderttausend Substratmoleküle pro Sekunde erreichen.

Faktoren, die enzymatische Reaktionen beeinflussen

Viele Enzyme arbeiten nicht nur mit Coenzymen, sondern auch mit bestimmten Ionen wie Mg2+, Fe2+ oder Zn2+ zusammen. Fehlen diese Ionen, ist die Enzymfunktion beeinträchtigt.

Außerdem sind Körpertemperatur und pH-Wert für die Enzymaktivität sehr wichtig. Mit steigender Temperatur nimmt die Substratumsatzrate eines Enzyms zunächst stark zu.

Bei hohen Temperaturen, etwa Fieber über 41 °C, wird das Enzym jedoch geschädigt und seine Eiweißstruktur zerstört. Dann sinkt die Umsatzrate nahezu auf null.

Die Enzymfunktion hängt außerdem vom pH-Wert ab. Für die meisten intrazellulären Enzyme ist ein pH-Wert von etwa 7,2 optimal.

Extrazellulär arbeitende Enzyme, etwa die eiweißspaltenden Pepsine im Magen, haben dagegen meist ein deutlich anderes pH-Optimum.

Oxidation und Reduktion

Die Arbeitsweise von Enzymen und Coenzymen lässt sich beispielhaft an zwei besonders häufigen Reaktionsformen des Stoffwechsels erläutern:

• der Oxidation (Oxidationsreaktion)
• und der Reduktion (Reduktionsreaktion)

Von Oxidation spricht man, wenn ein Molekül Elektronen abgibt. Meist geschieht dies durch Abgabe von Wasserstoffatomen, also jeweils eines Elektrons und eines Protons.

Eine Oxidation ist nur möglich, wenn ein anderer Stoff die abgegebenen Elektronen in einer Gegenreaktion wieder aufnimmt.

Die Aufnahme von Elektronen wird Reduktion genannt. Häufig erfolgt die Reduktion durch Aufnahme von Wasserstoffatomen, also jeweils eines Elektrons und eines Protons.

Bei der oben beschriebenen Oxidationsreaktion findet gleichzeitig die Reduktion des beteiligten Coenzyms NAD+ statt:

NAD+ + 2 H– + 2 Elektronen >> NADH + H+.

NAD+ (Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid) ist ein komplex aufgebautes Coenzym und stammt vom Vitamin Nikotinsäure ab. Es erfüllt im Stoffwechsel die wichtigste Rolle als Überträger von Elektronen beziehungsweise Wasserstoffatomen.

Bei der erwähnten Oxidation von Laktat zu Pyruvat wird das Coenzym von NAD+ zu NADH + H+ reduziert.

Netto nimmt NAD+ nicht beide abgegebenen Wasserstoffatome auf, sondern ein Proton und zwei Elektronen.

Daraus folgt: Oxidations- und Reduktionsreaktionen sind untrennbar miteinander verknüpft, man spricht von Redoxreaktionen.

Immer wenn eine Substanz oxidiert wird, muss eine andere reduziert werden.

Unter geeigneten Bedingungen kann die Reaktion auch in umgekehrter Richtung ablaufen. Dann wird Pyruvat reduziert, nimmt also Elektronen oder Wasserstoffatome auf, und NADH wird oxidiert. Dabei gibt NADH zwei Elektronen und ein Proton ab.

Unabhängig von der Reaktionsrichtung ist sie stets an ein spezifisches Enzym gebunden, im genannten Beispiel an die LDH (Laktatdehydrogenase).

Ohne dieses Enzym verläuft die Reaktion extrem langsam, und es kommt zu keinem nennenswerten Substratumsatz.