Energiegewinnung im menschlichen Körper

Energiegewinnung im menschlichen Körper Der Einfluss von Nahrungsergänzungsmitteln auf die Zellatmung Arman Alikhani

Bundesrealgymnasium 8010 Graz, Petersgasse 110 Fachbereichsarbeit aus Chemie Arman Alikhani, 8B Energiegewinnung im menschlichen Körper Der Einfluss von Nahrungsergänzungsmitteln auf die Zellatmung Betreuerin: Mag. Elisabeth Klemm Ich erkläre hiermit eidesstattlich, dass ich die Arbeit selbstständig und ausschließlich unter Verwendung der angeführten Hilfsmittel verfasst habe. Abgegeben am: 27.2.2009 Unterschrift: Arman Alikhani

Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Abstract... 3 Vorwort und Danksagung... 4 1 Was versteht man unter dem Energiebegriff?... 6 1.1 Geschichtliche Entwicklung... 6 1.2 Definition von Energie... 6 1.3 Energie in einem System... 7 1.4 Enthalpie... 8 1.5 Freie Enthalpie... 8 1.6 Energiebegriff in Bezug auf das Thema... 9 1.6.1 Nährwert... 9 2 Die Zellatmung... 10 2.1 Einleitung... 10 2.2 Die Glycolyse... 11 2.2.1 Modellexperiment zur Glycolyse... 14 2.3 Die oxidative Decarboxylierung... 15 2.3.1 Modellexperiment zur oxidativen Decarboxylierung... 16 2.4 Der Citratzyklus... 17 2.5 Endoxidation in der Atmungskette... 18 2.5.1 Der Baumannsche Versuch Modellexperiment zur Atmungskette... 20 2.5.2 Komplex V: ATP-Synthese... 22 3 Was ist ATP?... 24 3.1 Einleitung... 24 3.2 Speicherung von Energie... 24 4 NADH als Nahrungsergänzungsmittel... 26 4.1 Einleitung... 26 4.2 Synthese im Körper... 26 4.3 Vorkommen in der Nahrung... 27 4.4 Erkrankungen... 27 5 NADH-Produkte... 28 5.1 Entstehungsgeschichte... 28 5.2 Enada und Enachi... 28 5.3 Werbung... 29 5.3.1 Behauptete Wirkungsweise... 29

Inhaltsverzeichnis 5.4 Kritik... 30 5.4.1 Kritische Betrachtung... 30 5.4.2 E-Mail Verkehr mit Dr. Hahn... 32 5.4.3 Studie... 33 5.5 Definition von Nahrungsergänzungsmitteln (Österreich)... 34 5.5.1 Europa... 34 5.6 Arzneimittel vs. Nahrungsergänzungsmittel... 35 6 Ubichinon (Q10) als Nahrungsergänzungsmittel... 36 6.1 Einleitung... 36 6.2 Synthese im Körper... 36 6.3 Vorkommen in der Nahrung... 37 6.4 Erkrankungen... 37 6.5 Q10-Produkte... 37 6.5.1 Funktion im Körper... 38 6.6 Kritik... 38 7 Energy Drinks... 39 7.1 Definition... 39 7.2 Wirkung auf den Körper... 39 7.3 Kritik... 40 8 Zusammenfassung... 41 9 Literatur- und Bildquellennachweis... 43 Anhang: Arbeitsprotokoll Disposition

Abstract 3 ABSTRACT The present paper entitled The Generation of Energy in the Human Body and the Effects of Food Additives is meant to demonstrate the processes involved in the generation of energy in the human cell and to clarify a possible positive effect of special food additives such as NADH and Ubiquinon and energy drinks on the metabolic process. 95% of the energy is constantly generated during the ADP-synthesis in the human cell but it can only be temporarily stored. During this highly complex metabolic process the coenzymes NADH and Ubiquinon (Q10) function as electron- carriers. They can take up free electrons and transfer them to the oxygen molecules. As it is profoundly proved by research work that these two coenzymes play an important role in the generation of energy, some scientists state that an additional intake of NADH and Ubiquinon as food additives can improve the generation of energy in every human cell. But as my findings show, an additional intake of these substances seem to be unnecessary because the human body in a healthy state produces these coenzymes sufficiently anyway. Above all, I have tried to show, that the generation of energy does not depend on the concentration of NADH or Q10 in the human cell but primarily on the concentration of ADP in the cell. Therefore, an additional intake of these substances seems to be without any effect on the cells. At least there are no scientifically proved studies on this matter. The same goes true for so-called energy drinks. In conclusion, one may say that the only way to provide the human cells with energy is the consumption of high-calorie foods. The food additives are not high in energy themselves, but are said to stimulate the ATP-synthesis.

Vorwort und Danksagung 4 Vorwort Dass ich eine Fachbereichsarbeit im Fach Chemie verfassen werde, stand für mich schon seit der siebenten Klasse fest, da ich seit jeher großes Interesse am wissenschaftlichen Arbeiten habe, einzig und allein ein passendes Thema zu finden erwies sich als größere Herausforderung. Schließlich gibt es in der Chemie unzählige höchst interessante Themen, die mein Interesse geweckt hätten. Frau Professor Mag. E. Klemm brachte mich dann aber auf die bahnbrechende Idee, mich in ein Thema zu vertiefen, mit dem ich bereits im Unterricht bzw. in einem Chemiekurs konfrontiert war, Energie. Da Energie ein äußerst umfangreiches Themengebiet ist, entschloss ich mich, mein Hauptaugenmerk auf die Energiegewinnung im menschlichen Körper zu richten bzw. ob es möglich ist, die Energiegewinnung durch die Einnahme von am Markt befindlichen Substanzen zu optimieren. Der Umgang mit dem Energiebegriff - Energy Drinks und Nahrungsergänzungsmittel (mit Energiewerbung) schien mir ein guter Arbeitstitel zu sein um Theorie und Praxis elegant zu vereinen. Energie, ein Begriff, der uns tagtäglich in der Werbung unterkommt, ohne dass wir genauer hinterfragen, was damit eigentlich gemeint ist. Frau Professor Klemm machte mich darauf aufmerksam, wie viele Nahrungsergänzungsmittel (mit Energiewerbung) derzeit auf dem Markt sind und knüpfte gleich erste Kontakte mit diversen Apotheken für mich. Innerhalb kürzester Zeit, hatte ich Unmengen von Broschüren und wissenschaftlichen Artikeln beisammen, die es nun zu bearbeiten galt. Schnell begriff ich, dass es notwendig war, zu verstehen, wie der Körper Energie gewinnt, um überprüfen zu können, ob diverse Nahrungsergänzungsmittel eine positive Wirkung auf den Körper haben. Daraus ergab sich eine logische Gliederung meiner Arbeit. Zunächst wird die Energiegewinnung im menschlichen Körper erläutert, danach wird auf den möglichen Wirkungsort von Nahrungsergänzungsmitteln (insbesondere NADH) eingegangen. Dieses Projekt erwies sich als spannendes, aber äußerst schwieriges Unterfangen, da ich bisher nur aus dem Biologieunterricht über die Energiegewinnung im menschlichen Körper gehört hatte, ohne nähere Details zu kennen. Am Ende meiner Arbeit hoffe ich, dass der geschätzte Leser in der Lage sein wird sich selbst ein Bild zu machen, in wie weit der Energiebegriff bei den auf dem Markt befindlichen Produkten gerechtfertigt ist. Dass der Titel meiner Arbeit nun Energiegewinnung im menschlichen Körper; Der Einfluss von Nahrungsergänzungsmitteln auf die Zellatmung lautet, hat damit zu tun, dass ich mich im Laufe meiner Arbeit auf den Körper spezialisiert habe und darum eine Verifizierung des Arbeitstitels notwendig war.

Vorwort und Danksagung 5 Danksagung Eine Fachbereisarbeit zu verfassen bedarf der nötigen Unterstützung durch das Umfeld. Diese Seite ist all jenen gewidmet, die mir bei meiner Arbeit tatkräftig zur Seite gestanden sind. Allen voran: Prof. Mag. Elisabeth Klemm: Ihr Einsatz und ihr Engagement haben mich jedes Mal wieder aufs Neue fasziniert. Sie war es, die für mich die nötigen Ansprechpartner gefunden und mir in mühevoller Recherchearbeit die Quellensuche erleichtert hat. Sogar ein Treffen in den Sommerferien 2008 hat sie auf sich genommen, um das ganze Projekt ins Rollen zu bringen. Danken möchte ich ihr auch für ihr rasches Handeln, wenn Probleme auftraten. Ich spreche damit insbesondere den regen E-Mail Verkehr an, den ich mit ihr während der Weihnachts- bzw. Semesterferien führte, bei dem sie stets eine Lösung parat hatte. Besonderer Dank sei auch folgenden Leuten ausgesprochen: Univ.-Prof. Dr. med. univ. Brigitte Winklhofer-Roob: Frau Dr. Winkelhofer-Roob hat es mir dankenswerter Weise ermöglicht, ihr Institut (HU- MAN NUTRITION & METABOLISM RESEARCH AND TRAINING CENTER GRAZ) auf der KF-Universität zu besuchen und dort Recherchearbeit zu betreiben. Sie stellte mir zahlreiche Fachartikel zur Verfügung und beantwortete mir einige Fragen zum Thema Nahrungsmittelergänzung. Mag. pharm. Felizitas Dörfler: Frau Mag. Dörfler schickte mir zahlreiche Apothekerbroschüren und Informationsmaterial zum Thema Q10 und NADH. Dr. Wolfgang Jassek, Pharmazeutischer Leiter der Apothekerkammer: Dr Jassek hat mir ebenfalls Quellen zur Verfügung gestellt und bei der Klärung einiger fachlicher Schwierigkeiten geholfen. Ihnen allen möchte ich für ihre Bemühungen ein herzliches Dankeschön aussprechen!

Was versteht man unter dem Energiebegriff? 6 1 Was versteht man unter dem Energiebegriff? 1.1 Geschichtliche Entwicklung Die Herkunft des Wortes Energie im deutschen Sprachgebrauch geht zurück ins 18. Jahrhundert und wurde damals vom gleichbedeutenden französischen Wort énergie abgeleitet. Ursprünglich stammt das Wort allerdings vom griechischen érgan (Werk, Wirken) ab bzw. in weiterer Folge vom spätlateinischen Wort energia (Wirksamkeit). Die Fortschritte der Physik des 19. Jahrhunderts prägen aber das heutige Wortverständnis. Der in der Physik heute gebräuchliche Energiebegriff geht auf den schottischen Physiker William John Macquorn Rankine zurück, der 1852 erstmals erkannte, dass ein neuer Begriff, nämlich Energie, notwendig geworden war, um eine klare Abgrenzung zum bis dahin verwendeten Begriff Kraft zu ermöglichen. Den Kraftbegriff konnte man nämlich nur auf mechanische Energie logisch ummünzen, nicht aber auf chemische, thermische oder Strahlungsenergie. [vgl.1, 2] 1.2 Definition von Energie Energie ist ein naturwissenschaftlicher Begriff für die im System gespeicherte Arbeit oder die Fähigkeit des Systems, Arbeit als Produkt aus Kraft und Weg zu verrichten. In einem abgeschlossenen System ist die Gesamtenergie immer konstant. Energie kann weder erzeugt noch vernichtet, wohl aber von einer in eine andere Form umgewandelt werden. [3] (Beispielsweise die Überführung von Kernenergie in thermische Energie und Strahlungsenergie bei einer Kernspaltung). Die Energie ist eine physikalische Größe mit der SI- Einheit Joule. Ein Joule ist definiert als die Energiemenge, die aufgebracht werden muss, um über die Strecke von einem Meter die Kraft von einem Newton aufzuwenden oder für die Dauer einer Sekunde die Leistung von einem Watt aufzubringen (1 Joule = 1 N * m = 1 W * s). Das bedeutet, dass Energie eine messbare Größe ist bzw. über andere Parameter berechnet werden kann. Früher wurde fast ausschließlich die Energieeinheit Kalorie (lat. calor Wärme ) verwendet, da es aber unterschiedliche Definitionen von einer Kalorie gab, einigte man sich 1960 auf die international gültige SI-Einheit Joule. Eine Kalorie entspricht in etwa 4,19 Joule.

Was versteht man unter dem Energiebegriff? 7 Der Energiebegriff wird in fast allen Bereichen der Physik und Chemie benötigt, jedoch häufig in unterschiedlichsten Zusammenhängen. Beispielsweise beschreibt der Begriff der chemischen Bindungsenergie die Festigkeit einer gewissen Verbindung und gibt damit an, wie viel Energie aufgewendet werden muss, um die Bindung zu spalten, wohingegen z.b. die potentielle Energie beschreibt, wie viel Energie ein Körper durch seine Lage in einem Kraftfeld enthält. Es geht dabei aber immer um denselben Sachverhalt, nämlich, dass E- nergie eine Art Arbeitsvorrat ist, der in welcher Weise auch immer, freigesetzt oder verwendet werden kann, um gewisse Änderungen herbeizuführen. [vgl. 1, 3, 4, 5, 6, 7] 1.3 Energie in einem System Die gesamte Energie eines Systems wird durch die Formel ges pot kin E = U + E + E beschrieben und setzt sich folglich aus den in der Formel aufscheinenden Parametern zusammen, nämlich der inneren Energie (U), der potentiellen Energie und der kinetischen Energie. Dieser Sachverhalt soll anhand eines Beispiels veranschaulicht werden: Man stelle sich einen Fußball vor, der gerade durch die Luft fliegt. Der Fußball kann als System betrachtet werden, da er eine zweckgebundene Einheit darstellt und sich von der ihn umgebenden Umwelt abgrenzt. Der oben angeführten Formel zur Folge, besitzt somit auch er eine innere Energie. Unter der inneren Energie (U) versteht man lediglich jene Energieformen, die ständig im System selbst wirken, wie z.b. Anziehungs- und Abstoßungskräfte zwischen Atomen, Molekülen, Ionen und subatomaren Teilchen im System sowie kinetische Energie von der ständigen Bewegung der Elektronen. Kurz gesagt, das was sich im Material, aus dem der Fußball besteht, abspielt und sich unserem Blickfeld entzieht. Unter der potenziellen Energie hingegen, können wir uns schon ein wenig mehr vorstellen. Sie ist diejenige Energie, die in einem Körper gespeichert ist, wenn er sich in einem Kraftfeld (etwa einem Gravitationsfeld, wie der Erde) befindet. Die potentielle Energie nimmt mit der Höhe zu. Sie ist gleich der Arbeit, die benötigt wurde, um einen Körper auf die Höhe zu heben, auf der er sich gerade befindet. Während des Fluges hat der Fußball also eine höhere potentielle Energie, als wenn er auf der Erdoberfläche liegt, da seine Position im Kraftfeld in Relation zur Erdoberfläche eine höhere ist. Zu guter Letzt kann an diesem Beispiel auch noch die kinetische Energie veranschaulicht werden. Sie ist ein Maß dafür, wie viel Arbeit man an einem System (Fußball) verrichten muss, um es auf die Geschwindigkeit zu bringen, die es gerade hat. Die kinetische Energie gibt also an, wie viel Energie vom Schützen (System 1 ) auf den Ball (System 2 ) übertragen wurde. Damit wären einmal die grundlegendsten

Was versteht man unter dem Energiebegriff? 8 Energiebegriffe aus physikalischer Sicht erklärt. Da sich diese Fachbereichsarbeit aber fast ausschließlich mit chemischen Reaktionen auseinandersetzt, müssen an dieser Stelle noch zwei weitere Energiebegriffe näher behandelt werden, nämlich die Enthalpie H und die freie Enthalpie G, die beim Ablauf von chemischen Reaktionen eine unabdingbare Rolle spielen. [vgl. 1, 8] 1.4 Enthalpie Die Enthalpie (H) ist ein Maß für den Wärme- (Energiegehalt) eines thermodynamischen Systems und ist einfach eine chemische Bezeichnung für Energie. Bei jeder exothermen 1 Reaktion wird ein Teil dieser Enthalpie freigesetzt, da exotherme Reaktionen dadurch gekennzeichnet sind, dass die Edukte 2 selbst ein Energieminimum anstreben. Das bedeutet, dass die Produkte energetisch niedriger liegen als die Edukte. Die Energiedifferenz zwischen Edukten und Produkten wird kurz mit H abgekürzt und entspricht jenem Teil der Energie, der bei einer exothermen Reaktion frei wird. H ist bei einer abgelaufenen exothermen Reaktion also negativ weil H (H 2 -H 1 ) negativ ist. [vgl. 8] 1.5 Freie Enthalpie Die Freie Enthalpie (G) entspricht demjenigen Anteil der Enthalpie, der zur Leistung von Arbeit frei verfügbar, aber noch im System gespeichert ist. Sie wird durch die Formel G = H T * S beschrieben. Sie ist also nichts anderes als die gesamte freiwerdende Enthalpie (H), abzüglich dem Teil, der als Wärmeenergie (T * S) verloren geht. G [(G 2 -G 1 )] bedeutet einfach, dass man sich den Energiegehalt des Systems vor Ablaufen der Reaktion (G 1 ) und nach Ablaufen der Reaktion (G 2 ) ansieht. Bei einer spontan ablaufenden Reaktion muss G 2 < G 1 gelten, weil ein System selbst immer nur ein Energieminimum anstrebt. Sprich, wenn die Freie Enthalpie zum Zeitpunkt T 2 kleiner ist als zum Zeitpunkt T 1. Folglich ist G bei spontan ablaufenden Reaktionen negativ. [vgl. 8, 9, 10] 1 Bei exothermen Reaktionen sind die Produkte der Reaktion energieärmer als die Edukte. (Es wurde Energie aus dem System frei). 2 Edukte (Ausgangsstoffe) stehen auf der linken Seite einer Reaktionsgleichung. Mit ihnen laufen die chemischen Reaktionen ab. Nach Ablauf einer Reaktion sind sie zum Produkt (Endstoffe) geworden.

Was versteht man unter dem Energiebegriff? 9 1.6 Energiebegriff in Bezug auf das Thema Da sich diese Fachbereichsarbeit, wie im Vorwort bereits erwähnt, mit der Energiegewinnung im menschlichen Körper befasst und der Frage nachgeht, ob Energydrinks und Nahrungsergänzungsmittel positive Einflüsse auf eine Leistungssteigerung des menschlichen Körpers haben, ist es wichtig, zunächst zu klären, welche Energiebegriffe im Zusammenhang mit Nahrungsmitteln bzw. dem menschlichen Organismus verwendet werden. 1.6.1 Nährwert Unter dem Nährwert oder auch physiologischen Brennwert versteht man den Teil der E- nergie, der für den Organismus nach Oxidation eines Nahrungsmittels im Körper nutzbar wird. Der Energieaufwand, den der Körper dafür tätigen muss, ist im physiologischen Brennwert nicht enthalten. Laut EU-Richtlinien muss die Angabe des Nährwerts in kj/100 g bzw. kj/100 ml erfolgen. Im Allgemeinen kann man sagen, dass der physiologische Brennwert niedriger ist, als der physikalische Brennwert, weil der physikalische Brennwert angibt, wie viel Energie bei vollständiger Oxidation (Verbrennung zu Asche) frei wird. Da das im Körper nicht der Fall ist und meist energiereiche Bestandteile der aufgenommenen Nahrung im Körper zurückbleiben (als Exkremente), wird zum Bestimmen des physiologischen Brennwerts zunächst der physikalische Brennwert mit Hilfe eines Kalorimeters ermittelt. Vom physikalischen Brennwert des gesamten Nahrungsmittels wird danach der physikalische Brennwert der nicht verdauten Nahrung (Exkremente) abgezogen. So erhält man jenen Energieanteil des Nahrungsmittels, den der Körper auch wirklich verwertet hat. Die Berechnung des Nährwerts ist aber nur ein durchschnittlicher Richtwert, da die Verdauung von Mensch zu Mensch unterschiedlich ist. [vgl. 11, 12]

Die Zellatmung 10 2 Die Zellatmung 2.1 Einleitung Im menschlichen Körper wird Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) (siehe 3 Was ist ATP?) über die verschiedensten Wege gewonnen. All diese Energie bringenden Stoffwechselvorgänge werden unter der Bezeichnung Zellatmung oder innere Atmung zusammengefasst. Vereinfacht lässt sich sagen, dass unser Körper die aufgenommene Nahrung in kleine Energiebausteine zerlegt, nämlich Glucose (C 6 H 12 O 6 ) und diese über eine Reihe hoch komplexer Stoffwechselvorgänge oxidiert, um Energie freizusetzen. Diese Energie wird benötigt, um Bewegung zu ermöglichen, aber auch um Körperfunktionen aufrecht zu erhalten. Die Zellatmung findet also in jeder einzelnen Zelle statt, genauer gesagt in den Mitochondrien der Zellen. Die Zellatmung des menschlichen Körpers setzt sich aus den folgenden vier unterschiedlichen Kreisläufen zusammen, wobei die Aufgabe eines jeden einzelnen der Energiegewinn ist. 1. die Glycolyse 2. die oxidative Decarboxylierung 3. den Citratzyklus (Citronensäurezyklus) 4. die Endoxidation in der Atmungskette Diese stufenweise Oxidation hat den Vorteil, dass ein großer Teil der Energie auch wirklich nutzbar wird. Würden die Nahrungsmittel in nur einem Schritt oxidiert werden, so würde eine wesentliche Energiemenge in Form von Wärme verloren gehen und die Zellen würden überhitzt werden. Die Gesamtbilanz der Zellatmung sieht folgendermaßen aus: Aus einem Molekül Glucose und sechs Molekülen Sauerstoff werden sechs Moleküle Kohlenstoffdioxid und sechs Moleküle Wasser. Die Änderung der Freien Energie (siehe 1.5) unter Standardbedingungen, beträgt bei dieser Reaktion theoretisch G 0 ' = 2880 kj je Mol Glucose, was einer vollständigen Oxidation entspräche. Dieser Wert kann im Körper aber nicht erzielt werden, da die vollständige O- xidation von Glucose im Körper nicht möglich ist. Wissenschaftler gehen von einem E-

Die Zellatmung 11 nergiegewinn von 1160 kj je Mol aus, was einer Energieausbeute von ca. 40% entspricht. [vgl. 13, 14 S.535-536] 2.2 Die Glycolyse Die Glycolyse bildet den ersten großen Teilschritt der Zellatmung und ist selbst wiederum in zehn Teilschritte unterteilt. Am Ende dieser zehn Teilschritte wurden aus einem Glucose-Molekül zwei Moleküle Pyruvat 3 hergestellt. Die Glycolyse findet im Cytoplasma (Zellflüssigkeit) einer jeden Zelle statt. Hier sind nur jene Schritte zusammengefasst, die dem Energiegewinn dienen oder eine andere wichtige Bedeutung für den Organismus haben. Die genauen Schritte sind der Grafik zu entnehmen (siehe Abb. 1: Verlauf der Glycolyse). Abb. 1: Verlauf der Glycolyse 3 Pyruvat ist das Säureanion der Brenztraubensäure.

Die Zellatmung 12 1. Schritt: Das C 6 -Atom der D-Glucose wird durch ein Enzym phosphoryliert. Das bedeutet, dass an das C 6 -Atom des Zuckers eine Phosphatgruppe angehängt wird, um chemische Energie (in Form von Bindungsenergie) im Molekül bereitzustellen, welche bei nachfolgenden Reaktionen benötigt wird. Außerdem ist die Zellmembran zwar durchlässig für Glucose, nicht aber für das durch die Phosphorylierung entstandene D-Glucose-6-phosphat, welches sich dadurch in der Zelle anreichert. Durch eine Verschiebung des Gleichgewichts an der Membran wird die weitere Aufnahme von Glucose in der Zelle begünstigt. Bei der Phosphorylierung ist ATP der Phosphatdonator, das heißt das Phosphat kommt aus einer Phosphatbindung des ATP. Es wird also in diesem Schritt der Glycolyse Energie in Form von ATP verbraucht. Nach einem kleinen enzymgesteuerten Zwischenschritt bei dem D-Fructose-6-phosphat entsteht, geht es wie folgt weiter: 3. Schritt: D-Fructose-6-phosphat wird wieder phosphoryliert, diesmal am C 1 -Atom. Katalysator für diese Reaktion ist das Schlüsselenzym der Glycolyse, Phosphofructokinase 1. Bei dieser Phosphorylierung wird abermals ein ATP Molekül verbraucht, da es den Phosphor bereitstellt. Das Reaktionsprodukt dieser Phosphorylierung ist D-Fructose-1,6-bisphosphat. Durch die Investition von ATP erhöht sich die freie Enthalpie der Zwischenprodukte. Die damit verbundene Übertragung von Energie ist auf zweierlei Weise gerechtfertigt: Zum einen macht auch dieser Schritt [ ]die Glykolyse irreversibel, zum anderen erlaubt die zweite Phosphatgruppe die Spaltung des Glukoserings durch Aldolase (Anm. ein Enzym) in Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) (phosphorylierte Keto-Triose) und Glycerinaldehyd-3-phosphat (3-GAP) (phosphorylierte Aldo- Triose). [15] Nachdem das C 6 -Atom in zwei C 3 -Atome (Glycerinaldehyd-3-phosphat) gespalten wurde, endet hier die sogenannte Vorbereitungsstufe, und die Ertragsstufe, bei der der eigentliche Energiegewinn für den Organismus erzielt wird, beginnt.

Die Zellatmung 13 6. Schritt: Die beiden Glycerinaldehyd-3-phosphat-Moleküle werden durch das Coenzym 4 Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD + ) (siehe 4 NADH) und das Enzym Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAPDH) zu 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3-BPG) oxidiert. Bei GAPDH handelt es sich um ein unentbehrliches Enzym der Glycolyse, welches die Reaktion von Glycerinaldehyd-3-phosphat zu 1,3- Bisphosphoglycerat katalysiert. Bei dieser Reaktion wird eine energiereiche Phosphat-Bindung aufgebaut, die im folgenden Schritt der Glycolyse auf ADP ü- bertragen wird wodurch ATP entsteht. Außerdem wird in der katalysierten Reaktion ein NAD + zu NADH/H + umgewandelt. [16] Der Phosphor für diese Reaktion wird diesmal allerdings nicht wie bisher von ATP-Molekülen bereitgestellt (anorganisches Phosphat). 7. Schritt: Das Enzym Phosphoglyceratkinase (PGK) katalysiert die Abspaltung einer Phospatgruppe von je einem 1,3-Bisphosphoglycerat-Molekül und überträgt diesen Phosphatrest auf ADP (Adenosindiphosphat) wodurch wiederum ATP (Adensosintriphosphat) entsteht. Das Molekül, das durch Abspaltung einer Phosphatgruppe entstanden ist, heißt 3-Phosphoglycerat und ist ebenso zwei Mal vorhanden. Durch diesen Schritt ist die Energiebilanz wiederum ausgeglichen, denn die beiden ATP- Moleküle, die in Schritt 1 und Schritt 3 verbraucht wurden, wurden nun neu gebildet. Durch das Verschieben der Phosphatgruppe und das Abspalten eines Wassermoleküls kommt es zur Ausbildung einer Doppelbindung. Nun ist die Phosphatgruppe durch E- lektronenumordnung sehr instabil gebunden, also sehr reaktionsfreudig. 10. Schritt: Die instabil gebundene Phosphatgruppe wird auf ADP übertragen, es entsteht durch Wirkung des Enzyms Pyruvatkinase ATP (dies wieder doppelt) und Pyruvat. [17] 4 Ein Coenzym ist ein niedermolekulares organisches Molekül (Nicht-Protein), dessen Gegenwart die Reaktion eines Enzyms mit einem Substrat bewirkt, indem es chemische Gruppen, Protonen oder Elektronen überträgt.

Die Zellatmung 14 Die Gesamtbilanz der Glycolyse: C 6 H 12 O 6 + 2 NAD + + 2 ADP + 2 P 2 CH 3 -CO-COOH + 2 NADH + H + + 2 ATP Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in diesem ersten Teilschritt der Zellatmung aus der Glucose zwei ATP Moleküle (Energie) auf direktem Weg gewonnen wurden, und dass zwei NAD + -Moleküle zu NADH-Molekülen reduziert wurden. Wie man im weiteren Verlauf der Arbeit noch feststellen wird, bedeutet auch das einen Energiegewinn, allerdings auf indirektem Weg (siehe 2.5 Endoxidation in der Atmungskette). Der größte Teil der Energie wurde aber noch nicht freigesetzt und ist noch im gebildeten Pyruvat-Molekül enthalten. Erst in weiteren Oxidationen, unter anderem im Citratzyklus, wird das Pyruvat- Molekül weiter aufgespaltet. [vgl. 14 S.468-S.483, 15, 16, 18] 2.2.1 Modellexperiment zur Glycolyse In einem Modellexperiment lässt sich die Wasserstoffübertragung durch Enzyme etwas anschaulicher nachvollziehen. Es werden 2 ml einer 0,01% Methylenblaulösung 5 mit etwas Zinkstaub und verdünnter Salzsäure versetzt. Die Methylenblaulösung entfärbt sich und wird gleich danach filtriert, um das nicht gelöste Zink abzutrennen. Bereits beim Filtrieren tritt wieder eine leichte Blaufärbung ein, die sich durch kräftiges Schütteln und etwas Zuwarten intensiviert (siehe Abb. 2). Erklärung: Das Methylenblau fungiert in diesem Experiment als Wasserstoffakzeptor und übernimmt damit die Rolle des NAD +. Bei der Reaktion von Zink und Salzsäure wird Wasserstoff freigesetzt, der mit dem Methylenblau reagiert und es zu einem farblosen Leukofarbstoff reduziert. Genau wie NAD + nimmt Methylenblau zwei Elektronen und ein Proton auf, also ein Hydrid-Ion. Durch Schütteln reagiert der Leukofarbstoff mit dem Luftsauerstoff, der eine weitaus höhere Elektronegativität hat und überträgt seine Elektronen. Methylenblau wird also wieder oxidiert und erlangt somit seine Blaufärbung zurück, allerdings nicht mit derselben Intensität wie zu Beginn. 5 Methylenblau ist ein Redoxfarbstoff, der im oxidierten Zustand blau, im reduzierten farblos ist (Leuko farbstoff).

Die Zellatmung 15 Abb. 2: Methylenblaulösung entfärbte Lösung Methylenblau nach der Reaktion Ähnliche Redoxreaktionen laufen auch im menschlichen Körper ab, denn auch dort wird zunächst NAD + durch die Aufnahme eines Wasserstoffhydrid-Ions (Zwei-Elektronen/Ein- Proton) reduziert. In weiterer Folge überträgt das NADH dann seine aufgenommenen E- lektronen ebenfalls auf Sauerstoff, worauf in der Atmungskette (siehe 2.5 Endoxidation in der Atmungskette) noch näher eingegangen wird. [vgl. 19] 2.3 Die oxidative Decarboxylierung Aerobe Organismen 6 speisen die in der Glycolyse nur teilweise oxidierten Zucker im weiteren Verlauf in den Citratzyklus ein, um die Nahrungsmittel vollständig zu oxidieren. Da im Citratzyklus aber nicht das aus der Glycolyse entstandene Pyruvat direkt weiter verwertet werden kann, ist ein kleiner Zwischenschritt notwendig, nämlich die so genannte oxidative Decarboxylierung. Vom Pyruvat wird zunächst die Carboxyguppe (-COOH) als CO 2 abgespaltet. Die übrigen beiden Kohlenstoff-Atome werden zur Acetylgruppe ( CO CH 3 ) von Acetyl-CoA 7 (siehe Abb. 3). CoA (Coenzym A) reagiert sozusagen mit dem Pyruvat unter Abspaltung von CO 2. Außerdem werden bei dieser Reaktion ebenso Elektronen an die Atmungskette weitergegeben. Auch hier ist der Elektronen- 6 Lebewesen, die Sauerstoff für die Atmung benötigen. 7 Coenzym A ist ein Enzym, das aktivierte Säurereste ( CO CH 3 ) an sich bindet und in den Citratzyklus einspeist.

Die Zellatmung 16 Carrier das bereits bekannte NAD +, das zu NADH reduziert wird. Die hier beschriebene Reaktion findet in den Mitochondrien der Zelle statt. Um die Reaktionsprodukte in den Citratzyklus einzuspeisen, gibt es ein eigenes Transportsystem, das sogenannte Citrat- Shuttle. Anzumerken ist an dieser Stelle noch, dass Acetyl-CoA nicht nur aus dem Abbau von Pyruvat entstehen kann, sondern auch beim Abbau einiger Fettsäuren. [vgl. 14 S.522-523, 20] Bilanz der oxidativen Decarboxylierung: Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in diesem Schritt sowohl das Pyruvat für den weiteren Energiegewinn bereit gemacht wurde, als auch Elektronen auf zwei NAD + - Moleküle übertragen wurden. Wie viele ATP-Moleküle daraus gewonnen werden können, wird in der Atmungskette beschrieben (siehe 2.5.2). Im folgenden Modellexperiment soll die Abspaltung von CO 2 von einem Pyruvat-Molekül nachgestellt werden (siehe Abb. 3). Genau dasselbe geschieht auch im Körper mit dem Pyruvat-Molekül vor dem Eintritt in den Citratzyklus. Es entspricht also dem eben beschriebenen Schritt der oxidativen Decarboxylierung. Abb. 3: Das COO - wird Acetylgruppe Acetylgruppe wird an als CO 2 ab gespalten CoA gebunden 2.3.1 Modellexperiment zur oxidativen Decarboxylierung Zu 1 ml einer Brenztraubensäurelösung (10%) gibt man 1 ml Perhydrol (Vorsicht!). Es wird vorsichtig erwärmt. Nachdem die Gasentwicklung beendet ist, erhitzt man noch ungefähr 1 Minute bis zum Sieden. Mit dem Reagenz (Anm. Dinitrophenylhydrazin-Reagenz) bei Vorhandensein von Aldehyden und Ketonen bildet sich ein gelber Niederschlag (Vorversuche!) erfolgt keine Reaktion. Man kann zusätzlich das Kohlendioxid auffangen und mit Barytwasser durch Niederschlagsbildung nachweisen. [19]

Die Zellatmung 17 Ablaufende Reaktion: CH 3 -CO-COOH + H 2 O 2 CH 3 -COOH + CO 2 + H 2 O Die hier angeführten Grafiken zeigen die Reaktion mit Dinitrophenylhydrazin-Reagenz 8. Dieses Reagenz weist Ketogruppen durch Gelbfärbung nach. In Abb. 4 (links) hat die Ketogruppe der Brenztraubensäurelösung mit dem Reagenz reagiert, daher die Gelbfärbung. In Abb. 4 (rechts) wurde das Reagenz erst nach Ablaufen der im Modellversuch beschriebenen Reaktion beigemengt. Da beim Abspalten von CO 2 die Carboxygruppe abgespalten wurde und die Ketogruppe somit zu einer neuen Säuregruppe wurde, kann keine Gelbfärbung mehr eintreten. Sie ist endständig und damit keine Ketogruppe mehr. [vgl. 19] Abb. 4: Gelbfärbung bei Vorhandensein der Ketogruppe Keine Gelbfärbung, weil nach Ablaufen der Reaktion keine Ketogruppe mehr vorhanden ist 2.4 Der Citratzyklus Im Gegensatz zur Glycolyse, die in linearen Schritten verläuft, hat der Citratzyklus eine zyklische Reaktionsabfolge. Am Beginn eines jeden Umlaufs wird eine Acetylgruppe (2C- Atome) in Form von Acetyl-CoA in den Zyklus eingespeist. Der Citratzyklus besteht insgesamt aus acht Teilschritten, wobei nur bei einem Teilschritt ATP direkt erzeugt wird, nämlich im 5. Schritt, bei der Reaktion von Succinyl-CoA zu Succinat 9. Die bei dieser Spaltung freiwerdende Energie wird direkt für die Synthese von ATP-Molekülen genutzt. Bei allen anderen Teilschritten wird ATP nur indirekt, aber fließend erzeugt. Vier der acht Teilschritte in diesem Prozeß sind Oxidationen, bei denen die Energie der Oxidation durch die Bildung von reduzierten Cofaktoren (NADH und FADH 2 ) mit hohem Wirkungsgrad konserviert wird. [14 S.527] [vgl. 14 S.527-529] 8 Mithilfe eines Reagenz können andere chemische Verbindungen nachgewiesen werden. 9 Succinat ist ein Stoffwechselprodukt des Citratzyklus.

Die Zellatmung 18 Gesamtreaktion des Citratzyklus: 2.5 Endoxidation in der Atmungskette Die Atmungskette ist der letzte Schritt, in dem fließend ATP synthetisiert wird und zwar aus der Energie der Elektronen, die u.a. in der Glycolyse bzw. im Citratzyklus freigeworden sind. Wenn wir uns zurückerinnern, so wurden in allen drei vorhergehenden Reaktionen Elektronen frei, was nichts anderes bedeutet als das Freiwerden von Energie. Da diese Energie aber an jenen Stellen nicht sofort sinnvoll genutzt werden kann, wird sie konserviert. Die Konservierung erfolgt durch eine Übertragung auf das unten näher erläuterte Coenzym Nicotinamidadenindinukleotid (NAD), einem Elektronen-Carrier 10. In der Atmungskette wird nun diese vorübergehend konservierte Energie wieder freigesetzt, indem die an die Elektronen-Carrier gebundenen Elektronen auf den eingeatmeten Sauerstoff (O 2 ) übertragen werden. Wirft man einen Blick auf die angeführte Grafik (siehe Abb. 5), so fällt einem sofort der hohe Redoxpotentialunterschied zwischen NADH und dem Sauerstoff auf. Würde also eine Elektronenübertragung direkt von NADH auf Sauerstoff erfolgen, so würde schlagartig eine große Menge an Energie frei werden, so viel E- nergie, dass die Zelle überhitzen würde. Deshalb ist eine komplexe Elektronentransportkette notwendig, um die Energie schrittweise freiwerden zu lassen. [vgl. 14 S.628-631; 634-637] Abb. 5: Elektronen-Carrier der Atmungskette 10 Zwischenprodukte, die Elektronen in einer Redoxreaktion von einem Molekül zum anderen transportieren.

Die Zellatmung 19 In fünf hintereinander ablaufenden Schritten (Komplex I-V) erfolgt die Elektronenübertragung auf O 2. In Komplex I werden die Elektronen von NADH auf Ubichinon (siehe 6 Ubichinon) übertragen. Ubichinon ist ebenfalls ein Elektronen-Carrier, der sich im Gegensatz zu NADH in der inneren Mitochondrienmembran bewegen kann. Die in Komplex I ablaufende Reaktion kann durch NADH + H + + UQ NAD + + UQH 2 beschrieben werden. Das Ubichinon (UQ) wird durch die Aufnahme zweier Wasserstoffatome (1 Proton, 2 Elektronen) von NADH und ein H + -Ion aus der Mitochondrienmembran) zu Ubichinol (UQH 2 ) reduziert. Dabei entsteht NAD +, das erneut an anderer Stelle wieder als Elektronenakzeptor fungieren kann. Außerdem werden bei diesem Schritt vier Protonen pro oxidiertem NADH-Molekül in den Intermembranraum (aus der Matrix des Mitochondriums heraus) transportiert (siehe Abb. 6). Auf die Bedeutung dieses Protonentransfers wird im Kapitel ATP-Synthese eingegangen (siehe 2.5.2 ATP-Synthese) Abb. 6: Schematische Darstellung eines Mitochondriums In Komplex II werden ebenso Elektronen auf Ubichinon übertragen, allerdings diesmal von Succinat, einem Substrat 11 des Citronensäurezyklus. In Komplex III erfolgt die Übertragung der Elektronen von Ubichinol (Zweielelektronen-Carrier) auf Cytochrom b und in weiterer Folge auf Cytochrom c (Einelektronen-Carrier). Obwohl der Weg des Elektronenflusses durch diesen Teil der Atmungskette kompliziert ist, ist das Ergebnis der Übertragung einfach: UQH2 wird zu UQ oxidiert, Cytochrom c wird reduziert. [14] Außerdem werden in Komplex III erneut Protonen in den Intermembranraum transportiert. Jeder dieser Protonentransporte ist energieaufwändig, da die Protonen gegen das Konzentrationsgefälle transportiert werden. Die Energie hierfür wird aus den Oxidationen der Elektronen-Carrier frei. 11 In der Biochemie wird als Substrat der Ausgangsstoff für Funktionen von Biomolekülen und für den Stoffwechsel von Organismen bezeichnet.

Die Zellatmung 20 In Komplex IV schließlich erfolgt die Elektronenübertragung von Cytochrom c auf reinen Sauerstoff. Auch hier erfolgt ein Protonentransport gegen das Konzentrationsgefälle (siehe Abb. 7). Reaktionsgleichung aus Komplex IV: 4 Cyt c (Fe II ) + O 2 + 8 H + innen 4 Cyt c (Fe III ) + 2 H 2 O + 4 H + außen Abb. 7: Schematische Darstellung der Atmungskette Der Sinn dieser aufwändigen Protonentransporte wird in Komplex V (siehe Kapitel 2.5.2) klar. Hier erfolgt nämlich die für den Körper relevante ATP-Synthese. [vgl. 14 S.640-650, 21, 22, 23, 24] Zunächst aber soll auf den Baumannschen Versuch eingegangen werden, der die Elektronenübertragungen von Cytochrom c auf Sauerstoff veranschaulichen soll und als Modellversuch für die Atmungskette dient. 2.5.1 Der Baumannsche Versuch Modellexperiment zur Atmungskette Durchführung: 2,1 g NaHCO 3 in 50 ml Wasser lösen. 1 g Cystein zugeben. Sobald das Cystein gelöst ist, FeCl 3 -Lösung zutropfen, bis eine intensive Violett-Färbung (siehe Abb. 9 links) vorliegt. Den Kolben mit einem Stopfen verschließen. Nach kurzer Zeit entfärbt sich die Lösung (siehe Abb. 9 Mitte). Beim Schütteln des Kolbens (evtl. Stopfen öffnen), erscheint die violette Färbung wieder und entfärbt sich erneut. Der Vorgang lässt sich mehrfach wiederholen. Nach einiger Zeit bildet sich ein weißer Niederschlag aus Cystin (siehe Abb. 9 rechts).

Die Zellatmung 21 Erklärung: Die SH-Gruppe des Cysteins wird durch Fe 3+ -Ionen oxidiert. Es entstehen dabei Cystin und Fe 2+ -Ionen. Cystein bildet mit Fe(III)-Ionen einen violetten Komplex; der Fe(II)- Cystein-Komplex ist farblos. Fe(II) kann durch Luftsauerstoff wieder zu Fe(III) oxidiert werden. Die violette Farbe kehrt zurück. Cystin kann keinen Eisenkomplex bilden; ist alles Cystein zu Cystin oxidiert, kommt die Reaktion zum Erliegen. [25] Ablaufende Reaktion: 2 Fe 3+ + 2 Cys-SH 2 Fe 2+ + Cys-S-S-Cys + 2 H + 2 Fe 2+ + ½ O 2 + 2 H + 2 Fe 3+ + H 2 O Abb. 8: Komplexbildung von Cystein unter Abgabe von Elektronen Relevante Reaktion des Modellversuchs: 2 Fe 2+ + Cys-S-S-Cys + 2 H + 2 Fe 2+ + ½ O 2 + 2 H + 2 Fe 3+ + H 2 O Reaktion der Atmungskette zum Vergleich: 4 Cyt c (Fe II ) + O 2 + 8 H + innen 4 Cyt c (Fe III ) + 2 H 2 O + 4 H + außen Abb. 9: Violett-Färbung Entfärbung nach Ablaufen der Reaktion

Die Zellatmung 22 An Hand der Ähnlichkeit dieser Reaktionsgleichung mit jener aus Komplex IV lässt sich der Modellversuchscharakter des Baumannschen Versuchs für die Atmungskette bereits erahnen. Der Cystein-Komplex entspricht dabei dem Cytochrom c, weil er bei dieser Reaktion in gleicher Weise als Elektronendonator fungiert (er reduziert Fe II Ionen). Die anderen Parameter der Reaktion (Fe II -Ionen und Sauerstoff) sind dieselben wie jene aus der Reaktion von Komplex IV. Genauso wie in der Atmungskette entsteht bei der Übertragung der Elektronen auf Sauerstoff Wasser. [vgl. 14 S.636-639, 25] 2.5.2 Komplex V: ATP-Synthese ADP + P i + {H + } außen ATP + H 2 O + {H + } innen Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine Phosphorylierung (Anhängen einer Phosphatgruppe an ein organisches Molekül). Genau diese Reaktion spielt sich vereinfacht gesagt im menschlichen Körper ab und dient der Synthese der universellen Energieeinheit im Körper, ATP. Wie bereits angesprochen kommt es im Zuge der Reaktionen von Komplex I, III und IV zum Aufbau eines sogenannten Protonengradienten; d.h. Protonen (H + -Ionen) werden gegen das Konzentrationsgefälle transportiert (siehe Abb. 7). Diese Protonen befinden sich nun also im Intermembranraum des Mitochondriums. Ein Enzym namens F 0 F 1 -ATP- Synthase öffnet einen Kanal, sodass die Protonen durch die normalerweise protonenundurchlässige Membran, gemäß dem Konzentrationsgefälle in die Mitochondrienmatrix zurückfließen. Durch den Protonenfluss wird ähnlich wie bei einer Turbine durch die Bewegung Energie frei. Ungeklärt ist bisher noch, wie viele Protonen zurück in die Matrix fließen müssen, um ein ATP Molekül zu synthetisieren. Man nimmt aber an, dass es sich um mindestens drei Protonen handeln muss. Es wird also kinetische Energie in Bindungsenergie verwandelt. [vgl. 14 S.640-650, 26, 27]

Die Zellatmung 23 Zusammenfassung aller Schritte mit Energiegewinn Schritt Coenzym- ATP-Ausbeute ATP-Quelle Ausbeute Glykolyse Vorbereitungsstufe Glykolyse Ertragsstufe Oxidative Decarboxylierung Citratzyklus -2 Zerlegung der Glucose in 2 Moleküle Glycerinaldehyd- 3-phosphat (Energieaufwand) direkt 4 Schritt 7 und 10 2 NADH 6 Schritt 6 2 NADH 6 Zerlegung von Pyruvat direkt 2 2 Succinyl-CoA 2 Succinat 6 NADH 18 Oxidationen im Citratzyklus 2 FADH 2 4 Oxidationen im Citratzyklus Gesamtausbeute 38 pro Mol Glucose Pro NADH werden in der Atmungskette 3 ATP erzeugt und pro FADH 2 2 ATP. Aus einem Mol Glucose entstehen also nach den hochkomplexen Reaktionen der Zellatmung 38 ATP-Moleküle. Da das Ziel aller bisher beschriebenen Stufen der Zellatmung die ATP-Synthese ist, muss nun genauer darauf eingegangen werden, was ATP eigentlich ist. [vgl. 14; S. 536]

Was ist ATP? 24 3 Was ist ATP? 3.1 Einleitung Adenosintriphosphat (ATP) ist das Zentrum des Energiestoffwechsels in den Zellen, welches ständig regeneriert wird. Eine einzige Zelle besitzt mehr als eine Milliarde ATP- Moleküle, die tausend Mal pro Tag hydrolysiert 12 und wieder phosphoryliert werden. Die dabei frei werdende Energie wird für energieaufwändige Stoffwechselreaktionen gebraucht. Das ATP besteht aus einer Pentose Ribose (Zucker), die an einem Ende die Base Adenin, an dem anderen Ende drei Phosphate, gebunden hat. Die Phosphate sind an die 5 - OH-Gruppe, der Ribose, gebunden, und die Base an das C 1 -Atom durch eine N- glykosidische 13 Bindung. [vgl. 28] Abb. 10: ATP-Molekül ADP-Molekül 3.2 Speicherung von Energie Zwischen dem ersten Phosphat und der Ribose befindet sich eine O-glykosidische 14 Bindung, in diesem speziellen Fall eine Phosphorsäureester-Bindung, die beiden folgenden Bindungen sind wesentlich energiereichere Phosphorsäureanhydrid-Bindungen. [28] Die Phosphatgruppen sind also der chemisch relevante Teil hinsichtlich der Energiegewinnung. 12 Bindung wird mit Hilfe von Wasser gespalten (Energie wird frei) 13 Zucker-Sticktoff-Bindung 14 Zucker bindet über den Sauerstoff ein anderes Molekül

Was ist ATP? 25 Bei der Abspaltung des ersten Phosphats (ATP zu ADP) liegt die freie Enthalpie (siehe 4.5) bei etwa - 30,5 kj/mol. Bei der Abspaltung eines Pyrophosphats (ATP zu AMP) hingegen bei rund - 46 kj/mol. [28] Die Abspaltung des letzten Phosphats (AMP zu Adenosin) setzt nur mehr ca. - 9 kj/mol an freier Enthalpie frei. (Die hier angeführten freiwerdenden Energiewerte beziehen sich auf Standardbedingungen. Im Körper werden aufgrund einer hohen ATP-Konzentration in der Zelle sogar bis zu 50 kj/mol von ATP zu ADP frei.) Aus diesem Vergleich ist schon ersichtlich, dass Energie am besten in der Form von ATP gespeichert wird, da die dritte Phosphatbindung am energiereichsten ist. Deshalb findet im Körper auch meist nur die ATP ADP Reaktion statt. Jetzt wo geklärt ist, welche Verbindung für die Speicherung von Energie verantwortlich ist, soll in den nächsten Kapiteln beleuchtet werden, ob das Nahrungsergänzungsmittel NADH einen Einfluss nehmen kann auf die Optimierung der ATP-Synthese. [vgl. 28]

NADH 26 4 NADH als Nahrungsergänzungsmittel 4.1 Einleitung Nicotinamidadenindinukleotid (NAD) ist ein Coenzym (Q1), das an zahlreichen Redoxreaktionen im Stoffwechsel beteiligt ist. Die im Körper vorwiegend vorkommenden Formen dieses Coenzyms sind NAD + (oxidiert) bzw. NADH (reduziert). Die folgende Abbildung zeigt seine Molekülstruktur: Abb. 11 Nicotinamidadenindinukleotid Diesem bereits mehrfach erwähnten Coenzym kommen im Stoffwechsel äußerst wichtige Aufgaben zu. Es handelt sich hierbei nämlich um einen Elektronen-Carrier, der in der Lage ist, bei einer Reaktion freiwerdende Energie in Form eines Hydrid-Ions aufzunehmen und weiterzutransportieren. Einfacher gesagt ist es ein Oxidationsmittel, das die Konservierung der freien Enthalpie (siehe 1.5) ermöglicht. Diese Konservierung ist notwendig, weil freiwerdende Energie nicht immer an Ort und Stelle sinnvoll nutzbar ist. [vgl. 14 S.456-458, 29] 4.2 Synthese im Körper Der Körper kann NADH selber bilden. Die körpereigene Bildung von NADH setzt jedoch nicht nur eine ausreichende Niacin (Vitamin B)-Zufuhr voraus, sondern ist darüber hinaus auch von einer lückenlosen und ausreichenden Versorgung mit Mikronährstoffen wie Vitaminen, Spurenelementen und Pflanzennährstoffen abhängig. [30]

NADH 27 Im Körper wird NAD aus Nicotinamid (Vitamin B3) über mehrere Zwischenstufen gebildet). Der Aufbau von NAD aus Vitamin B3 benötigt Energie in Form von ATP. Es macht also wenig Sinn, dem Körper Vitamin B3 zuzuführen, da hierdurch keine zusätzliche Energie bereitgestellt wird. Energiezufuhr für den Körper ist allein in Form des fertigen NADH möglich. [31] Die Aufnahme von Vitaminen, aus denen in weitere Folge NADH synthetisiert wird, bringt also für den Körper keinen Energiegewinn, da es selber Arbeit verrichten muss, um die energiereiche Verbindung NADH herzustellen. Manche Kritiker sind der Auffassung, dass selbst externe NADH-Gaben keinen Einfluss auf die ATP-Synthese nehmen können, da die Herstellung von ATP primär davon abhängig ist, wie viel ADP in der Zelle vorhanden ist. 4.3 Vorkommen in der Nahrung NADH kommt in fast allen Lebensmitteln in unterschiedlicher Konzentration vor. In Geweben, die verhältnismäßig viel Energie verbrauchen, finden sich besonders hohe NADH Konzentrationen. Hauptlieferant für den menschlichen Körper ist frisches Fleisch, Fisch und Leber. Auch einige Pflanzenkeime sind zur NADH-Aufnahme geeignet. Bei längerer Lagerung der oben genannten Produkte bzw. beim Kochen geht das NADH rasch verloren. Deshalb empfehlen einige Ernährungsexperten für Menschen, die generell wenig Fleisch zu sich nehmen bzw. deren körpereigene NADH-Produktion vermindert ist, zusätzlich NADH über Nahrungsergänzungsmittel zu sich zu nehmen. [vgl. 32] 4.4 Erkrankungen Der Baustein des NAD + -Moleküls, der die Elektronen aufnimmt und dabei reduziert wird, wobei NADH + H + entsteht, ist das Nicotinamid. Nicotinamid gehört zur Gruppe der B- Vitamine und ist ein essentieller Bestandteil der menschlichen Nahrung. Ein Mangel an Nicotinamid führt zu einer Erkrankung, die man Pellagra nennt. Die betroffenen Patienten zeigen insbesondere eine Funktionsstörung des ZNS als Folge einer Schädigung der Energieversorgung des Gehirns. [33]

NADH-Produkte 28 5 NADH-Produkte 5.1 Entstehungsgeschichte Die Tatsache, dass körpereigenes NADH nachgewiesener Maßen eine Rolle bei der ATP- Synthese (siehe 2.5 Endoxidation in der Atmungskette) spielt, ließ Wissenschaftler auf die Idee kommen, dem Körper über externe NADH-Gaben zusätzlich Energie zuzuführen, um ihn leistungsfähiger zu machen. Der österreichische Arzt Prof. DDr. Jörg Birkmayer ist mit seinen NADH-Produkten Marktführer. Ihm gelang es 1993 als erstem Wissenschaftler eine stabile Form (als Tablette konservierbar) von NADH zu entwickeln, und er hat seither das Patent zum Vertrieb von NADH-Produkten. [vgl. 34, 35] 5.2 Enada und Enachi Die beiden nennenswertesten Produkte auf dem Markt sind Enada und Enachi. Sie unterscheiden sich lediglich in der NADH-Menge. Enada enthält 7,5mg NADH, Enachi 10mg. [vgl. 36] 1 Tablette Enada enthält: Inhaltsstoff Coenzym 1 N.A.D.H Eiweiß Fett Kohlenhydrate Brennwert Menge 7,5 mg 0 g 0 g 0,05 g 0,4 kcal (1,6 kj) Zutaten: Süßungsmittel Mannit, N.A.D.H., Natriumhydrogencarbonat (Säureregulator), Hydroxypropylmethylcellulose (Überzugsmittel), mikrokristalline Cellulose (Trennmittel), Magnesiumsalze von Speisefettsäuren (Trennmittel). Preis: 89,50 (80 Stück) Tagesempfehlung 1-3 Tabletten, je nach Bedarf. [Angaben und Tabelle entnommen von 37]

NADH-Produkte 29 Einer Enada Produktbeschreibung ist zu entnehmen, dass Enada die Konzentrationsfähigkeit fördert, zur Leistungssteigerung bei Sportlern führt, gegen Jetlag und Schlafdefizit hilft, die körpereigene Abwehr und das Intaktbleiben von Zellen unterstützt und zu guter Letzt noch als Energiequelle für jede Körperzelle fungieren kann. [vgl. 38] 5.3 Werbung Hier ein Auszug der Werbeslogans: Mehr Energie mit ENADA Stärkung der Abwehrkräfte, mehr Ausdauer Schach dem Stress Mehr Lust auf Liebe ENADA, die Power-Pille Mehr Zellkraft für Herz und Hirn Unterstützung der Leistungsfähigkeit des Gehirns Steigerung der körperlichen Leistungsfähigkeit Kann nachweislich das Immunsystem stärken Belebt die Stimmung So sicher wie Wasser [vgl. 39, 40] 5.3.1 Behauptete Wirkungsweise Laut von ihm durchgeführten Studien optimiert NADH nicht nur den Energiegewinn für jede einzelne Zelle, sondern unterstützt auch entgiftende Abbauprozesse im Körper und ist insbesondere im Gehirn an der Biosynthese des Neurotransmitters Dopamin (Glückshormon) beteiligt. Des Weiteren soll NADH bei der Reduktion von zelleigenen Oxidantien wie Glutathion beteiligt sein. Glutathion verhindert die Oxidation von wichtigen intrazellulären Molekülen, indem es selbst oxidiert wird und schützt somit die körpereigenen Zellen. Die Aufgabe von NADH ist es u.a. das oxidierte Glutathion unter Verbrauch von NADH wieder zu reduzieren, damit Glutathion erneut oxidiert werden kann. [vgl. 41]

NADH-Produkte 30 Außerdem soll die Einnahme von NADH die Hirnleistung nach ermüdenden Flügen über mehrere Zeitzonen verbessern. Typische Symptome bei einem sogenannten Jetlag sind Müdigkeit und Konzentrationsschwäche. Aus einer von DDr. Birkmayer veröffentlichen Studie (siehe Quelle 42) geht hervor, dass durch die Gabe von NADH-Tabletten die Probanden bei Konzentrationstests besser abschnitten als jene aus einer parallel geführten Placebo-Gruppe. Allerdings waren die Unterschiede in den Testergebnissen gering und könnten auch auf die niedrige Teilnehmeranzahl (35 Probanden) zurückzuführen sein (Unterschied wirkt sich bei weniger Probanden massiver aus). Außerdem gibt es eine ebenfalls von DDr. Birkmayer durchgeführte Studie, aus der hervorgeht, dass sich NADH-Gaben positiv auf eine Erkrankung namens chronisches Müdigkeitssyndrom (CFS) auswirken. [vgl. 43] Es liegt des Weiteren eine von DDr. Birkmayer durchgeführte Studie vor, die nahelegt, dass NADH bei sogenannten neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson und Alzheimer positive Auswirkungen auf das Befinden der Patienten haben kann. [vgl. 44] 5.4 Kritik 5.4.1 Kritische Betrachtung An dieser Stelle ist anzumerken, dass diese Behauptungen auf massive Kritik einiger Fachkollegen gestoßen sind. So werden zum Beispiel laut einer Recherchearbeit von Dr. K.A. Jellinger vom Ludwig Boltzmann Institut für klinische Neurobiologie (siehe Quelle 45) dem Wirkstoff NADH im Zusammenhang mit der Alzheimerkrankheit häufig fälschlicherweise folgende Wirkungen zugeschrieben: 1. Vermittlung neuer Energie an ermüdete Hirnzellen durch Steigerung der Energieproduktion 2. Wiederaufbau chemischer Hirnsubstanzen, den Neurotransmittern 3. Wirkung als Antioxidans 15 gegen Neurodegeneration 4. Zell- und zelluläre Desoxyribonukleinsäure Reparatur (Erneuerung der DNA) 5. Aktivierung des Immunsystems im Kampf gegen und zur Entfernung fremder Invasoren. Dazu ist nachdrücklich festzustellen, daß keine dieser Vermutungen durch experimentelle oder biochemische Untersuchungen gestützt wurde, sondern hier lediglich einige der vermuteten pathogenetischen Faktoren der Alzheimer-Krankheit ohne Dokumentation aufgelistet 15 Unter dem Begriff Antioxidantien werden bestimmte Vitamine, Mineralstoffe etc. zusammengefasst, die körpereigene Zellen vor Oxidationen schützen, indem sie selbst oxidiert werden.