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Energiefreisetzung aus Fetten und Proteinen

Neben den Kohlenhydraten dienen auch Proteine und Fette der Energiebereitstellung für den Stoffwechsel der Lebewesen. Fette sind dabei in erster Linie wichtige Energieträger der Nahrung. Pro Masseneinheit liefern sie mehr als doppelt soviel Energie als Proteine und Kohlenhydrate. Proteine liefern dem Organismus Aminosäuren, die für die körpereigene Proteinbiosynthese verwendet werden. Überschüssige Aminosäuren werden unter Energiefreisetzung (zu Glucose) abgebaut.

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Der Mensch gewinnt die Energie für seinen Stoffwechsel aus der aufgenommenen Nahrung. Die körperfremden Nährstoffe werden abgebaut und unter Nutzung der in ihnen enthaltenen Energie in körpereigene Stoffe umgewandelt (Heterotrophe Assimilation). Bei den körperfremden Stoffen, die aufgenommen werden, handelt es sich um Kohlenhydrate, Fette und Proteine. Sie werden nach der Aufnahme zunächst im Körper verdaut, wobei die hochmolekularen, wasserunlöslichen Nahrungsbestandteile in niedermolekulare, wasserlösliche Bausteine aufgespalten werden, damit sie vom Körper resorbiert werden können. Hierbei spielen Enzyme eine bedeutende Rolle. In den Zellen werden aus den über Blut und Lymphe transportierten niedermolekularen Bausteinen körpereigene Stoffe synthetisiert.

Kohlenhydrate, Fette und in geringem Maße auch Proteine dienen der Energiefreisetzung.
Fette sind hoch konzentrierte Speicher von Stoffwechselenergie. Bei der vollständigen Oxidation liefern Fettsäuren ungefähr 38 kJ/g Kohlenhydrate und Proteine etwa 17 kJ/g. Dieser große Unterschied in der Energieausbeute ergibt sich daraus, dass Fette wasserfrei gespeichert werden können, Kohlenhydrate sowie Proteine jedoch in hydratisierter Form vorliegen. Fette sind demzufolge ideale Speicherstoffe, da sie osmotisch unwirksam sind, wasserfrei deponiert werden können und in reduzierter Form vorliegen.

Ein Beispiel:
Ein 70 kg schwerer Mann verfügt über Brennstoffreserven in Höhe von 40 000 kJ in Form von Fetten, von 100 000 kJ in Form von Proteinen (hauptsächlich in der Muskulatur), von 2 500 kJ als Glykogen und von 160 kJ als Glucose.
Der Anteil der Fette macht ca. 11 kg seines Körpergewichtes aus. Wäre die darin enthaltene Energie ausschließlich als Glykogen gespeichert, würde das Gewicht des Mannes um 55 kg höher liegen (Glykogen bindet pro Gramm noch 2g Wasser).

Fettspaltung (Lipolyse)

Fette sind hervorragende Energiespeicher. Werden sie nach der Aufnahme nicht unmittelbar genutzt, lagern sie sich in sogenannten Fettdepots ein. Bei längerem Verzicht auf Kohlenhydrate kann auf diese Reservefette zurückgegriffen werden. Aus ihnen wird dann die nötige Energie gewonnen.

Die mit der Nahrung aufgenommenen Fette werden als wichtigstes Energiereservoir des Menschen entweder in wasserfreiem Zustand gespeichert oder nach Spaltung in Glycerin und Fettsäuren durch β -Oxidation zu Acetyl-Coenzym A abgebaut. Fette kommen als tierische und pflanzliche (Öle) Fette vor. Durch katalysierend wirkende Verdauungsenzyme (Lipasen) werden sie im Dünndarm in Glycerin und die freien Fettsäuren zerlegt. Die dabei frei werdende Energie dient beispielsweise winterschlafenden Tieren bis zu sechs Monaten lang als Wärmelieferant.

Der Fettstoffwechsel ist eng mit dem Kohlenhydratstoffwechsel verbunden. Das durch Spaltung von Fettsäuren gebildete Glycerin kann nach Phosphorylierung in die Glykolyse eingeschleust werden. Ebenso wird das durch β -Oxidation gebildete Acetyl-Coenzym A im Citratzyklus abgebaut.

Proteinabbau (Proteolyse)

Der Abbau der Proteine erfolgt entweder im Magen-Darm-Trakt oder intrazellulär durch Hydrolyse. Nach der Resorption durch die Darmwand werden die Aminosäuren durch das Blut in die Zellen des gesamten Organismus verteilt. Da Aminosäuren nicht gespeichert werden können, werden sie sofort zur Herstellung neuer Proteine verwendet oder aus dem Körper abgeführt. Ihr Stickstoff wird dabei zu Harnstoff umgewandelt und mit dem Urin ausgeschieden. Die Kohlenstoff-Gerüste werden neben der Synthese von Kohlenhydraten oder Lipiden zur ATP-Bildung (Energiefreisetzung) verwendet.

Ein Erwachsener baut etwa 300-400 g Protein pro Tag ab. Etwa 90 % der mit der Nahrung aufgenommenen Proteine werden mithilfe von speziellen Enzymen (Proteasen) zu Peptidfragmenten und freien Aminosäuren abgebaut, die nach Resorption als Bausteine für körpereigene Proteine verwendet werden. Zum vollständigen Abbau ist das Zusammenwirken mehrerer Enzyme mit unterschiedlichen Spezifitäten notwendig.

  • Schema einer enymkatalysierten Proteinspaltung
Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH): "Energiefreisetzung aus Fetten und Proteinen." In: Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH). URL: http://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/biologie-abitur/artikel/energiefreisetzung-aus-fetten-und-proteinen (Abgerufen: 20. May 2025, 09:01 UTC)

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Citratzyklus

Der Citratzyklus ist eine 1937 von H.A. KREBS, G. MARTIUS und F. KNOPP etwa gleichzeitig entdeckte zyklische biochemische Reaktionskette, welche in allen lebenden Zellen abläuft. Er verläuft unter Beteiligung von Zitronensäure (Citrat), die zum Zwecke der Gewinnung von Reduktionsäquivalenten in andere organische Säuren umgewandelt wird. Er oxidiert in acht Schritten Acetyl-Reste zu Wasser und Kohlenstoffdioxid. Die dabei gewonnenen Reaktionsprodukte werden an die Atmungskette weitergegeben. Durch anschließende oxidative Phosphorylierung gewinnt die Zelle aus diesem Vorgang 10 ATP pro Acetyl-Gruppe.

Außerdem erfüllt der Citratzyklus eine Schlüsselfunktion im intermediären Stoffwechsel der Zelle. Er verbindet den energieliefernden Endabbau des aus dem Protein-, Fett- und Kohlenhydratstoffwechsel stammenden Zwischenprodukts Acetyl-Coenzym A mit der Erzeugung zahlreicher Vorstufen für anabole Biosynthesewege.

Der Einfluss freier Radikale auf das Altern

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Man hat herausgefunden, dass während des Elektronentransportes in der Atmungskette Peroxidionen ( O 2 − ) entstehen können, die über Wasserstoffperoxid aggressive freie Radikale bilden. Diese Radikale zerstören Proteine, Lipide und DNA. Mit dem Altern nimmt ihre Zahl zu und führt zur Einschränkung der ATP-Produktion. Gegenwärtig läuft die Forschung auf Hochtouren, um Schutzenzyme zu finden, die die freien Radikale ohne negative Folgen abfangen können.

Enzymregulation

Enzyme dürfen im Organismus nicht permanent wirksam sein, weil ansonsten alle biochemischen Reaktionen gleichzeitig mit relativ hoher Geschwindigkeit ablaufen würden. Zum einen hängt die Enzymaktivität von der Temperatur, dem pH-Wert und der Konzentration des Substrats ab.
Außerdem wird die Aktivität von Enzymen nach verschiedenen Mechanismen reguliert. Durch Inhibitoren können Enzyme reversibel oder irreversibel gehemmt werden. Die reversible Enzymhemmung kann nach einem kompetitiven oder einem nicht kompetitiven Mechanismus erfolgen. Ein Sonderfall der nicht kompetitiven Hemmung ist die allosterische Regulation.

Atmungskette

Die Atmungskette ist der letzte Schritt des in den Mitochondrien stattfindenden Glukoseabbaus und schließt sich an die Glykolyse und den Citratzyklus an. Die während des Citratzyklus entstandenen Coenzyme NADH 2+ und FADH 2 übertragen ihren Wasserstoff an Sauerstoff und bilden somit Wasser – eine Knallgasreaktion mitten in der Zelle - würde diese Reaktion nicht auf viele harmlose Schritte aufgespalten ablaufen – die Atmungskette. Als Endprodukt entsteht ATP, welches dem Organismus als Energie zur Verfügung steht.
Die Enzyme der Atmungskette sind bei Prokaryoten in der Cytoplasmamembran, bei Eukaryoten in der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert. Sie bilden eine Reihe/Kette von Redoxsystemen, durch die Elektronen stufenweise in Richtung positiveres Potenzial transportiert werden. Integrale Membranproteine pumpen an drei Stellen der Reaktionskette Protonen durch die Membran, da diese nicht ohne Weiteres die Biomembranen passieren können. Es gibt drei verschiedene Transportarten für Elektronen in der Atmungskette: die ausschließliche Elektronenübertragung ( Fe 3+ zu Fe 2+ ), die Übertragung eines Wasserstoffatoms ( H +   +   e - ) oder die Übertragung eines Hydridions ( H - ).

Chemosynthese

Chemosynthese (auch Chemolithotrophie oder Chemoautotrophie) ist eine Form des chemotrophen Energiestoffwechsels (Chemotrophie), bei dem anorganische Verbindungen oder Ionen die Reduktionsäquivalente für den Energiegewinn liefern. Chemosynthese betreiben chlorophyllfreie Prokaryoten. Sie kommt bei Bodenbakterien und Wasserbakterien vor. Dieser Prozess wurde von SERGEJ NIKOLAJEWITSCH WINOGRADSKIJ (1856-1953) bei den schwefeloxidierenden Bakterien, eisenoxidierenden Bakterien (1887, 1889) und den nitrifizierenden Bakterien (1890) entdeckt.
Bei der Chemolithotrophie werden durch die Oxidation von anorganischen Stoffen ATP als Energiequelle und das Reduktionsmittel NADH + H + als Voraussetzungen für die Herstellung von Kohlenhydraten im CALVIN-Zyklus bereitgestellt. Bei der ersten Phase werden u.a. durch Nitrifikation oder Schwefeloxidation die Voraussetzungen für den CALVIN-Zyklus gebildet. Besondere Bedeutung haben u.a. nitrifizierende Bakterien im Rahmen des Stickstoffkreislaufs oder Schwefelbakterien für die Reinigung der Abwässer.

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