Energiefreisetzung in biologischen Systemen

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. Hierbai spielen Enzyme eine bedeutende Rolle. In den Zellen werden aus den über Blut und Lymphe transportierten niedermolekularen Bausteinen körpereigene Stoffe synthetisiert.

Kohlenhydrate, Fette und Proteine dienen der Energiefreisetzung.

Fette sind hochkonzentrierte 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 (körpereigene Stärke) 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.

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 $\text{β}$-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 $\text{β}$-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.