Prüfungen erfolgreich bestehen im Fach Tierphysiologie

9 Durch die Arbeit der ATP-Synthase an der inneren Mitochondrienmembran entsteht die größte Menge ATP in der Mitochondrienmatrix. Wie wird die restliche Zelle mit ATP versorgt?

Als stark geladene Moleküle können weder ADP noch ATP die Mitochondrienmembran durch einfache Diffusion überwinden. ATP entsteht in der Mitochondrienmatrix und wird größtenteils außerhalb der Mitochondrien verbraucht. ADP entsteht größtenteils außerhalb der Mitochondrien, wird aber in der Mitochondrienmatrix verbraucht.

Um diesen Transport effizient und koordiniert zu katalysieren, bestehen etwa 14 % der Gesamtproteinmenge der inneren Mitochondrienmembran aus einem Enzym, das ATP-ADP-Translokase (oder Adeninnukleotid-Translokase) genannt wird. Dabei wird für den Abtransport eines ATP-Moleküls aus der Mitochondrienmatrix immer ein ADP-Molekül in die Mitochondrienmatrix übertragen.

Dieser Transportprozess wird unter Energieaufwand betrieben, wobei hier die Energie nicht von der Hydrolyse des ATP herrührt. Stattdessen nutzt die ATP-ADP-Translokase das elektrochemische Potenzial, also den Protonengradienten, über der inneren Mitochondrienmem-bran für seine Konformationsänderungen. Zusammen mit den Adeninnukleotiden werden auch noch weitere Ionen über die innere Mitochondrienmembran transportiert, nämlich ein Phosphat-Ion zusammen mit einem Proton ins Mitochondrieninnere.

Somit werden im normalen „Betrieb“ der Atmungskette etwa 25 % der Energie des Protonengradienten, oder in diesem Fall besser des elektrochemischen Potenzials, für den effizienten Abtransport von ATP und die Bereitstellung von ADP und Phosphat genutzt.

10 Die Mobilisierung von braunem Fettgewebe dient bei Winterschläfern zur schnellen Erhöhung der Körpertemperatur (zitterfreie Thermogenese). Wie geht das?

Zitterfreie Thermogenese bedeutet die Generierung von Wärme ohne Muskelkontraktion, also auf direktem Weg. Tatsächlich erfolgt die Temperaturerhöhung bei der zitterfreien Thermogenese auch ohne Neusynthese von ATP. Die beim Abbau der Fettsäuren des braunen Fettgewebes entstehenden Reduktionsäquivalente NADH/H+ und FADH2 werden als Substrate in die Atmungskette eingeschleust. Die braune Farbe erhält das braune Fettgewebe durch die große Anzahl an Mitochondrien. Damit laufen β-Oxidation, Citratzyklus und Atmungskette im braunen Fettgewebe schnell und effizient ab. Die Elektronen der Reduktionsäquivalente werden in der Atmungskette in einer kontrollierten Knallgasreaktion auf molekularen Sauerstoff übertragen. Die dabei frei werdende Energie wird genutzt, um einen Protonengradienten über der inneren Mitochondrienmembran aufzubauen.

Im braunen Fettgewebe bei Winterschläfern wird das Protein Thermogenin produziert. Dieses Protein kann man sich als Kanalprotein vorstellen. Wird dieses Protein in die innere Mitochondrienmembran eingebaut, fließen die Protonen entsprechend ihres Gradienten zurück in die Mitochondrienmatrix. Die Energie des Protonengradienten wird also nicht wie beim Rückfluss durch die ATP-Synthase chemisch fixiert, sondern wird als Wärme frei. Das Prinzip der zitterfreien Thermogenese ist also, dass durch den Einbau eines Kanalproteins die Reaktionen der Atmungskette von der ATP-Synthese entkoppelt sind.

2.2Substratketten-Phosphorylierung
1 In der Glykolyse und im Citratzyklus wird via Substratketten-Phosphorylierung ATP bzw. GTP generiert. Bei welchen Reaktionen?

In der Glykolyse wird ATP an den Reaktionsschritten generiert, an denen die reaktive Zwischenstufe eine Phosphatgruppe verliert. Die Phosphatgruppe wird dabei vom Substrat auf ADP übertragen. Dies ist in der Ertragsphase der Glykolyse bei der Reaktion von 1,3-bis-Phosphoglycerat (1,3-BPG) zu 3-Phosphoglycerat (3-PG) und bei der Reaktion von Phosphoenolpyruvat (PEP) zu Pyruvat (Pyr) der Fall.

Im Citratzyklus wird bei der Reaktion von Succinyl-CoA zu Succinat ein GTP generiert. Hier ist die Phosphatübertragung nicht so offensichtlich wie bei den Substratketten-Phosphorylierungen in der Glykolyse, da in den allgemeinen Darstellungen dieser Reaktion ein Zwischenprodukt unterschlagen wird. Dieses Zwischenprodukt, Succinyl-Phosphat, entsteht, wenn die energiereiche Thioester-Bindung zwischen Succinat und Coenzym A durch die energiereiche Phosphoester-Bindung zwischen Succinat und Phosphat ersetzt wird.

2.3Querbrückenzyklus im Muskel
1 Welche Rolle spielt ATP im Querbrückenzyklus?

Der Querbrückenzyklus ist der Funktionsmechanismus, mit dessen Hilfe Muskeln kontrahieren. Er beschreibt, dass die Interaktion zwischen Aktin und Myosin keine dauerhafte Bindung ist, sondern ein Wechselspiel aus Bindung und Loslassen zwischen den beiden Molekülen. Tropomyosin unterbindet im Ruhezustand die Bindung von Aktin an Myosin. Unter Ca++-Einfluss wird Tropomyosin von Aktin gelöst, sodass Aktin eine Bindung mit Myosin eingehen kann. Aktin stellt eine Kette aus globulären Monomeren dar. Myosin setzt sich zusammen aus einer Kopf- und einer Schwanzregion, die über eine Hinge-Region miteinander verbunden sind. Die Bindung an Aktin erfolgt über das Myosin-Köpfchen.

ATP dient im Querbrückenzyklus als sogenannter Weichmacher. Das bedeutet, dass ATP die Bindung zwischen Aktin und Myosin unter Energieverbrauch auflöst. ATP bindet im Bereich des Köpfchens am Übergang zur Hinge-Region. Ohne ATP gehen Myosin und Aktin eine relativ feste Bindung ein (s. Tab. 2.2). ATP bindet dann an Myosin. Da Myosin eine ATPase-Domäne hat, wird ATP in ADP + P gespalten. Diese Energie wird genutzt, das Myosin-Köpfchen von Aktin zu lösen und ausschwingen zu lassen. Obwohl ADP und P immer noch gebunden sind, wird jetzt aber die Bindung zu Aktin nicht länger verhindert. Die Freisetzung des P führt dann zum Kraftschlag, d. h. das Myosin-Köpfchen knickt in der Hinge-Region ab und schiebt sich dabei an Aktin vorbei. Die Abgabe von ADP fixiert die Bindung zwischen Aktin und Myosin, welche nachfolgend nur wieder durch ATP gelöst werden kann. Oder ein Rückgang der intrazellulären Kalziumkonzentration führt zur erneuten Anlagerung von Tropomyosin und damit zur Unterbrechung der Aktin-Myosin-Bindung. Tropomyosin hemmt auch die ATPase-Aktivität des Myosins, sodass es den Fortgang des Kraftschlags nicht nur sterisch, sondern auch biochemisch verhindert.

2 Wie entsteht die Leichenstarre?

Leichenstarre beruht darauf, dass Aktin und Myosin fest mit einander verbunden sind. Voraussetzung für diese Bindung ist, dass Tropomyosin die Bindungsstelle für Myosin am Aktinfilament nicht verdeckt. Dies ist nur dann der Fall, wenn Troponin Ca++ gebunden hat und damit Tropomyosin von der Myosinbindestelle des Aktins entfernt. Eine Voraussetzung der Leichenstarre ist demnach, dass der intrazelluläre Kalziumspiegel ansteigt. Normalerweise wird die intrazelluläre Kalziumkonzentration durch die Aktivität ATP-verbrauchender Kalziumpumpen im mikromolaren Bereich konstant niedrig gehalten. Sinkt die ATP-Konzentration, können diese Pumpen nicht mehr arbeiten und der Kalziumspiegel steigt. Des Weiteren wird ATP als „Weichmacher“ benötigt, um die Interaktion zwischen Aktin und Myosin zu lösen. Die Leichenstarre ist also eine direkte Folge des ATP-Mangels infolge des Zusammenbruchs der Atmungskette.

2.4Zilienschlag
1 Welche Rolle spielt ATP beim Zilienschlag?

Bewegliche Zilien wie die Kinozilien der Flimmerepithelien entfernen Staubpartikel aus den oberen Atemwegen, strudeln im Eileiter die Oozyten vom Ovar zur Gebärmutter, dienen bei den Ciliaten, Strudelwürmern und Rädertieren der Fortbewegung und kleiden bei zahlreichen Wirbellosen den Darm aus.

Wie die Flagellen von Geißeltierchen sind auch die Kinozilien Membranausstülpungen mit einer zentralen Mikrotubuli-Dublette und neun ringförmig darum angeordneten peripheren Mikrotubuli-Dubletten, also vom Typ 9 × 2 + 2. Jede Mikrotubuli-Dublette besteht aus einem A-Tubulus und einem B-Tubulus. An sogenannten Basalkörpern sind die Mikrotubuli in der Zelle verankert. Diese Basalkörper sind als Mikrotubuli-Organisations-Zentren auch Ausgangspunkt für die Entstehung von Zilien.

Die Mikrotubuli-Dubletten sind über zahlreiche assoziierte Proteine eng miteinander verbunden. Die peripheren Dubletten sind darüber hinaus noch über Dynein-Proteine miteinander in Kontakt, wobei ein Dynein-Proteinkomplex jeweils einen A-Tubulus mit dem B-Tubulus einer benachbarten Dublette verbindet. Dynein ist eine ATPase. Die Energie, die bei der Hydrolyse des ATP frei wird, speichert dieses Enzym ähnlich wie Myosin in einer Konformationsänderung. Dabei löst sich Dynein von seiner Bindungsstelle am B-Tubulus, um nach seiner Konformationsänderung an einer anderen Position zu binden. Bei der folgenden Konformationsänderung in seine ursprüngliche Form verschiebt sich demnach die relative Position benachbarter Dubletten zueinander, die Zilie biegt sich.

2 Worin unterscheidet sich die Bewegung eines eukaryotischen Flagellums von der Bewegung eines prokaryotischen Flagellums?

Die Fortbewegung mit Geißeln findet sich sowohl bei Pro- als auch bei Eukaryoten. Und obwohl beides Geißel heißt, ist der Aufbau dieser Struktur doch bei beiden Klassen grundsätzlich unterschiedlich (Abb. 2.6 und Tab. 2.3).

Abb. 2.6 Vergleich von prokaryotischen und eukaryotischen Flagellen. (A) Die prokaryotischen Flagellen bestehen aus einem spiralig gewundenen Hohlzylinder aus globulären Flagellin-Molekülen. Sie sind über Ringsysteme und Statoren in der Zellmembran verankert. Das Flagellum selbst liegt extrazellulär. Das prokaryotische Flagellum bewegt sich propellerartig. (B) In Eukaryoten liegt das Flagellum intrazellulär und wird von der Zellmembran umhüllt. Es ist aus filamentartigen Mikrotubuli nach dem Muster 9 x 2 + 2 aufgebaut. Das eukaryotische Flagellum bewegt sich wellenförmig.

Eukaryotische Flagellen bestehen aus Mikrotubuli in der Anordnung 9 × 2 + 2, d. h. zwei Mikrotubuli liegen zentral und darum herum sind neun Pärchen Mikrotubuli im Kreis angeordnet. Diese Pärchen setzen sich zusammen aus einem A- und einem B-Tubulus. Am A-Tubulus sind in regelmäßigen Abständen entlang des Tubulus Dynein-Moleküle angeordnet. Mikrotubuli befinden sich immer innerhalb einer Zelle, d. h. das eukaryotische Flagellum ist von der Zellmembran überzogen und stellt damit eine Zellausstülpung dar.

Die Verankerung in der Zelle erfolgt über den Basalapparat. Hier treten Mikrotubuli in einer 9 × 3-Anordnung auf. Um Vortrieb zu erzeugen, tritt das Dynein mit den Mikrotubuli-Molekülen in Kontakt und bewegt so A- und B-Tubulus gegeneinander. Dabei wird ATP verbraucht. Durch die Verkrümmung der Mikrotubuli kommt es zu einer Bewegung der Geißel, die den Vortrieb wellenförmig erzeugt.

Bei prokaryotischen Geißeln sieht der Aufbau grundsätzlich anders aus. Diese sind Zellanhänge, sie befinden sich also außerhalb der Zelle. Das Grundmolekül ist Flagellin. Dies ist ein globuläres Molekül, welches sich helikal als langes Filament zusammensetzt. Es hat damit eine Art Drehrichtung. Innen ist es hohl. Die Flagellin-Monomere werden intrazellulär synthetisiert. Flagellin selbst ist über einen Anker an der Zellmembran verankert und zeigt nach außen. Die Monomere, die intrazellulär gebildet werden, werden durch den inneren Hohlkanal an das äußere Ende transportiert und dort verknüpft. Flagellin wächst also von innen nach außen.

Die Verankerung in der Membran ist komplex. Es gibt jeweils in der Zellmembran zwei Ringe. An der inneren Zellmembran befinden sich der MS-Ring und der Rotor. Oberhalb des MS-Rings sitzt eine Stator-Struktur. Das Flagellin ist über einen Stab und einen sogenannten Haken an den Ringen fixiert. Dieser Haken ist insofern besonders, als er wie ein Gelenk funktioniert. Er hat eine Beugerichtung. Der Antrieb des Rotors erfolgt über einen Protonengradienten. Protonen werden über die innere Zellmembran gepumpt und treiben dann bei der Rückbewegung den Rotor an. Der Stator bewegt dabei zwei Proteine, MotA und MotB, durch Protonenbindung gegeneinander. Diese Bewegung wird in eine Drehbewegung des Rotors übersetzt. Der Mechanismus entspricht in etwa dem Vorgang der ATP-Synthese in der Atmungskette. Auch dort wird mittels eines chemischen Gradienten eine Drehbewegung eines Proteins ausgelöst.

Im Ergebnis stellt die Bewegung der prokaryotischen Geißel eine Drehbewegung ähnlich einem Propeller dar. Die Drehrichtung bestimmt die Bewegungsrichtung des Bakteriums. Dagegen ist die Bewegung der eukaryotischen Flagellen wellenförmig.

2.5Membranpotenzial
1 Wie wird die Ungleichverteilung der Na+- und K+-Ionen über der Plasmamembran aufrechterhalten?

Das entscheidende Enzym für die Ungleichverteilung der Na+- und K+-Ionen ist die Na+/K+-Pumpe oder Na+/K+-ATPase. Dieses membranständige Enzym ändert durch Phosphorylierung/Dephosphorylierung seine Konformation. Der Phosphatrest stammt dabei von ATP; die Phosphorylierungsreaktion wird durch das Protein selbst katalysiert (deshalb ATPase). Dabei verlaufen die Konformationsänderungen zyklisch. Im nicht phosphorylierten Zustand bindet die Na+/K+-Pumpe mit ihrer intrazellulären Domäne drei Moleküle Na+. Die Phosphorylierung verändert die Konformation des Proteins dergestalt, dass die drei Na+-Ionen durch die Na+/K+-Pumpe nach außen gelangen. Dabei hat sich die Affinität des Proteins so geändert, dass diese drei Na+-Ionen extrazellulär durch zwei K+-Ionen ersetzt werden. Nachdem der Phosphatrest am Enzym abgespalten ist, klappt die Na+/K+-Pumpe wieder in ihre ursprüngliche Konformation zurück. Dabei gelangen die beiden K+-Ionen ins Zytoplasma. Die Affinität hat sich jetzt wieder dergestalt verändert, dass intrazellulär die beiden K+-Ionen durch drei Na+-Ionen ersetzt werden. Pro ATP-Hydrolyse werden demnach drei Na+-Ionen von innen nach außen transportiert und zwei K+-Ionen vom Extrazellularraum ins Zytoplasma.

2.6Transferfragen zum Thema Umformen von Energie
1 Was ist die Energiequelle unseres Gehirns?

Fast die gesamte Energie, die unser Gehirn verbraucht, und das sind immerhin 20 % des Grundumsatzes, stammt aus dem Blutzucker, also aus Glukose. Dies hat mehrere Ursachen. Gemessen an der Masse, die das Gehirn in Bezug auf die Gesamtmasse einnimmt, ist unser Gehirn das Organ mit dem höchsten Energiebedarf. Um diese Energie effizient verfügbar zu halten, erfolgt die Energiegewinnung hier strikt aerob. Das Gehirn verfügt im Gegensatz zu anderen Organen nicht über eigene Energiereserven. Es ist also auf die ständige Zufuhr von Energieträgern angewiesen. Dabei wird diese Zufuhr durch die Blut-Hirn-Schranke erschwert. Entsprechend ist auch der Abtransport von Stoffwechselendprodukten erschwert. Die Anforderungen an die Energiequelle bestehen also in einer relativ hohen Energiedichte und einer leichten Anlieferung, d. h. einer guten Löslichkeit im Blut und der Fähigkeit, die Blut-Hirn-Schranke zu passieren, sowie darin, dass als Endprodukte möglichst nur Wasser und Kohlendioxid entstehen.

Der alternative Energielieferant „Fettsäure“ würde als Endprodukte ebenso ausschließlich Wasser und Kohlendioxid liefern und hätte zudem eine deutlich höhere Energiedichte. Die Verfügbarkeit der Fettsäuren ist aber im Vergleich zu Glukose deutlich erschwert. Nicht nur beim Transport über das Blut erfordern Fettsäuren durch ihre Hydrophobie komplexe Transportmechanismen. Vor allem auch die Schwierigkeit, den Übergang durch die Endothelzellen der Blut-Hirn-Schranke zu regulieren und die Problematik der weiteren Verteilung im Liquor machen Fettsäuren daher zur ungeeigneten Energiequelle.

Diese strikte Glukoseabhängigkeit unseres Gehirns ist der Hauptgrund, weshalb wir unseren Blutzuckerspiegel relativ konstant halten. Dabei muss gewährleistet bleiben, dass die Glukoseaufnahme des Gehirns unabhängig von Insulin ist. Tatsächlich sind die Glukosetransporter des Gehirns (GLUT1) insensitiv gegenüber Insulin.

2 Wo und wie wird Glukose in der Niere reabsorbiert?

Generell wird Glukose über die Plasmamembran über zwei Mechanismen transportiert. Mit dem Gradienten erfolgt der Glukose-Transport durch Glukosekanäle, wie GLUT1 oder GLUT4. Entgegen ihres Gradienten wird Glukose im Symport mit Na+ in die Zelle transportiert. In den meisten Fällen ist die intrazelluläre Glukosekonzentration höher als die extrazelluläre Konzentration.

In der Niere erfolgt die Glukose-Reabsorption am proximalen Tubulus. Hier wird obligatorisch der größte Teil des Kochsalzes im Primärharn durch die Na+/K+-Pumpe aktiv reabsorbiert. Die Na+/K+-Pumpe sitzt dabei an der basalen Seite der Epithelzelle und hält einen Natrium-Gradienten vom Tubulus-Inneren zum Zytoplasma der Epithelzelle aufrecht. Na+ strömt also passiv in die Epithelzelle des proximalen Tubulus und wird aktiv ins Blut gepumpt. Die Glukosekonzentration im Zytoplasma der Epithelzelle ist höher als im Blut und höher als im Innern des proximalen Tubulus. Entsprechend strömt an der basalen Seite Glukose passiv durch GLUT1-und GLUT4-Kanäle, an der apikalen Seite dagegen zusammen mit Na+.

3 Bei der Verbrennung unserer Nährstoffe entsteht neben ATP und CO2 auch metabolisches Wasser. Aus welchen Nährstoffen (Kohlenhydrate und Fette) entsteht wie viel Wasser und welche Tiere nutzen dieses metabolische Wasser als wesentliche Quelle zur Deckung ihres Wasserbedarfs?

In der allgemeinen Gleichung zur Oxidation unserer Nährstoffe entsteht aus einer gesättigten C18-Fettsäure:

C17H35COOH + 26 O2 → 18 CO2 + 18 H2O

und aus drei Hexosen entsprechend:

3 C6H12O6 + 18 O2 → 18 CO2 + 18 H2O.

Pro Kohlenstoffatom entstehen also gleich viele Wassermoleküle, egal ob Zucker oder Fette verbrannt werden. Was stimmt an dieser Rechnung nicht?

1 Mol C17H35COOH wiegt 263 Gramm, 3 Mol Glukose wiegen 540 Gramm. Demnach entstehen pro Gramm Fettsäure mehr als doppelt so viele Wassermoleküle wie bei Hexosen. Unter der Berücksichtigung, dass Kohlenhydrate auch in ihrer kompakten Speicherform Glykogen als stark hydratisierte Moleküle vorliegen, also nur in Gegenwart von Wasser gespeichert werden können, Fette dagegen wasserfrei als Fetttröpfchen vorliegen, vergrößert sich dieser Unterschied noch einmal merklich. Tatsächlich entstehen so aus 1 Gramm Triacylglyceriden etwa 4- bis 5-mal so viele Wassermoleküle wie aus einem Gramm Glykogen.

Pro Mol Fettsäure entstehen also etwa 18 Mol Wasser, was etwas mehr als 1 Gramm Wasser pro Gramm Fettsäure entspricht. Damit werden Fette zu sehr effizienten Wasserspeichern, denn im Gegensatz zu Wasser ist der Fettverlust durch Verdunstung zu vernachlässigen. Entsprechend nutzen vor allem Tiere in Wassermangelgebieten wie z. B. Kamele, Fette als Wasserreserven. Die im Kamelhöcker gespeicherten Fette erlauben es diesen Wüstenbewohnern, mehrere Wochen auf Wasseraufnahme zu verzichten. Sie können den Wasserverlust (Verdunsten, Urin) durch die Generierung metabolischen Wassers aus den Fettreserven decken. Ähnliches gilt auch für die Wüstenspringmaus und andere Wüstenbewohner. Selbstverständlich funktioniert dies nur, wenn diese Tiere ihren Wasserverlust minimieren. Dies wird unter anderem durch die Produktion eines konzentrierten Harns, die Minimierung der Transpiration über die Haut durch ein entsprechendes Fell, die Minimierung des Wasserverlusts über die Atmung und nicht zuletzt durch Verhaltensanpassungen erreicht.