Der süße Brei
In der Vorlesung werden zunächst die thermodynamischen Größen, die für die Umwandlung verschiedener Energieformen in lebenden Zellen von Bedeutung sind, beschrieben. Dabei wird der Einfluss physiologisch relevanter Parameter (z.B. Konzentration) und die Bedeutung gekoppelter Reaktionen bei der Nutzung der in den Nährstoffen gespeicherten chemischen Energie dargestellt. Im Vordergrund steht hierbei die Rolle des ATP als wichtigsten Trägers chemischer Energie im Energiehaushalt lebender Zellen. Die Grundlagen der chemischen Reaktionskinetik werden zunächst an einfachen Beispielen veranschaulicht und dann am Beispiel enzymkatalysierter Reaktionen in einen biologischen Kontext gestellt. Schließlich wird die besondere Rolle von Fließgleichgewichten in biologischen Prozessen am Beispiel der Glykolyse verdeutlicht.
In dieser einstündigen Vorlesung sollen die Grundprinzipien des Intermediärstoffwechsels eukaryotischer Zellen beschrieben werden. Dabei werden am Beispiel des Lipidstoffwechsels die wesentlichen anabolen (Triglyzeridsynthese, Fettsäuresynthese, Ketogenese, Cholesterolsynthese) und katabolen (Lipolyse, ß-Oxidation von Fettsäuren, Ketonkörperabbau) Reaktionsketten zusammengefasst und in den Kontext des zellulären Intermediärstoffwechsels gestellt. Metabolische Knotenpunkte, die den Lipidstoffwechsel mit anabolen und katabolen Reaktionsketten anderer Naturstoffklassen verbinden, werden herausgearbeitet, um die gegenseitige Beeinflussung metabolischer Zyklen zu demonstrieren.
Mitochondrien sind die zentralen Organellen der zellulären Energiegewinnung. Daher führen mitochondriale Defekte zu einer drastischen Einschränkung der Funktionsfähigkeit menschlicher Zellen. Besonders betroffen sind Gewebe und Organe mit hohem Energiebedarf, wie Herz- und Skelettmuskulatur, Leber und Nervensystem. Anhand von Fallbeispielen für die unterschiedlichen Formen von mitochondrialen Störungen (Pyruvatdehydrogenase-Mangel, mitochondriale DNA-Depletion, Störungen der ß-Oxidation) werden Prinzipien der Diagnose (Bestimmung von Laktat, Blutzucker, Ketonkörperkonzentration), Symptomatik (Kardiomyopathien, Hepatopathien, Enzephalopathien) und Therapieansätze (Diät, Kofaktor-Therapie) vorgestellt. Besonderheiten der Vererbung von Mitochondriendefekten (nukleäre Gene, mitochondriale DNA, Heteroplasmie) sollen angesprochen werden.
Nach einer kurzen Einführung in die „Mitochondriale Medizin“ und die Phänotypvariabilität von Patient*innen aus dieser Erkrankungsgruppe sollen grundlegende Strategien der Diagnostik diskutiert und hierbei besonders auf biochemische und molekulargenetische Untersuchungen als auch auf mögliche Erbgänge (autosomal rezessiv versus mitochondrial) eingegangen werden (ca. 20 Minuten). Im zweiten Teil soll ein*e Patient*in mit einer Mitochondriopathie vorgestellt werden. Hier haben die Studierenden die Möglichkeit, die/den Patient*in oder die Eltern über Anamnese und Lebensumstände zu befragen.
Den Studierenden soll ein Überblick über die aufbauenden und abbauenden Stoffwechselwege der monomeren Kohlenhydrate gegeben werden. Es soll vermittelt werden, wie die wichtigsten Monosaccharide der Nahrung (Glucose, Fructose, Galaktose) in den Stoffwechsel einfließen und wie sich vom zentralen Metabolit Glucose-6-Phosphat die verschiedenen Stoffwechselwege ableiten. In einem Überblick werden die biologischen Funktionen und die grundlegenden Regulationsprinzipien der Glykolyse, der Gluconeogenese und des Pentosephosphatzyklus für die Zelle charakterisiert. Enzymdefekte des Kohlenhydratstoffwechsels können zu schwerwiegenden Erkrankungen führen.
Mitochondrien sind zentrale Organellen des Energiestoffwechsels in menschlichen Zellen und der in ihnen lokalisierte Zitratzyklus Hauptquelle des Kohlendioxids im menschlichen Organismus. Den Studierenden soll die zentrale Funktion des Zitratzyklus in der Biologie der Zelle mit seiner Beteiligung an anabolen und katabolen Stoffwechselwegen dargelegt werden. Es soll charakterisiert werden, wie der Zitratzyklus mit den angeschlossenen Transportprozessen an mitochondriale Strukturen gekoppelt ist.
In dem Seminar wird das Konzept des biologischen Energietransfers an einem konkreten Beispiel, der ATP-Gewinnung durch die oxidative Phosphorylierung, dargestellt. Es wird veranschaulicht, wie durch Elektronenübertragungsprozesse ein elektrochemischer Gradient an der Mitochondrienmembran aufgebaut und anschließend genutzt wird, um die universelle Energiewährung der Zelle, das ATP, zu synthetisieren. Dabei werden die grundlegenden Prinzipien der Bioenergetik (z.B. Umwandlung von Energieformen, Triebkräfte chemischer Reaktionen, gekoppelte Reaktionen) sowie Prozesse wie z.B. Diffusion und Osmose vertieft.
Enzymkatalyse bildet die Grundlage sämtlicher zellulärer Stoffwechselvorgänge. Die zugrundeliegenden vielfältigen Strukturen in biologischen Katalysatoren erlauben eine hohe Spezifität der Interaktion mit Substraten. Daneben sind Enzyme auf vielfältige Weise regulierbar und erlauben es Zellen, gezielt auf Änderungen der Stoffwechsellage zu reagieren. Die Enzymausstattung verschiedener Zellen variiert zwischen Zelltypen und Geweben in Abhängigkeit von den Stoffwechselleistungen. Die charakteristischen Enzymmuster der Gewebe werden in der medizinischen Diagnostik zur Beurteilung der Schwere und der Lokalisation von Gewebeschädigungen herangezogen (z.B. Lebererkrankungen). Bei Schädigung von Zellen werden Enzyme aus den Zellen freigesetzt und können dann im Serum bestimmt werden. Anhand von ausgewählten Enzymen des Leberstoffwechsels und des Kohlenhydratstoffwechsels werden deren Bedeutung für die Diagnostik diskutiert und Prinzipien der enzymatischen Katalyse in praktischen Versuchen veranschaulicht.