Nach Verdauung und Resorption gelangen Nährstoffe in die Zellen, um Stoffwechsel zu betreiben, Strukturen aufzubauen und Funktionen zu regulieren. Diese zelluläre Nutzung ist der ultimative Zweck der Ernährung.
1. Energiegewinnung (Katabolismus)
- Glucose → Glykolyse → Pyruvat → Mitochondrien:
- Aerob: Pyruvat → Acetyl-CoA → Citratzyklus → ETC → ~30–32 ATP/Glucose.
- Anaerob: Pyruvat → Laktat → 2 ATP (schnell, begrenzt).
- Fettsäuren → β-Oxidation → Acetyl-CoA → Citratzyklus/ETC: ~106 ATP/Palmitat.
- Aminosäuren → Deaminierung → Citratzyklus-Intermediate: Glukogen/ketogen.
- Wichtige Regulatoren: AMPK (niedrige Energie), mTOR (hohe Energie/Nährstoffe), Insulin/Glukagon.
2. Aufbau und Reparatur von Strukturen (Anabolismus)
| Makronährstoff | Bausteine | Zelluläre Produkte |
|---|
| Proteine | Aminosäuren (20) | Enzyme, strukturell (Zytoskelett), Rezeptoren, Transporter, Signalgebung |
| Lipide | Fettsäuren, Glycerin | Membranen (Phospholipide), Signalgebung (Eikosanoide), Myelin, Lipidtröpfchen |
| Kohlenhydrate | Glucose, Zucker | Glykogen, Glykoproteine, Proteoglykane, Nukleotidzucker |
| Nukleotide | Basen, Ribose, Phosphat | DNA, RNA, ATP, Coenzyme (NAD, FAD, CoA) |
3. Wachstum und Reproduktion
- Zellzyklus: Nährstoffe treiben G1→S→G2→M-Checkpoints an.
- DNA-Replikation: dNTPs aus Nukleotidsynthese (Folat, B12 kritisch).
- Proteinsynthese: mTORC1 integriert Aminosäuren, Energie, Wachstumsfaktoren.
- Biomasse-Verdopplung: Erfordert koordinierte Lipid-, Protein- und Nukleotidproduktion.
4. Enzym- und Hormonproduktion
- Enzyme: Proteine, die Aminosäuren erfordern, oft Metall-Kofaktoren (Zn, Fe, Cu, Mg, Se).
- Hormone:
- Peptid: Aminosäuren (Insulin, GLP-1).
- Steroid: Cholesterin (Cortisol, Sexualhormone).
- Amine: Tyrosin (Schilddrüse, Katecholamine).
- Eikosanoid: Arachidonsäure (Prostaglandine, Leukotriene).
- Kofaktoren: Vitamine (B-Komplex als Coenzyme), Mineralien.
5. Redox-Balance und Antioxidantien-Abwehr
- NADPH: Aus Pentosephosphatweg (Glucose-6-phosphat) – reduziert Glutathion.
- Glutathionsystem: GSH/GSSG (Cystein, Glycin, Glutamat).
- Antioxidative Nährstoffe: Vit C, E, Selen (GPx), Zn/Cu/Mn (SOD).
- Redox-Signalgebung: H₂O₂, NO• als Second Messenger.
6. Nährstoffspeicherung
| Nährstoff | Speicherform | Standort | Kapazität |
|---|
| Glucose | Glykogen | Leber (100 g), Muskel (400 g) | ~2000 kcal gesamt |
| Fettsäuren | Triglyceride | Adipozyten (Lipidtröpfchen) | Praktisch unbegrenzt |
| Aminosäuren | Keine echte Speicherung | Proteinspeicher (Muskel) | Bei Bedarf katabolisiert |
| Vitamine | Leber (A, D, B12), Fettgewebe (D, E), Gewebe | Variabel | Wochen-Monate (fettlöslich); Tage (wasserlöslich) |
| Mineralien | Knochen (Ca, P, Mg), Ferritin (Fe) | Knochen, Leber, Milz | Jahre (Ca); Monate (Fe) |
7. Spezialisierte zelluläre Funktionen
- Neuronen: Hoher Glucose/O₂-Bedarf; Neurotransmittersynthese (Cholin, Aminosäuren).
- Erythrozyten: Nur Glykolyse (keine Mitochondrien); 2,3-BPG reguliert O₂-Affinität.
- Hepatozyten: Metabolisches Zentrum – Glukoneogenese, Harnstoffsynthese, Lipoproteinassemblierung.
- Adipozyten: Energiespeicherung, endokrin (Leptin, Adiponectin).
- Immunzellen: Metabolische Reprogrammierung (Warburg-Effekt) für Aktivierung.
Vereinigendes Konzept: Nährstoffe sind nicht nur Treibstoff – sie sind Informationsmoleküle, Strukturkomponenten, Signalvorstufen und Redox-Regulatoren. Zelluläre Nährstoffwahrnehmung (AMPK, mTOR, Sirtuine) integriert Verfügbarkeit mit funktionalem Output.
