Anaerobe Atmung ist der Prozess der Energieerzeugung ohne die Anwesenheit von Sauerstoff. Manchmal kann der Körper die Muskeln nicht mit dem Sauerstoff versorgen, den er zur Energiegewinnung benötigt – zum Beispiel bei einem Sprint. Ohne den Prozess der anaeroben Atmung kann den Muskeln in Zeiten hohen Bedarfs keine Energie zugeführt werden.
Dieser Artikel betrachtet den Prozess der anaeroben Atmung und seine klinische Bedeutung.
Prozess der anaeroben Atmung
Ohne die Anwesenheit von Sauerstoff kann die Elektronentransportkette (ETC) nicht fortgesetzt werden, da es keinen terminalen Elektronenakzeptor gibt. Daher kann nicht die übliche Anzahl von ATP-Molekülen gebildet werden. Die Unterbrechung der ETC führt zu einer verminderten Aktivität der Reaktionen vor diesem Schritt, wie z. B. dem Krebszyklus und der Glykolyse. Der anaerobe Weg verwertet Pyruvat, das Endprodukt der Glykolyse.
Ohne die funktionierende ETC gibt es einen Überschuss an NADH und Pyruvat. Pyruvat wird anschließend durch NADH zu Laktat (Milchsäure) reduziert, wobei nach der Reduktion NAD+ übrig bleibt. Diese Reaktion wird durch das Enzym Laktatdehydrogenase katalysiert. Dies führt im Wesentlichen zum Recycling von NAD+.
Durch das Recycling von NAD+ kann der Prozess der Glykolyse fortgesetzt werden, da der NAD+-„Vorrat“ wieder aufgefüllt wurde. Der Glykolyse-Weg produziert netto 2 ATP-Moleküle, die als Energie zum Antrieb der Muskelkontraktion etc. verwendet werden können. Die 2 ATP-Moleküle sind viel weniger als bei der aeroben Atmung, aber sie sind notwendig, da es ohne anaerobe Atmung keine andere Methode der ATP-Produktion gäbe.
Dies kann bei Ischämie passieren. Die Glykolyse wird schneller ablaufen und Milchsäure produzieren. Dies ist notwendig in Situationen wie Sport, wo der Sauerstoffbedarf der Muskeln über das Angebot ansteigt, bei ischämischen Herzerkrankungen oder wenn ein bösartiger Tumor über seine Blutversorgung hinauswächst.
Die anaerobe Glykolyse läuft schneller ab als die aerobe, weil für jede abgebaute Glukose weniger Energie produziert wird (2ATP vgl. 32ATP), so dass mehr mit einer schnelleren Rate abgebaut werden muss, um die Anforderungen zu erfüllen. Dies kann zu einer Laktatazidose führen.
Abbau von Laktat
Das bei der anaeroben Atmung entstehende Laktat muss entfernt werden, da es sauer ist. Dazu gibt es zwei Hauptwege;
- Das Laktat wird zu stoffwechselaktiven Zellen, wie Herz und Gehirn, transportiert. Dort wird es durch die oben beschriebene Reaktion wieder in Pyruvat umgewandelt. Das Pyruvat wird dann im Krebs-Zyklus verwertet.
- Laktat wird zur Leber transportiert und durch die oben genannte Reaktion in Pyruvat umgewandelt. Pyruvat wird dann im Prozess der Glukoneogenese verwendet, um mehr Glukose zu erzeugen
Klinische Relevanz – Laktatazidose
In einigen Fällen kann eine übermäßige Produktion von Laktat zu einem Zustand führen, der als Laktatazidose bekannt ist, einer Unterform der metabolischen Azidose. In diesem Fall ist der pH-Wert des Blutes aufgrund der steigenden Laktatkonzentration im Körper saurer geworden. Es gibt eine Reihe von Ursachen für eine Laktatazidose, aber im Allgemeinen wird sie dadurch verursacht, dass der Körper nicht in der Lage ist, aerob zu atmen. Einige Ursachen sind:
- Diabetes mellitus
- Enzymmängel – zum Beispiel Pyruvatdehydrogenasemangel
- Medikamente – zum Beispiel, Metformin und Isoniazid
- Blutungen
- Sepsis
- Mitochondriale Störungen
Symptome sind typisch für eine metabolische Azidose und umfassen Übelkeit, Erbrechen, Muskelschwäche und schnelle Atmung. Die Behandlung ist schwierig, da es wenig Belege für den Einsatz von Natriumbicarbonatlösungen (zum Ausgleich des pH-Wertes) oder die direkte Entfernung von Laktat (über Hämofiltration) gibt. Insgesamt ist die Behandlung unterstützend und würde von der Ursache abhängen; wenn Medikamente die Ursache sind, müssen sie möglicherweise abgesetzt werden und bestimmte mitochondriale Störungen können eine angepasste Ernährung erfordern.