Mir wurde immer gesagt, dass ich einen schnellen Stoffwechsel habe. Ich bleibe dünn, egal was ich esse; horizontales Wachstum habe ich erst in den letzten Jahren erlebt, als ich Mitte dreißig war. Ich spiele ein paar Mal die Woche Squash, laufe donnerstags mit einem Freund und gehe mit dem Hund spazieren. Ansonsten verbringe ich ganze Tage am Computer, dann sitzend auf der Couch, dann schlafend. Und doch bleibe ich schlaksig und werde leicht „hangry“; Nachmittags, nach einem ausgiebigen Frühstück und zwei Portionen zum Mittagessen, gehe ich auf die Suche nach einer anderen Mahlzeit. Manchmal wache ich mitten in der Nacht hungrig auf. Wohin geht das ganze Essen?
Unser Körper benötigt viele Kalorien, und die meisten davon werden verbraucht, um die Maschine am Laufen zu halten. Du spürst deine Leber nicht besonders, aber sie ist immer da, Leber-ing; ebenso Ihre Nieren, Haut, Darm, Lungen und Knochen. Unser Gehirn ist ein großer Energiefresser, der etwa ein Fünftel unserer Kalorienzufuhr verbraucht, obwohl es im Durchschnitt nur ein Fünfzigstel unseres Körpergewichts ausmacht. Möglicherweise ist meine weniger effizient als deine: Ich habe eine ängstliche Stimmung – grübele ich – und vielleicht ist das so, als würde man auf der Stelle laufen. Manchmal fühle ich mich beim Schreiben träge, nachdem ich einen Absatz im Kopf durchgearbeitet habe, und ich nahm früher an, dass ich dafür Koffein brauche. Schließlich entdeckte ich, dass ein Sandwich besser funktionierte. Die Anstrengung des Denkens hatte meine Kalorien aufgebraucht, und es war Zeit, ein weiteres Scheit ins Feuer zu werfen.
Feuer ist nicht nur eine Metapher für den Stoffwechsel. Im achtzehnten Jahrhundert führte der französische Chemiker Antoine-Laurent de Lavoisier eine Reihe genialer Experimente durch, um zu beweisen, dass unsere Lebenskraft war Feuer. Zuerst fand er heraus, woraus Luft besteht; Dann zeigte er durch präzise Messungen, dass Feuer der Luft Sauerstoff entzieht und ihn in Form von Rost ablagert. Später stellte er ein Gerät her, in dem gepacktes Eis ein Fach umgab, das entweder mit einer brennenden Flamme oder einem kleinen Tier gefüllt werden konnte; Indem er maß, wie viel Eis geschmolzen war, konnte er die von der Flamme verbrannte Energie mit der von der Kreatur „verbrannten“ in Beziehung setzen. Er schuf sogar ein „Respirometer“, ein Gerät aus Schläuchen und Messgeräten, das den genauen Sauerstoffverbrauch einer Person maß, während sie verschiedene Aufgaben übernahm. Er kam zu dem Schluss, dass „Atmung nichts anderes ist als eine langsame Verbrennung von Kohlenstoff und Wasserstoff, in jeder Hinsicht ähnlich der einer Lampe oder einer brennenden Kerze“. Sowohl Flammen als auch Lebewesen tauschen Energie und Gase in einer sogenannten Verbrennungsreaktion aus. Im Feuer läuft diese Reaktion schnell und außer Kontrolle ab: Energie wird dem Brennstoff mit gewaltsamer Hingabe entrissen und fast die gesamte Energie wird sofort als Licht und Wärme freigesetzt. Aber das Leben ist methodischer. Zellen ziehen mit exquisiter Kontrolle Energie aus ihrem Brennstoff und lenken jeden letzten Tropfen auf ihre eigenen winzigen Zwecke. Es wird fast nichts verschwendet.
Die Aufklärung, wie genau dies bewerkstelligt wird, dauerte noch einige hundert Jahre. Der Durchbruch kam in den 1930er Jahren, als ein brillanter ungarischer Chemiker namens Albert Szent-Györgyi den Brustmuskel von Tauben untersuchte. Der Muskel, der stark genug war, um die Vögel im Flug zu halten, erwies sich auch nach der Pulverisierung als metabolisch überaktiv. Szent-Györgyi legte etwas zerkleinertes Gewebe in eine Schüssel und nahm dann sorgfältige Messungen des Gases und der Wärme vor, die beim Einbringen verschiedener Chemikalien freigesetzt wurden. Er fand heraus, dass bestimmte Säuren die Stoffwechselrate des Muskels mehr als verfünffachten. Seltsamerweise wurden diese Säuren nicht selbst in den Reaktionen verbraucht: Szent-Györgyi konnte so viel aus der Schale entnehmen, wie er hineingegeben hatte. Die Säuren, so erkannte er, beteiligten sich an einer Art chemischem Karussell, beschleunigten oder katalysierten , Stoffwechsel, obwohl sie ständig abgebaut und wieder aufgebaut wurden.
Ein paar Jahre später beschrieb ein deutscher Biochemiker namens Hans Krebs diesen chemischen Zyklus vollständiger, und heute ist er als Krebs-Zyklus bekannt. Vielleicht erinnern Sie sich dunkel an den Krebs-Zyklus aus dem Biologieunterricht der High School – oder vielleicht haben Sie ihn direkt nach dem Test vergessen. Der Krebs-Zyklus war lange Zeit ein Symbol dafür, was ich an der Schule nicht mochte – ein perfektes Symbol für Langeweile und Verwirrung. Während wir an in Reihen angeordneten Schreibtischen saßen, wurden uns die monströsen Namen seiner Bestandteile genannt – Succinat, Pyruvat, Acetyl-CoA, Cytochrom C – während wir an der Tafel NAD zählten+s und FADH2s, und folgten „Redox“-Reaktionen, während sie Elemente „oxidierten“ oder „reduzierten“. Ich prägte mir die Diagramme im Lehrbuch ein – Pfeile, kleine Schriftarten, winzige Plus- und Minuszeichen –, ohne jemals wirklich zu verstehen, wozu der Zyklus gut war. Ich war kaum allein mit meinem Unverständnis. In den 38 Jahren des modernen „Jeopardy!“ wurde der Krebs-Zyklus nur sechs Mal gefragt. Es hat alle drei Spieler zweimal auf die Bühne gebracht.
Es ist eine Schande, dass die organische Chemie so düstere Assoziationen hat, wo doch so viel Schönheit darin steckt. Wie der Biochemiker Nick Lane in seinem Buch „Transformer: The Deep Chemistry of Life and Death“ schreibt, ist der Krebszyklus besonders magisch – er ist nicht nur die Grundlage des Stoffwechsels, sondern allen komplexen Lebens auf der Erde. Und es ist gar nicht so schwer zu fassen. Heutzutage sind sogar diejenigen von uns, die AP Bio übersprungen haben, mit Genen vertraut; Dank der Pandemie wissen wir vielleicht sogar, wovon wir sprechen, wenn wir Wörter wie „Protein“ und „mRNA“ verwenden. Lane argumentiert, dass unsere DNA-Kompetenz tatsächlich eine Form des genetischen Chauvinismus ist. Das Geheimnis des Lebens ist nicht vollständig in unseren Genen geschrieben; es hat auch damit zu tun, wie wir Energie aus der Welt ziehen – mit unserem andauernden, lebenslangen langsamen Brennen. Es lohnt sich, den Krebszyklus zu verstehen, weil es Ihnen hilft, besser zu verstehen, was es bedeutet, am Leben zu sein.
Durch den Krebszyklus erhalten wir Energie aus der Nahrung, die wir essen. Um zu verstehen, wie der Kreislauf funktioniert, ist es hilfreich, sich daran zu erinnern, woraus Lebensmittel bestehen. Wie alles andere im Universum besteht das Zeug, das wir essen, aus Atomen. Ein Atom ist wie ein kleines Sonnensystem mit einem Kern in seiner Mitte. Elektronen umkreisen den Kern wie Planeten, die eine Sonne umkreisen. (Obwohl man gemäß der Quantenmechanik eigentlich nicht genau wissen kann, wo sich ein Elektron gerade befindet – und daher ist diese Umlaufbahn weniger eine feste Bahn als eine Art Wolke möglicher Positionen.) Es könnte ein Elektron geben oder mehrere innerhalb eines gegebenen Atoms; sie kreisen in bestimmten typischen Entfernungen, die Chemiker als Orbitalschalen bezeichnen. Nur eine endliche Anzahl von Elektronen kann gleichzeitig eine Orbitalschale besetzen: zwei in der ersten Schale, acht in der zweiten, achtzehn in der dritten, zweiunddreißig in der vierten und so weiter – ein Muster, das definiert, wie die Reihen des Periodensystems angelegt sind. Die gesamte Chemie hängt davon ab, dass Elektronen, die nicht Teil vollständig gefüllter Schalen sind, weniger stabil sind, insbesondere wenn sie weiter vom Kern entfernt sind. Es ist, als ob ein Elektron nicht dazu bestimmt ist, zu weit von zu Hause weg zu wandern.
Von Zeit zu Zeit stößt etwas gegen ein Atom. Wenn es sich um ein Photon – ein Lichtteilchen – handelt, dann stößt die Energie aus der Kollision die Elektronen eines Atoms in Umlaufbahnen, die weiter vom Kern entfernt sind. Diese „hochenergetischen“ Elektronen sind wie Murmeln, die auf dem Rand einer Schüssel schweben – sie wollen ihre potenzielle Energie freisetzen, indem sie zurück in Richtung Zentrum rollen oder, wenn ein anderes Atom in der Nähe ist, hineinströmen es ist Schüssel. In welche Richtung sie fallen, hängt von der genauen Balance der Instabilitäten in jedem Atom ab – mit anderen Worten, welches die Schale hat, die am dringendsten gefüllt werden muss. Wenn ein Atom, das bereit ist, ein energiegeladenes Elektron abzugeben, sich einem Nachbarn nähert, der darauf aus ist, es aufzunehmen, rollt dieses Elektron von der Lippe einer Schale nach unten in die andere. Beim Fallen setzt es Energie frei. So abstrakt dies auch erscheinen mag, es ist die Essenz des Lebens. Photonen, die von der Sonne kommen, treffen auf Elektronen im Chlorophyll in Pflanzen; Eine Reihe chemischer Reaktionen überträgt diese energetisierten Elektronen von einem Atom zum nächsten, bis sie schließlich im Zucker oder in der Stärke von Früchten, Stielen und Samen gespeichert werden.
Auf molekularer Ebene unterscheidet sich eine Kartoffel nicht so sehr von Erdöl: Sie enthält Moleküle, die reich an hochenergetischen Elektronen sind. Durch unseren Stoffwechsel hoffen wir, die Energie, die diese Elektronen besitzen, auf handhabbare Weise einzufangen. Szent-Györgyi wird oft zugeschrieben, dass das Leben nichts anderes als ein Elektron ist, das nach einem Ort zum Ausruhen sucht; die Murmeln rollen bergab, und das Leben nutzt ihre Kraft. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Elektronen mit der größten verfügbaren Energie nicht einfach zum Mitnehmen angeboten werden. Lebensmittel sind kompliziert und voller verschiedener Moleküle, von denen viele Rohstoffe enthalten, die wir in die physischen Strukturen unserer Zellen zurückführen. Die Atome zu finden, die besonders energiereich in unserer Nahrung sind, ist wie das Durchsuchen eines Haufens von Autowracks, um die noch geladenen Batterien zu finden.
Eine überraschende Menge dieses Siebens findet statt, bevor wir unsere Nahrung überhaupt herunterschlucken, da der Speichel in unserem Mund seine Stärke abbaut. (Versuchen Sie, in eine Tasse Wackelpudding zu spucken, und sehen Sie, was passiert.) Wir fangen an, uns satt zu fühlen, bevor wir verdauen, weil unser Mund unserem Gehirn sagt, dass Energie kommt und dass es sicher ist, einige kurzfristige Vorräte freizusetzen. Währenddessen beginnen Säuren im Magen und Enzyme im Dünndarm mit der Verarbeitung des Angekommenen. Wenn sie fertig sind, haben die energiereichen Moleküle in der Nahrung ihre unruhigsten Elektronen neu gemischt und in Glukose, einen einfachen Zucker, verpackt. Glukose ist wie ein Versandbehälter für Chemikalien. Es ist ein idealer Elektronentransporter, teilweise weil es eine hohe Kapazität hat, bequem geformt ist und sich leicht öffnen lässt. Es ist auch ungewöhnlich löslich, was bedeutet, dass es gut durch den Blutkreislauf wandert. Und es besteht nur aus Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffatomen. Die beiden letztgenannten Arten von Atomen sind sehr reaktiv – es gibt einen Grund, warum Tanks mit Wasserstoff und Sauerstoff als „brennbar“ gekennzeichnet sind – und viele instabile Elektronen umkreisen jedes Kohlenstoffatom, begierig darauf, sich in andere Moleküle zu bewegen. Unser Gehirn, dessen Teile einen besonders unvorhersehbaren Energiebedarf haben – wenn Neuronen feuern, erzeugen sie Bedarfsspitzen – hängt fast ausschließlich von Glukose für Energie ab. Kolibris, die den schnellsten Stoffwechsel aller Tiere haben und keine Zeit haben, ihre Flügelschläge anzutreiben, ernähren sich in ähnlicher Weise von einer Mischung aus reiner Glukose und Saccharose.
Wenn Glukose in unsere Zellen gelangt, wird sie – anders als ein Schiffscontainer – systematisch abgebaut. Eine Reihe von Reaktionen streift seine energiereichsten Elektronen ab und verwendet sie, um ein kleines „Trägermolekül“, bekannt als NADH, zu bilden. Wenn Glukose wie ein Versandbehälter ist, dann sind NADHs wie Lieferwagen. Der Prozess des Ladens der Elektronen in die Lastwagen wird als Glykolyse bezeichnet. Es ist uralt; Tatsächlich gewinnen Hefezellen so Energie. Wenn die Glykolyse in Abwesenheit von Sauerstoff stattfindet, wird sie als Fermentation bezeichnet. Wenn Ihre Muskeln an ihre Grenzen gehen und zu wenig Sauerstoff in Ihrem Blutkreislauf vorhanden ist, fermentieren Ihre Zellen Glukose als Notlösung für die Energiegewinnung.
Wenn Sauerstoff involviert ist, wird der Abbau von Glukose viel feiner. Sauerstoff ist so hungrig nach Elektronen – seine äußere Hülle benötigt nur noch zwei weitere, um einen vollständigen Satz zu erhalten – dass er sie tatsächlich den ganzen Weg durch den Krebszyklus zieht, der das wahre Kraftwerk unseres Stoffwechsels ist. Der Zyklus selbst ist komplex, mit Sequenzen chemischer Formeln, die speziell darauf ausgelegt zu sein scheinen, Schüler zu traumatisieren. Aber im Wesentlichen wird Glukose in zwei Teile zerlegt und ihre Hälften werden einer Reihe von Reaktionen zugeführt, die sie in Teile zerlegen; die Rückgrate werden dann für eine weitere Runde des Zyklus wiederverwendet. Die Hauptsache ist, dass dabei energiereiche Elektronen abgeschält und auf noch mehr NADHs aufgeladen werden – weit mehr als bei der Glykolyse allein. Es geht fast keine Energie durch Wärme verloren; stattdessen wird es bewahrt und transformiert. Jedes Elektron, das in Glukose eine hohe Umlaufbahn hatte, ist in NADH ebenfalls bereit, sein volles Potenzial auszuschöpfen.