Was ist der Stoffwechsel?

Überblick

Der Stoffwechsel repräsentiert die gesamten chemischen Aktivitäten in einer Zelle. Dazu gehören Reaktionen, die Moleküle aufbauen (Anabolismus) und abbauen (Katabolismus). Anabole Reaktionen benötigen Energie, während katabole Reaktionen diese bereitstellen. Der Stoffwechsel beschreibt also, wie Zellen Energie durch eine Vielzahl von chemischen Reaktionen umwandeln. Diese Reaktionen werden oft mit Hilfe von Enzymen effizienter gemacht.

Der Stoffwechsel ist die Summe aller chemischen Reaktionen, die in einem Organismus ablaufen

DerStoffwechsel ist der Energiehaushaltung der Zellen und besteht aus drei wesentlichen Schlüsselfunktionen:

1. die Umwandlung von Nahrung in Energie, um verschiedene Zellprozesse zu betreiben,
2. die Erzeugung von Energie für den Aufbau von Zellkomponenten, und
3. die Entsorgung von Abfallprodukten.

Um Energie zu produzieren, müssen Makromoleküle aus der Nahrung durch einen katabolen Weg in kleinere Moleküle gespalten werden. Dies geschieht durch den katabolen Stoffwechselweg. Das wiederum liefert Energie, um größere Moleküle aus kleineren Bausteinen herzustellen, was über den anabolen Stoffwechselweg geschieht. Die in der Nahrung in Form von Bindungsenergie zwischen Atomen gespeicherte, potenzielle chemische Energie kann also in kinetische Energie umgewandelt werden und für zelluläre Reaktionen genutzt werden. Enzyme sind notwendige molekulare Werkzeuge in den Stoffwechselwegen. Sie beschleunigen viele chemische Reaktionen erheblich, indem sie die benötigte Energie reduzieren.

Katabole Stoffwechselwege zersetzen Moleküle und geben Energie frei

Katabolismus ist der Abbau von Makromolekülen für eine Vielzahl von Zwecken. Dazu gehört auch der Abbau von Nahrungsmolekülen in kleinere Moleküle, die als Bausteine verwendet werden können. Bei diesem Prozess wird Energie freigesetzt und in Form von ATP gespeichert. Die Proteinverdauung ist ein Beispiel für den Katabolismus. Damit der Körper durch die Nahrung aufgenommene Proteine verwerten kann, müssen sie von großen Proteinmolekülen in kleinere Polypeptide und dann in einzelne Aminosäuren zersetzt werden.

Überschüssige Aminosäuren, die zur Entsorgung abgebaut werden, setzen stickstoffhaltiges Ammoniak frei. Dieses Ammoniak ist in hohen Konzentrationen giftig und muss daher in eine sicherere Form umgewandelt werden, welche von Organismen verarbeitet und entsorgt werden kann. Beim Menschen bindet sich Ammoniak mit Kohlenstoffdioxid und wird in Harnstoff umgewandelt, bevor es im Urin aus dem Körper ausgeschieden wird. Andere Organismen verwenden verschiedene Arten von stickstoffhaltigen Abfällen, wie zum Beispiel die Harnsäure, die Vögel und Reptilien ausscheiden. Im Vergleich zum Harnstoff benötigt die Harnsäure viel weniger Wasser, um aus dem Körper ausgeschieden zu werden, und hat daher unter bestimmten Bedingungen einen Adaptionswert.

Anabole Stoffwechselwege synthetisieren komplexe Moleküle

Anabole Stoffwechselwege bilden aus kleineren Bausteinmolekülen große Moleküle unter dem Einsatz von Energie (in Form von ATP). Beim Anabolismus des Proteinstoffwechsels werden zum Beispiel Aminosäuren zu Polypeptiden aneinandergereiht. Die synthetisierten Polypeptide falten sich dann zu dreidimensionalen Proteinstrukturen. Überschüssige Aminosäuren können zur Herstellung von Triglyceriden verwendet und dann als Fett gespeichert werden, oder sie werden in Glucose umgewandelt und zur Herstellung von ATP verwendet. Somit sind sowohl der anabole als auch der katabole Weg für die Aufrechterhaltung des Energiegleichgewichts notwendig.

Ein weiteres, weniger bekanntes Beispiel für den Anabolismus ist die Produktion der kondensierten Tannine in Pflanzensamen. Die Pflanzensamen, die von Tieren gefressen werden, können vor der Verdauung geschützt werden, wenn ihre Samenhüllen dunkel gefärbte, kondensierte Tannine enthalten. Pflanzen produzieren Tannine durch die Verknüpfung von Anthocyan-Molekülen, indem sie sich die gleichen Kondensationsreaktionen zu Nutze machen, die zur Bildung von Polypeptiden verwendet werden.