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Stoffwechsel

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Biologie

Stoffwechsel ist der Transport, Aufbau und Abbau chemischer Verbindungen in einem Organismus. Stoffwechselprozesse dienen der Energiegewinnung und somit dem Überleben von Organismen. Ein anderes Wort für Stoffwechsel ist Metabolismus. Hormone, Enzyme und verschiedene Nährstoffe regulieren den Stoffwechsel eines Organismus.

Stoffwechsel Definition

Enzyme sind bei so gut wie jeder Reaktion im Körper des Menschen beteiligt. Sie katalysieren bzw. beschleunigen chemische Reaktionen. Gäbe es Enzyme nicht, würde es Jahre dauern, bis eine Reaktion abgelaufen ist.

Das liegt daran, dass eine bestimmte Aktivierungsenergie benötigt wird, damit eine Reaktion ablaufen kann. Wird diese nicht erreicht, passiert auch nichts. Enzyme können diese Aktivierungsenergie herabsetzen, sodass die Reaktion schneller abläuft.

Enzyme setzen Substrate in Produkte um. Vor, während und nach der Reaktion bleibt das Enzym unverändert.

Der Stoffwechsel eines Organismus fasst alle biochemischen Vorgänge zusammen, die mit dem Aufbau, Abbau und Transport von chemischen Verbindungen zusammenhängen.

Der Stoffwechsel darf nicht mit der Verdauung verwechselt werden. Die Verdauung ist Teil des gesamten Stoffwechsels bei heterotrophen Organismen, wie z.B. Menschen.

Heterotrophe Organismen ernähren sich von anderen Lebewesen wie z.B. Pflanzen und Tieren. Sie können sich nicht selbst ernähren, das heißt aus anorganischen Verbindungen keine organischen Kohlenstoffverbindungen (z.B. Glucose) herstellen.

Um die verschiedenen Prozesse des Stoffwechsels einordnen zu können und deren Zweck zu verstehen, werden verschiedene Kategorien gebildet.

  • Der Stoffwechsel kann zum einen in Katabolismus und Anabolismus eingeteilt werden.
  • Zum anderen unterscheiden sich Stoffwechselvorgänge wesentlich zwischen heterotrophen und autotrophen Organismen. Diese Arten von Lebewesen haben nämlich einen sehr unterschiedlichen Stoffwechsel, um sich mit Energie zu versorgen.

Stoffwechselwege im Überblick

Generell kann der Stoffwechsel in Katabolismus und Anabolismus eingeteilt werden. Katabole Stoffwechselwege sind abbauende Vorgänge. Dabei werden chemische Verbindungen abgebaut bzw. gespalten. Anabole Stoffwechselwege sind hingegen aufbauende Vorgänge.

Katabolismus

Der Abbau von körpereigenen Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten zu Glucose und ATP gehört zum Katabolismus. Komplexe Verbindungen werden also zu einfachen Verbindungen abgebaut, wobei Energie freigesetzt wird. Diese Energie wird dann im Organismus für andere Reaktionen im Körper verwendet.

Beispielsweise muss das Gehirn dauerhaft mit Glucose versorgt werden, auch wenn man keine Nahrung aufnimmt. Daher kann der Körper aus verschiedenen körpereigenen Stoffwechselprodukten selbst Glucose herstellen. Proteine, Fette und Kohlenhydrate sind im gewissen Maß im Körper gespeichert und können nach Bedarf mobilisiert und abgebaut werden.

Anabolismus

Beim Anabolismus ist es genau andersherum. Beim Anabolismus hat der Körper genügend Energie und kann sie daher im Körper speichern. Aus kleineren Molekülen, die über die Nahrung aufgenommen werden, können größere Moleküle aufgebaut werden.

Aus einzelnen Fettsäuren können beispielsweise Fette (Lipide) aufgebaut und eingelagert werden. Wenn häufig und langanhaltend Energie im Überschuss vorhanden ist, lagert der Körper die Energie als Fettgewebe.

Abbildung 1 zeigt, inwiefern Katabolismus und Anabolismus zusammenhängen und wie sie sich unterscheiden. Energieliefernde Nährstoffe werden im Katabolismus zu energiearmen Endprodukten abgebaut. Dabei wird ATP zu ADP abgebaut und NADH und NADPH werden ebenfalls oxidiert (geben Wasserstoffatome ab). Im Anabolismus hingegen werden Vorstufen wie Aminosäuren und Zucker zu Proteinen und Polysacchariden aufgebaut. Dabei wird ATP generiert und und wieder reduziert (nehmen Wasserstoffatome auf).

Es ist also ein Auf- und Abbau von organischen Verbindungen mithilfe von chemischer Energie.

Stoffwechsel Beziehung zwischen Katabolismus und Anabolismus StudySmarterAbbildung 1: Beziehung zwischen Katabolismus und AnabolismusQuelle: spektrum.de

Stoffwechsel bei Pflanzen und Menschen

Der Stoffwechsel von Pflanzen und Menschen unterscheidet sich stark. Pflanzen ernähren sich im Gegensatz zu Menschen autotroph. Menschen sind heterotrophe Lebewesen.

Stoffwechsel bei Pflanzen

Der Stoffwechsel von Pflanzen unterliegt dem Prinzip der Autotrophie. Autotrophie bedeutet kurzgefasst Selbsternährung. Autotrophe Organismen können sich demnach von anorganische Verbindungen selbsternähren, indem sie daraus organische Moleküle aufbauen. Bei der Autotrophie wird zwischen Photoautotrophie und Chemoautotrophie unterschieden.

Photoautotrophie

Fast alle Pflanzen ernähren sich photoautotroph. Genauer gesagt: Alle Pflanzen, deren Blätter chlorophyllhaltig sind, haben einen photoautotrophen Stoffwechsel.

Photoautotrophe Organismen nutzen Kohlenstoffdioxid und Lichtenergie zum Aufbau organischer Stoffe. Die bekanntesten Vertreter der Photoautotrophie sind grünblättrige Pflanzen. Pflanzen betreiben Fotosynthese (Photosynthese). Sie stellen aus Kohlenstoffdioxid und Lichtenergie, Glucose und Wasser her. Glucose dient der Pflanze als Energiespeicher.

Nur der 1. Teil der Fotosynthese ist lichtabhängig. Der 2. Teil der Fotosynthese, der Calvin-Zyklus, benötigt keine Lichtenergie. Daher wird dieser Teil der Fotosynthese auch Dunkelreaktion genannt. Mehr Informationen zur lichtabhängigen und lichtunabhängigen Reaktionen der Fotosynthese können in den Artikeln Lichtreaktion und Calvin-Zyklus nachgeschlagen werden.

In Abbildung 2 ist die Photoautotrophie nochmals anschaulich dargestellt, damit die wichtigsten Merkmale nachvollzogen werden können.

Stoffwechsel Photoautotrophie StudySmarterAbbildung 2: PhotoautotrophieQuelle: wikipedia.org

Chemosynthese

Der Stoffwechsel chemoautotropher Organismen funktioniert auch ohne Lichtenergie.

Chemoautotrophe Organismen nutzen stattdessen Schwefel, Eisen oder Nitrit (siehe Abbildung 3). Lebewesen, die Chemosynthese betreiben, sind unter anderem chlorophyllfreie Prokaryoten.

Bakterien, die Chemosynthese betreiben, können in ihrem Stoffwechsel zum Beispiel Schwefel, Eisen oder Nitrit oxidieren.

Die Chemosynthese gliedert sich ebenfalls wie die Fotosynthese in zwei Teile. Der 1. Teil ist so wie der 2. Teil der Chemosynthese lichtunabhängig. Das liegt daran, dass die meisten Organismen, die Chemosynthese betreiben, an Orten leben, wo wenig oder kaum Licht vorhanden ist.

Der 2. Teil der Chemosynthese folgt dem gleichen Mechanismus wie die Fotosynthese: Dem Calvin-Zyklus.

Stoffwechsel Chemoautotrophie StudySmarterAbbildung 3: ChemoautotrophieQuelle: wikipedia.org

Stoffwechsel bei Menschen

Wie schon erwähnt haben Menschen einen heterotrophen Stoffwechsel. Heterotrophe Organismen im Allgemeinen ernähren sich von anderen Lebewesen wie z.B. Pflanzen und Tieren. Der menschliche Stoffwechsel ist so konzipiert, dass sie Proteine, Fette und Kohlenhydrate über die Nahrung aufnehmen müssen.

Menschen ernähren sich nicht selbst, sondern von „fremden“, organischen Kohlenstoffverbindungen. Meschen können also keine organischen Verbindungen aus anorganischen selbst herstellen.

Menschen ernähren sich von Pflanzen und Tieren, die bereits organische Kohlenstoffverbindungen enthalten. Heterotrophe Lebewesen, so auch Menschen, haben einen Verdauungstrakt (Gastrointestinaltrakt). Die Nahrung wird abgebaut, aufgenommen und zu körpereigenen Verbindungen umgebaut. Bei diesen Lebewesen ist die Zellatmung ein essentieller Stoffwechselweg, um Energie in Form von ATP verfügbar zu machen.

ATP ist die universelle Energiewährung der Zelle. Es besteht aus einem Nukleosid Adenin und 3 Phosphatresten. Die Bindung zwischen dem 2. und 3. Phosphat ist sehr energiereich. Wird das der 2. Phosphatrest abgespalten wird Energie frei, die für viele verschiedene Prozesse genutzt werden kann.

Stoffwechsel Heterotrophie StudySmarterAbbildung 4: HeterotrophieQuelle: wikipedia.org

Abbildung 4 verschafft nochmal einen groben Überblick über den Mechanismus der Heterotrophie. In der Abbildung kann man beispielsweise erkennen, dass externe Proteine, Lipide und Kohlenhydrate als Energiequelle genutzt werden und diese in Körpereigene umgewandelt werden und/oder bei der Zellatmung zu Wasser und Kohlenstoffdioxid abgebaut werden.

Zellatmung

Die Zellatmung ist ein wichtiger Teil des Stoffwechsels bei Pflanzen, Tieren und Menschen. Sie ist essentiell für die Energiegewinnung sowohl bei heterotrophen als auch bei autotrophen Lebewesen. Man unterscheidet zwischen aerober und anaerober Zellatmung.

Die Zellatmung gehört zum abbauenden Stoffwechsel, bei dem energiereiche Moleküle schrittweise abgebaut werden. Dabei wird Energie in Form von ATP frei, die im Organismus dann genutzt werden kann.

Aerobe Zellatmung

Die aerobe Zellatmung ist ein Stoffwechselprozess, bei dem energiereiche Moleküle abgebaut werden, indem sie schrittweise oxidiert werden. Die wichtigste Voraussetzung für die aerobe Zellatmung ist also Sauerstoff. Sauerstoff dient hierbei als Oxidationsmittel.

Ein Oxidationsmittel hilft bei chemischen Reaktionen ein Stoff zu oxidieren, wird dabei selbst aber reduziert. Oxidationsmittel sind Elektronenakzeptoren.

Bei der aeroben Zellatmung wird Glucose zur Energiegewinnung zu ATP abgebaut. Die aerobe Zellatmung kann in allen Eukaryoten und Prokaryoten mit Mitochondrien stattfinden. Zu den Eukaryoten zählen vor allem Tiere und Menschen.

Die aerobe Zellatmung besteht aus 3 Teilschritten:

Glykolyse

In der Glykolyse wird 1 Molekül Glucose zu 2 Molekülen Pyruvat abgebaut. Danach wird Pyruvat in der oxidativen Decarboxylierung zu Acetyl-CoA umgebaut.

Citratzyklus

Acetyl-CoA ist ein aktiviertes Molekül. Somit kann es in den Citratzyklus eingebaut werden, indem das Coenzym A abgespalten wird und der Rest des Moleküls an Oxalacetat gebunden wird. Daraus entsteht Citrat. Citrat wird schrittweise abgebaut, wobei pro Zyklus 1 Mol Kohlenstoffdioxid, 2 Mol , 1 Mol und 1 Mol GTP entstehen. GTP ist genauso ein Energieträger wie ATP. Bei GTP ist die Purinbase allerdings Guanin statt Adenin. Im weiteren Verlauf des Zyklus wird Oxalacetat wieder regeneriert, damit der Zyklus erneut ablaufen kann.

Atmungskette

Die Atmungskette findet an der inneren Mitochondrienmembran statt. Dabei geben die energiegeladenen Coenzyme und die aufgenommenen Elektronen wieder ab.

Pro Mol können 3 Moleküle ATP und pro Mol 2 Moleküle ATP generiert werden.

Bei der Atmungskette handelt sich um eine Elektronentransportkette. Die Elektronen werden über membranständige Proteine weitergegeben, sodass sich das Energieniveau verringert. Zuletzt werden die Elektronen dann auf Sauerstoff übertragen. Mit -Ionen entsteht schließlich Wasser. Durch einen Protonengradienten kann ATP synthetisiert werden.

In der Atmungskette wird am meisten ATP generiert. Insgesamt entsteht bei der aeroben Zellatmung ca. 32 Mol ATP. Dieser Stoffwechselweg ist also sehr effektiv bei der Energiegewinnung.

Anaerobe Zellatmung

Der Stoffwechsel bei der anaeroben Zellatmung benötigt keinen Sauerstoff. Bei manchen Organismen kann Sauerstoff sogar toxisch wirken und den Stoffwechsel zum Erliegen bringen. Auch hier wird Glucose abgebaut. Glucose wird bei der anaeroben Zellatmung aber durch Gärungen abgebaut.

Die wichtigsten Stoffwechselprozesse der anaeroben Zellatmung sind die Milchsäuregärung und die alkoholische Gärung. Vor allen Gärungen findet aber unverändert der Abbau von Glucose zu Pyruvat in der Glykolyse statt.

Milchsäuregärung

Bei der Milchsäuregärung wird das aus der Glykolyse entstandene Pyruvat zu Lactat abgebaut. Lactat ist das Anion der Milchsäure. Bei der Milchsäuregärung allein entsteht kein ATP. Die dabei entstandenen 2 ATP-Moleküle stammen aus der Glykolyse.

Die Milchsäuregärung hat bei anaerob lebenden Organismen den Zweck, Energie zu gewinnen. Bei Lebewesen mit hauptsächlich aeroben Stoffwechsel, wie z.B. bei Menschen, ist der Zweck der Milchsäuregärung eher, dass die Glykolyse weiterhin ablaufen kann, wenn zeitweise kein Sauerstoff vorhanden ist. Es wird verhindert, dass sich Pyruvat anstaut und die Glykolyse zum Erliegen kommt. Wäre das der Fall, könnte Glucose nicht mehr abgebaut werden und würde sich anstauen.

Alkoholische Gärung

Bei der alkoholischen Gärung wird das aus der Glykolyse entstandene Pyruvat zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid abgebaut. Auch bei der alkoholischen Gärung entsteht kein ATP. Nur die Glykolyse generiert hierbei 2 ATP-Moleküle.

Die alkoholische Gärung dient anaeroben Lebewesen zur Energiegewinnung.

Zellatmung – Fazit

Der anaerobe Stoffwechsel ist verglichen mit dem aeroben Stoffwechsel um einiges ineffizienter bei der Energiegewinnung. Aber warum gibt es dann überhaupt die anaerobe Zellatmung? Zum einen haben bestimmte Lebewesen keine andere Wahl, da in den Gebieten, in denen sie leben, kein Sauerstoff vorhanden ist. Zum anderen verhindern die Gärungen einen Glucose-Stau. Dabei wird zwar nicht so viel Energie frei, aber der Stoffwechsel kommt nicht zum Erliegen.

Es gibt Organismen, die sowohl aerobe als auch anaerobe Stoffwechselwege besitzen. Das sind zum Beispiel Menschen. Klar ist aber, wenn Sauerstoff vorhanden ist, läuft immer die aerobe Zellatmung ab, weil die Energiebilanz viel höher ist.

Stoffwechsel - Das Wichtigste

  • Stoffwechsel ist der Transport, Aufbau und Abbau chemischer Verbindungen in einem Organismus.
  • Im katabolen Stoffwechsel werden komplexe Verbindungen zu einfachen Verbindungen abgebaut, wobei Energie frei wird. Im anabolen Stoffwechsel werden umgekehrt kleinere Moleküle zu zu größeren Verbindungen aufgebaut.
  • Autotrophe Organismen können sich mithilfe von anorganischen Verbindungen selbst ernähren.
  • Heterotrophe Lebewesen können sich nicht selbst ernähren. Sie müssen Proteine, Fette und Kohlenhydrate über die Nahrung aufnehmen.
  • Die Zellatmung ist essentiell für die Energiegewinnung im Stoffwechsel. Energiereiche Moleküle werden schrittweise abgebaut.
  • Bei der aeroben Zellatmung werden energiereiche Moleküle schrittweise oxidiert. Dieser Teil des Stoffwechsels besteht aus 3 Teilschritten: Glykolyse, Citratzyklus und Atmungskette.
  • Bei der anaeroben Zellatmung werden auch energiereiche Moleküle abgebaut, aber mithilfe von Gärungen ohne Sauerstoff.

Stoffwechsel

Der Stoffwechsel ist der Transport, Aufbau und Abbau chemischer Verbindungen in einem Organismus. Stoffwechselprozesse dienen der Energiegewinnung und somit dem Überleben von Organismen.

Es gibt sehr viele verschiedene Stoffwechselvorgänge. Man kann diese zum einen grob in katabole und anabole Stoffwechselvorgänge einteilen. Zum anderen kann man sie auch in heterotrophe und autotrophe Stoffwechselvorgänge einteilen, weil sich der Stoffwechsel zwischen diesen Organismen stark unterscheidet. Einer der wichtigsten Stoffwechselvorgänge ist die Zellatmung, die bei allen Lebewesen abläuft, die einen Zellkern besitzen.

Die Leber ist das wichtigste Organ im Stoffwechsel.

Der Stoffwechsel im menschlichen Körper wird in Anabolismus und Katabolismus eingeteilt. Da Menschen heterotroph sind, müssen sie Proteine, Fette und Kohlenhydrate durch Nahrung aufnehmen. Diese Nährstoffe werden im Körper zu körpereigenen Molekülen umgewandelt. Die körpereigenen Baustoffe können entweder gespeichert oder abgebaut werden. Werden sie abgebaut, handelt es sich um katabole Stoffwechselwege, wobei Energie frei wird.

Finales Stoffwechsel Quiz

Frage

Bitte gib eine kurze Definition für den Stoffwechsel an.

Antwort anzeigen

Antwort

Der Stoffwechsel eines Organismus fasst alle biochemischen Vorgänge zusammen, die mit dem Aufbau, Abbau und Transport von chemischen Verbindungen zusammenhängen.

Frage anzeigen

Frage

Welche Lebewesen haben einen Verdauungstrakt (Gastrointestinaltrakt) ?

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Antwort

Heterotrophe Lebewesen

Frage anzeigen

Frage

Wie wird der Stoffwechsel hauptsächlich unterteilt?

Antwort anzeigen

Antwort

Gastrointestinaltrakt/Kein Gastrointestinaltrakt

Frage anzeigen

Frage

Welche Formen der Zellatmung gibt es?

Antwort anzeigen

Antwort

aerobe Zellatmung

Frage anzeigen

Frage

Was sind die Hauptunterschiede zwischen aerober und anaerober Zellatmung?

Antwort anzeigen

Antwort

  • anaerob: benötigt keinen Sauerstoff
  • aerob: Sauerstoff wird benötigt
Frage anzeigen

Frage

Was sind heterotrophe Organismen?

Antwort anzeigen

Antwort

Heterotrophe Organismen ernähren sich von anderen Lebewesen wie z.B. Pflanzen und Tieren. Sie können sich nicht selbst ernähren, d.h. aus anorganischen Verbindungen keine organischen Kohlenstoffverbindungen (z.B. Glucose) herstellen.

Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet Katabolismus?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Katabolismus werden komplexe Verbindungen zu einfachen Verbindungen abgebaut, wobei Energie frei wird.

Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet Anabolismus?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Anabolismus hat der Körper genügend Energie und kann sie im Körper speichern. Aus kleineren Molekülen, die über die Nahrung aufgenommen werden, können größere Moleküle aufgebaut und eingelagert werden (z.B. in Form von Fettgewebe).

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Frage

Was bedeutet Autotrophie?

Antwort anzeigen

Antwort

Autotrophie bedeutet Selbsternährung. Autotrophe Organismen können sich von anorganische Verbindungen selbsternähren, indem sie daraus organische Moleküle aufbauen.

Frage anzeigen

Frage

Welche Formen der Autotrophie gibt es?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Photoautotrophie
  • Chemoautotrophie
Frage anzeigen

Frage

Was sind die Hauptunterschiede zwischen Chemoautotrophie und Photoautotrophie?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Photoautotrophie:
    • Energiequellen: Licht, Sauerstoff
  • Chemoautotrophie:
    • Energiequellen: Oxidation anorganischer Substanzen (Nitrit/Schwefel/Eisen)


Frage anzeigen

Frage

Was ist Zellatmung? Beschreibe kurz, was darunter zu verstehen ist.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Zellatmung ist ein wichtiger Teil des Stoffwechsels bei Pflanzen, Tieren und Menschen.  Sie ist ein abbauender Stoffwechselweg, bei dem energiereiche Molekülen abgebaut werden. Dabei wird Energie in Form von ATP frei, die im Organismus dann genutzt werden kann.

Frage anzeigen

Frage

Aus welchen Teilschritten besteht die aerobe Zellatmung? Welche der folgenden Antwortmöglichkeiten ist richtig?

Antwort anzeigen

Antwort

Glykogenolyse

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Frage

Wie viel Mol ATP wird bei der aeroben Zellatmung pro Mol Glucose in etwa generiert?

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Antwort

ca. 2 ATP

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Frage

Was sind die Hauptnährstoffe für den menschlichen Körper?

Antwort anzeigen

Antwort

Proteine

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