Stoffwechsel

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 Biologie – Definition

Um den Stoffwechsel in der Biologie zu definieren, musst Du erst verstehen, was Enzyme sind. 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.

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

Stoffwechsel einfach erklärt

Der Stoffwechsel kann einfach erklärt werden:

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

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

Damit ein Überblick über die Stoffwechselwege gewonnen werden kann, wird der Stoffwechsel in Katabolismus und Anabolismus eingeteilt. Katabole Stoffwechselwege sind abbauende Vorgänge. Dabei werden chemische Verbindungen abgebaut bzw. gespalten. Anabole Stoffwechselwege sind hingegen aufbauende Vorgänge.

Stoffwechselvorgänge: 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.

Stoffwechselvorgänge: 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.

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 $NA{D}^{+}$ und ${\mathrm{NADP}}^{+}$ wieder reduziert (nehmen Wasserstoffatome auf).

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

Abbildung 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 der 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.

Abbildung 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.

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.

Abbildung 3: ChemoautotrophieQuelle: wikipedia.org

Stoffwechsel des Menschen

Der Stoffwechsel des Menschen verläuft heterotroph. 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.

Abbildung 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.

Stoffwechsel – 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.

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
• Citratzyklus (inkl. oxidativer Decarboxylierung)
• Atmungskette

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 $\mathrm{NADH}+{\mathrm{H}}^{+}$, 1 Mol ${\mathrm{FADH}}_2$ 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 $\mathrm{NADH}+{\mathrm{H}}^{+}$ und ${\mathrm{FADH}}_2$ die aufgenommenen Elektronen wieder ab.

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 ${\mathrm{H}}^{+}$-Ionen entsteht schließlich Wasser. Durch einen Protonengradienten kann ATP synthetisiert werden.

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.

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.