Stoffwechsel

4.1

Proteine

Die teils hochkomplex aufgebauten Proteinmoleküle werden bei der Verdauung zu stickstoffhaltigen Bausteinen zersetzt, den Aminosäuren. Aminosäuren werden im Anabolismus der Zellen z. B. für den Aufbau von Enzymen und Membranproteinen verwendet. Sie dienen auch der Synthese vieler Hormone und Pigmente und werden zu heterocyclischen Verbindungen wie den organischen Basen (Bestandteilen von ATP und Nucleinsäuren), Schiff’schen Basen, Aminen und anderen stickstoffhaltigen Zwischenprodukten umgebaut. Ein Teil der Aminosäuren geht in den Zuckerstoffwechsel ein.

Beim Katabolismus der Aminosäuren wird zunächst der stickstoffhaltige Teil des Aminosäuremoleküls, die Aminogruppe, abgetrennt (Desaminierung), so dass der überschüssige Stickstoff ausgeschieden werden kann. Je nach Organismus entsteht dabei als Endprodukt des Proteinabbaus Ammoniak bzw. Ammonium, Harnstoff oder Harnsäure. Der noch verbliebene Teil des Aminosäuremoleküls wird entweder im Amphibolismus weiterverwertet oder zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut und ebenfalls ausgeschieden.

4.2

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate werden bei der Verdauung in kleinere Zucker (Oligosaccharide und Monosaccharide) gespalten. Dabei entsteht vor allem Glucose (Traubenzucker). Sie deckt den Energiebedarf des Organismus und wird daher im Stoffwechsel sehr schnell umgesetzt. In der Glykolyse wird ein Glucosemolekül in zwei Moleküle Brenztraubensäure gespalten, die weiter zu sechs Molekülen Kohlendioxid oxidiert werden. Wird die Glucose nicht sofort als Energielieferant gebraucht, wird sie als Glykogen (siehe Stärke) in Leber und Muskeln gespeichert. Sind die Reserven aufgefüllt, werden weitere Glucoseüberschüsse in Fett umgewandelt und im Fettgewebe abgelagert. Siehe auch Zuckerstoffwechsel

Kohlenhydrate werden nicht nur bei der Photosynthese, sondern auch auf anderen Stoffwechselwegen aufgebaut. Im menschlichen Organismus wird beispielsweise Glucose regelmäßig neu gebildet, da das Blut nicht immer (z. B. während Hungerphasen) genug davon enthält. Dieser Gluconeogenese bezeichnete Prozess findet vorwiegend in der Leber und in den Nieren statt, ausgehend von z. B. Pyruvat oder Lactat (Milchsäure). In den Zellen einiger Mikroorganismen oder in keimenden ölreichen Pflanzensamen, z. B. Nüssen, werden Kohlenhydrate auch im Glyoxylatzyklus, einem Nebenweg des Citratzyklus, aus Acetyl-CoA oder aus Fetten aufgebaut.

4.3

Fette

Fette werden bei der Verdauung hydrolysiert und zerfallen dabei in ihre Bestandteile, vorwiegend Fettsäuren und Glycerin. Diese Verbindungen dienen dann u. a. zur Synthese von Glyko- und Phospholipiden (Lipidverbindungen, aus denen Membranen bestehen) und Cholesterinverbindungen, aus denen dann z. B. Lipoproteine oder Steroidhormone gebildet werden. Fett wird auch als Speicherfett im Gewebe abgelagert, um bei Bedarf wieder mobilisiert zu werden. Dann wird es wie die Glucose zu Kohlenstoffverbindungen abgebaut, die letztlich zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert werden. Beim Abbau von Fettsäuren entstehen größere Mengen an Acetyl-CoA, dem Ausgangsstoff zahlreicher Stoffwechselwege des Amphibolismus.

4.4

Mineralstoffe, Spurenelemente und Vitamine

Vitamine sind organische Verbindungen, die Lebewesen z. B. als Coenzyme brauchen. Pflanzen, Pilze und Mikroorganismen können Vitamine selbst aufbauen, Tiere müssen sie, von wenigen Ausnahmen abgesehen, mit der Nahrung aufnehmen. Mineralstoffe und Spurenelemente tauchen im Stoffwechsel meist in Form von Ionen auf und werden im Organismus z. B. für den Aufbau eines Membranpotentials oder als Kofaktor von Enzymen benötigt. Siehe Ernährung des Menschen

5

Energiegehalt von Nährstoffen

Der Energiegehalt von Nährstoffen wird in Kalorien oder Joule gemessen. Übliche Einheit im Zusammenhang mit dem Stoffwechsel ist die Kilokalorie, also die Energiemenge, mit der man ein Kilogramm Wasser um 1 °C erwärmen kann. Kohlenhydrate und Proteine haben einen durchschnittlichen Energiegehalt – auch Brennwert genannt – von etwa 17 Kilojoule (4,1 Kilokalorien) je Gramm. Der Energiegehalt von Fetten liegt bei rund 39 Kilojoule (9,3 Kilokalorien) pro Gramm.

Wenn Nährstoffe im Organismus eines Tieres oxidiert werden, liefern sie mehr Wärme als nutzbare Energie. So kommt in den Muskeln auf jeweils vier Kalorien Wärme nur eine Kalorie mechanische Arbeit. Doch ist Wärme nicht nutzlos. Denn sie hält insbesondere bei gleichwarmen Tieren die Körpertemperatur aufrecht und setzt dadurch Stoffwechselreaktionen in Gang, die bei niedrigeren Temperaturen so langsam ablaufen würden, dass sie die Körperfunktionen nicht erhalten könnten.

Lebende Zellen unterliegen bei der Energieumwandlung zwar denselben Gesetzen wie Kraftmaschinen, aber sie sind erheblich wandlungsfähiger: Lebewesen können das eigene Gewebe aufbrauchen, wenn alle anderen Energiequellen erschöpft sind. Außerdem wird die Energie in lebenden Zellen nicht durch schnelle Verbrennung freigesetzt, sondern allmählich in vielen kleinen chemischen Schritten. Auch treibt die Energie aus einer bestimmten chemischen Reaktion weitere Reaktionen voran und belastet die Zellen daher so wenig wie möglich.