Stoffwechsel

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Energienutzung bei Lebewesen

Die biochemischen Reaktionen in lebenden Zellen sind entweder exergonisch oder endergonisch. Exergonische Reaktionen finden vor allem im Katabolismus statt und setzen Energie frei. Bei endergonischen Reaktionen dagegen, wie sie für den Anabolismus typisch sind, muss Energie von außen zugeführt werden. Wenn Substanzen in einer endergonischen Reaktion Energie aufgenommen haben, sind sie anschließend zur exergonischen Reaktion fähig.

Bei den Redoxreaktionen in der Zelle stellen biochemische Oxidationsreaktionen das Gegengewicht zu endergonischen Reaktionen dar. Treibt eine Stoffwechselreaktion eine andere an, bezeichnet man die beiden Vorgänge als gekoppelt. Der Stoffwechsel umfasst eine Reihe solcher Energie liefernder Reaktionen, die untereinander verknüpft sind und damit in den Zellen komplexe Reaktionszyklen oder -kaskaden bilden.

Die chemische Energie wird in den Zellen in Form von Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert. Diese Verbindung enthält energiereiche Anhydridbindungen zwischen den Phosphorsäuremolekülen. Geht die Energie aus diesen Bindungen auf andere Moleküle über, verliert das ATP durch Hydrolyse eine oder zwei seiner drei Phosphatgruppen, so dass Adenosindiphosphat (ADP) oder Adenosinmonophosphat (AMP) entsteht. ADP und AMP können unter Energieaufwand und Wasserverbrauch wieder zu ATP werden.

Zellen gewinnen die Energie für die ATP-Bildung in erster Linie in den gekoppelten Redoxreaktionen der Atmungskette, die in den Mitochondrien ablaufen. Geringe Mengen an ATP oder diesem ähnlichen Guanosintriphosphat (GTP) werden auch in der Glykolyse und im Citratzyklus gebildet. Die hier entstehenden Coenzyme Nicotinamid-adenin-dinucleotid (NAD), Nicotinamid-adenin-dinucleotid-phosphat (NADP) und Flavin-adenin-dinucleotid (FAD) übertragen als so genannte Reduktionsäquivalente mit Wasserstoff die Energie für die ATP-Bildung in der Atmungskette. Pflanzenzellen erzeugen außerdem bei der Lichtreaktion der Photosynthese einige dieser energiereichen Moleküle.

Da die Atmungskette derjenige Stoffwechselprozess ist, bei dem am meisten Energie gewonnen wird, atmen die meisten Lebewesen Sauerstoff. Ist dies nicht möglich, etwa wenn kein Sauerstoff verfügbar ist, muss Energie über den anaeroben Prozess der Gärung gewonnen werden. Gärung liefert deutlich weniger Energie als die aerobe Atmung und wird deswegen fast ausschließlich von Bakterien und anderen Mikroorganismen genutzt. Man unterscheidet je nach Endprodukt verschiedene Gärungsformen, z. B. die alkoholische Gärung zu Ethanol, die Buttersäuregärung, die Essigsäuregärung und die Milchsäuregärung.

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Die Regulation des Stoffwechsels

Dominiert beim Stoffwechsel der Anabolismus über den Katabolismus, kommt es zu Wachstum oder Gewichtszunahme, im umgekehrten Fall, beispielsweise in Hunger- oder Krankheitsphasen, zu Gewichtsverlust. Normalerweise befindet sich der Organismus eines ausgewachsenen Lebewesens aber im Gleichgewicht, der Homöostase. Da mit dem Stoffwechsel ständig Nährstoffe aufgenommen und Abfallstoffe ausgeschieden werden, ist die Homöostase dynamisch (Fließgleichgewicht). Und da ständig Zellen und Gewebe absterben, müssen alle Stoffwechselvorgänge sehr genau reguliert werden.

Ein wichtiger Regulationsmechanismus ist die Steuerung der Enzymaktivität. Jedes Enzymmolekül besitzt ein aktives Zentrum, das in seiner Struktur zu dem Substrat passt, also der Verbindung, die von dem Enzym umgesetzt wird. Aufgrund dieser genauen Passform (Schlüssel-Schloss-Prinzip) können die geschwindigkeitsbestimmenden Enzyme die Reaktionen in den Zellen kontrollieren. Schon eine winzige Menge eines solchen Enzyms führt im Zellstoffwechsel zu großen Veränderungen.

Eine andere Art der Stoffwechselsteuerung ist die negative Rückkopplung (siehe Biofeedback): Wenn die Zelle ein bestimmtes Produkt in größeren Mengen herstellt, hemmt dieses Produkt ab einem gewissen Zeitpunkt (bei einer bestimmten Konzentration des Moleküls im Zytoplasma) das Enzym, das für seine Entstehung sorgt. Auch über die Genregulation läuft eine solche negative Rückkopplung ab. Enzyme werden außerdem durch andere Stoffe (Inhibitoren) gehemmt. Bei der kompetitiven Hemmung bindet das Inhibitormolekül anstelle des Substrats an das aktive Zentrum und blockiert es. Bei der allosterischen Hemmung verändert das Inhibitormolekül durch Bindung an das Enzym die Struktur des aktiven Zentrums, wodurch dieses inaktiviert wird.

Beim Menschen werden die meisten Stoffwechselprozesse vom vegetativen Nervensystem und vom endokrinen System koordiniert. Hormone gelangen über das Blut zu ihren Zielzellen im Gewebe und binden dort an Rezeptoren in der Zellmembran. Über ein G-Protein auf der Innenseite der Membran und den Botenstoff cAMP (cyclisches Adenosinmonophosphat; siehe ATP) werden Proteinkinasen aktiviert, welche die Bildung anderer Enzyme in der Zelle fördern. Lipophile Hormone dringen in die Zelle ein und lösen dort direkt eine Stoffwechselreaktion aus. Sowohl cAMP als auch Hormone werden meist rasch abgebaut und die betreffende Stoffwechselreaktion dadurch beschränkt. An der hormonellen Steuerung maßgeblich beteiligt sind die Schilddrüsenhormone Thyroxin und Triiodthyronin; sie steuern den Grundumsatz des Organismus. Auch im Stoffwechsel der Pflanzen spielen Hormone eine wichtige Rolle, z. B. Auxin oder Gibberelline.

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Angeborene Stoffwechselstörungen

Fehlt ein Enzym aufgrund eines erblichen Defekts, ist die chemische Umsetzung, an der es normalerweise beteiligt ist, blockiert. Enzymatisch bedingte Stoffwechseldefekte werden auch als Enzymopathien bezeichnet. Ein Enzymdefekt verhindert in manchen Fällen den Aufbau eines Zellprodukts, z. B. bei Hämophilie oder Thalassämie, oder eine aufgenommene Substanz wird nicht abgebaut, z. B. bei Favismus. In anderen Fällen sammelt sich ein Stoffwechselprodukt in zu großer Menge an, und das Gewebe wird geschädigt, etwa bei Alkaptonurie und Mukoviszidose.

Ein Defekt des Zuckerstoffwechsels ist die Galactosämie. Hier fehlt das Enzym Galactose-1-phosphat-uridyltransferase, das für die Umwandlung von Galactose in Glucose sorgt. Die Betroffenen können Lactose (Milchzucker) nicht abbauen, so dass diese sich im Blut anhäuft. Zu den Folgen zählen Gehirn- und Leberschäden, Augenschäden (Katarakt) und geistige Behinderung. Durch Hormonmangel ausgelöste Stoffwechseldefekte sind beispielsweise Diabetes mellitus (Zuckerkrankheit) und Diabetes insipidus; diese Krankheiten können behandelt werden, indem man dem Organismus das fehlende Hormon zuführt.

Einige Stoffwechselstörungen wirken sich schon im Kleinkindalter aus, andere erst beim Erwachsenen. Manche angeborenen Störungen sind tödlich, manche sind dauerhaft. Bei Phenylketonurie ist die Umsetzung der Aminosäure Phenylalanin blockiert; die sich ansammelnden Stoffwechselprodukte können das Gehirn schädigen und zu schweren Behinderungen führen. Duchenne-Muskeldystrophie äußert sich meist schon bei Kindern in einer Gehbehinderung und kann später zum Tod durch Herz- oder Atemmuskelversagen führen.