Überblick: Stoffwechsel

Der Begriff des Stoffwechsels beschreibt alle biochemischen Vorgänge in lebenden Organismen. Im Menschen sind also alle Prozesse gemeint, die in jeder menschlichen Körperzelle stattfinden. Dabei können die Funktion dieser Reaktionen alle möglichen Funktionen haben: Sie halten beispielsweise die Körpertemperatur konstant, bauen Körpermasse auf oder mobilisieren Energiereserven für körperliche Anstrengung.

Aktualisiert: 28.03.2023

Redaktionelle Verantwortung: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

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Grundlagen

Einleitung

Ganz allgemein ausgedrückt läuft der Stoffwechsel folgendermaßen ab: Nährstoffe werden je nach Anspruch des Körpers verwertet und es entstehen Produkte, die der menschliche Körper nicht weiter verwerten kann. Diese Stoffe werden dann durch Atmung, Urin, Fäzes und Schweiß ausgeschieden. Als heterotropes Lebewesen muss der Mensch Nährstoffe von außen zu sich nehmen. Er kann sich nicht selbst versorgen, wie es Pflanzen durch Fotosynthese tun.

Stoffwechselvorgänge sind meist komplexe biochemische Reaktionsketten, in deren Verlauf entweder energiereiche Substanzen zur Speicherung hergestellt werden oder diese zur Energiegewinnung abgebaut werden. Es herrscht also ein Gleichgewicht zwischen Auf- und Abbau von Biomasse, dessen Schwerpunkt den aktuellen Bedürfnissen des Körpers angepasst wird.

Ein wichtiges Prinzip im Stoffwechsel sind Reaktionszyklen, also Reaktionsketten, die im Kreis laufen (z. B. der Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels). Ausgangs- und Endsubstrat sind der gleiche Stoff. An die Umwandlung der Stoffe ineinander werden weitere Reaktionen gekoppelt, in denen die Energie, also die kovalenten Bindungen der Substanzen, in anderer Form gespeichert wird oder diese freigesetzt wird.

Ein zentrales Molekül im Stoffwechsel ist das Adenosintriphosphat (ATP). Es ist sozusagen die Energiewährung des Körpers. In so gut wie allen Stoffwechselprozessen ist ATP als Energieträger beteiligt. ATP ist damit auch die Energiequelle für die Kontraktion sämtlicher Muskeln des Körpers.

Bei der Regulation des Stoffwechsels spielen Hormone Hormone Endokrines System: Überblick eine entscheidende Rolle. Besonders deutlich wird das in Krankheitssituationen, in denen die Hormonproduktion entweder gesteigert oder gesenkt ist.

Wichtige Begriffe und Definitionen

  • Metabolismus: Metabolismus ist ein Synonym für Stoffwechsel.
  • Katabolismus: Unter dem Begriff Katabolismus sind alle Stoffwechselvorgänge zusammengefasst, unter denen Biomasse abgebaut wird. Komplex aufgebaute Moleküle werden zu simpleren Molekülen abgebaut. Das Ziel dieser Prozesse ist es, die in dieser Biomasse (z. B. Fett oder Glykogen) gespeicherte Energie freizusetzen. So kommt es bei Hunger oder körperlicher Anstrengung zu katabolen Stoffwechselsituationen. Glucagon und Adrenalin sind Hormone Hormone Endokrines System: Überblick mit stark kataboler Wirkung.
  • Anabolismus: Das Gegenteil des Katabolismus ist der Anabolismus. Hier wird also nach Nahrungsaufnahme Biomasse aufgebaut. Ausgehend von simplen Molekülstrukturen werden komplexere Substanzen synthetisiert. Die Energie der Nahrung wird in möglichst kondensierter Form gespeichert. Es wird also z. B. Fett und Glykogen aufgebaut. Insulin Insulin Insulin ist ein klassisch anaboles Hormon.
  • Intermediate: Der Stoffwechsel ist so aufgebaut, dass mehrere Stoffwechselwege entweder ein bestimmtes Molekül als Endprodukt haben oder mit diesem Molekül starten. Diese sogenannten Intermediate (z. B. Acetyl-CoA Acetyl-CoA Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels) stellen also Zwischenstationen dar. Von diesen Stationen werden dann je nach aktueller Situation (katabol oder anabol) die nächsten Wege eingeschlagen.
  • Metabolite: Metabolite sind Stoffe, die im Zuge des Stoffwechsels innerhalb der Zelle anfallen. Sie entstehen durch enzymatische katalysierte Reaktionen und können in Folgereaktionen eintreten.

Organisation des Stoffwechsels

Der Stoffwechsel lässt sich in größere Gruppen unterteilen. So gibt es die den Kohlenhydrat-, den Fett- und den Proteinstoffwechsel. Diese drei Bereiche sind nicht isoliert zu betrachten, da sie an einigen Stellen durch Intermediatbildung ineinander übergehen können. Es gibt noch eine ganze Menge weiterer Stoffwechselwege, diese drei Gruppen sind allerdings besonders wichtig.

In allen drei Fällen lässt sich eine Organisation von hochkomplexen Strukturen zu simplen Molekülen (bzw. umgekehrt) beobachten. Im Kohlenhydratstoffwechsel werden die aufgenommenen Zucker beispielsweise in Form von stark verzweigtem Glykogen in der Leber Leber Leber und im Muskel gespeichert. Wird die Energie benötigt, wird Glucose aus Glykogen freigesetzt und durch die Glykolyse Glykolyse Glykolyse entsteht das Intermediat Acetyl-CoA Acetyl-CoA Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels. Dieses kann anschließend im Citratzyklus Citratzyklus Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels weiterverwertet werden. Schließlich wird in der Atmungskette im Mitochondrium Wasser gebildet, was als einfaches Molekül am Ende dieses Stoffwechselweges steht.

Dass Intermediate wie Acetyl-CoA Acetyl-CoA Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels die Verbindung der Stoffwechselwege darstellen, ist daran festzumachen, dass auch der Abbau von Fett aus den komplexen Triacylglyceriden und von einigen Proteinen mit einer ebenfalls hochkomplexen Tertiärstruktur zur Produktion dieses Moleküls führt. Gleichzeitig stellt es auch den Ausgangspunkt für die Fettsäuresynthese dar. Nimmt man beispielsweise besonders viele Kohlenhydrate Kohlenhydrate Chemie der Kohlenhydrate zu sich und verbraucht die Energie aber nicht, so häuft sich Acetyl-CoA Acetyl-CoA Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels an und die Fettsäuresynthese wird stimuliert. Darin ist der Übergang vom Kohlenhydrat- zum Fettstoffwechsel Fettstoffwechsel Fettstoffwechsel zu sehen.

Überblick wichtiger organischer Reaktionen

Bei jedem Stoffwechselweg gibt es besonders wichtige Reaktionen. Meist handelt es sich dabei um Reaktionen, die am Anfang der Reaktionskette stehen. Sie sind in den meisten Fällen stark exergon und dadurch irreversibel. Werden die Enzyme Enzyme Grundlagen der Enzyme, die diese Schrittmacherreaktionen katalysieren, gehemmt, können die Stoffwechselwege reguliert werden. Das ist natürlich für die Pharmakologie attraktiv.

Eine solche Reaktion ist beispielsweise die Phosphorylierung von Fructose-6-Phosphat an der Position 1 durch das Enzym Phosphofructokinase. Sie ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Glykolyse Glykolyse Glykolyse. Weitere Beispiele für solche Reaktionen sind die Carboxylierung von Acetyl-CoA Acetyl-CoA Citratzyklus: die Drehscheibe des Stoffwechsels im Rahmen der Fettsäuresynthese und die Dehydrogenisierung von Glucose-6-Phosphat im Pentosephosphatweg Pentosephosphatweg Pentosephosphatweg.

ATP und die Funktion organischer Phosphate (kurze Erläuterung)

Wie bereits erwähnt, ist ATP der wichtigste Energieträger in der Biochemie. Es handelt sich dabei um das Nukleotid Adenosin, das mit drei Phosphatgruppen (α, β, γ) verbunden ist. Die Phosphatgruppen sind dabei in Serie miteinander verbunden und können nach und nach abgespalten werden. Durch die Spaltung der hochenergetischen Säureanhydrid-Bindung wird Energie frei, die für weitere Reaktionen genutzt werden kann.

Im Muskel wird dadurch das Abkippen des Myosinköpfchens ermöglicht, wodurch sich der Muskel kontrahiert. Eine wichtige Funktion des ATP ist es außerdem, Reaktionen mit positivem ΔG ablaufen zu lassen. Durch die Kopplung an die Spaltung der Säureanhydrid-Bindung mit stark negativem ΔG wird die Summe der ΔG beider Reaktionen negativ und dadurch möglich.

Außerdem sind die Nukleotide ATP, GTP, CTP und TTP in ihrer desoxygenierten Form die Bausteine der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA. Die Phosphate werden in der Biochemie für die Regulation von Proteinen benötigt. So können Kinasen Phosphate auf Proteine Proteine Proteine und Peptide übertragen und sie dadurch aktivieren oder inhibieren. Phosphatasen sind die Gegenspieler, welche die Phosphatgruppen wieder entfernen können.

Quellen

  1. Spektrum, Kompaktlexikon der Biologie: Stoffwechsel. http://www.spektrum.de/lexikon/biologie-kompakt/stoffwechsel/11335 (Zugriff am 14.03.2023)
  2. Zytologie-online: Adenosintriphosphat (ATP). http://www.zytologie-online.net/atp.php (Zugriff am 14.03.2023)
  3. Spektrum, Lexikon der Biochemie: Schrittmacherenzyme. http://www.spektrum.de/lexikon/biochemie/schrittmacherenzyme/5590 (Zugriff am 14.03.2023)
  4. Rassow J., Netzker R., Hauser K.: Duale Reihe Biochemie. 5. überarbeitete Auflage. Thieme. Stuttgart. 2022.

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Simon Veiser

Simon Veiser beschäftigt sich seit 2010 nicht nur theoretisch mit IT Service Management und ITIL, sondern auch als leidenschaftlicher Berater und Trainer. In unterschiedlichsten Projekten definierte, implementierte und optimierte er erfolgreiche IT Service Management Systeme. Dabei unterstützte er das organisatorische Change Management als zentralen Erfolgsfaktor in IT-Projekten. Simon Veiser ist ausgebildeter Trainer (CompTIA CTT+) und absolvierte die Zertifizierungen zum ITIL v3 Expert und ITIL 4 Managing Professional.

Dr. Frank Stummer

Dr. Frank Stummer ist Gründer und CEO der Digital Forensics GmbH und seit vielen Jahren insbesondere im Bereich der forensischen Netzwerkverkehrsanalyse tätig. Er ist Mitgründer mehrerer Unternehmen im Hochtechnologiebereich, u.a. der ipoque GmbH und der Adyton Systems AG, die beide von einem Konzern akquiriert wurden, sowie der Rhebo GmbH, einem Unternehmen für IT-Sicherheit und Netzwerküberwachung im Bereich Industrie 4.0 und IoT. Zuvor arbeitete er als Unternehmensberater für internationale Großkonzerne. Frank Stummer studierte Betriebswirtschaft an der TU Bergakademie Freiberg und promovierte am Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung in Karlsruhe.

Sobair Barak

Sobair Barak hat einen Masterabschluss in Wirtschaftsingenieurwesen absolviert und hat sich anschließend an der Harvard Business School weitergebildet. Heute ist er in einer Management-Position tätig und hat bereits diverse berufliche Auszeichnungen erhalten. Es ist seine persönliche Mission, in seinen Kursen besonders praxisrelevantes Wissen zu vermitteln, welches im täglichen Arbeits- und Geschäftsalltag von Nutzen ist.

Wolfgang A. Erharter

Wolfgang A. Erharter ist Managementtrainer, Organisationsberater, Musiker und Buchautor. Er begleitet seit über 15 Jahren Unternehmen, Führungskräfte und Start-ups. Daneben hält er Vorträge auf Kongressen und Vorlesungen in MBA-Programmen. 2012 ist sein Buch „Kreativität gibt es nicht“ erschienen, in dem er mit gängigen Mythen aufräumt und seine „Logik des Schaffens“ darlegt. Seine Vorträge gestaltet er musikalisch mit seiner Geige.

Holger Wöltje

Holger Wöltje ist Diplom-Ingenieur (BA) für Informationstechnik und mehrfacher Bestseller-Autor. Seit 1996 hat er über 15.800 Anwendern in Seminaren und Work-shops geholfen, die moderne Technik produktiver einzusetzen. Seit 2001 ist Holger Wöltje selbstständiger Berater und Vortragsredner. Er unterstützt die Mitarbeiter von mittelständischen Firmen und Fortune-Global-500- sowie DAX-30-Unternehmen dabei, ihren Arbeitsstil zu optimieren und zeigt Outlook-, OneNote- und SharePoint-Nutzern, wie sie ihre Termine, Aufgaben und E-Mails in den Griff bekommen, alle wichtigen Infos immer elektronisch parat haben, im Team effektiv zusammenarbeiten, mit moderner Technik produktiver arbeiten und mehr Zeit für das Wesentliche gewinnen.

Frank Eilers

Frank Eilers ist Keynote Speaker zu den Zukunftsthemen Digitale Transformation, Künstliche Intelligenz und die Zukunft der Arbeit. Er betreibt seit mehreren Jahren den Podcast „Arbeitsphilosophen“ und übersetzt komplexe Zukunftsthemen für ein breites Publikum. Als ehemaliger Stand-up Comedian bringt Eilers eine ordentliche Portion Humor und Lockerheit mit. 2017 wurde er für seine Arbeit mit dem Coaching Award ausgezeichnet.

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Yasmin Kardi ist zertifizierter Scrum Master, Product Owner und Agile Coach und berät neben ihrer Rolle als Product Owner Teams und das höhere Management zu den Themen agile Methoden, Design Thinking, OKR, Scrum, hybrides Projektmanagement und Change Management.. Zu ihrer Kernkompetenz gehört es u.a. internationale Projekte auszusteuern, die sich vor allem auf Produkt-, Business Model Innovation und dem Aufbau von Sales-Strategien fokussieren.

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Leon Chaudhari ist ein gefragter Marketingexperte, Inhaber mehrerer Unternehmen im Kreativ- und E-Learning-Bereich und Trainer für Marketingagenturen, KMUs und Personal Brands. Er unterstützt seine Kunden vor allem in den Bereichen digitales Marketing, Unternehmensgründung, Kundenakquise, Automatisierung und Chat Bot Programmierung. Seit nun bereits sechs Jahren unterrichtet er online und gründete im Jahr 2017 die „MyTeachingHero“ Akademie.

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Als akkreditierter Trainer für PRINCE2® und weitere international anerkannte Methoden im Projekt- und Portfoliomanagement gibt Andreas Ellenberger seit Jahren sein Methodenwissen mit viel Bezug zur praktischen Umsetzung weiter. In seinen Präsenztrainings geht er konkret auf die Situation der Teilnehmer ein und erarbeitet gemeinsam Lösungsansätze für die eigene Praxis auf Basis der Theorie, um Nachhaltigkeit zu erreichen. Da ihm dies am Herzen liegt, steht er für Telefoncoachings und Prüfungen einzelner Unterlagen bzgl. der Anwendung gern zur Verfügung.

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Zach Davis ist studierter Betriebswirt und Experte für Zeitintelligenz und Zukunftsfähigkeit. Als Unternehmens-Coach hat er einen tiefen Einblick in über 80 verschiedene Branchen erhalten. Er wurde 2011 als Vortragsredner des Jahres ausgezeichnet und ist bis heute als Speaker gefragt. Außerdem ist Zach Davis Autor von acht Büchern und Gründer des Trainingsinstituts Peoplebuilding.

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Wladislaw Jachtchenko ist mehrfach ausgezeichneter Experte, TOP-Speaker in Europa und gefragter Business Coach. Er hält Vorträge, trainiert und coacht seit 2007 Politiker, Führungskräfte und Mitarbeiter namhafter Unternehmen wie Allianz, BMW, Pro7, Westwing, 3M und viele andere – sowohl offline in Präsenztrainings als auch online in seiner Argumentorik Online-Akademie mit bereits über 52.000 Teilnehmern. Er vermittelt seinen Kunden nicht nur Tools professioneller Rhetorik, sondern auch effektive Überzeugungstechniken, Methoden für erfolgreiches Verhandeln, professionelles Konfliktmanagement und Techniken für effektives Leadership.

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Alexander Plath ist seit über 30 Jahren im Verkauf und Vertrieb aktiv und hat in dieser Zeit alle Stationen vom Verkäufer bis zum Direktor Vertrieb Ausland und Mediensprecher eines multinationalen Unternehmens durchlaufen. Seit mehr als 20 Jahren coacht er Führungskräfte und Verkäufer*innen und ist ein gefragter Trainer und Referent im In- und Ausland, der vor allem mit hoher Praxisnähe, Humor und Begeisterung überzeugt.

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