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.
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Bild: „Anabolic pathways are those that require energy to synthesize larger molecules. Catabolic pathways are those that generate energy by breaking down larger molecules. Both types of pathways are required for maintaining the cell’s energy balance.“ von Phil Schatz. Lizenz: CC BY 4.0


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). Ausgangs- und Endsubstrat sind der gleiche Stoff. An die Umwandlung der Stoffe ineinander werden weitere Reaktionen gekoppelt, in denen die Energie 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 spiele Hormone eine entscheidende Rolle. Besonders deutlich wird das in Krankheitssituationen, in denen die Hormonproduktion entweder gesteigert oder gesenkt ist.

Grundlegende Begriffe: Metabolismus, Katabolismus, Anabolismus, Intermediate, Metabolite (kurze 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 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 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) stellen also Zwischenstationen dar. Von diesen Stationen werden dann je nach aktueller Situation (katabol oder anabol) die nächsten Wege eingeschlagen.

Beispielsweise können Fette und Aminosäuren aus der Nahrung zu Acetyl-CoA abgebaut werden. Ruht der Körper aktuell (anabole Situation) wird die Energie, die in dieser Verbindung steckt für die Synthese körpereigener Fetten (Fettsäuresynthese) und Glykogen (Glykogensynthese) genutzt. Die Energie wird gespeichert. Ist der Körper in Stress (katabole Situation), wird Acetyl-CoA in den Citratzyklus eingeschleust und ATP wird produziert.

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 beispielsweis in Form von stark verzweigtem Glykogen in der Leber und im Muskel gespeichert. Wird die Energie benötigt, wird Glucose aus Glykogen freigesetzt und durch die Glykolyse entsteht das Intermediat Acetyl-CoA. Dieses kann anschließend im Citratzyklus 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 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 beispielswese besonders viele Kohlenhydrate zu sich und verbraucht die Energie aber nicht, so häuft sich Acetyl-CoA an und die Fettsäuresynthese wird stimuliert. Darin ist der Übergang vom Kohlenhydrat- zum Fettstoffwechsel zu sehen.

Übersicht 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, 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. Weitere Beispiele für solche Reaktionen sind die Carboxylierung von Acetyl-CoA im Rahmen der Fettsäuresynthese und die Dehydrogenisierung von Glucose-6-Phosphat im 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 wird dadurch möglich.

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

Beliebte Fragen

Die richtigen Antworten befinden sich unterhalb der Quellenangaben.

1. Was trifft auf Acetyl-CoA zu?

  1. Es kann im Stoffwechsel nicht weiter verarbeitet werden.
  2. Es ist ein Intermediat vieler Stoffwechselwege und verbindet dadurch mehrere Wege.
  3. Es ist das Endprodukt der Gluconeogenese.
  4. Im Fettstoffwechsel spielt es keine Rolle.
  5. Es ist ein Protein.

2. Was trifft nicht auf ATP zu?

  1. Die Säureanhydridbindungen zwischen den Phosphatgruppen tragen viel Energie.
  2. Durch die Spaltung von ATP können stark endergone Reaktionen ermöglicht werden.
  3. ATP spielt bei der Muskelkontraktion eine zentrale Rolle.
  4. Es wirkt beim Aufbau der DNA mit.
  5. Glucose ist ein Bestandteil von ATP


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