Stoffwechsel
| Übergeordnet |
| Biologischer Prozess |
| Untergeordnet |
| Biosynthese Katabolismus Transport |
| Gene Ontology |
|---|
| QuickGO |
AlsStoffwechseloderMetabolismus(altgriechischμεταβολισμόςmetabolismós,deutsch‚Stoffwechsel‘,mitlateinischerEndung-us) bezeichnet man allechemischenUmwandlungen von Stoffen im Körper vonLebewesen,beispielsweise die Umwandlung von Nahrungsmitteln in Zwischenprodukte (Metaboliten) und Endprodukte. DiesebiochemischenVorgänge dienen dem Aufbau, Abbau und Ersatz bzw. Erhalt der Körpersubstanz (Baustoffwechsel) sowie der Energiegewinnung für energieverbrauchende Aktivitäten (Energiestoffwechsel) und damit der Aufrechterhaltung der Körperfunktionen und somit des Lebens. Wesentlich für den Stoffwechsel sindEnzyme,die chemische Stoffumsetzungen beschleunigen und lenken (katalysieren).
Werden von außen aufgenommene, fremde Stoffe umgesetzt, so spricht man auch vonFremdstoffmetabolismus.Der Umbau organismenfremder Stoffe in organismeneigene Stoffe wirdAssimilationgenannt. Das Gegenteil ist dieDissimilation(Abbau organismuseigener Stoffe). Zum Stoffwechsel gehört auch die Umwandlung schädlicher Stoffe in ausscheidbare Stoffe (Biotransformation).
Stoffwechselvorgänge werden vor allem in der Biochemie erforscht. In derMedizinundPhysiologiesind sie von großer Bedeutung (siehe auchStoffwechselstörung). Sie können aber auchphysikalischgedeutet werden, als Austausch vonfreier Energiegegen Ordnung: Lebewesen erhöhen in sich die Ordnung und verbrauchen dabei Energie. Im Organismus nimmt dieEntropie(Unordnung) ab, in der Umgebung nimmt sie zu.
Kataboler und anaboler Stoffwechsel
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Der gesamte Stoffwechsel kann eingeteilt werden in katabole Reaktionen, welche durch den Abbau von chemisch komplexen Nahrungsstoffen zu einfacheren Stoffen Energie liefern (Katabolismus), und anabole Reaktionen, welche unter Energieverbrauch körpereigene Stoffe aus einfachen Bausteinen aufbauen (Anabolismus).
Katabolismus und Anabolismus haben eine gemeinsame Schnittstelle: ImIntermediärstoffwechselwerden relativ einfacheMoleküleumgebaut, die als Zwischenprodukte (Metaboliten) sowohl vom katabolen als auch vom anabolen Stoffwechsel bereitgestellt werden können.
Stoffwechselwege
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Der Stoffwechsel ist ein komplexes Netzwerkeinzelner Reaktionen. Gruppen von Reaktionen, die unmittelbar aufeinander folgen, werdenStoffwechselwegegenannt. Diese können linear (z. B.Glycolyse) oder zyklisch (z. B.Citratzyklus) sein.
Die meisten Stoffwechselwege sind amphibol, das heißt, sie laufen in verschiedenen Schritten katabol und anabol ab. Auch wenn viele Einzelschrittereversibelsind, ist der ganze Stoffwechselweg immerirreversibel,da mindestens ein Reaktionsschritt nur in anabole oder katabole Richtung verläuft.
Stoffwechselrate
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Die Geschwindigkeit der Energiebereitstellung durch denEnergiestoffwechselwird Stoffwechselrate oderMetabolismusrategenannt. Sie ist als Energieumsatz des Organismus pro Zeitspanne definiert. Die basale Stoffwechselrate ist der Energieverbrauch bei völliger Ruhe; insbesondere beim Menschen spricht man vomGrundumsatz.
Reaktionstypen
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Enzymatisch katalysierte Reaktionen
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Nach demIUPAC/IUBMBEnzym-Klassifikationssystem gibt es sechs Hauptgruppen von Enzymreaktionen.[1]Dadurch kann auch der Stoffwechsel, in dem Reaktionen durchEnzymekatalysiertwerden, ebenfalls in sechs Gruppen von Reaktionen unterteilt werden, nämlich inRedoxreaktionen,Gruppenübertragungsreaktionen,Hydrolysereaktionen, Lyase-Reaktionen (Addition,Hydratisierung),Isomerisierungsreaktionen und Ligationsreaktionen.
Elektrische Ladung und Kationenstrom
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]
Grün:MembranständigeOxidoreduktase(links) undATP-Synthase(rechts). Zurückströmende Kationen versetzen den unteren Teil der ATP-Synthase in Rotation. Aus dort aufgenommenemPhosphatundADPwird Wasser „herausgequetscht “. Am Stator, der in der Membran verankert ist, wird das fertigeATPfreigesetzt.
Rot:Ionentransport durch Membran-Enzyme. Eine Oxidoreduktase (links)pumptH+-Ionenvon innen durch die Membran nach außen und verstärkt dieelektrische Ladungder Membran und denProtonengradienten.
Blau:Elektronentransfer.Die Energie für die Oxidoreduktasen stammt aus einem Elektronenfluss von e−-Donoren (wie z. B. Zuckern) zu einem e−-Akzeptor (vermittelt überCoenzymewieNADH), die als e−-Überträger fungieren.
Zell-undBiomembranensind keineswegs nur„Beutel “, in denen sich Enzyme und ihre Reaktionspartner frei bewegen können. Vielmehr bilden sie für geladene Moleküle (Ionen) eine undurchdringliche Barriere. In den Membranen finden sich allerdingsMembranproteine,die selektiv Ionen durch die Membran durchlassen oder sogar aktiv transportieren. Letztere sorgen durch den Export vonKationendafür, dass die Membranen außen positiv und innen negativ elektrisch geladen sind (Membranpotential). In dieser Ladung steckt Energie. Sie wird für eine Reihe von Transport- und Bewegungsprozessen frei, wenn die Kationen zurück fließen.
So fließt durch die Membranen praktisch aller lebenden Zellen ständig ein Strom von positiv geladenen Teilchen.
Angetrieben wird dieser Strom durchexergonechemische Reaktionen. So verbrauchenNervenzellenkontinuierlichATP,um ihr Membranpotential aufrechtzuerhalten. Das geschieht dort durchATPasen,die alsNatrium-Kalium-Pumpenfungieren.
Die Regenerierung des verbrauchten ATP basiert bei nahezu allen Lebewesen fast ausschließlich auf der Nutzung des Membranpotentials durch das EnzymATP-Synthase(Abb.). In dafür spezialisierten Organellen (denMitochondrien) derTiereundPflanzensowie in nahezu allenArchaeenundBakterienfungierenOxidoreduktasenals Kationen-Pumpen, die das Membranpotential aufrechterhalten. Beim Menschen sind das die Enzyme derAtmungskette.Pflanzen verwenden dafür auch ihrenPhotosynthese-Apparat in denChloroplasten.
Transport
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Der Transport von Stoffen durchTransportproteinekann innerhalb vonZellkompartimenten,außerhalb von Zellen, oder über Kompartimentgrenzen (Biomembrane) hinweg geschehen. Es kann sich um reineDiffusionsprozesse,erleichterte Diffusionoder aktiven,ATPverbrauchendenMembrantransporthandeln.
Mit derTransporter Classification Database(TCDB) steht eine von der IUBMB sanktionierte Klassifikation der Transportproteine zur Verfügung, die sich zusätzlich zur Funktion an der Abstammung der Proteine orientiert. Bei dieser Definition von Transport werden allerdings alle Proteine, die Stoffe zeitweilig nur binden und in dieser Zeit selbst transportiert werden (beispielsweise mit demBlutkreislauf), nicht erfasst. Die Hauptgruppen in der TCDB sindPorineundIonenkanäle,potenzialgetriebene Transporter, primär aktive Transporter,Phosphotransferasen,Transmembran-Elektronencarrier, Hilfstransporter und andere.
Stoffwechseltypen bei verschiedenen Gruppen von Lebewesen
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Pflanzen,Algen,einigeBakterienundArchaeabetreibenPhotosynthese.Sie verwenden die Energie desLichts,umKohlenstoffdioxid(bei Landpflanzen aus derLuftstammend), Wasser und andere Ausgangsstoffe in körpereigenes Material umzuwandeln. Dieses dient entweder sofort dem weiteren Aufbau undWachstumdes Organismus, oder es dient als Speicherstoff, wie zum BeispielKohlenhydrate(siehe auchCalvin-Zyklus). DieReservestoffekönnen später im Baustoffwechsel oder im Energiestoffwechsel verarbeitet werden.Sekundäre Pflanzenstoffesind chemische Verbindungen, die von Pflanzen produziert werden, aber weder im Baustoffwechsel noch im Energiestoffwechsel benötigt werden.
Tiereverstoffwechseln (metabolisieren) bei ihrerVerdauungandere Organismen oder deren Speicherstoffe (etwa Kohlenhydrate,ProteineoderFette), siehe auchChemotrophie.
BeiMikroorganismenfinden sich weitere Typen des Stoffwechsels.
Darüber hinaus ist in der Ratgeberliteratur zu Ernährung undDiätengelegentlich von verschiedenen „Stoffwechseltypen “beim Menschen die Rede, sieheMetabolic Typing.Mit der oben genannten Einteilung der Lebewesen habenindividuelleBesonderheiten innerhalb einzelnerArtennichts zu tun. Menschen unterscheiden sich in Merkmalen ihres Stoffwechsels ebenso wie in anderen Merkmalen. Die Lehre von bestimmten „Typen “gilt jedoch als spekulativ und unwissenschaftlich.
Über Stoffwechseluntersuchungen amSäuglingberichtete 1896Johann Friedrich Wilhelm Camerer.Otto HeubnerundMax Rubnerverglichen in ihren Studien um 1898/1899 den Säuglingsstoffwechsel von gesunden und atrophischen Kindern.[2]
Siehe auch
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- Aminosäuren-Stoffwechsel,Glucose-Stoffwechsel,Eisenstoffwechsel
- Fritz Albert Lipmann
- Hungerstoffwechsel
- Metabolom,Tumor-Metabolom
- Pasteur-Effekt(anaerobe Verstoffwechslung vonD-Glucose)
- Spurenelement
- Endokrinologie
- Cometabolismus
Literatur
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- Pschyrembel Klinisches Wörterbuch.Begründet von Willibald Pschyrembel. Bearbeitet von der Wörterbuchredaktion des Verlags. 255. Auflage. De Gruyter, Berlin 1986, S. 1601 f.
Weblinks
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]
- Biochemistry of Metabolism– umfassende Informationen zu denbiochemischenAspekten des Themas Stoffwechsel (englisch)
- SuperCYP: Datenbank für Cytochrom-Metabolismus(englisch)
- Roche’sBiochemical Pathwaysals „Landkarte “zum Navigieren
Einzelnachweise
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- ↑Recommendations of the Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology on the Nomenclature and Classification of Enzymes by the Reactions they Catalyse.IUPAC Enzymnomenklaturempfehlung, Stand: 24. Mai 2013; abgerufen am 26. Mai 2013.
- ↑Paul Diepgen,Heinz Goerke:Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin.7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 50.