Der Begriff Stoffwechsel bezieht sich auf alle chemischen Reaktionen, die in einem Organismus ablaufen, bei denen komplexe Moleküle abgebaut werden, um Energie zu erzeugen, und bei denen Energie verwendet wird, um komplexe Moleküle aufzubauen. Ein Beispiel für eine Stoffwechselreaktion ist die Reaktion, die abläuft, wenn ein Mensch einen Löffel Zucker isst. Im Körper werden die Zuckermoleküle unter Freisetzung von Energie in einfachere Moleküle zerlegt. Diese Energie wird dann vom Körper für eine Vielzahl von Zwecken verwendet, z. B. um den Körper warm zu halten und neue Moleküle im Körper aufzubauen.
Alle Stoffwechselreaktionen können in zwei allgemeine Kategorien eingeteilt werden: katabole und anabole Reaktionen. Katabolismus ist der Prozess, bei dem große Moleküle unter Freisetzung von Energie in kleinere Moleküle zerlegt werden. Anabolismus ist der Prozess, bei dem Energie verwendet wird, um komplexe Moleküle aufzubauen, die der Körper für seine Erhaltung und Entwicklung benötigt.
Der Prozess der Verdauung
Eine Möglichkeit, den Prozess des Stoffwechsels zu verstehen, besteht darin, den Weg eines typischen Nährstoffs auf seinem Weg durch den Körper zu verfolgen. Ein Nährstoff ist eine Substanz, die einem Organismus hilft, am Leben zu bleiben, gesund zu bleiben und zu wachsen. Drei große Kategorien von Nährstoffen sind Kohlenhydrate, Proteine und Fette.
Wissenswertes
Anabolismus: Der Prozess, bei dem Energie verwendet wird, um komplexe Moleküle aufzubauen.
ATP (Adenosintriphosphat): Ein Molekül, das von Zellen zur Speicherung von Energie verwendet wird.
Kohlenhydrat: Eine Verbindung, die aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff besteht und in Pflanzen vorkommt und von Menschen und anderen Tieren als Nahrung verwendet wird.
Katabolismus: Der Prozess, bei dem große Moleküle unter Freisetzung von Energie in kleinere Moleküle zerlegt werden.
Chemische Bindung: Eine Kraft der Anziehung zwischen zwei Atomen.
Enzym: Chemische Verbindungen, die als Katalysatoren wirken und die Geschwindigkeit der Reaktionen in einem lebenden Organismus erhöhen.
Metabolischer Pool: Die Gesamtmenge der einfachen Moleküle, die durch den Abbau von Nährstoffen gebildet werden.
Nährstoff: Eine Substanz, die einem Organismus hilft, am Leben zu bleiben, gesund zu bleiben und zu wachsen.
Eiweiß: Große Moleküle, die für die Struktur und das Funktionieren aller lebenden Zellen wichtig sind.
Nehmen wir zum Beispiel an, dass eine Person gerade ein Stück Brot gegessen hat. Ein wichtiger Nährstoff in diesem Brot ist Stärke, ein komplexes Kohlenhydrat. Sobald das Brot in den Mund des Menschen gelangt, beginnt die Verdauung. Die Enzyme im Mund beginnen, die Stärkemoleküle aufzuspalten und in kleinere Moleküle einfacherer Stoffe umzuwandeln: Zucker. Dieser Vorgang lässt sich leicht beobachten, denn wer ein Stück Brot eine Zeit lang im Mund behält, beginnt einen süßen Geschmack wahrzunehmen, den Geschmack des Zuckers, der beim Abbau der Stärke entsteht.
Die Verdauung ist ein notwendiger erster Schritt für alle Nahrungsmittel. Die Moleküle, aus denen die Nahrungsmittel bestehen, sind zu groß, um die Schleimhäute des Verdauungssystems zu durchdringen. Die Verdauung führt zur Bildung kleinerer Moleküle, die diese Schleimhaut passieren können und in den Blutkreislauf des Menschen gelangen. Zuckermoleküle, die bei der Verdauung von Stärke entstehen, gelangen in den Blutkreislauf. Von dort werden sie zu den einzelnen Zellen im Körper des Menschen transportiert.
Die kleineren Moleküle, in die die Nährstoffe zerlegt werden, bilden den Stoffwechselpool. Der Stoffwechselpool besteht aus den einfacheren Substanzen, die durch den Abbau von Nährstoffen entstehen. Dazu gehören Einfachzucker (aus dem Abbau komplexer Kohlenhydrate), Glycerin und Fettsäuren (aus dem Abbau von Lipiden) und Aminosäuren (aus dem Abbau von Proteinen). Die Zellen verwenden Stoffe aus dem Stoffwechselpool als Baumaterialien, so wie ein Zimmermann Holz, Nägel, Leim, Klammern und andere Materialien für den Bau eines Hauses verwendet. Der Unterschied ist natürlich, dass Zellen aus den Materialien, mit denen sie arbeiten müssen, Körperteile und keine Häuser bauen.
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Zellulärer Stoffwechsel
Substanzen, die den Stoffwechselpool bilden, werden über den Blutstrom zu den einzelnen Zellen transportiert. Sie durchdringen die Zellmembranen und gelangen in das Zellinnere. In der Zelle wird eine Verbindung weiter verstoffwechselt, meist in einer Reihe von chemischen Reaktionen. So wird beispielsweise ein Zuckermolekül in einer Zelle unter Freisetzung von Energie in Kohlendioxid und Wasser aufgespalten. Dieser Prozess läuft jedoch nicht in einem einzigen Schritt ab. Stattdessen sind etwa zwei Dutzend separate chemische Reaktionen erforderlich, um das Zuckermolekül in seine Endprodukte umzuwandeln. Jede chemische Reaktion beinhaltet eine relativ bescheidene Veränderung des Zuckermoleküls, z. B. die Entfernung eines einzelnen Sauerstoffatoms oder eines einzelnen Wasserstoffatoms.
Der Zweck dieser Reaktionen besteht darin, die im Zuckermolekül gespeicherte Energie freizusetzen. Um diesen Vorgang zu erklären, muss man wissen, dass ein Zuckermolekül aus Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen besteht, die durch chemische Bindungen zusammengehalten werden. Eine chemische Bindung ist eine Anziehungskraft zwischen zwei Atomen. Diese Anziehungskraft ist eine Form von Energie. Ein Zuckermolekül mit zwei Dutzend chemischen Bindungen kann man sich als zwei Dutzend winzige Energieeinheiten vorstellen. Jedes Mal, wenn eine chemische Bindung gebrochen wird, wird eine Energieeinheit freigesetzt.
Die Zellen haben bemerkenswerte Methoden entwickelt, um die bei katabolischen Reaktionen freigesetzte Energie einzufangen und zu speichern. Diese Methoden bedienen sich ganz besonderer chemischer Verbindungen, die als Energieträger bezeichnet werden. Ein Beispiel für solche Verbindungen ist Adenosintriphosphat, allgemein bekannt als ATP. ATP wird gebildet, wenn sich eine einfachere Verbindung, Adenosindiphosphat (ADP), mit einer Phosphatgruppe verbindet. Die folgende Gleichung stellt diese Veränderung dar:
ADP + P → ATP
ADP verbindet sich nur dann mit einer Phosphatgruppe, wie hier gezeigt, wenn ihm Energie zugeführt wird. In den Zellen stammt diese Energie aus dem Abbau von Verbindungen aus dem Stoffwechselpool, wie Zucker, Glycerin und Fettsäuren. Mit anderen Worten:
Katabolismus: Zucker → Kohlendioxid + Wasser + Energie;
Energie aus Katabolismus + ADP + P → ATP
Das auf diese Weise gebildete ATP-Molekül hat also die zuvor im Zuckermolekül gespeicherte Energie aufgenommen. Wann immer eine Zelle für einen Vorgang Energie benötigt, kann sie diese aus einem ATP-Molekül gewinnen.
Die Umkehrung des oben gezeigten Prozesses findet ebenfalls in der Zelle statt. Das heißt, die Energie eines ATP-Moleküls kann verwendet werden, um einfachere Moleküle zu komplexeren Molekülen zusammenzusetzen. Nehmen wir zum Beispiel an, dass eine Zelle einen Bruch in ihrer Zellwand reparieren muss. Dazu muss sie neue Eiweißmoleküle herstellen. Diese Eiweißmoleküle können aus Aminosäuren aus dem Stoffwechselpool hergestellt werden. Ein Proteinmolekül besteht aus Hunderten oder Tausenden von Aminosäuremolekülen, die miteinander verbunden sind:
Aminosäure 1 + Aminosäure 2 + Aminosäure 3 + (und so weiter) → ein Protein
Die Energie, die benötigt wird, um all die neuen chemischen Bindungen zu bilden, die nötig sind, um die Aminosäureeinheiten zusammenzuhalten, stammt von ATP-Molekülen. Mit anderen Worten:
Energie aus ATP + viele Aminosäuren → Eiweißmolekül
Die Reaktionen, durch die eine Verbindung verstoffwechselt wird, sind für verschiedene Nährstoffe unterschiedlich. Es können auch andere Energieträger als ATP beteiligt sein. So ist z.B. auch die Verbindung Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat (NADPH) am Katabolismus und Anabolismus verschiedener Stoffe beteiligt. Die oben dargestellte allgemeine Übersicht gilt jedoch für alle Stoffwechselreaktionen.