Grundlagen des Stoffwechsels: Katabolismus und Anabolismus

Einführung in den Stoffwechsel

Der Stoffwechsel (Metabolismus) ist die Gesamtheit der chemischen Reaktionen innerhalb der verschiedenen Sequenzen einer Zelle. Diese Reaktionen oder Routen werden Stoffwechselwege genannt, und die beteiligten Moleküle heißen Metaboliten. Es existieren zwei Phasen:

• a) Katabolismus: Umwandlung komplexer organischer Moleküle in andere, einfache Stoffe (Abbau). Dies ist ein Prozess, bei dem Energie in den Phosphatbindungen von ATP gespeichert wird.
• b) Anabolismus: Synthese komplexer Moleküle aus einfachen Bausteinen (Aufbau). Dieser Prozess benötigt Energie, die durch das bereitgestellte ATP geliefert wird.

Struktur der Stoffwechselwege

• Linear: Zwischenprodukte werden nur in einem bestimmten Pfad verwendet.
• Verzweigt: Die Stoffwechselwege kreuzen sich an zwei oder mehr Stellen.
• Zyklisch: Eine Serie von Transformationen führt zur Regeneration des Ausgangsstoffes.

Stoffwechseltypen nach Kohlenstoffquelle

1. Wenn CO₂ als Kohlenstoffquelle genutzt wird, spricht man von autotrophem Stoffwechsel. Wird Licht als Energiequelle verwendet, handelt es sich um Photosynthese; werden chemische Reaktionen als Energiequelle genutzt, spricht man von Chemosynthese.
2. Wenn organische Stoffe (Methan, Glukose, Fette usw.) genutzt werden, spricht man von heterotrophem Stoffwechsel.

ATP: Der Energieträger der Zelle

ATP ist ein Nukleotid von großer Bedeutung, das Energie in seinen Phosphatesterbindungen speichert oder abgibt. Deshalb sagt man, dass diese Bindungen energiereich sind. Enzyme, welche die Hydrolyse von ATP katalysieren, heißen ATPasen. Die ATP-Synthese kann auf zwei Arten erfolgen:

1. Substratstufenphosphorylierung: ATP-Synthese durch die Energie, die beim Abbau eines Moleküls frei wird.
2. Oxidative Phosphorylierung und Fotophosphorylierung: Bei Redoxreaktionen werden Elektronen von Trägermolekülen aufgenommen. Beim Übergang von einem Träger zum nächsten wird Energie frei, die genutzt wird, um ADP zu ATP zu phosphorylieren.

Transport von Elektronen

Viele Stoffwechselreaktionen sind Redoxreaktionen. Die freigesetzten Elektronen werden von Trägermolekülen eingefangen, später reoxidiert und kehren in den ursprünglichen Zustand zurück, indem sie Elektronen an andere Verbindungen abgeben.

Der Katabolismus: Energiegewinnung durch Abbau

Diese Phase des Stoffwechsels dient der Energiegewinnung. Organische Moleküle werden in einfachere Endprodukte umgewandelt. Die freigesetzte Energie wird in ATP gespeichert, um später für die organische Synthese und andere Zellfunktionen genutzt zu werden. Der Katabolismus ist bei autotrophen und heterotrophen Organismen vergleichbar.

Typen des Katabolismus

Je nach Art der Substanz, die reduziert wird, unterscheidet man:

• a) Gärung (Fermentation): Das Molekül, das reduziert wird, ist organisch.
• b) Atmung: Das Molekül, das reduziert wird, ist anorganisch.

Abbau von Kohlenhydraten

Reserven von Glykogen und Stärke werden zu Glukose hydrolysiert, die dann den Abbauweg durchläuft. Man unterscheidet zwei Phasen:

1) Glykolyse

Sie findet im Zytoplasma statt und ist anaerob. Glukose wird in zwei Moleküle Brenztraubensäure (Pyruvat) gespalten, wobei 2 ATP entstehen. Die Glykolyse besteht aus 10 enzymatischen Reaktionen in zwei Stufen:

• Stufe 1: Glukose wird phosphoryliert und in zwei Moleküle Glycerinaldehyd-3-phosphat zerlegt (verbraucht 2 ATP).
• Stufe 2: Die zwei Moleküle Glycerinaldehyd-3-phosphat werden zu Pyruvat oxidiert, was zur Produktion von 4 ATP führt. Die Netto-Energieeffizienz der Glykolyse beträgt somit 2 ATP-Moleküle pro Glukosemolekül.

Gärung (Fermentation)

Die Gärung ist ein anaerober Prozess zur partiellen Oxidation organischer Moleküle mit geringer Energieausbeute. Es gibt obligate und fakultative anaerobe Organismen.

• Milchsäuregärung: Wird von Bakterien (z. B. Lactobacillus) durchgeführt. Das in der Glykolyse produzierte NADH + H⁺ wird regeneriert, indem Pyruvat zu Laktat reduziert wird.
• Alkoholische Gärung: Wird von Hefen (Saccharomyces) durchgeführt. Glukose wird zu Ethanol und CO₂ umgewandelt, wobei 2 ATP gewonnen werden. Das NADH + H⁺ wird bei der Reduktion zu Ethanol regeneriert. Für die Zelle ist ATP das wichtigste Produkt; Ethanol und CO₂ sind Abfallprodukte.

Zellatmung

Die in der Glykolyse gewonnene Brenztraubensäure tritt in die Mitochondrien ein. Dort findet eine oxidative Decarboxylierung durch das Enzym Pyruvat-Dehydrogenase statt, wobei sie in Acetyl-CoA umgewandelt wird, das anschließend in den Krebs-Zyklus eintritt.