Zelluläre Energie & Stoffwechsel: Grundlagen der Bioenergetik

Zelluläre Energie: Grundlagen der Bioenergetik

Die physikalischen Systeme des Universums werden durch die Gesetze der Thermodynamik geregelt, die stets zu größerer Unordnung (Entropie) tendieren. Um ihre lebenswichtigen Funktionen zu erfüllen, nutzen Zellen Energie aus ihrer Umgebung. Dabei geben sie äquivalente Mengen an Wärme oder andere Energieformen ab, die zur erhöhten Unordnung des Universums beitragen.

Freie Energie (Gibbs-Energie)

Freie Energie ist eine Energieform, die unter konstanten Temperatur- und Druckbedingungen nützliche Arbeit verrichten kann. Sie wird durch die Gibbs-Helmholtz-Gleichung beschrieben:

ΔG = ΔH - T · ΔS

• ΔG = Freie Energie (Gibbs-Energie)
• ΔH = Enthalpie (Wärmeinhalt)
• T = Absolute Temperatur
• ΔS = Entropie (Grad der Unordnung)

Dieser Ausdruck gibt die Menge an nutzbarer Energie an, die das System (Zelle) mit der Umwelt austauscht.

• ΔG < 0: Eine spontane Reaktion, die energetisch günstig ist. Die Reaktionsprodukte enthalten weniger Energie als die Edukte. Solche Reaktionen werden als exergonisch bezeichnet.
• ΔG > 0: Eine nicht-spontane Reaktion, die energetisch ungünstig ist. Die Produkte verfügen über mehr Energie als die Edukte. Dies ist eine endergonische Reaktion.
• ΔG = 0: Das System befindet sich im Gleichgewicht. Die Reaktion verläuft in beide Richtungen, absorbiert oder setzt keine Energie frei und verrichtet keine Arbeit.

Energiekopplung: Exergonische & Endergonische Reaktionen

Diese Eigenschaft besagt, dass die Energie, die in einer thermodynamisch günstigen exergonischen Reaktion freigesetzt wird, genutzt werden kann, um energetisch ungünstige (endergonische) Reaktionen anzutreiben. Die dafür benötigte Energie erhält die Zelle typischerweise durch eine weitere exergonische Reaktion, nämlich die ATP-Hydrolyse.

Im Allgemeinen dient für jede endergonische Reaktion in der Zelle eine weitere exergonische Reaktion als Energiequelle. Adenosintriphosphat (ATP) speichert große Energiemengen für kurze Zeit, da es nicht akkumuliert werden kann.

Der Prozess der Übertragung einer Phosphatgruppe von ATP auf eine andere Verbindung wird als Dephosphorylierung bezeichnet.

Allgemeine Überlegungen zum Stoffwechsel

Ein Stoffwechselweg ist eine Kette von aufeinanderfolgenden enzymatischen Reaktionen. Jeder beteiligte Stoff wird als Metabolit bezeichnet.

• Katabolismus: Ist der oxidative Abbau von Molekülen im Stoffwechsel, der Energie produziert.
• Anabolismus: Ist die Synthese von Molekülen im Stoffwechsel, die Energie benötigt und durch Katabolismus ermöglicht wird.
• Amphibole Stoffwechselwege: Sind solche, die sowohl katabole als auch anabole Funktionen erfüllen können, indem sie oxidierte Metaboliten nutzen und Energie speichern oder freisetzen.

Anabole Prozesse (stark endergonisch) können die benötigte Energie nicht selbst erzeugen; ihre Energiequelle stammt aus der Umgebung. Abbauprozesse (Katabolismus) und amphibole Wege setzen freie Energie frei.

Beteiligte Moleküle im Stoffwechsel

• Metaboliten: Moleküle, die an verschiedenen Stoffwechselwegen beteiligt sind. Sie können im Stoffwechsel entstehen oder aus dem Katabolismus abgeleitet werden. Ein wichtiges Beispiel ist Glukose.
• Nukleotide: Funktionieren als Metaboliten und sind Moleküle (wie NAD⁺, NADP⁺, FAD...), die an der Oxidation oder Reduktion von Metaboliten beteiligt sind.
• Hochenergiemoleküle: Wie GTP, ATP und Coenzym A (das auch als Metabolit fungieren kann) dienen der Energiespeicherung und -versorgung nach Bedarf.
• Umweltmoleküle: Sauerstoff, Wasser und Kohlendioxid (die ebenfalls als Metaboliten fungieren).

Stoffwechsel und Energiebilanz

Die Zelle gewinnt Energie aus dem oxidativen Abbau. Chemische Energie ist die einzige Energieform, die Lebewesen nutzen können. Diese Nutzung erfolgt durch Energiekopplung oder durch die Speicherung von Energie in energiereichen Verbindungen.

Ein Parameter, der die ausgetauschte Energiemenge misst, ist die Energiebilanz. Ist ein Stoffwechselweg streng anabol, ist die Bilanz negativ; ist er katabol, ist sie positiv.