Zellulärer Stoffwechsel: Energie & Lebensprozesse

Mitochondrien: Die Kraftwerke der Zelle

Mitochondrien sind Zellorganellen, die den Großteil der Energie für die Zellaktivität liefern. Sie fungieren somit als zentrale Energieversorger der Zelle und synthetisieren ATP auf Kosten metabolischer Brennstoffe. Ihre Ultrastruktur ist eng mit ihren Funktionen verbunden: In der Matrix befinden sich die Enzyme, die für die Oxidation von Fettsäuren, Aminosäuren, Brenztraubensäure und den Zitronensäurezyklus verantwortlich sind.

Grundlagen des Stoffwechsels

Stoffwechsel ist die Gesamtheit der chemischen Reaktionen, die innerhalb von Zellen ablaufen und die Umwandlung von Biomolekülen bewirken. Die chemischen Reaktionen des Stoffwechsels werden als Stoffwechselwege bezeichnet, und die beteiligten Moleküle sind Metaboliten. Alle Stoffwechselreaktionen werden von spezifischen Enzymen reguliert, die jeweils für ein bestimmtes Substrat oder einen Metaboliten zuständig sind.

Man kann von zwei Hauptphasen ausgehen:

• Dem Abbau organischer Substanzen (Katabolismus), der Energie freisetzt, die in den Phosphatbindungen von ATP gespeichert wird.
• Dem Aufbau organischer Substanzen (Anabolismus), der die durch ATP-Phosphatbindungen bereitgestellte Energie benötigt.

Stoffwechseltypen nach Energie- & Kohlenstoffquelle

Lebende Materie benötigt verschiedene Arten von Atomen für ihren Aufbau, wobei Kohlenstoffatome die wichtigsten sind.

• Wenn die Kohlenstoffquelle Kohlendioxid ist, spricht man von autotrophem Stoffwechsel.
• Ist die Quelle organische Materie, spricht man von heterotrophem Stoffwechsel.

Hinsichtlich der Energiequelle unterscheidet man:

• Ist die Energiequelle Licht, spricht man von Photosynthese.
• Wird Energie aus chemischen Reaktionen gewonnen, nennt man dies Chemosynthese.

ATP: Die Energiewährung der Zelle

Das Nukleotid ATP (Adenosintriphosphat) ist ein äußerst wichtiges Molekül im Stoffwechsel, das als Energieträger dienen kann. Es kann Energie speichern oder übertragen, insbesondere durch seine beiden energiereichen Phosphatesterbindungen, die jeweils etwa 7,3 kcal/mol speichern können. ATP ist die Energiewährung der Zelle, eine Form von gespeicherter Energie, die schnell verfügbar ist. ATP wird in allen Stoffwechselreaktionen als Energiequelle für die Biosynthese benötigt. Manchmal werden auch andere Nukleotide mit ähnlicher Funktion verwendet, wie GTP (Guanosintriphosphat) oder UTP (Uridintriphosphat).

ATP-Synthese: Zwei Wege der Energie-Gewinnung

Die ATP-Synthese kann auf zwei Arten erfolgen:

1. Substratkettenphosphorylierung: Synthese von ATP unter Nutzung der Energie, die bei der Spaltung energiereicher Bindungen eines Biomoleküls freigesetzt wird.
2. Oxidative Phosphorylierung (mittels ATP-Synthase): Synthese von ATP durch ATP-Synthase-Enzyme, die sich in den Cristae der Mitochondrien oder in den Thylakoiden der Chloroplasten befinden.

Katabolismus & Anabolismus: Die zwei Phasen

Katabolismus: Abbau & Energie-Freisetzung

Katabolische Reaktionen sind Abbau- und Oxidationsreaktionen, die Energie freisetzen. Aus vielen verschiedenen Substraten entstehen fast immer die gleichen Produkte, was zu einer Konvergenz der Produkte führt.

Anabolismus: Aufbau & Energie-Verbrauch

Anabolische Reaktionen sind Synthese- und Reduktionsreaktionen, die Energie verbrauchen. Aus wenigen Substraten können viele verschiedene Produkte gebildet werden, was zu einer Divergenz der Produkte führt.

Katabolismus: Energie-Gewinnung & Oxidationsreaktionen

Katabolismus ist die abbauende Phase des Stoffwechsels und ihr Hauptzweck ist die Energiegewinnung. Organische Moleküle werden in einfachere Verbindungen umgewandelt, die in anderen Stoffwechselreaktionen weiterverarbeitet oder als Endprodukte des Katabolismus (Ausscheidungsprodukte) aus der Zelle ausgeschieden werden. Die im Katabolismus freigesetzte Energie wird in energiereichen ATP-Bindungen gespeichert und kann anschließend für die Biosynthese oder andere zelluläre Reaktionen genutzt werden.

Katabole Reaktionen sind Oxidationsreaktionen, d.h. sie beinhalten den Verlust von Elektronen. Die Arten, wie Elektronen verloren gehen können, sind:

• Dehydrierung: Ein organisches Molekül wird durch den Verlust von Wasserstoffatomen oxidiert.
• Sauerstoffanlagerung: Ein organisches Molekül wird durch die Addition von Sauerstoffatomen oxidiert.

Ein Atom kann Elektronen abgeben (Oxidation), während ein anderes Atom diese aufnimmt (Reduktion). Daher werden diese Prozesse als Oxidations-Reduktions-Reaktionen (Redox-Reaktionen) bezeichnet. Die bei Oxidationsreaktionen freigesetzten Wasserstoffatome werden von Wasserstoff-Carrier-Molekülen wie NAD+, NADP+ und FAD aufgenommen und schließlich auf ein endgültiges Wasserstoff-Akzeptor-Molekül übertragen, das dabei reduziert wird.

Glucose-Abbau durch Atmung & Gärung

Arten des Katabolismus: Gärung & Atmung

Je nach Art des reduzierten Stoffes unterscheidet man zwei Arten des Katabolismus:

• Gärung: Bei der Gärung wird ein organisches Molekül reduziert.
• Atmung: Bei der Atmung ist das reduzierte Molekül eine anorganische Verbindung.

Wird Sauerstoff als Akzeptor verwendet, spricht man von aerober Atmung; wird ein anderer Stoff als Sauerstoff verwendet, spricht man von anaerober Atmung. Bei der aeroben Atmung wird durch die Aufnahme von Wasserstoff durch Sauerstoff Wasser gebildet. Bei der anaeroben Atmung können beispielsweise Nitrat-Ionen zu Nitrit-Ionen reduziert werden.

Katabolismus durch Atmung: Glucose-Abbau

Katabole Reaktionen durch Atmung unterscheiden sich je nach den abgebauten organischen Substraten (Kohlenhydrate, Lipide...). Der Abbau von Kohlenhydraten beginnt im Verdauungstrakt von Tieren, wo aufgenommene Polysaccharide oder Disaccharide hydrolysiert und in ihre Monosaccharide wie Glucose, Fructose und Galactose umgewandelt werden. Glykogenreserven im Muskelgewebe können bei Energiebedarf für Muskelarbeit ebenfalls zu Glucose-Einheiten hydrolysiert werden.

Der Abbau von Glucose kann auf zwei Hauptwegen erfolgen:

• Durch Atmung:
  1. Glykolyse
  2. Atmung (Krebs-Zyklus & Atmungskette)
• Durch Gärung:
  1. Glykolyse
  2. Anschließende Gärung

Für den vollständigen Abbau von Glucose durch Atmung und die maximale Energiegewinnung gibt es zwei Hauptphasen: die Glykolyse und die eigentliche Atmung. Die Atmung umfasst zwei Prozesse: den Krebs-Zyklus und den Elektronentransport in der Atmungskette.

Die Glykolyse: Erster Schritt des Glucose-Abbaus

Die Glykolyse, auch bekannt als Embden-Meyerhof-Parnas-Weg, findet im Zytoplasma statt. Sie besteht aus einer Reihe von zehn Reaktionen, die jeweils durch ein spezifisches Enzym katalysiert werden und ein Glucose-Molekül in zwei Moleküle der 3-Kohlenstoff-Verbindung Brenztraubensäure umwandeln.

Der erste Teil erfordert Energie, die von zwei ATP-Molekülen geliefert wird, welche zur Phosphorylierung von Glucose und Fructose dienen. Am Ende dieser Phase entstehen praktisch zwei Moleküle Glycerinaldehyd-3-phosphat (PGAL), da das Molekül Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) umgewandelt wird. In der zweiten Phase werden beide PGAL-Moleküle weiterverarbeitet, wobei 4 ATP-Moleküle und zwei NADH-Moleküle gebildet werden. Es ergibt sich ein Nettogewinn von zwei ATP-Molekülen. In diesem Stadium wird die in den PGAL-Molekülen enthaltene Energie durch Redox-Reaktionen freigesetzt.

Am Ende des Prozesses ist das Glucose-Molekül in 2 Moleküle Brenztraubensäure umgewandelt, welche nun den Großteil der ursprünglich in Glucose enthaltenen Energie speichern. Die Glykolyse findet in den meisten lebenden Zellen statt, sowohl in prokaryotischen als auch in eukaryotischen. Das endgültige Schicksal der in der Glykolyse produzierten Brenztraubensäure und NADH hängt von der Art des beteiligten Organismus und der Umgebung ab, d.h. ob aerobe oder anaerobe Bedingungen vorliegen.