Überblick über den Stoffwechsel

Was passiert gerade in deinem Körper? Deine erste Antwort ist vielleicht, dass du Hunger hast oder dass deine Muskeln von einem Lauf schmerzen oder dass du müde bist. Aber wir gehen noch tiefer, verlassen die Ebene unserer Wahrnehmung und schauen, was in unseren Zellen los ist.

Wenn du in jede einzelne Zelle deines Körpers spähen könntest, würdest du sehen, dass es sich dabei um ein bemerkenswertes Aktivitätszentrum handelt, mehr wie ein lebhafter Wochenmarkt als ein stiller Raum. Egal, ob du wach bist oder schläfst, ob du läufst oder Fernsehen guckst, Energie wird in deinen Zellen umgewandelt und verändert ihre Form, wenn Moleküle sich chemischen Reaktionen unterziehen, die dich am Leben und funktionsfähig halten.

In Zellen laufen ununterbrochen Tausende von chemischen Reaktionen ab, um die Zelle und deinen Körper als Ganzes am Leben und gesund zu halten. Diese chemischen Reaktionen sind oft in Ketten oder Wegen miteinander verbunden. Alle chemischen Reaktionen, die in der Zelle stattfinden, werden als Stoffwechsel der Zelle bezeichnet.

Um ein Gefühl für die Komplexizität des Stoffwechsels zu erhalten, werfen wir einen Blick auf die Abbildung unten. Für mich sieht diese Masse an Linien wie eine Karte eines sehr großen U-Bahn-Systems oder vielleicht eine ausgefallene Platine aus. Tatsächlich ist es eine Abbildung der wichtigsten Stoffwechselwege in einer eukaryotischen Zelle, wie den Zellen des menschlichen Körpers. Jede Linie ist eine Reaktion und jeder Kreis ist ein Reaktant oder Produkt.

Im Stoffwechselnetz der Zelle setzen einige der chemischen Reaktionen Energie frei und können spontan ablaufen (ohne Energiezufuhr). Andere benötigen jedoch zusätzlich Energie, um stattzufinden. Genauso wie du immer wieder essen musst, um das zu ersetzen, was dein Körper verbraucht hat, benötigen auch Zellen einen ununterbrochenen Zustrom von Energie, um ihre energiebenötigenden chemischen Reaktionen anzutreiben. Tatsächlich ist die Nahrung, die du zu dir nimmst, die Energiequelle, die durch deine Zellen verbraucht wird!

Um die Vorstellung vom Stoffwechsel konkreter zu machen, schauen wir uns zwei Stoffwechselprozesse an, die zentral für das Leben auf der Erde sind: zuckerproduzierende und zuckerabbauende.

Als ein Beispiel für einen energiefreisetzenden Weg schauen wir uns an, wie eine unserer Zellen Zuckermoleküle abbauen kann (z. B. aus der Süßigkeit, die du zum Nachtisch hattest).

Viele Zellen, einschließlich der meisten Zellen in unserem Körper, erhalten Energie aus Glukose ($\text C_6\text H_{12}\text O_6$start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript) mithilfe eines Vorgangs, der als Zellatmung bezeichnet wird. Während dieses Vorgangs wird ein Glukosemolekül allmählich, in vielen kleinen Schritten, abgebaut. Die Gesamtreaktion des Vorgangs ist jedoch:

$\text C_6\text H_{12}\text O_6$start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript + $6\text O_2$6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript $→$→ $6 \text {CO}_2$6, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript + $6 \text H_2\text O$6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text + $\text {Energie}$start text, E, n, e, r, g, i, e, end text

Durch den Abbau der Glukose wird Energie freigesetzt, welche von der Zelle in Form von Adenosintriphosphat, oder ATP, aufgenommen wird. ATP ist ein kleines Molekül, das Zellen eine bequeme Möglichkeit bietet, kurzzeitig Energie zu speichern.

Sobald es gebildet wurde, kann ATP von anderen Reaktionen in der Zelle als eine Energiequelle genutzt werden. So wie wir Menschen Geld verwenden, weil das einfacher ist, als jedes Mal einen Tauschhandel einzugehen, wenn wir etwas benötigen, nutzt die Zelle ATP als standardisierten Weg, um Energie zu übertragen. Deshalb wird ATP manchmal als "Energiewährung" der Zelle bezeichnet.

Als ein Beispiel für einen energiebenötigenden Stoffwechselweg drehen wir das letzte Beispiel um und schauen uns an, wie ein Zuckermolekül herstellt wird.

Zucker wie Glukose werden durch Pflanzen durch ein Verfahren mit dem Namen Photosynthese hergestellt. Bei der Photosynthese verwenden Pflanzen die Energie des Sonnenlichts, um gasförmiges Kohlendioxid in Zuckermoleküle umzuwandeln. Die Photosynthese läuft in vielen kleinen Schritten ab, aber ihre Gesamtreaktion ist einfach nur die Zellatmung in umgekehrter Richtung:

$6 \text {CO}_2$6, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript + $6 \text H_2\text O$6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text + $\text {energy}$start text, e, n, e, r, g, y, end text $→$→ $\text C_6\text H_{12}\text O_6$start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript + $6\text O_2$6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript

Wie wir benötigen auch Pflanzen Energie für ihre zellulären Prozesse, sodass einige der Zucker durch die Pflanze selbst verwendet werden. Sie bieten aber auch eine gute Nahrungsquelle für Tiere, welche die Pflanze essen, wie das Eichhörnchen unten. In beiden Fällen wird die Glukose durch Zellatmung abgebaut, wobei ATP für die Abläufe in der Zelle erzeugt wird.

Die Prozesse der Herstellung und des Abbaus von Glukosemolekülen sind beides Beispiele für Stoffwechselwege. Ein Stoffwechselweg ist eine Reihe von miteinander verbundenen Reaktionen, die sich gegenseitig nähren. Er beginnt mit einem oder mehreren Ausgangsmolekülen und formt diese über eine Reihe von Zwischenprodukten zu seinen Endprodukten um.

Stoffwechselwege können grob in zwei Kategorien basierend auf ihrem Effekt unterteilt werden. Die Photosynthese, bei der Zucker aus kleinen Molekülen entsteht, ist ein "aufbauender", oder anaboler Stoffwechselweg. Im Gegensatz dazu wird bei der Zellatmung Zucker in kleinere Moleküle abgebaut. Daher ist sie ein "abbauender", oder kataboler Stoffwechselweg.

Anabole Stoffwechselwege bauen komplexe Moleküle aus einfacheren auf und benötigen in der Regel eine Energiezufuhr. Ein Beispiel ist die Herstellung von Glukose aus Kohlendioxid. Andere Beispiel umfassen die Proteinsynthese aus Aminosäuren und den Aufbau eines DNA-Strangs aus Nukleinsäure-Bausteinen (Nukleotide). Diese biosynthetischen Prozesse sind erforderlich für das Leben einer Zelle, laufen ununterbrochen ab und verbrauchen Energie, die durch ATP und andere kurzzeitig energiespeichernden Moleküle transportiert wird.

Katabole Stoffwechselwege bauen komplexe Moleküle in einfachere ab und geben in der Regel Energie ab. Die Energie, die in den Bindungen der komplexen Molekülen, wie Glukose und Fette, gespeichert ist, wird in katabolen Stoffwechselwegen freigesetzt. Diese wird dann in Formen gesammelt, die die Arbeit der Zelle antreiben können (zum Beispiel durch die Synthese von ATP).

Eine letzte, aber wichtige Anmerkung: Die chemischen Reaktionen in Stoffwechselwegen laufen nicht automatisch und ohne Leitung ab. Stattdessen wird jeder Reaktionsschritt in einem Stoffwechselweg durch ein Protein, das Enzym genannt wird, erleichtert oder katalysiert. Du kannst mehr über Enzyme und ihre Kontrolle von biochemischen Reaktionen in dem Abschnitt Enzyme erfahren.