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Freisetzung chemischer Energie durch unterschiedliche Stoffwechselwege

In jeder Zelle laufen hunderte von chemischen Reaktionen ab, die in ihrer Gesamtheit als Stoffwechsel (Metabolismus) bezeichnet werden. Um zu leben, benötigen alle Zellen ständig organische und anorganische Stoffe sowie chemische Energie. Zuständig für die Energiegewinnung der Zellen sind die Mitochondrien. Unter Mitwirkung von bestimmten Enzymen und Coenzymen gewinnen die Mitochondrien insbesondere aus Glucose (Traubenzucker) und Fettsäuren Energie für alle in der Zelle ablaufenden Vorgänge.Die Stoffwechselleistungen einer Zelle hängen deshalb entscheidend von ihrer Enzymausstattung ab, welche bereits genetisch festgelegt ist. Nach der Art, welche Ausgangsstoffe für die Energiegewinnung verwertet werden, unterscheidet man autotrophe und heterotrophe Organismen. Die Energie wird in Form von Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert, so dass der Zelle stets ausreichend Energie zur Verfügung steht.Der wichtigste Weg zur ATP-Bildung ist die oxidative Phosphorylierung innerhalb der Atmungskette unter aeroben Bedingungen (Sauerstoffanwesenheit). Viele Organismen können unter anaeroben Bedingungen (Sauerstoffabwesenheit) auf ATP zurückgreifen, das in der Glykolyse entsteht. Diese Art der ATP-Bildung bezeichnet man als Gärung.

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Lebende Systeme befinden sich in einem ständigen Fließgleichgewicht. Als Stoffwechsel (Metabolismus) bezeichnet man alle chemischen Reaktionen der Stoff- und Energieaufnahme, -umwandlung und -abgabe, die in Organismen ablaufen und in Austausch mit der Umwelt ablaufen. Sie dienen dem Aufbau und der Speicherung von Zellsubstanz und gliedern sich in Assimilation und Dissimilation. Beide Vorgänge treten in verschiedenen Stoffwechselwegen auf. Bei der Assimilation werden aus der Umwelt aufgenommene Stoffe unter Energiezufuhr in körpereigene Stoffe umgewandelt (z. B. Fotosynthese). Durch Dissimilation werden körpereigene Stoffe unter Energiefreisetzung abgebaut (Atmung, Gärung).

Bei der Assimilation werden körperfremde Stoffe in körpereigene Substanzen umgewandelt. Diese Prozesse laufen meistens endergon (Energie benötigend) ab. Die gebildeten organischen Substanzen heißen Assimilate. Sie werden für das Wachstum, die Vermehrung der Organismen und zum Aufbau von Speicherstoffen benötigt. Die Speicherstoffe werden im Baustoffwechsel oder zur Energiefreisetzung genutzt. Baustoffe sind Biomoleküle, die dem Aufbau körpereigener Substanzen dienen. Sie unterliegen einem ständigen Abbau und Verbrauch und werden kontinuierlich durch neue ersetzt. Die Gesamtheit der Prozesse zum Auf- und Abbau von Baustoffen nennt man Baustoffwechsel. Dem gegenüber steht der Betriebsstoffwechsel, der mit dem Energiestoffwechsel gleichgesetzt wird. Eine scharfe Abgrenzung zu den Betriebsstoffen ist nicht möglich, da auch Baustoffe im Energiehaushalt eingesetzt werden, z. B. beim Abbau organischer Stoffe im Hungerzustand.

Die beiden Assimilationsformen sind die autotrophe und die heterotropher Assimilation. Autotrophe Organismen können ihre organischen Moleküle aus anorganischen Rohstoffen herstellen, die sie der Umwelt entnehmen. Sie werden deshalb auch als Primärproduzenten der Biosphäre bezeichnet. Zu ihnen gehören alle Moose, Farne, Blütenpflanzen, Algen, Cyanobakterien und einige andere Bakterien, z. B. schwefeloxidierende Bakterien. Der wichtigste Vorgang der autotrophen Assimilation ist die Fotosynthese. Orte der Fotosynthese bei Pflanzen sind die Chloroplasten, bei Cyanobakterien Membranen mit Licht sammelnden Pigmenten. Energie liefert das Licht. Aus dem energiearmen Kohlenstoffdioxid, Wasser und Mineralsalzen entstehen unter Einwirkung von Lichtquanten energiereiche organische Stoffe. Die Vorgänge nennt man deshalb fotoautotroph.

Eine weitere Form der autotrophen Assimilation ist die Chemolithoautotrophie. (Früher wurde sie als Chemosynthese bezeichnet. Im Gegensatz zur Biosynthese versteht man unter Chemosynthese aber die Bildung chemischer Verbindungen aus ein oder mehreren Ausgangsstoffen im Reagenzglas.)
Die Chemoautotrophie kennzeichnet alle Stoffwechselvorgänge in bestimmten Bakterien, bei denen aus CO 2 organische Stoffe gebildet werden. Die Energie für diese Vorgänge stammt nicht wie bei der Fotosynthese vom Licht sondern aus der Oxidation anorganischer Substanzen, z. B. Schwefelwasserstoff, Ammoniak oder Eisenionen. Deshalb bezeichnet man diese Vorgänge als chemoautotroph.

Die Assimilation heterotropher Zellen liefert aus den organischen Stoffen der Nahrung durch Umbauprozesse die körpereigenen organischen Substanzen. Die Energie liefern bei allen Tieren, Pilzen und den meisten Bakterien die Dissimilationsvorgänge. Sie sind die verbreitetste Form und werden als Chemoheterotrophie bezeichnet. Einige wenige Bakterienarten können für diese Assimilation das Licht als Energiequelle zur ATP-Gewinnung nutzen. Sie benötigen jedoch zelleigene organische Substanzen. Man nennt diese Form deshalb fotoheterotroph.

Unter Dissimilation versteht man den stufenweisen Abbau organischer Verbindungen durch Enzymsysteme in lebenden Zellen. Dieser Abbau kann vollständig bis zu Kohlenstoffdioxid und Wasser erfolgen oder unvollständig zu organischen Verbindungen, die noch Energie enthalten, z. B. Milchsäure oder Alkohol. Der Abbau ist mit Energiefreisetzung verbunden, die in Form energiereicher Phosphate (ATP) entsteht. Stoffwechselprozesse, die Energie freisetzen, haben eine katabolische Wirkung (Katabolismus). Sie liefern die Energie für anabole Stoffwechselreaktionen bei der Biosynthese. Dissimilationsvorgänge können mit (aerob) und ohne (anaerob) Sauerstoff verlaufen.

Bei der aeroben Zellatmung werden die Reduktionsäquivalente (H-Atome und Elektronen der organischen Verbindungen) an Sauerstoff gebunden. Einige Mikroorganismen bauen organische Stoffe nicht vollständig zu CO 2 und Wasser ab. So scheiden z. B. Essigsäurebakterien Essigsäure oder andere Säuren bei der Oxidation von Alkohol aus. Ähnliche Vorgänge finden auch in anderen Bakterien statt. Diese unvollständige Oxidation wird als aerobe Gärung bezeichnet. Die Energiefreisetzung kann auch ohne Sauerstoff als Gärung verlaufen. Eine weitere Möglichkeit ist die anaerobe Atmung. Viele Bakterien (Nitrat-, Sulfat-, Schwefel- oder Carbonatatmung), aber auch Parasiten wie Spulwurm und Leberegel sind dazu befähigt. Die H-Atome und Elektronen der organischen Verbindungen werden nicht auf Sauerstoff sondern auf organische Verbindungen übertragen. Durch die anaerobe Atmung wird das Substrat weitgehend oxidiert und der ATP-Gewinn für die Bakterienzelle ist größer als beim Gärungsstoffwechsel. Anaerobe Atmungstypen von Bakterien sind Nitrat-Atmung (Denitrifizierer), Sulfat-Atmung (Sulfatreduzierer), Carbonat-Atmung (Methanbildner) u. a.

Eine weitere Form der Dissimilation unter anaeroben Bedingungen ist die Gärung. Bekannte Organismen sind Milchsäurebakterien und Weinhefen. Gärungen sind energiefreisetzende Stoffwechselwege, bei denen H-Atome und Elektronen der organischen Stoffe auf Umwandlungsprodukte übertragen werden. Der ATP-Gewinn ist viel geringer als bei der Zellatmung. Die reduzierten Endprodukte, z. B. Alkohol enthalten noch Energie im Vergleich zu CO 2 und H 2 O bei der Atmung.

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Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH): "Freisetzung chemischer Energie durch unterschiedliche Stoffwechselwege." In: Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH). URL: http://www.lernhelfer.de/index.php/schuelerlexikon/biologie-abitur/artikel/freisetzung-chemischer-energie-durch-unterschiedliche (Abgerufen: 24. May 2025, 03:36 UTC)

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Citratzyklus

Der Citratzyklus ist eine 1937 von H.A. KREBS, G. MARTIUS und F. KNOPP etwa gleichzeitig entdeckte zyklische biochemische Reaktionskette, welche in allen lebenden Zellen abläuft. Er verläuft unter Beteiligung von Zitronensäure (Citrat), die zum Zwecke der Gewinnung von Reduktionsäquivalenten in andere organische Säuren umgewandelt wird. Er oxidiert in acht Schritten Acetyl-Reste zu Wasser und Kohlenstoffdioxid. Die dabei gewonnenen Reaktionsprodukte werden an die Atmungskette weitergegeben. Durch anschließende oxidative Phosphorylierung gewinnt die Zelle aus diesem Vorgang 10 ATP pro Acetyl-Gruppe.

Außerdem erfüllt der Citratzyklus eine Schlüsselfunktion im intermediären Stoffwechsel der Zelle. Er verbindet den energieliefernden Endabbau des aus dem Protein-, Fett- und Kohlenhydratstoffwechsel stammenden Zwischenprodukts Acetyl-Coenzym A mit der Erzeugung zahlreicher Vorstufen für anabole Biosynthesewege.

Glykolyse

Glykolyse wurde von den griechischen Wörtern glycos = süß und lysis = Auflösung abgeleitet. Damit ist die Zuckerspaltung gemeint. Sie findet im Cytoplasma der Zellen statt. Bei der aeroben Glykolyse (Sauerstoffanwesenheit) wird ein Glucosemolekül mit 6 C-Atomen unter Energiegewinn in Form von ATP in zwei Pyruvat-Ionen mit 3 C-Atomen gespalten. Pyruvate sind die Anionen der Brenztraubensäure, welche im Citronensäurezyklus weiter verwertet werden. Unter anaeroben Bedingungen (Sauerstoffabwesenheit) ist das Endprodukt der Glykolyse Lactat (Milchsäure) oder Ethanol. Dieser Weg der anaeroben Verwertung von Glucose ist der älteste biochemische Mechanismus zur Energiegewinnung, welcher auch die Entwicklung von lebenden Organismen in sauerstofffreier Atmosphäre ermöglichte.

Zellatmung

Zellen nehmen zu ihrer Energieversorgung Glucose (Traubenzucker) auf, welche im Cytoplasma und in den Mitochondrien von Eukaryoten vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut wird. Am Ende des Abbauweges gewinnt die Zelle mit Hilfe der frei werdenden Energie die energiereiche Verbindung ATP, die für viele Stoffwechselvorgänge als universelle Energiequelle für den Organismus erforderlich ist. Zur Zellatmung zählen die Prozesse der Glykolyse, des Citratzyklus und der Atmungskette.

Energiereserven und Hungern

Beim Hungern laufen biochemische, physiologische sowie psychische Prozesse und Regelkreise ab. Ausgelöst werden sie durch das Sinken des Glucosespiegels im Blut. Bei den biochemischen Prozessen stellt der Körper auf die Bildung von Glucose aus Eiweiß und Fett (Gluconeogenese) um, wenn die Glykogenreserven in der Leber erschöpft sind. Auf diese Weise werden zuerst die Fettdepots aufgebraucht. Später beginnt die Eiweißverdauung von Muskeleiweiß. Da die osmotische Wirkung des Blutes nachlässt, entstehen Hungerödeme.

Enzymregulation

Enzyme dürfen im Organismus nicht permanent wirksam sein, weil ansonsten alle biochemischen Reaktionen gleichzeitig mit relativ hoher Geschwindigkeit ablaufen würden. Zum einen hängt die Enzymaktivität von der Temperatur, dem pH-Wert und der Konzentration des Substrats ab.
Außerdem wird die Aktivität von Enzymen nach verschiedenen Mechanismen reguliert. Durch Inhibitoren können Enzyme reversibel oder irreversibel gehemmt werden. Die reversible Enzymhemmung kann nach einem kompetitiven oder einem nicht kompetitiven Mechanismus erfolgen. Ein Sonderfall der nicht kompetitiven Hemmung ist die allosterische Regulation.

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