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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.

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.

Fotophosphorylierung beschreibt die Bildung von Adenosintriphosphat (ATP) durch die Anlagerung einer Phosphatgruppe an Adenosindiphosphat (ADP) unter dem Einfluss von Lichtenergie. Der ablaufende Mechanismus der ATP-Bildung im Chloroplast und die ATP-Bildung im Mitochondrium während der Endoxidation bei der Zellatmung sind grundlegend gleich und werden als Chemiosmose bezeichnet. Es entsteht im Laufe der Lichtreaktionen ein Konzentrationsunterschied an Protonen zwischen Thylakoidinnenraum und Stroma, in dessen Endergebnis durch den angestrebten Konzentrationsausgleich enzymatisch ATP gebildet wird. Je nach Weg der Elektronen bei den lichtabhängigen Reaktionen unterscheidet man zwischen nichtzyklischer und zyklischer Fotophosphorylierung.

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.

Die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts stand ganz im Zeichen der Kernphysik und der Quantenchemie. Die neu entdeckten radioaktiven Strahlen ermöglichten neue Experimente, die zur rasanten Weiterentwicklung des Atommodells von RUTHERFORD (1911) über BOHR (1913) bis hin zum modernen quantenmechanischen Atommodell (1927) führten. Das verbesserte Verständnis der Struktur der Materie wird auch an der Weiterentwicklung der Bindungstheorie deutlich.
Durch kernchemische Experimente wurden neue Elemente entdeckt, darunter das hoch radioaktive Plutonium. Während des 2. Weltkriegs stellten sich Chemiker und Physiker in den Dienst des Militärs und entwickelten neue Sprengstoffe, giftige Kampfstoffe sowie die erste Atombombe.
Biochemiker erkundeten die Strukturen von Naturstoffen und konnten diese nach und nach im Labor synthetisieren. Beispiele sind die Eiweiße, die Vitamine und die Hormone, deren Wirkprinzipien in biochemischen Prozessen erkannt wurden. Außerdem gewann die Synthese von Arzneistoffen (Antibiotika, Schmerzmittel etc.) zunehmend an Bedeutung und wurde ebenfalls industriell durchgeführt.
Die chemische Industrie erlebte einen ungeahnten Aufschwung, da neben Medikamenten auch der Bedarf an Erdölprodukten stieg. Diese wurden sowohl zu Kraftstoffen verarbeitet als auch zu den neuen Werkstoffen des 20. Jahrhunderts, den makromolekularen Kunststoffen. Das Zeitalter der Plaste, Elaste und Kunstfasern begann in den 30er-Jahren mit der Beherrschung der großtechnischen Synthesen von PVC, Nylon, Polyurethanen und Siliconen.

Kein Organismus kann ohne Energie existieren. Wir müssen uns Energie durch Nahrungsaufnahme zuführen, Pflanzen nutzen die Energie des Sonnenlichts. Unsere technischen Geräte können ebenfalls nicht ohne Energie betrieben werden. Sowohl für Organismen als auch für die Funktionsfähigkeit der Geräte ist es wichtig, dass die Energie immer genau dann in ausreichender Menge zur Verfügung steht, wenn sie benötigt wird. Eine Voraussetzung dafür ist die Speicherung von Energie, die in Natur und Technik mithilfe verschiedenster Energiespeichersysteme realisiert wird.

Das Coenzym ATP ist in allen Zellen die wichtigste Form chemischer Energie. ATP ist die biochemische Batterie, in der die Energie aus den Nährstoffen gespeichert wird. Halbleer heißt diese Batterie ADP, ganz leer AMP.
Die gewonnene Energie ($\Delta G$) wird genutzt, um endergone Vorgänge wie Biosynthesen, Bewegungs- und Transportprozesse anzutreiben. Der größte Teil zellulären ATPs entsteht durch oxidative Phosphorylierung in den Mitochondrien oder Chloroplasten. Weit weniger ATP wird über die Anlagerung/Übertragung anorganischer Phosphatreste von organischen Molekülen auf ADP erzeugt. Die oxidative Phosphorylierung ist allerdings von der Anwesenheit von Sauerstoff abhängig (aerobe Bedingungen). Als oxydative Phosphorylierung bezeichnet man eine komplizierte Folge von chemischen Reaktionen, welche die Funktion haben, die chemische Energie, die bei der Oxidation eines Substrates mit Sauerstoff entsteht, in chemischer Form von ATP zu speichern. ATP ist also nicht nur Baustein der Nukleinsäuren, sondern auch der wichtigste Energieträger in der Zelle.

Die Atmungskette ist der letzte Schritt des in den Mitochondrien stattfindenden Glukoseabbaus und schließt sich an die Glykolyse und den Citratzyklus an. Die während des Citratzyklus entstandenen Coenzyme ${\text{NADH}}^{\text{2+}}$ und ${\text{FADH}}_{\text{2}}$ übertragen ihren Wasserstoff an Sauerstoff und bilden somit Wasser – eine Knallgasreaktion mitten in der Zelle - würde diese Reaktion nicht auf viele harmlose Schritte aufgespalten ablaufen – die Atmungskette. Als Endprodukt entsteht ATP, welches dem Organismus als Energie zur Verfügung steht.
Die Enzyme der Atmungskette sind bei Prokaryoten in der Cytoplasmamembran, bei Eukaryoten in der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert. Sie bilden eine Reihe/Kette von Redoxsystemen, durch die Elektronen stufenweise in Richtung positiveres Potenzial transportiert werden. Integrale Membranproteine pumpen an drei Stellen der Reaktionskette Protonen durch die Membran, da diese nicht ohne Weiteres die Biomembranen passieren können. Es gibt drei verschiedene Transportarten für Elektronen in der Atmungskette: die ausschließliche Elektronenübertragung (${\text{Fe}}^{\text{3+}}$ zu ${\text{Fe}}^{\text{2+}}$), die Übertragung eines Wasserstoffatoms (${\text{H}}^{\text{+}}\text{+}{\text{e}}^{\text{-}}$) oder die Übertragung eines Hydridions (${\text{H}}^{\text{-}}$).

Chemosynthese (auch Chemolithotrophie oder Chemoautotrophie) ist eine Form des chemotrophen Energiestoffwechsels (Chemotrophie), bei dem anorganische Verbindungen oder Ionen die Reduktionsäquivalente für den Energiegewinn liefern. Chemosynthese betreiben chlorophyllfreie Prokaryoten. Sie kommt bei Bodenbakterien und Wasserbakterien vor. Dieser Prozess wurde von SERGEJ NIKOLAJEWITSCH WINOGRADSKIJ (1856-1953) bei den schwefeloxidierenden Bakterien, eisenoxidierenden Bakterien (1887, 1889) und den nitrifizierenden Bakterien (1890) entdeckt.
Bei der Chemolithotrophie werden durch die Oxidation von anorganischen Stoffen ATP als Energiequelle und das Reduktionsmittel ${\text{NADH + H}}^{\text{+}}$ als Voraussetzungen für die Herstellung von Kohlenhydraten im CALVIN-Zyklus bereitgestellt. Bei der ersten Phase werden u.a. durch Nitrifikation oder Schwefeloxidation die Voraussetzungen für den CALVIN-Zyklus gebildet. Besondere Bedeutung haben u.a. nitrifizierende Bakterien im Rahmen des Stickstoffkreislaufs oder Schwefelbakterien für die Reinigung der Abwässer.

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.