Stoffwechsel

Als Stoffwechsel oder Metabolismus (altgriechisch μεταβολισμός metabolismós „Stoffwechsel“, mit lateinischer Endung -us) bezeichnet man die Gesamtheit der chemischen Prozesse in Lebewesen. Dabei wandelt der Organismus chemische Stoffe in Zwischenprodukte (Metaboliten) und Endprodukte um. Diese biochemischen Vorgänge dienen dem Aufbau und der Erhaltung der Körpersubstanz (Baustoffwechsel) sowie der Energiegewinnung für energieverbrauchende Aktivitäten (Energiestoffwechsel) und damit der Aufrechterhaltung der Körperfunktionen. Wesentlich für den Stoffwechsel sind Enzyme, die chemische Reaktionen beschleunigen und lenken (katalysieren).

Werden von außen aufgenommene, fremde Stoffe umgesetzt, so spricht man auch von Fremdstoffmetabolismus. Der Umbau organismenfremder Stoffe in organismeneigene Stoffe wird Assimilation genannt. Das Gegenteil ist die Dissimilation (Abbau organismeneigener Stoffe). Zum Stoffwechsel gehört auch die Umwandlung schädlicher Stoffe in ausscheidbare Stoffe (Biotransformation).

Stoffwechselvorgänge werden vor allem in der Biochemie erforscht. In der Medizin und Physiologie sind sie von großer Bedeutung (siehe auch Stoffwechselstörung). Sie können aber auch physikalisch gedeutet werden, als Austausch von freier Energie gegen Ordnung: Lebewesen erhöhen in sich die Ordnung und verbrauchen dabei Energie. Im Organismus nimmt die Entropie (Unordnung) ab, in der Umgebung nimmt sie zu.

Kataboler und anaboler Stoffwechsel

Der gesamte Stoffwechsel kann eingeteilt werden in katabole Reaktionen, welche durch den Abbau von chemisch komplexen Nahrungsstoffen zu einfacheren Stoffen Energie liefern (Katabolismus), und anabole Reaktionen, welche unter Energieverbrauch körpereigene Stoffe aus einfachen Bausteinen aufbauen (Anabolismus).

Katabolismus und Anabolismus haben eine gemeinsame Schnittstelle: Im Intermediärstoffwechsel werden relativ einfache Moleküle umgebaut, die als Zwischenprodukte (Metaboliten) sowohl vom katabolen als auch vom anabolen Stoffwechsel bereitgestellt werden können.

Stoffwechselwege

Der Stoffwechsel ist ein komplexes Netzwerk von einzelnen Reaktionen. Gruppen von Reaktionen, die unmittelbar aufeinander folgen, werden Stoffwechselwege genannt. Diese können linear (z. B. Glycolyse) oder zyklisch (z. B. Citratzyklus) sein.

Die meisten Stoffwechselwege sind amphibol, das heißt, sie laufen in verschiedenen Schritten katabol und anabol ab. Auch wenn viele Einzelschritte reversibel sind, ist der ganze Stoffwechselweg immer irreversibel, da mindestens ein Reaktionsschritt nur in anabole oder katabole Richtung verläuft.

Stoffwechselrate

Die Geschwindigkeit der Energiebereitstellung durch den Energiestoffwechsel wird Stoffwechselrate oder Metabolismusrate genannt. Sie ist als Energieumsatz des Organismus pro Zeiteinheit definiert. Die basale Stoffwechselrate ist der Energieverbrauch bei völliger Ruhe; insbesondere beim Menschen spricht man vom Grundumsatz.

Reaktionstypen

Enzymatisch katalysierte Reaktionen

Nach dem IUPAC/IUBMB Enzym-Klassifikationssystem gibt es sechs Hauptgruppen von Enzymreaktionen.<ref>IUPAC Enzymnomenklaturempfehlung: Recommendations of the Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology on the Nomenclature and Classification of Enzymes by the Reactions they Catalyse., Stand: 24. Mai 2013, abgerufen am 26. Mai 2013.</ref> Dadurch kann auch der Stoffwechsel, in dem Reaktionen durch Enzyme katalysiert werden, ebenfalls in sechs Gruppen von Reaktionen unterteilt werden, nämlich in Redoxreaktionen, Gruppenübertragungs­reaktionen, Hydrolyse­reaktionen, Lyase-Reaktionen (Addition, Hydratisierung), Isomerisierungs­reaktionen und Ligationsreaktionen.

Transport

Der Transport von Stoffen durch Transportproteine kann innerhalb von Zellkompartimenten, außerhalb von Zellen, oder über Kompartimentgrenzen (Biomembrane) hinweg geschehen. Es kann sich um reine Diffusions­prozesse, erleichterte Diffusion oder aktiven, ATP verbrauchenden Membrantransport handeln.

Mit der Transporter Classification Database (TCDB) steht eine von der IUBMB sanktionierte Klassifikation der Transportproteine zur Verfügung, die sich zusätzlich zur Funktion an der Abstammung der Proteine orientiert. Bei dieser Definition von Transport werden allerdings alle Proteine, die Stoffe zeitweilig nur binden und in dieser Zeit selbst transportiert werden (beispielsweise mit dem Blutkreislauf), nicht erfasst. Die Hauptgruppen in der TCDB sind Porine und Ionenkanäle, potenzialgetriebene Transporter, primär aktive Transporter, Phosphotransferasen, Transmembran-Elektronencarrier, Hilfstransporter und andere.

Stoffwechseltypen bei verschiedenen Gruppen von Lebewesen

Pflanzen, Algen, einige Bakterien und Archaea betreiben Photosynthese. Sie verwenden die Energie des Lichts, um Kohlenstoffdioxid (bei Landpflanzen aus der Luft stammend), Wasser und andere Ausgangsstoffe in körpereigenes Material umzuwandeln. Dieses dient entweder sofort dem weiteren Aufbau und Wachstum des Organismus, oder es dient als Speicherstoff, wie zum Beispiel Kohlenhydrate (siehe auch Calvin-Zyklus). Die Reservestoffe können später im Baustoffwechsel oder im Energiestoffwechsel verarbeitet werden. Sekundäre Pflanzenstoffe sind chemische Verbindungen, die von Pflanzen produziert werden, aber weder im Baustoffwechsel noch im Energiestoffwechsel benötigt werden.

Tiere verstoffwechseln (metabolisieren) bei ihrer Verdauung andere Organismen oder deren Speicherstoffe (etwa Kohlenhydrate, Proteine oder Fette), siehe auch Chemotrophie.

Bei Mikroorganismen finden sich weitere Typen des Stoffwechsels.

Darüber hinaus ist in der Ratgeberliteratur zu Ernährung und Diäten gelegentlich von verschiedenen „Stoffwechseltypen“ beim Menschen die Rede, siehe Metabolic Typing. Mit der oben genannten Einteilung der Lebewesen haben individuelle Besonderheiten innerhalb einzelner Arten nichts zu tun. Menschen unterscheiden sich in Merkmalen ihres Stoffwechsels ebenso wie in anderen Merkmalen. Die Lehre von bestimmten „Typen“ gilt jedoch als spekulativ und unwissenschaftlich.

Siehe auch

• Aminosäuren-Stoffwechsel, Glucose-Stoffwechsel, Eisenstoffwechsel
• Hungerstoffwechsel
• Metabolom, Tumor-Metabolom
• Pasteur-Effekt (anaerobe Verstoffwechslung von D-Glucose)
• Spurenelement

Weblinks

• Biochemistry of Metabolism (engl.) – umfassende Informationen zu den biochemischen Aspekten des Themas Stoffwechsel
• SuperCYP: Datenbank für Cytochrom-Metabolismus (engl.)
• Roche's "Biochemical Pathways" als "Landkarte" zum Navigieren

Einzelnachweise

<references />