Stoffwechsel

http://en.wikipedia.org/wiki/Metabolism
metabolism (from Greek: μεταβολή metabolē, "change") is the set of life-sustaining chemical transformations within the cells of livingorganisms. These enzyme-catalyzed reactions allow organisms to grow and reproduce, maintain their structures, and respond to their environments. The word metabolism can also refer to all chemical reactions that occur in living organisms, including digestion and the transport of substances into and between different cells, in which case the set of reactions within the cells is called intermediary metabolism or intermediate metabolism.

Energy transformations[edit]

Oxidative phosphorylation[edit]

Further information: Oxidative phosphorylation, chemiosmosis and mitochondrion

In oxidative phosphorylation, the electrons removed from organic molecules in areas such as the protagon acid cycle are transferred to oxygen and the energy released is used to make ATP. This is done in eukaryotes by a series of proteins in the membranes of mitochondria called the electron transport chain. In prokaryotes, these proteins are found in the cell's inner membrane.^[40] These proteins use the energy released from passing electrons from reduced molecules like NADH onto oxygen to pump protonsacross a membrane.^[41]

Mechanism of ATP synthase. ATP is shown in red, ADP and phosphate in pink and the rotating stalk subunit in black.

Pumping protons out of the mitochondria creates a proton concentration difference across the membrane and generates anelectrochemical gradient.^[42] This force drives protons back into the mitochondrion through the base of an enzyme called ATP synthase. The flow of protons makes the stalk subunit rotate, causing the active site of the synthase domain to change shape and phosphorylate adenosine diphosphate – turning it into ATP.^[17]

Energy from inorganic compounds[edit]

Further information: Microbial metabolism and nitrogen cycle

Chemolithotrophy is a type of metabolism found in prokaryotes where energy is obtained from the oxidation of inorganic compounds. These organisms can use hydrogen,^[43] reduced sulfur compounds (such as sulfide, hydrogen sulfide and thiosulfate),^[1] ferrous iron (FeII)^[44] or ammonia^[45] as sources of reducing power and they gain energy from the oxidation of these compounds with electron acceptors such as oxygen or nitrite.^[46] These microbial processes are important in global biogeochemical cycles such asacetogenesis, nitrification and denitrification and are critical for soil fertility.^[47][48]

Energy from light[edit]

Further information: Phototroph, photophosphorylation, chloroplast

The energy in sunlight is captured by plants, cyanobacteria, purple bacteria, green sulfur bacteria and some protists. This process is often coupled to the conversion of carbon dioxide into organic compounds, as part of photosynthesis, which is discussed below. The energy capture and carbon fixation systems can however operate separately in prokaryotes, as purple bacteria and green sulfur bacteria can use sunlight as a source of energy, while switching between carbon fixation and the fermentation of organic compounds.^[49][50]

In many organisms the capture of solar energy is similar in principle to oxidative phosphorylation, as it involves the storage of energy as a proton concentration gradient. This proton motive force then drives ATP synthesis.^[17] The electrons needed to drive this electron transport chain come from light-gathering proteins called photosynthetic reaction centres or rhodopsins. Reaction centers are classed into two types depending on the type of photosynthetic pigment present, with most photosynthetic bacteria only having one type, while plants and cyanobacteria have two.^[51]

In plants, algae, and cyanobacteria, photosystem II uses light energy to remove electrons from water, releasing oxygen as a waste product. The electrons then flow to thecytochrome b6f complex, which uses their energy to pump protons across the thylakoid membrane in the chloroplast.^[7] These protons move back through the membrane as they drive the ATP synthase, as before. The electrons then flow through photosystem I and can then either be used to reduce the coenzyme NADP⁺, for use in the Calvin cycle, which is discussed below, or recycled for further ATP generation.^[52]

http://de.wikipedia.org/wiki/Stoffwechsel

Stoffwechsel

Als Stoffwechsel oder Metabolismus (griechisch μεταβολισμός, metabolismós „Stoffwechsel“, mit lateinischer Endung versehen) bezeichnet man die Gesamtheit der chemischen Prozesse in Lebewesen, also der Umwandlung von Stoffen. Er besteht aus Aufnahme, Transport und chemischer Umwandlung von Stoffen in einem Organismus sowie der Abgabe von Stoffwechselendprodukten an die Umgebung. Alle beteiligten Stoffe werden als Metaboliten bezeichnet.

Diese biochemischen Vorgänge (zum Beispiel innere und äußere Atmung, Transportvorgänge, Ernährung) dienen dem Aufbau und der Erhaltung der Körpersubstanz (Baustoffwechsel) sowie der Energiegewinnung (Energiestoffwechsel) für energieverbrauchende Aktivitäten und damit der Aufrechterhaltung der Körperfunktionen. Wesentlich für den Stoffwechsel sind Enzyme, die chemische Reaktionen beschleunigen und lenken (katalysieren).

Der gesamte Stoffwechsel kann eingeteilt werden in katabole Reaktionen, welche durch den Abbau von chemisch komplexen Nahrungsstoffen zu einfacheren Stoffen Energie liefern, und anabole Reaktionen, welche unter Energieverbrauch körpereigene Stoffe aus einfachen Bausteinen aufbauen. Der gesamte Stoffwechsel ist jedoch ein komplexes Netzwerk von einzelnen Reaktionen, die zusammen Stoffwechselwege bilden. Diese können linear (z. B. Glycolyse) oder zyklisch (z. B.Citratzyklus) sein. Die meisten Stoffwechselwege sind amphibol: Sie laufen in verschiedenen Schritten katabol wie anabol ab. Auch wenn Stoffwechselwege in vielen Einzelschritten reversibel sind, sind sie als Gesamtes immer irreversibel, da mindestens ein Reaktionsschritt nur in anabole oder katabole Richtung verläuft.

Werden von außen aufgenommene, fremde Stoffe umgesetzt, so spricht man auch von Fremdstoffmetabolismus.

Die Erforschung des Stoffwechsels erfolgt vor allem mit Methoden der Physiologie und Biochemie.

Den Stoffwechsel kann man auch als Austausch von freier Energie oder Ordnung verstehen. Lebewesen erhöhen in sich die Ordnung (Abnahme der Entropie) auf Kosten der Erhöhung von Unordnung, also von Entropie, in der Umgebung. Man hat Lebewesen deshalb auch als Negentropen bezeichnet.

Erwin Schrödinger hat darauf hingewiesen, dass der Ausdruck Stoffwechsel leicht missverstanden werden kann. Man könne meinen, es handele sich um einen Austausch von Stoffen („Jedes Atom Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel usw. ist ebenso viel wert wie jedes andere seiner Art; was ließe sich durch ihren Austausch gewinnen?“^[1]). Tatsächlich ist aber eine chemische Veränderung von Stoffen gemeint.

Inhaltsverzeichnis

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·         1 Reaktionstypen

o    1.1 Enzymatisch katalysierte Reaktionen

o    1.2 Transport

·         2 Stoffwechselvorgänge

o    2.1 Einteilung nach der Funktion der Stoffwechselreaktion im Organismus

o    2.2 Einteilung nach der Veränderung von Molekülen

·         3 Beispiele für Stoffwechselvorgänge

·         4 Siehe auch

·         5 Einzelnachweise

·         6 Weblinks

Reaktionstypen[Bearbeiten]

Enzymatisch katalysierte Reaktionen[Bearbeiten]

Nach dem IUPAC/IUBMB Enzym-Klassifikationssystem gibt es sechs Hauptgruppen von Enzymreaktionen.^[2] Dadurch kann auch der Stoffwechsel, in dem Reaktionen durchEnzyme katalysiert werden, ebenfalls in sechs Gruppen von Reaktionen unterteilt werden, nämlich in Redoxreaktionen, Gruppenübertragungsreaktionen,Hydrolysereaktionen, Lyase-Reaktionen (Addition, Hydratisierung), Isomerisierungsreaktionen und Ligationsreaktionen.

→ Hauptartikel: Enzym#Klassifikation

Transport[Bearbeiten]

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.

→ Hauptartikel: Transport (Biologie)

Stoffwechselvorgänge

Einteilung nach der Funktion der Stoffwechselreaktion im Organismus

Wasserstoffwechsel ?

·         Energiestoffwechsel – exergone chemische Umsetzungen zum Zweck der Energiegewinnung

·         Grundumsatz - Stoffwechsel eines Organismus bei völliger Ruhe

·         Hungerstoffwechsel – Anpassung des Organismus an geringes Nahrungsangebot

·         Baustoffwechsel – Aufbau von Stoffen, aus denen der Organismus besteht

·         Assimilation – Umbau organismenfremder Stoffe in organismeneigene Stoffe

·         Dissimilation – Abbau organismeneigener Stoffe, meistens zum Zweck der Energiegewinnung

·         Glukose-Stoffwechsel

·         Aminosäure-Stoffwechsel

·         Eisenstoffwechsel

·         Biotransformation – Abbau und Entfernung schädlicher organismeneigener und -fremder Stoffe

Einteilung nach der Veränderung von Molekülen[Bearbeiten]

·         Stoffherstellung (Biosynthese) (Anabolismus)

·         Stoffveränderung / -abbau (Katabolismus)

Beispiele für Stoffwechselvorgänge[Bearbeiten]

In der Photosynthese wandeln spezifische Stoffwechselvorgänge (in der Regel die des Calvin-Zyklus) unter Verwendung der Energie des Lichts Kohlenstoffdioxid (bei Landpflanzen aus der Luft stammend), Wasser und andere Ausgangsstoffe in Stoffe um, die entweder sofort dem weiteren Aufbau und Wachstum des Organismus dienen oder gespeichert werden, zum Beispiel Kohlenhydrate. Diese Reservestoffe können später im Baustoffwechsel oder im Energiestoffwechsel verarbeitet werden.

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

Siehe auch[Bearbeiten]

·         Stoff- und Energiewechsel

·         Metabolom

·         Tumor-Metabolom

·         Pasteur-Effekt

·         Stoffwechselstörung

·         Stoffwechselprodukt

·         Metabolit

·         Chemotrophie

·         Spurenelement

·         Bioflavonoide

·         Ausscheidung

·         Genwirkkette

Einzelnachweise[Bearbeiten]

1.   Hochspringen↑ Erwin Schrödinger: Was ist Leben - Die lebende Zelle mit den Augen des Physikers betrachtet. Deutschsprachige Ausgabe der englischsprachigen OriginalausgabeWhat is life? von 1944, 5. Auflage. Piper Verlag, München 2001, ISBN 3-492-21134-8, S. 125.

2.   Hochspringen↑ 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.

Weblinks[Bearbeiten]

 Wikibooks: Biochemie und Pathobiochemie – Lern- und Lehrmaterialien

 Commons: Metabolism – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

·         Interactive flow chart of the major metabolic pathways (engl.)

·         Biochemistry of Metabolism (engl.) – umfassende Informationen zu den biochemischen Aspekten des Themas Stoffwechsel

·         Arbeitsgemeinschaft für Pädiatrische Stoffwechselstörungen – Wissenswertes zu Erkrankungen des Stoffwechsels

·         Society for the Study of Inborn Errors of Metabolism

·         SuperCYP: Datenbank für Cytochrom-Metabolismus (engl.)

·         Roche's "Biochemical Pathways" als "Landkarte" zum Navigieren

http://de.wikipedia.org/wiki/Glukose-Stoffwechsel#Biochemie



Diagramm mit den möglichen Zwischenprodukten beim Glucose-Abbau. Stoffwechselwege Orange:Glycolyse. Grün: Entner-Doudoroff-Weg, phosphorylierend. Gelb: Entner-Doudoroff-Weg, nicht-phosphorylierend.


http://de.wikipedia.org/wiki/Dissimilation_(Biologie)

Als Dissimilation bezeichnet man bei Lebewesen den Abbau von zuvor angelegten stofflichen Energiespeichern (zum Beispiel Fette und Kohlenhydrate), wobei Energiefreigesetzt wird. Diese wird in Form von energiereichen Stoffen, vor allem als Adenosintriphosphat (ATP), für energieverbrauchende Lebensvorgänge und/oder für die Bildung von Wärme nutzbar gemacht.

Dissimilationen sind chemische Umsetzungen des katabolischen (abbauenden) Stoffwechsels.

Man unterscheidet Atmung (aerob und anaerob) und Gärung.

Bei der Atmung werden Stoffe („Substrate“) oxidiert. Die bei der Oxidation freigesetzten Elektronen werden über die Atmungskette auf externe Elektronenakzeptorenübertragen.

Prinzip der Dissimilation bei Kohlenhydraten

• Bei der aeroben Atmung dient Sauerstoff (O₂ ) als Elektronenakzeptor. Sie tritt bei allen aeroben Lebewesen auf und liefert die meiste Energie (Freie Enthalpie), bezogen auf die Menge des abgebauten Stoffs (Substrat). Organische Verbindungen als Substrate werden dabei vollständig zu Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) abgebaut.
• Bei der anaeroben Atmung dienen anstelle von Sauerstoff andere Stoffe als externe Elektronenakzeptoren: Nitrat (NO₃⁻),Fumarat, dreiwertige Eisen-Ionen (Fe³⁺) oder Sulfat (SO₄²⁻).

Gärungen verlaufen ohne Verbrauch externer Elektronenakzeptoren, ohne Atmungskette. Der Abbau des Substrats ist meist unvollständig, die Abbauprodukte werden ausgeschieden. Die ATP-Ausbeute ist relativ gering und liegt bei etwa 2 bis 4 ATP jeMol Substrat.

http://de.wikipedia.org/wiki/Assimilation_(Biologie)

Assimilation (lateinisch assimilatio Angleichung, Eingliederung) ist der Stoff- und Energiewechsel, bei dem aufgenommene, körperfremde Stoffe - meistens unter Energiezufuhr - in körpereigene Verbindungen umgewandelt werden. Es werden also Stoffe aus der Umwelt in Bestandteile des Organismus umgewandelt. Dabei wird je nach Betrachtungsweise zwischen Kohlenstoff-, Stickstoff-, Schwefel-, Phosphat- und Mineralstoff-Assimilation unterschieden.

http://de.wikipedia.org/wiki/Baustoffwechsel

Mit Anabolismus oder Baustoffwechsel (von griech. αναβολισμός, anabolismós, „Aufwurf“) bezeichnet man bei Lebewesen den Aufbau von Stoffen. Der Gegensatz zu Anabolismus ist Katabolismus, nämlich der Abbau von Stoffen. Katabolismus und Anabolismus sind Teile des Metabolismus.

http://de.wikipedia.org/wiki/Hungerstoffwechsel

Als Hungerstoffwechsel wird die Umstellung des Stoffwechsels bei Nahrungsmangel bezeichnet, z. B. beim Fasten (mit der Extremform Null-Diät) oder bei Magersucht.

http://de.wikipedia.org/wiki/Grundumsatz

Der Grundumsatz, auch basale Stoffwechselrate genannt, ist eine Größe, die zur Charakterisierung des Stoffwechsels hauptsächlich beim Menschen verwendet wird: Sie ist diejenige Energiemenge, die der Körper pro Tag bei völliger Ruhe, bei Indifferenztemperatur (28 °C) und nüchtern (d. h. mit leerem Magen) zur Aufrechterhaltung seiner Funktionen benötigt.

Grundumsatz beim Menschen[Bearbeiten]

Den größten Anteil am Grundumsatz im menschlichen Körper haben Leber und Skelettmuskulatur mit je etwa 26 %, gefolgt vom Gehirn mit 18 %, dem Herz mit 9 % und denNieren mit 7 %. Die restlichen 14 % entfallen auf die übrigen Organe.^[5]

http://de.wikipedia.org/wiki/Energiestoffwechsel

Mit Energiestoffwechsel (veraltet: Betriebsstoffwechsel) bezeichnet man den Teil des Stoffwechsels von Lebewesen, der der Gewinnung von Energie dient. Er unterscheidet sich vom Baustoffwechsel (Anabolismus), der dem Aufbau von Körperbestandteilen der Lebewesen dient und Energie verbraucht.

Der Energiestoffwechsel besteht aus chemischen Stoffumsetzungen, die in der Summe exergon, also Energie freisetzend sind. Es werden also Stoffsysteme genutzt, die sich in einem thermodynamischen Ungleichgewicht befinden und bei ihrer Umsetzung in einen energieärmeren, stabileren Gleichgewichtszustand überführt werden, wobei Energie frei wird. Diese Art der Energiegewinnung wird alsChemotrophie bezeichnet, die sie betreibenden Lebewesen als chemotroph..

Eine andere Art der Energiegewinnung ist die Phototrophie, bei der Licht als Energiequelle genutzt wird. Lebewesen, die Licht als Energiequelle nutzen, werden als phototroph bezeichnet. Die meisten phototrophen Lebewesen können auch chemotroph Energie gewinnen, also durch einen Energiestoffwechsel, zum Beispiel bei Lichtmangel.

Arten des Energiestoffwechsels[Bearbeiten]

Man unterscheidet fermentativen und oxidativen Energiestoffwechsel.

Anaerober Energiestoffwechsel, auch als Gärung (im Englischen fermentation) bezeichnet, lässt in der Bruttoumsetzung keine Redoxreaktionen erkennen. Beispiele für den gärenden Energiestoffwechsel:

• Milchsäuregärung ist die Umsetzung von Milchzucker (Lactose) zu Milchsäure in Milchsäurebakterien:

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → 4 C₃H₅O₃⁻ + 4 H⁺

ΔG₀' = − 478 kJ je Mol Lactose

Bei oxidativem Energiestoffwechsel (oxidative Phosphorylierung, Zellatmung) sind auch im Bruttoumsatz Redoxreaktionen am Verbrauch eines Oxidationsmittels und eines Reduktionsmittels zu erkennen. Beispiele für oxidativen Energiestoffwechsel:

• Umsetzung von Traubenzucker (Glucose) (=Reduktionsmittel) mit molekularem Sauerstoff (O₂) (=Oxidationsmittel) zu Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) in Tieren,Menschen, vielen Bakterien, auch in Pflanzen:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O

ΔG₀' = − 2822 kJ je Mol Glucose

• Umsetzung von Kohlenstoffdioxid (CO₂) (=Oxidationsmittel) und molekularem Wasserstoff (H₂) (=Reduktionsmittel) zu Methan (CH₄) und Wasser (H₂O) in methanogenenArchaea:

CO₂ + 4 H₂ → CH₄ + 2 H₂O

ΔG₀' = − 139 kJ je Mol Kohlenstoffdioxid

• Umsetzung von Sulfat (SO₄²⁻) (=Oxidationsmittel) und molekularem Wasserstoff (H₂) (=Reduktionsmittel) zu Schwefelwasserstoff (H₂S) und Wasser (H₂O) in sulfatreduzierenden Bakterien (Desulfurikation):

SO₄²⁻ + 4 H₂ → HS⁻ + 3 H₂O + OH⁻

ΔG₀' = − 112 kJ je Mol Sulfat

• Umsetzung von Nitrat (NO₃⁻) (=Oxidationsmittel) zu Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) in denitrifizierenden Bakterien (Denitrifikation):

2NO₃⁻ + 12 H⁺ + 10 e⁻ → N₂ + 6 H₂O

Overview of Lipid Function

Introduction - Function of Lipids: Lipids as an Energy Reserve: Nearly all of the energy needed by the human body is provided by the oxidation of carbohydrates and lipids. Whereas carbohydrates provide a readily available source of energy, lipids function primarily as an energy reserve. The amount of lipids stored as an energy reserve far exceeds the energy stored as glycogen since the human body is simply not capable of storing as much glycogen compared to lipids. Lipids yield 9 kcal of energy per gram while carbohydrates and proteins yield only 4 kcal of energy per gram. It is interesting to compare the relative amounts of energy provided by various biochemicals in a typical 154 lb male. The free glucose in the blood provides only a 40 kcal energy reserve -- only enough to maintain body functions for a few minutes. Glycogen remaining stored in the liver and muscles after an overnight fast, amounts to about 600 kcal energy. Glycogen reserves can maintain body functions for about one day without new inputs of food. Protein (mostly in muscle) contains a substantial energy reserve of about 25,000 kcal. Finally, lipid reserves containing 100,000 kcal of energy can maintain human body functions without food for 30-40 days with sufficient water. Lipids or fats represent about 24 pounds of the body weight in a 154 pound male. Lipids provide the sole source of energy in hibernating animals and migrating birds. Fortunately, lipids are more compact and contain more energy per gram than glycogen, otherwise body weight would increase approximately 110 pounds if glycogen were to replace fat as the energy reserve. Link to: Rodney Boyer Animation of Lipids in Body