Stoffwechsel - was ist das?

Stoffwechsel ist ein Merkmal des Lebens

Im Biologie-Unterricht der Unter- oder Mittelstufe haben Sie vielleicht schon gelernt, was die "Merkmale des Lebens" sind. Neben aktiver Bewegung, Fortpflanzung, Reizbarkeit, Fähigkeit zum Wachstum, Aufbau aus Zellen, Fähigkeit zur Anpassung an die Umwelt, Fähigkeit zur evolutiven Weiterentwicklung haben Sie sicherlich auch den Stoffwechsel als Merkmals des Lebens kennen gelernt.

Was genau versteht man nun unter Stoffwechsel? Suchen wir doch einfach mal nach einer guten Defintion im Internet. Natürlich müssen wir dazu auf eine zuverlässige Seite gehen, wie zum Beispiel das Spektrum Kompaktlexikon der Biologie ^[1]. Hier lesen wir zum Stichwort "Stoffwechsel":

"Stoffwechsel, übergeordnete Bez. für alle im Organismus von Pflanzen, Tieren und Menschen sowie in Mikroorganismen ablaufenden chemischen Reaktionen."

Damit kann man - ehrlich gesagt - noch nicht allzu viel anfangen. Nicht jede chemische Reaktion, die im Körper abläuft, würde man dem Stoffwechsel zuordnen. Wenn beispielsweise ein Lichtquant auf eine Sehzelle der Netzhaut trifft und dort eine chemische Reaktion auslöst, würde ich das nicht als Stoffwechselreaktion bezeichnen.

Fragen wir doch einfach mal spaßeshalber die Künstliche Intelligenz ChatGPT, die ja zur Zeit noch völlig kostenfrei jedermann und jederfrau zur Verfügung steht. Also, ChatGPT, gib mir bitte eine Definition des Begriffs "Stoffwechsel":

"Der Stoffwechsel bezieht sich auf die Gesamtheit der chemischen Prozesse, die in einem Organismus ablaufen, um Energie zu erzeugen und lebenswichtige Substanzen herzustellen. Diese Prozesse umfassen den Abbau von Nährstoffen, die Aufnahme von Sauerstoff, die Entgiftung von Abfallprodukten und die Synthese von Biomolekülen."

Neidlos muss man zugeben, dass sich das wesentlich besser anhört als die ersten Sätze aus dem Spektrum-Lexikon. Die Reaktionen, die bei der Erregung eines Photorezeptors oder einer Muskelzelle ablaufen, gehören also nicht zum Stoffwechsel, sondern nur Reaktionen, die zur Herstellung körpereigener Verbindungen dienen oder zur Gewinnung von Energie.

Nun wollen wir zum Abschluss dieses Abschnitts auch noch in ein gutes Fachbuch hineinschauen, vielleicht finden wir hier eine noch bessere Definition des Begriffs "Stoffwechsel". Eines der besten Hochschul-Lehrbücher zur Biochemie ist "Der Lehninger", wie man so sagt. Hier finden wir folgende Einleitung zum Thema "Introduction to Metabolism" ("Metabolism" = "Stoffwechsel") ^[2]:

"Living cells and organisms must perform work to stay alive, to grow, and to reproduce. The ability to harness energy and to channel it into biological work is a fundamental property of all living organisms; it must have been acquired very early in cellular evolution".

Und das Ganze noch einmal auf Deutsch (Google-Übersetzer):

"Lebende Zellen und Organismen müssen Arbeit leisten, um am Leben zu bleiben, zu wachsen und sich zu vermehren. Die Fähigkeit, Energie zu nutzen und in biologische Arbeit zu lenken, ist eine grundlegende Eigenschaft aller lebenden Organismen; sie muss sehr früh in der zellulären Evolution erworben worden sein."

Aufbauender und abbauender Stoffwechsel

Beim Stoffwechsel eines Lebewesens unterscheidet man den aufbauenden und den abbauenden Stoffwechsel, die auch als Anabolismus bzw. Katabolismus bezeichnet werden.

Ein klassisches Beispiel für den aufbauenden Stoffwechsel ist die Photosynthese der Pflanzen, bei der aus Wasser und Kohlendioxid der Nährstoff Glucose und als "Abfallprodukt" Sauerstoff hergestellt werden:

$6 \ CO_2 + 6 \ H_2O \to C_6H_{12}O_6 + 6 \ O_2$

Aus kleinen Molekülen (Wasser, Kohlendioxid) entstehen komplexere Moleküle (Glucose). Eine solche Reaktion ist immer endotherm, erfordert also die Zufuhr von Energie.

Ein aufbauender Stoffwechsel findet allerdings nicht nur in Pflanzen statt, wenn sie Photosynthese betreiben. Auch der menschliche Körper könnte ohne aufbauende Stoffwechselvorgänge nicht existieren. Nicht nur beim Wachstum des Körpers, wenn neue Zellen und Gewebe gebildet werden müssen, sondern grundsätzlich bei allen Körpervorgängen werden immer wieder neue, teils sehr komplexe Verbindungen aus einfachen Stoffen wie Glucose oder Phosphorsäure aufgebaut.

Unsere DNA beispielsweise, die Erbsubstanz, ist ein riesiges Molekül, das aus Tausenden Phosphorsäure- und Desoxyribose-Einheiten sowie aus vielen Tausenden organischen Basen zusammengesetzt ist. Die Herstellung neuer DNA bei der Zellteilung erfordert unheimlich viel Energie. Auch wenn an den Ribosomen neue Proteine hergestellt werden, teils aus vielen Hundert Aminosäuren, ist das ein stark endothermer Vorgang, der recht viel Energie benötigt.

Wo kommt nun diese viele Energie her, die für den Anabolismus benötigt wird?

Das ist die Aufgabe des Katabolismus, des abbauenden Stoffwechsels. Ein Musterbeispiel für einen solchen katabolischen Vorgang ist die Verbrennung von Glucose mit Hilfe von Sauerstoff in den Zellen:

$C_6H_{12}O_6 + 6 \ O_2 \to 6 \ CO_2 + 6 \ H_2O $

Ein Glucose-Molekül wird in sechs Wasser- und sechs Kohlendioxid-Moleküle zerlegt, wenn Sauerstoff anwesend ist. Eine solche Oxidation ist stets sehr exotherm, liefert also jede Menge Energie. Und diese Energie kann dann für den aufbauenden Stoffwechsel verwendet werden.

Man könnte den Zusammenhang zwischen Anabolismus und Katabolismus mit einem schöne Schema vereinfacht darstellen:

Zusammenwirken zwischen Katabolismus und Anabolismus
Autor: Ulrich Helmich 06/2023, Lizenz: siehe Seitenende

Die Oxidation der Glucose (links) ist eine exotherme Reaktion, die Energie der Endprodukte CO₂ und H₂O ist geringer als die Energie der Ausgangsstoffe Glucose und O₂. Dieser Energieverlust wird durch den nach unten gerichteten Pfeil dargestellt.

Wenn an den Ribosomen ein neues Protein entsteht, ist das ein anabolischer Vorgang, es wird ein komplexes Molekül aufgebaut. Das gebildete Protein hat einen höheren Energiegehalt als die einzelnen Aminosäuren zusammen, das wird durch den nach oben gerichteten Pfeil verdeutlicht.

Die für diesen endothermen Aufbau erforderliche Energie wird aus katabolischen Vorgängen wie der Oxidation von Glucose gewonnen.

Die Zahnrad-Symbolik ist notwendig, um zu verdeutlichen, dass der abbauende Vorgang den aufbauenden Vorgang antreibt. Das mittlere Zahnrad vermittelt sozusagen die übertragene Energie.

Die vermittelnde Rolle von ATP

Das obige Beispiel mit dem Aufbau von Proteinen und der Oxidation von Glucose mag ja sofort einleuchten, ein kleines Problemchen haben wir aber dennoch. Die Oxidation der Glucose findet hauptsächlich in den Mitochondrien statt, während die Proteinsynthese an den Ribosomen im Zellplasma abläuft. Wie genau gelangt die Energie, die bei der Glucose-Oxidation gewonnen wird, zu den Ribosomen? Oder - anders gefragt - wofür steht eigentlich das Zahnrad in der Abbildung 1?

ATP als Vermittler zwischen Katabolismus und Anabolismus
Autor: Ulrich Helmich 06/2023, Lizenz: siehe Seitenende

ATP ist die Abkürzung für Adenosintriphosphat. Diese Verbindung ist die universelle Energiewährung der Zelle und wird in den Mitochondrien hergestellt. Um den genauen chemischen Aufbau von ATP müssen wir uns hier nicht kümmern. Es reicht zu wissen, dass das ATP-Molekül drei Phosphatgruppen enthält, daher dier Wortteil "tri-phosphat". Wenn eine dieser drei Phosphatgruppen vom ATP-Molekül abgespalten wird, entsteht ADP oder Adenosindiphosphat. ADP enthält dann nur noch zwei Phosphatgruppen. Die abgespaltene Phosphatgruppe wird mit P_i abgekürzt, wobei das "i" für inorganic, also anorganisch steht.

ATP ist wie ein Akku. Durch exotherme Vorgänge wie den Abbau von Glucose wird der ATP-Akku aufgeladen:

$ADP + P_i + Energie \to ATP$

Das ATP kann dann in der Zelle zu den Orten transportiert werden, wo Energie benötigt wird. Dort angekommen, wird das ATP wieder abgebaut:

$ATP \to ADP + P_i + Energie$

Die bei diesem stark exothermen Vorgang freigesetzte Energie kann dann für einen aufbauenden Stoffwechselvorgang verwendet werden.

Diese Aufgabe wollen wir einmal gemeinsam lösen.

Lösungsvorschlag

Wenn die Abbildung 2 korrekt wäre, würde beim Abbau von Glucose folgendes passieren: Die Glucose würde oxidiert, und ATP würde aus ADP und Pi gebildet. Die ATP-Zahnstange geht dabei nach oben.

Das Schema ist nun aber so gestaltet, dass sich das rechte Zahnrad im Uhrzeigersinn dreht, wenn die Zahnstange nach oben geht. Aus dem Protein würden also Aminosäuren gebildet werden, was natürlich falsch ist.

Wir müssen das Schema noch etwas verbessern, vielleicht so:

ATP als Vermittler zwischen Katabolismus und Anabolismus
Autor: Ulrich Helmich 06/2023, Lizenz: siehe Seitenende

Die ATP-Synthese findet an Ort A statt (Mitochondrien), dann wird das ATP zum Zielort B (Ribosomen) transportiert, und dort findet dann die ATP-Zerlegung zur Energiegewinnung statt.

Vertiefende Themen

Das bisher Gesagte sollte für den Biologie-Grundkurs oder Leistungskurs völlig ausreichen. Wer mehr wissen will, weil er vielleicht vorhat, nach dem Abitur Biologie zu studieren, kann sich ja die hier verlinkten weiterführenden Seiten anschauen.

Lebewesen müssen einen Katabolismus betreiben, um Energie zu gewinnen, mit dem sie ihren hochgeordneten entropiearmen Zustand aufrecht erhalten können. Ohne ständige Zufuhr von Energie würde jedes Lebewesen mit der Zeit in einen entropiereichen Zustand der völligen Unordnung übergehen - Tod und Verwesung!

Die anderen angesprochenen Themen werden im Rahmen dieses Stoffwechselbiologie-Kurses noch vertieft. Mehr dazu auf den nächsten Seiten. Wir beginnen dann mit dem abbauenden Stoffwechsel, dem Katabolismus. Dabei setzen wir zwei Schwerpunkte:

1. Aerobe Dissimilation von Glucose über Glycolyse, Citratzyklus und Atmungskette
2. Anaerobe Dissimilation von Glucose über alkoholische Gärung sowie weitere Gärungstypen.