Stoffwechsel

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Als Stoffwechsel (Metabolismus) 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, spricht man auch von Fremdstoffmetabolismus. Der Umbau organismenfremder Stoffe in organismeneigene Stoffe wird Assimilation genannt. Das Gegenteil ist die Dissimilation (Abbau organismuseigener 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. 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.


Hermann und Klaus Bünte nennen 8 Etagen des Stoffwechsels, in denen ein Kommen und Gehen in Synthese und Abbau erfolgt:[1]

  1. Atome
    Atome sind die Grundbausteine der Materie.
  2. Ionen
    Atome können Elektronen abgeben oder aufnehmen, wodurch sie zu positiven oder negativen Ionen werden.
  3. Chemische Verbindungen
    Durch chemische Bindung von Atomen und Ionen entstehen chemische Verbindungen, die als Bausteine des Lebens dienen, insbesondere der 5 Nukleotide als Bausteine der Nukleinsäuren.
  4. Zellvereinigungen
    Aus diesen Bausteinen des Lebens setzen sich die Zellen zusammen.
  5. Gewebe
    Mehrere Zellen bilden ein Gewebe.
  6. Differenziertes Gewebe
    Es gibt unterschiedliches Gewebe, was unterschiedlichen Stoffwechsel hat.
  7. Organe
    Das differenzierte Gewebe bildet die Organe und Systeme, z.B. das Blut-Kreislauf-System.
  8. Gesamtheit der Organstrukturen und Funktionen
    In der Gesamtheit von allem ist es der Mensch.

"Stoffwechsel lebender Organismen spielt sich auf verschiedenen, hierarchisch geordneten Ebenen ab. Jede höhere Etage bedeutet emergente (vorteilhaft gegenüber den darunterliegenden) Eigenschaften.
Basis sind die Atome. Sie betreten den Körper und verlassen ihn,z.B. der Sauerstoff. Zusammen mit Elektronen entstehen Ionen, Bestandteile von chemischen Verbingungen. Zahlreiche unterschiedliche Atome sind in den Zellen, den kleinsten Einheiten des Lebens enthalten. Diese bilden Gewebe, welche sich differenzieren.
Organe setzen sich aus vielerlei Gewebe zusammen, den Funktionsgeweben und Hilfgeweben, z.B. den Blutgefäßen.
Stoffwechsel bedeutet Kommen und Gehen. So werden praktisch alle Atome (Elemente) im Laufe des Lebens einmal oder immer wieder abgebaut, ausgeschieden und müssen durch die Nahrung ersetzt werden. Zellen gehen zugrunde und regenerieren, so auch die Gewebe. Die Strukturen bleiben bei diesem Stoffaustausch unversehrt. Ein Steinchen wird entfernt und sogleich ersetzt."[1]

Hermann und Klaus Bünte nennen 4 Kompartimente des Energieumsatzes. Dabei orientieren sie sich an den 3 Stufen der Oxidation der Nahrungsstoffe zur Energiegewinnung nach H. Krebs:[2]

  • 1. Kompartiment
    Im 1. Kompartiment werden Kohlenhydrate, Fette und Proteine in kleinere Moleküle abgebaut, Polysaccaride zu Zucker, Fette zu Glyzerin und Fettsäuren, Proteine zu Aminosäuren. Aus diesen Vorgängen resultiert keine Energie.
  • 2. Kompartiment
    Im 2. Kompartiment werden die Makromoleküle in einfache Bestandteile zerlegt, im wesentlichen zu Acetylgruppen abgebaut und mit dem Coenzym-A gekoppelt. Hieraus resultiert eine relativ kleine Menge von Energie.
  • 3. Kompartiment
    Im 3. Kompartiment, im Citratzyklus und der oxitativen Phosphorylierung, erfolgt der Endabbau, wobei die Acetyleinheiten schließlich zu CO2 oxidiert werden. Aus dem Citratzyklus werden Elektronen gewonnen und auf Carrier (Träger) übertragen. Wichtige Carrier sind NAD (Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid) und FAD (Flavin-Adenin-Dinucleotid). Aus der Übertragung der Elektronen auf Sauerstoff (O2) in der Atmungskette resultiert dann letztlich der eigentliche Energiegewinn. Die freiwerdende Energie wird zur Synthese der energiereichen Verbindung ATP verwendet. Mit diesem Molekül wird die Energie transportiert.
  • 4. Kompartiment
    Im 4. Kompartiment wird Energie für die Lebensvorgänge, insbesondere Biosynthesen, Membrantransporte, Muskelarbeit in Gestalt des ATP verbraucht, wobei die energieärmeren Verbindungen ADP und AMP entstehen. ATP wird in Minutenschnelle nach seiner Synthese verbraucht und dementsprechend neu gebildet. Es ist eine Energieübertragung, keine Energiespeicherung. Aktuell besitzt der menschliche Organismus ca. 35 g ATP. Damit werden täglich ATP-Moleküle rund 2500 mal auf- und wieder abgebaut.

Alle chemischen Umsetzungen gehen mit Wärmeproduktion einher, sodass nur ein Teil der gewonnen Energie als chemische Energie zur Verfügung steht.[2]

Jeder Vorgang im Stoffwechsel setzt Wärme frei, so dass maximal nur rund 35% der mit der Nahrung zugeführten Energie den Lebensvorgängen zugute kommen (Nettowirkungsgrad).[3]


Anhang

Anmerkungen


Einzelnachweise

  1. a b Hermann Bünte, Klaus Bünte: Das Spektrum der Medizin. Illustriertes Handbuch von den Grundlagen bis zur Klinik. Stuttgart 2004, 328.
  2. a b Hermann Bünte, Klaus Bünte: Das Spektrum der Medizin. Illustriertes Handbuch von den Grundlagen bis zur Klinik. Stuttgart 2004, 330.
  3. Hermann Bünte, Klaus Bünte: Das Spektrum der Medizin. Illustriertes Handbuch von den Grundlagen bis zur Klinik. Stuttgart 2004, 364.