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Stoff- und Energiewechsel
Lebewesen können aufgrund ihres eigenen Stoff- und Energiewechsels verschiedenen Stoffwechsel-Formen zugeordnet werden. Alle Organismen benötigen einerseits …
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Grundprinzip und Einteilung
Stoff- und Energiewechsel beschreibt, wie Lebewesen Energie gewinnen und Stoffe für den Aufbau ihrer Biomasse bereitstellen. Alle Organismen brauchen Energie, um Lebensprozesse aufrechtzuerhalten, sowie eine Kohlenstoffquelle für ihre Biomasse. Besonders bei Mikroorganismen gibt es viele Rein- und Mischformen; die Einteilung ist daher in der Mikrobiologie wichtig. Die meisten Vielzeller sind stoffwechselphysiologisch dagegen einförmiger.
Die Stoffwechsel-Formen werden nach drei Kriterien eingeordnet: Energiequelle, Elektronendon(at)or und Kohlenstoffquelle. Die Endung „-trophie“ kennzeichnet dabei eine Eigenschaft des Stoffwechsels. Mehrere Merkmale können zu einer Bezeichnung verbunden werden: Grüne Pflanzen sind phototroph, lithotroph und autotroph, also photolithoautotroph. Tiere und Pilze sind chemotroph, organotroph und heterotroph, also chemoorganoheterotroph.
Energiegewinnung
Die Energiequelle wird benötigt, um den Energieüberträger und kurzfristigen Energiespeicher Adenosintriphosphat (ATP) durch Phosphorylierung aus Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphat zu bilden. Wenn ATP wieder in ADP und Phosphat gespalten wird, liefert dies Energie für energieverbrauchende Vorgänge, vor allem für den Aufbau von Biomasse.
Bei der Phototrophie stammt die Energie aus Licht. Grüne Pflanzen sind typische phototrophe Organismen. Wenige Pilze mit dem Pigment Melanin können zusätzlich Energie aus ionisierender Strahlung gewinnen; sie heißen radiotrophe Pilze. Der Reaktionsmechanismus dieser Energiegewinnung ist unklar.
Bei der Chemotrophie stammt die Energie aus exergonen Stoffumsetzungen, meist aus Redoxreaktionen. Alle Organismen, die nicht phototroph sind, sind chemotroph. Zu den chemotrophen Stoffwechselformen gehören Atmung und Gärung.
Elektronen für den Baustoffwechsel
Für Reduktionen im Baustoffwechsel wird eine Elektronenquelle benötigt, auch Elektronendon(at)or oder Reduktionsmittel genannt. Als Elektronenüberträger wirken Nicotinamidadenindinukleotid (NAD)+ und Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADP+). Sie werden zu NADH beziehungsweise NADPH reduziert. Bei der späteren Oxidation von NAD(P)H zu NAD(P)+ stehen die Elektronen für den Aufbau von Biomasse zur Verfügung.
Lithotrophe Organismen gewinnen Elektronen durch Oxidation anorganischer Stoffe; nitrifizierende Bakterien sind typische Beispiele. Die Hydrotrophie ist eine besondere Form der Lithotrophie: Die Elektronen stammen aus der Oxidation von Wasser. Wegen ihrer Bedeutung wird sie gesondert genannt; grüne Pflanzen sind typische hydrotrophe Organismen. Bei der Organotrophie stammen die Elektronen aus der Oxidation organischer Stoffe. Tiere sind typische organotrophe Organismen.
Kohlenstoffquelle und Mischform
Die Kohlenstoffquelle dient dem Aufbau von Biomasse. Autotrophe Organismen beziehen ihren Kohlenstoff ausschließlich aus Kohlendioxid (CO2) oder aus Hydrogencarbonat-Ionen (HCO3−). Grüne Pflanzen sind typische autotrophe Organismen.
Heterotrophe Organismen erhalten ihren Kohlenstoff mindestens teilweise aus organischen Verbindungen. Tiere sind typische heterotrophe Organismen. Organismen, die sowohl autotroph als auch heterotroph leben können, betreiben Mixotrophie.
Die Einteilung nach den drei Kriterien sagt nicht aus, ob ein Organismus Sauerstoff nutzt (Aerobie/Anaerobie) oder wie seine Thermogenese erfolgt (Endothermie/Ektothermie).