Stoffwechsel

Grundbegriff und Bedeutung

Stoffwechsel oder Metabolismus bezeichnet alle chemischen Umwandlungen von Stoffen im Körper von Lebewesen. Dazu gehört zum Beispiel die Umwandlung von Nahrungsmitteln in Zwischenprodukte, die Metaboliten heißen, und in Endprodukte. Wenn von außen aufgenommene fremde Stoffe umgesetzt werden, spricht man von Fremdstoffmetabolismus. Der Umbau körperfremder Stoffe in körpereigene Stoffe heißt Assimilation; der Abbau körpereigener Stoffe heißt Dissimilation. Auch die Umwandlung schädlicher Stoffe in ausscheidbare Stoffe, die Biotransformation, gehört zum Stoffwechsel.

Stoffwechselvorgänge sind besonders wichtig für Biochemie, Medizin und Physiologie, etwa beim Verständnis von Stoffwechselstörungen. Physikalisch kann Stoffwechsel als Austausch von freier Energie gegen „Ordnung“ verstanden werden: Lebewesen erhöhen in sich die Ordnung und verbrauchen dabei Energie. Im Organismus nimmt die Entropie, also die „Unordnung“, ab; in der Umgebung nimmt sie zu.

Aufbau, Abbau und Energie

Der Primärstoffwechsel umfasst die biochemischen Vorgänge, die direkt für Leben und Körperfunktionen nötig sind. Er dient dem Aufbau, Abbau, Ersatz und Erhalt der Körpersubstanz, dem sogenannten Baustoffwechsel, sowie der Energiegewinnung.

Der Sekundärstoffwechsel produziert Stoffe, die nicht unmittelbar dem Leben dienen, aber häufig dem Überleben in Wechselwirkung mit der Umwelt. Solche Produkte heißen Sekundärmetaboliten; bei Pflanzen werden sie auch Sekundäre Pflanzenstoffe genannt.

Der gesamte Stoffwechsel lässt sich in katabole und anabole Reaktionen einteilen. Katabole Reaktionen bauen chemisch komplexe Nahrungsstoffe zu einfacheren Stoffen ab und liefern dabei Energie; das heißt Katabolismus. Anabole Reaktionen bauen unter Energieverbrauch körpereigene Stoffe aus einfachen Bausteinen auf; das heißt Anabolismus. Beide Bereiche treffen sich im Intermediärstoffwechsel, in dem relativ einfache Moleküle als Zwischenprodukte umgebaut werden.

Stoffwechselwege und Reaktionen

Der Stoffwechsel ist ein komplexes Netzwerk einzelner chemischer Reaktionen. Gruppen von Reaktionen, die unmittelbar aufeinander folgen, heißen Stoffwechselwege. Sie können linear verlaufen, zum Beispiel die Glycolyse, oder zyklisch, zum Beispiel der Citratzyklus.

Die meisten Stoffwechselwege sind amphibol. Das bedeutet, dass sie in verschiedenen Schritten sowohl katabol als auch anabol ablaufen. Viele einzelne Reaktionsschritte sind reversibel, also umkehrbar. Der gesamte Stoffwechselweg ist aber immer irreversibel, weil mindestens ein Schritt nur in anaboler oder nur in kataboler Richtung abläuft.

Wesentlich für den Stoffwechsel sind Enzyme. Sie beschleunigen und lenken chemische Stoffumsetzungen; man sagt, sie katalysieren Reaktionen. Nach dem IUPAC/IUBMB Enzym-Klassifikationssystem gibt es sechs Hauptgruppen enzymatischer Reaktionen: Redoxreaktionen, Gruppenübertragungsreaktionen, Hydrolysereaktionen, Lyase-Reaktionen wie Addition und Hydratisierung, Isomerisierungsreaktionen und Ligationsreaktionen.

Membranen, Ladung und Transport

Zell- und Biomembranen sind nicht nur Hüllen, in denen Enzyme und Reaktionspartner frei beweglich sind. Für geladene Moleküle, also Ionen, bilden sie eine undurchdringliche Barriere. Membranproteine können Ionen aber selektiv durchlassen oder aktiv transportieren. Wenn Kationen nach außen transportiert werden, entsteht ein Membranpotential: Die Membran ist außen positiv und innen negativ geladen. In dieser Ladung steckt Energie, die bei zurückfließenden Kationen für Transport- und Bewegungsprozesse freiwerden kann.

Durch die Membranen praktisch aller lebenden Zellen fließt ständig ein Strom positiv geladener Teilchen. Dieser Strom wird durch exergone, also Energie freisetzende, chemische Reaktionen angetrieben. Nervenzellen verbrauchen kontinuierlich ATP, um ihr Membranpotential zu erhalten; dies geschieht durch ATPasen, die als Natrium-Kalium-Pumpen wirken.

Bei nahezu allen Lebewesen wird verbrauchtes ATP fast ausschließlich mithilfe des Membranpotentials durch das Enzym ATP-Synthase regeneriert. In Mitochondrien von Tieren und Pflanzen sowie in nahezu allen Archaeen und Bakterien halten Oxidoreduktasen als Kationen-Pumpen das Membranpotential aufrecht. Beim Menschen sind das die Enzyme der Atmungskette; Pflanzen nutzen zusätzlich ihren Photosynthese-Apparat in den Chloroplasten.

Transport von Stoffen durch Transportproteine kann innerhalb von Zellkompartimenten, außerhalb von Zellen oder über Biomembranen hinweg stattfinden. Er kann als Diffusion, erleichterte Diffusion oder aktiver, ATP verbrauchender Membrantransport ablaufen. Die Transporter Classification Database (TCDB) ist eine von der IUBMB sanktionierte Klassifikation der Transportproteine. Ihre Hauptgruppen sind Porine und Ionenkanäle, potenzialgetriebene Transporter, primär aktive Transporter, Phosphotransferasen, Transmembran-Elektronencarrier, Hilfstransporter und andere.

Stoffwechselrate

Die Stoffwechselrate oder Metabolismusrate beschreibt die Geschwindigkeit, mit der der Energiestoffwechsel Energie bereitstellt. Sie ist definiert als Energieumsatz eines Organismus pro Zeitspanne.

Die basale Stoffwechselrate ist der Energieverbrauch bei völliger Ruhe. Beim Menschen wird dafür besonders der Begriff Grundumsatz verwendet.

Stoffwechseltypen bei Lebewesen

Pflanzen, Algen, einige Bakterien und Archaea betreiben Photosynthese. Sie nutzen Lichtenergie, um Kohlenstoffdioxid, Wasser und andere Ausgangsstoffe in körpereigenes Material umzuwandeln. Bei Landpflanzen stammt das Kohlenstoffdioxid aus der Luft. Das gebildete Material dient sofort Aufbau und Wachstum oder wird als Speicherstoff gelagert, zum Beispiel als Kohlenhydrate. Diese Reservestoffe können später im Baustoffwechsel oder Energiestoffwechsel verarbeitet werden.

Tiere metabolisieren bei der Verdauung andere Organismen oder deren Speicherstoffe, etwa Kohlenhydrate, Proteine oder Fette; dies steht im Zusammenhang mit Chemotrophie. Bei Mikroorganismen gibt es weitere Stoffwechseltypen.

In Ratgeberliteratur zu Ernährung und Diäten wird manchmal von verschiedenen „Stoffwechseltypen“ beim Menschen gesprochen, etwa beim Metabolic Typing. Diese individuellen Besonderheiten innerhalb einer Art haben nichts mit der Einteilung verschiedener Gruppen von Lebewesen zu tun. Die Lehre von bestimmten menschlichen „Typen“ gilt im Artikel als spekulativ und unwissenschaftlich.