Bez. für die Gesamtheit der chem. Umsetzungen im Organismus, die zur Aufrechterhaltung der Lebensvorgänge notwendig sind; diese betreffen die Aufnahme, den Ein-, Um- u. Abbau wie auch
die Ausscheidung von Stoffen, die Erhaltung bzw. Vermehrung der Körpersubstanz u. die Energiegewinnung.
Allgemeines zum Stoffwechsel:
Der intermediäre Stoffwechsel (Zwischenstoffwechsel) findet in den Zellen u. Geweben statt (daher auch: Zell-, Gewebs-Stoffwechsel). Er umfaßt alle chem. Umsetzungen, angefangen bei den Ausgangsstoffen, die
von der Verdauung geliefert werden, über Bldg. u. Wiederabbau von Reservestoffen bis hin zu den Endstoffen, die zur Ausscheidung kommen. Von Energie-Stoffwechsel od. Betriebs-Stoffwechsel spricht man beim Umsatz
der körpereigenen Stoffe zur Gewinnung von Energie: Als Wärmeenergie zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur, als mechan. Energie zur Arbeitsleistung der Organe u. Muskeln, als
chem. Energie für Synth. von arteigenem Protein, Fetten, Glykogen, Polynucleotiden, energiereichen Phosphat-Verb., zur Ausbldg. elektr. Potentiale, für osmot. Arbeit usw. Hiervon trennt
man begrifflich (tatsächlich sind beide Stoffwechsel natürlich innigst verzahnt) den Bau-Stoffwechsel od. Erhaltungs-Stoffwechsel, der der Produktion (Biogenese) notwendiger Zellbestandteile aus einfachen Bausteinen
(Anabolismus) ebenso dient wie dem Abbau (Katabolismus) höhermol. Stoffe zu niedermol. Substanzen (Metaboliten), die entweder anderweitig im Organismus für Aufbaureaktionen eingesetzt od.
aber (in Harn, Kot, Schweiß od. durch die Atmung) ausgeschieden werden sollen. Im pflanzlichen od. tier. Sekundär-Stoffwechsel (Sekundärmetabolismus) od. Neben-Stoffwechsel erfolgt die Biosynth. von
Verb., die für die Organismen nicht unmittelbar zum Überleben notwendig sind, z.B. Blütenfarbstoffe, Alkaloide u.a. Gifte, Harze, Riechstoffe u.a. der Kommunikation dienende Naturstoffe.
Die Sekundärmetaboliten werden im allg. in hierfür spezialisierten Zellen gebildet.
Zum endogenen Stoffwechsel rechnet man die Stoffwechsel-Prozesse, die von körpereigenen Stoffen (z.B. Harnsäure aus Purinbasen der Nucleinsäuren von Gewebszellen) ausgehen, während der exogene Stoffwechsel
solche Prozesse umfaßt, bei denen die Endprod. direkt aus Bestandteilen der aufgenommenen Nahrung gebildet werden, ohne dass diese vorher im Gewebe eingebaut wurden (z.B. Bldg. von Harnsäure
aus eingenommenen Nucleinsäuren).
Die Hauptwege des Stoffwechsel sind gleich, ob sie in Mikroorganismen, Pflanzen, Tieren od. Menschen ablaufen. Manche Organismen können gewisse Stoffwechsel-Wege nicht (mehr) benutzen – der Mensch z.B. die
Synth. essentieller Aminosäuren –, während andere zusätzliche Stoffwechsel-Möglichkeiten entwickelt haben. Der Mensch verbraucht Sauerstoff u. scheidet Kohlendioxid aus – bei
der Pflanze ist es per saldo umgekehrt, u. obwohl die Atmungskette u. die Photosynthese anscheinend nichts miteinander gemeinsam haben, sind doch z.T. dieStoffwechsel Enzyme u. Coenzyme in beiden Redoxsystemen
tätig (Cytochrome).
Spezielle Stoffwechsel-Zweige u. -Wege:
Die einzelnen Stoffwechsel-Zweige werden individuell nach der im wesentlichen daran beteiligten Substanzen-Gruppe bezeichnet: So umfaßt z.B. der Protein-Stoffwechsel diejenige Prozesse, die mit der Protein-Verdauung
(Hydrolyse von Proteinen zu Oligopeptiden u. Aminosäuren) beginnen u. zum Aufbau von körpereigenem Organeiweiß aus Aminosäuren bis zu deren Abbau zu Ammoniak bzw. Harnstoff
führen. Der Fettstoffwechsel umfaßt Aufnahme, Transport, Ab-, Auf- u. Umbau sowie Verbrennung bzw. Ablagerung der Fette bzw. Fettsäuren. Der Kohlenhydrat-Stoffwechsel beinhaltet Aufnahme,
Verteilung, Speicherung u. Abbau der Kohlenhydrate (z.B. Zucker) zum Zweck der Energiegewinnung (Glykolyse), die Umwandlung der Schlüsselsubstanz D-Glucose in den Reservestoff Glykogen (bei
Pflanzen: Stärke) u. die Gluconeogenese. Bei der Verdauung sind Enzymsyst. von Speichel, Magensaft, Pankreas beteiligt, an Transport u. Ausscheidung Galle u. Nieren, an der Speicherung Leber,
Milz u. andere.
Neben den erwähnten Stoffwechsel-Zweigen existieren noch eine Vielzahl anderer, die der Versorgung spezialisierter Organe od. der Aufnahme, Verwertung u. Ausscheidung spezif. Verb.-Klassen dienen, z.B.
- der Mineral-Stoffwechsel,
- der Purin- u. Pyrimidin-Stoffwechsel,
- der Hormon-Stoffwechsel,
- der Vitamin-Stoffwechsel,
- der Porphyrin-Stoffwechsel,
- der Elektrolyt-Stoffwechsel,
- die Aufrechterhaltung des Säure-Base-Gleichgew. usw
Transport:
Auf solchen Karten meist nicht zu erkennen ist jedoch die Kompartimentierung der Stoffwechsel-Vorgänge, d.h. deren Verteilung auf das Cytoplasma, die Membranen u. die Zellorganellen. Der Stoffaustausch
innerhalb der Zelle u. zwischen Zellen u. Körperflüssigkeiten erfolgt über die Membranen durch Diffusion (Permeation), durch Carrier od. mol. Kanäle (erleichterter passiver
Transport; Ionenkanäle), durch akt. Transport mittels mol. Pumpen (Kalium-Natrium-Pumpe) od. durch eine Kopplung von Transport mit einer Biotransformation des SubstratStoffwechsel Membranen sind auch
beteiligt bei der Energiegewinnung u. der Signalübermittlung (Signaltransduktion). Da die durch Enzyme katalysierten Stoffwechsel-Reaktionen im allg. reversibel sind, gelingt es dem Organismus nur aufgrund
von Konz.-Gefällen, einen stationären Zustand auf der Basis von Fließgleichgew. aufrechtzuerhalten.
Energie-Stoffwechsel:
Im Energie-, nicht aber im Bau-Stoffwechsel können die Energielieferanten Kohlenhydrate, Eiweiß u. Fette einander in gewissem Maße vertreten (sog. Isodynamie), da sie letztlich über
den gleichen Abbauweg oxidiert werden: Schlüsselsubstanzen sind die – ggf. über anaplerotische Reaktionen verfügbaren – Oxocarbonsäure-Deriv. wie Pyruvat, L-Aspartat,
L-Glutamat u. beStoffwechsel Acetyl-Coenzym A, das eine Eintrittsstelle in den Citronensäure-Zyklus markiert. Diesem schließt sich die Atmungskette an. auf
1 g bezogene physiolog. Brennwerte:
Kohlenhydrate 17 kJ (4 kcal), Eiweiß 17 kJ (4 kcal), Fett 38 kJ (9 kcal), Alkohol 30 kJ (7 kcal)
Den wahren Nutzeffekt drückt man in Mol ATP (Adenosin-5'-triphosphat) aus, die je Mol Nährstoff gebildet werden können. Die Ausnutzung der Energie ist für die Oxid. der Hauptnährstoffe
ungefähr gleich: 70 bis 85 kJ (17 bis 20 kcal) müssen zur Gewinnung von 1 Mol ATP durch oxidative Phosphorylierung in der Atmungskette aufgewandt werden. Legt man für einen Menschen
einen Tagesbedarf von 12,5 MJ (3000 kcal) zugrunde, so ergibt sich ein täglicher Umsatz von etwa 75 kg ATP. Davon entfallen 1/2 bis 2/3 auf die Aufrechterhaltung des GrundumsatzeStoffwechsel Störungen
des Stoffwechsel:
Als Einzelstichwörter behandelte Stoffwechsel-Anomalien sind z.B. Diabetes, Lipidosen, Gicht, Hyperthyreose, Rachitis, Phenylketonurie u. viele andere, die ererbt od. erworben sein können. In den
erwähnten Fällen fehlen dem Organismus notwendige Gene für Enzyme, Hormone od. dgl. (beim Diabetes z.B. Insulin), od. deren Induktion bzw. Repression ist gestört. Werden dem
Organismus Fremdstoffe (Arzneimittel, Gifte u.a. Xenobiotika) zugeführt, so muß er für deren Verarbeitung (biologischer Abbau, Biotransformation) spezif. Stoffwechsel-Prozesse entwickeln.
Wichtige Reaktionsschritte bei der Entgiftung sind die Carboxylierung, die Oxid. (beStoffwechsel in der Leber) u. die Bldg. von Konjugaten, die die Stoffe wasserlösl. u. über Niere od. Darm ausscheidbar
machen – möglicherweise ist der Metabolit jedoch giftiger als der Ausgangsstoff (Giftung). Die UnterStoffwechsel des Arzneimittel-Stoffwechsel ist ein Arbeitsgebiet der Pharmakokinetik. Methodik
u. Anw.:
Erkenntnisse zum S. hat man aus den Ergebnissen enzymatischer Analysen u.a. Meth. der Klinischen Chemie u. Immunchemie, der Unters. mit Radionukliden, dem Studium von Defektmutanten, mit Hilfe
der NMR-Spektroskopie usw. gewonnen. Den S. von Mikroorganismen nutzt man seit altersher bei der Gärung. Moderne Verf. der Fermentation u. der Biotechnologie werden in der chem. u. pharmazeut.
Ind. für Synth. eingesetzt. |
