STOFFWECHSELENERGIE: ARTEN, QUELLEN UND TRANSFORMATION - BIOLOGIE - 2025

Die Stoffwechselenergie ist die Energie, die alle Lebewesen aus der in Lebensmitteln (oder Nährstoffen) enthaltenen chemischen Energie gewinnen. Diese Energie ist grundsätzlich für alle Zellen gleich; Der Weg, um es zu erhalten, ist jedoch sehr vielfältig.

Lebensmittel bestehen aus einer Reihe von Biomolekülen verschiedener Arten, in deren Bindungen chemische Energie gespeichert ist. Auf diese Weise können Organismen die in Lebensmitteln gespeicherte Energie nutzen und diese Energie dann für andere Stoffwechselprozesse nutzen.

Alle lebenden Organismen benötigen Energie, um zu wachsen und sich zu vermehren, ihre Strukturen zu erhalten und auf die Umwelt zu reagieren. Der Stoffwechsel umfasst die chemischen Prozesse, die das Leben erhalten und es Organismen ermöglichen, chemische Energie in nützliche Energie für Zellen umzuwandeln.

Bei Tieren baut der Stoffwechsel Kohlenhydrate, Lipide, Proteine ​​und Nukleinsäuren ab, um chemische Energie bereitzustellen. Pflanzen wandeln ihrerseits Lichtenergie von der Sonne in chemische Energie um, um andere Moleküle zu synthetisieren. Sie tun dies während des Photosyntheseprozesses.

Arten von Stoffwechselreaktionen

Der Stoffwechsel umfasst verschiedene Arten von Reaktionen, die in zwei große Kategorien eingeteilt werden können: die Abbaureaktionen organischer Moleküle und die Synthesereaktionen anderer Biomoleküle.

Stoffwechselabbaureaktionen stellen einen zellulären Katabolismus (oder katabolische Reaktionen) dar. Dazu gehört die Oxidation energiereicher Moleküle wie Glukose und anderer Zucker (Kohlenhydrate). Da diese Reaktionen Energie freisetzen, werden sie als exergonisch bezeichnet.

Im Gegensatz dazu bilden Synthesereaktionen einen zellulären Anabolismus (oder anabole Reaktionen). Diese führen Prozesse der Reduktion von Molekülen durch, um andere zu bilden, die reich an gespeicherter Energie sind, wie z. B. Glykogen. Da diese Reaktionen Energie verbrauchen, werden sie als endergonisch bezeichnet.

Stoffwechselquellen

Die Hauptquellen für metabolische Energie sind Glukosemoleküle und Fettsäuren. Diese bilden eine Gruppe von Biomolekülen, die schnell zur Energiegewinnung oxidiert werden können.

Glukosemoleküle stammen hauptsächlich aus Kohlenhydraten, die über die Nahrung aufgenommen werden, wie Reis, Brot, Nudeln und andere stärkehaltige Derivate. Wenn im Blut wenig Glukose vorhanden ist, kann diese auch aus in der Leber gespeicherten Glykogenmolekülen gewonnen werden.

Bei längerem Fasten oder bei Prozessen, die einen zusätzlichen Energieaufwand erfordern, ist es notwendig, diese Energie aus Fettsäuren zu gewinnen, die aus Fettgewebe mobilisiert werden.

Diese Fettsäuren durchlaufen eine Reihe von Stoffwechselreaktionen, die sie aktivieren und ihren Transport ins Innere der Mitochondrien ermöglichen, wo sie oxidiert werden. Dieser Prozess wird als β-Oxidation von Fettsäuren bezeichnet und liefert unter diesen Bedingungen bis zu 80% zusätzliche Energie.

Proteine ​​und Fette sind die letzte Reserve, um neue Glucosemoleküle zu synthetisieren, insbesondere bei extremem Fasten. Diese Reaktion ist vom anabolen Typ und wird als Glukoneogenese bezeichnet.

Prozess der Umwandlung chemischer Energie in metabolische Energie

Komplexe Lebensmittelmoleküle wie Zucker, Fette und Proteine ​​sind reich an Energiequellen für Zellen, da ein Großteil der Energie, die zur Herstellung dieser Moleküle verwendet wird, buchstäblich in den chemischen Bindungen gespeichert ist, die sie zusammenhalten.

Wissenschaftler können die in Lebensmitteln gespeicherte Energiemenge mit einem Gerät messen, das als Bombenkalorimeter bezeichnet wird. Bei dieser Technik wird das Lebensmittel in das Kalorimeter gegeben und erhitzt, bis es brennt. Die durch die Reaktion freigesetzte überschüssige Wärme ist direkt proportional zur im Lebensmittel enthaltenen Energiemenge.

Die Realität ist, dass Zellen nicht als Kalorimeter fungieren. Anstatt Energie in einer großen Reaktion zu verbrennen, setzen Zellen die in ihren Lebensmittelmolekülen gespeicherte Energie langsam durch eine Reihe von Oxidationsreaktionen frei.

Oxidation

Die Oxidation beschreibt eine Art chemischer Reaktion, bei der Elektronen von einem Molekül auf ein anderes übertragen werden, wodurch sich die Zusammensetzung und der Energiegehalt der Donor- und Akzeptormoleküle ändern. Moleküle in Lebensmitteln wirken als Elektronendonoren.

Während jeder Oxidationsreaktion, die an der Zersetzung von Lebensmitteln beteiligt ist, hat das Reaktionsprodukt einen niedrigeren Energiegehalt als das Donormolekül, das ihm auf dem Weg vorausging.

Gleichzeitig nehmen die Elektronenakzeptormoleküle einen Teil der Energie auf, die bei jeder Oxidationsreaktion aus dem Lebensmittelmolekül verloren geht, und speichern sie zur späteren Verwendung.

Wenn die Kohlenstoffatome in einem komplexen organischen Molekül (am Ende der Reaktionskette) vollständig oxidiert sind, werden sie schließlich als Kohlendioxid freigesetzt.

Zellen nutzen die Energie aus Oxidationsreaktionen nicht, sobald sie freigesetzt werden. Was passiert, ist, dass sie es in kleine, energiereiche Moleküle wie ATP und NADH umwandeln, die in der gesamten Zelle verwendet werden können, um den Stoffwechsel anzukurbeln und neue zelluläre Komponenten aufzubauen.

Standby-Leistung

Wenn Energie im Überfluss vorhanden ist, erzeugen eukaryotische Zellen größere, energiereiche Moleküle, um diese überschüssige Energie zu speichern.

Die resultierenden Zucker und Fette werden in Ablagerungen in Zellen gehalten, von denen einige groß genug sind, um auf elektronenmikroskopischen Aufnahmen sichtbar zu sein.

Tierzellen können auch verzweigte Polymere aus Glucose (Glykogen) synthetisieren, die sich wiederum zu Partikeln aggregieren, die durch Elektronenmikroskopie beobachtet werden können. Eine Zelle kann diese Partikel schnell mobilisieren, wenn sie schnelle Energie benötigt.

Unter normalen Umständen speichert der Mensch jedoch genug Glykogen, um einen Tag Energie zu liefern. Pflanzenzellen produzieren kein Glykogen, sondern stellen verschiedene Glukosepolymere her, die als Stärken bekannt sind und in Granulaten gespeichert sind.

Darüber hinaus sparen sowohl pflanzliche als auch tierische Zellen Energie, indem sie Glukose in den Fettsynthesewegen umleiten. Ein Gramm Fett enthält fast das Sechsfache der Energie der gleichen Menge Glykogen, aber die Energie aus Fett ist weniger verfügbar als die aus Glykogen.

Dennoch ist jeder Speichermechanismus wichtig, da Zellen sowohl kurzfristige als auch langfristige Energiespeicher benötigen.

Fette werden in Tröpfchen im Zytoplasma von Zellen gespeichert. Menschen speichern im Allgemeinen genug Fett, um ihre Zellen mehrere Wochen lang mit Strom zu versorgen.

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