- Allgemeine Merkmale von Stoffwechselwegen
- Reaktionen werden durch Enzyme katalysiert
- Der Stoffwechsel wird durch Hormone reguliert
- Unterteilung
- Koordination des Stoffwechselflusses
- Arten von Stoffwechselwegen
- Katabolische Routen
- Anabole Routen
- Amphibienrouten
- Hauptstoffwechselwege
- Glykolyse oder Glykolyse
- Glukoneogenese
- Glyoxylatzyklus
- Krebs Zyklus
- Elektronentransportkette
- Fettsäuresynthese
- Beta-Oxidation von Fettsäuren
- Nucleotidstoffwechsel
- Fermentation
- Verweise
Ein Stoffwechselweg ist eine Reihe chemischer Reaktionen, die durch Enzyme katalysiert werden. Dabei wird ein Molekül X mittels Zwischenmetaboliten in ein Molekül Y umgewandelt. Stoffwechselwege finden in der zellulären Umgebung statt.
Außerhalb der Zelle würden diese Reaktionen zu lange dauern und einige könnten nicht auftreten. Daher erfordert jeder Schritt die Anwesenheit von Katalysatorproteinen, die als Enzyme bezeichnet werden. Die Rolle dieser Moleküle besteht darin, die Geschwindigkeit jeder Reaktion innerhalb des Weges um mehrere Größenordnungen zu beschleunigen.
Hauptstoffwechselweg
Quelle: Chakazul (Diskussion · Beiträge), via Wikimedia Commons.
Physiologisch sind die Stoffwechselwege miteinander verbunden. Das heißt, sie sind nicht innerhalb der Zelle isoliert. Viele der wichtigsten Stoffwechselwege haben gemeinsame Metaboliten.
Folglich wird die Menge aller chemischen Reaktionen, die in Zellen auftreten, als Metabolismus bezeichnet. Jede Zelle zeichnet sich durch eine spezifische Stoffwechselleistung aus, die durch den Gehalt an Enzymen in ihr definiert wird, der wiederum genetisch bestimmt wird.
Allgemeine Merkmale von Stoffwechselwegen
Innerhalb der zellulären Umgebung treten eine große Anzahl chemischer Reaktionen auf. Der Satz dieser Reaktionen ist der Stoffwechsel, und die Hauptfunktion dieses Prozesses besteht darin, die Homöostase des Körpers unter normalen Bedingungen und auch unter Stressbedingungen aufrechtzuerhalten.
Daher muss ein Gleichgewicht der Flüsse dieser Metaboliten bestehen. Unter den Hauptmerkmalen von Stoffwechselwegen haben wir Folgendes:
Reaktionen werden durch Enzyme katalysiert
Durch Cyclooxygenase-Enzyme katalysierte Reaktion (Quelle: Pancrat über Wikimedia Commons)
Die Protagonisten der Stoffwechselwege sind Enzyme. Sie sind für die Integration und Analyse der Informationen über den Stoffwechselzustand verantwortlich und können ihre Aktivität basierend auf den aktuellen zellulären Anforderungen modulieren.
Der Stoffwechsel wird durch Hormone reguliert
Der Stoffwechsel wird durch eine Reihe von Hormonen gesteuert, die in der Lage sind, Stoffwechselreaktionen unter Berücksichtigung der Bedürfnisse und Leistungen des Körpers zu koordinieren.
Unterteilung
Es gibt eine Unterteilung der Stoffwechselwege. Das heißt, jeder Weg findet in einem bestimmten subzellulären Kompartiment statt, unter anderem Zytoplasma, Mitochondrien. Andere Routen können in mehreren Abteilen gleichzeitig auftreten.
Die Unterteilung der Pfade hilft bei der Regulation der anabolen und katabolen Pfade (siehe unten).
Koordination des Stoffwechselflusses
Die Koordination des Stoffwechsels wird durch die Stabilität der Aktivität der beteiligten Enzyme erreicht. Es sollte beachtet werden, dass anabole Pfade und ihre katabolen Gegenstücke nicht völlig unabhängig sind. Im Gegensatz dazu sind sie koordiniert.
Es gibt wichtige enzymatische Punkte innerhalb der Stoffwechselwege. Mit der Umwandlungsrate dieser Enzyme wird der gesamte Fluss des Weges reguliert.
Arten von Stoffwechselwegen
In der Biochemie werden drei Haupttypen von Stoffwechselwegen unterschieden. Diese Unterteilung erfolgt nach bioenergetischen Kriterien: katabolische, anabole und Amphibolrouten.
Katabolische Routen
Katabolische Wege umfassen oxidative Abbaureaktionen. Sie werden durchgeführt, um Energie und Reduktionskraft zu erhalten, die später von der Zelle für andere Reaktionen verwendet werden.
Die meisten organischen Moleküle werden vom Körper nicht synthetisiert. Im Gegensatz dazu müssen wir es durch Nahrung konsumieren. Bei katabolen Reaktionen werden diese Moleküle zu den Monomeren abgebaut, aus denen sie bestehen, die von Zellen verwendet werden können.
Anabole Routen
Anabole Wege umfassen die chemischen Reaktionen der Synthese, bei denen kleine, einfache Moleküle in größere, komplexere Elemente umgewandelt werden.
Damit diese Reaktionen stattfinden können, muss Energie verfügbar sein. Woher kommt diese Energie? Aus den katabolen Pfaden, hauptsächlich in Form von ATP.
Auf diese Weise können die Metaboliten, die durch katabolische Pfade (die weltweit als "Pool von Metaboliten" bezeichnet werden) produziert werden, in anabolen Pfaden verwendet werden, um komplexere Moleküle zu synthetisieren, die der Körper derzeit benötigt.
Unter diesem Pool von Metaboliten befinden sich drei Schlüsselmoleküle des Prozesses: Pyruvat, Acetyl-Coenzym A und Glycerin. Diese Metaboliten sind dafür verantwortlich, den Metabolismus verschiedener Biomoleküle wie Lipide und Kohlenhydrate miteinander zu verbinden.
Amphibienrouten
Ein Amphibolweg fungiert entweder als anaboler oder als katabolischer Weg. Das heißt, es ist eine gemischte Route.
Die bekannteste Amphibolroute ist der Krebszyklus. Dieser Weg spielt eine grundlegende Rolle beim Abbau von Kohlenhydraten, Lipiden und Aminosäuren. Es ist jedoch auch an der Herstellung der Vorläufer für Synthesewege beteiligt.
Beispielsweise sind die Krebszyklus-Metaboliten die Vorläufer der Hälfte der Aminosäuren, die zum Aufbau von Proteinen verwendet werden.
Hauptstoffwechselwege
In allen Zellen, die Teil von Lebewesen sind, werden eine Reihe von Stoffwechselwegen durchgeführt. Einige davon werden von den meisten Organismen geteilt.
Diese Stoffwechselwege umfassen die Synthese, den Abbau und die Umwandlung lebenskritischer Metaboliten. Dieser ganze Prozess ist als Zwischenstoffwechsel bekannt.
Zellen benötigen permanent organische und anorganische Verbindungen sowie chemische Energie, die hauptsächlich aus dem ATP-Molekül gewonnen wird.
ATP (Adenosintriphosphat) ist die wichtigste Form der Energiespeicherung in allen Zellen. Und die Energiegewinne und Investitionen von Stoffwechselwegen werden oft in ATP-Molekülen ausgedrückt.
Die wichtigsten Wege, die in der überwiegenden Mehrheit der lebenden Organismen vorhanden sind, werden nachstehend erörtert.
Glykolyse oder Glykolyse
Abbildung 1: Glykolyse vs. Glukoneogenese. Reaktionen und Enzyme beteiligt.
Die Glykolyse ist ein Weg, bei dem Glukose bis zu zwei Brenztraubensäuremolekülen abgebaut wird, wobei als Nettogewinn zwei ATP-Moleküle erhalten werden. Es ist in praktisch allen lebenden Organismen vorhanden und wird als schneller Weg zur Energiegewinnung angesehen.
Im Allgemeinen ist es normalerweise in zwei Stufen unterteilt. Die erste beinhaltet den Übergang des Glucosemoleküls in zwei Glycerinaldehydmoleküle, wobei zwei ATP-Moleküle invertiert werden. In der zweiten Phase werden hochenergetische Verbindungen erzeugt und 4 ATP-Moleküle und 2 Pyruvatmoleküle als Endprodukte erhalten.
Die Route kann auf zwei verschiedene Arten fortgesetzt werden. Wenn Sauerstoff vorhanden ist, beenden die Moleküle ihre Oxidation in der Atmungskette. Andernfalls tritt eine Fermentation auf.
Glukoneogenese
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Die Glukoneogenese ist ein Weg zur Synthese von Glukose, ausgehend von Aminosäuren (mit Ausnahme von Leucin und Lysin), Laktat, Glycerin oder einem der Zwischenprodukte des Krebszyklus.
Glukose ist ein essentielles Substrat für bestimmte Gewebe wie Gehirn, rote Blutkörperchen und Muskeln. Die Glukoseversorgung kann über Glykogenspeicher erfolgen.
Wenn diese jedoch aufgebraucht sind, muss der Körper mit der Glukosesynthese beginnen, um die Anforderungen des Gewebes - vor allem des Nervengewebes - zu erfüllen.
Dieser Weg findet hauptsächlich in der Leber statt. Dies ist wichtig, da der Körper in Fasten-Situationen weiterhin Glukose erhalten kann.
Die Aktivierung oder Nichtaktivierung des Weges hängt mit der Ernährung des Organismus zusammen. Tiere, die kohlenhydratreiche Diäten zu sich nehmen, weisen niedrige glukoneogene Raten auf, während Diäten mit niedrigem Glukosegehalt eine signifikante glukoneogene Aktivität erfordern.
Glyoxylatzyklus
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Dieser Zyklus ist einzigartig für Pflanzen und bestimmte Arten von Bakterien. Dieser Weg erreicht die Umwandlung von Zwei-Kohlenstoff-Acetyleinheiten in Vier-Kohlenstoff-Einheiten - bekannt als Succinat. Diese letzte Verbindung kann Energie produzieren und kann auch zur Synthese von Glucose verwendet werden.
Beim Menschen wäre es beispielsweise unmöglich, sich nur von Acetat zu ernähren. In unserem Stoffwechsel kann Acetyl-Coenzym A nicht in Pyruvat umgewandelt werden, das eine Vorstufe des glukoneogenen Weges darstellt, da die Pyruvat-Dehydrogenase-Enzymreaktion irreversibel ist.
Die biochemische Logik des Zyklus ähnelt der des Zitronensäurezyklus mit Ausnahme der beiden Decarboxylierungsstufen. Es kommt in sehr spezifischen Organellen von Pflanzen vor, die als Glyoxysomen bezeichnet werden, und ist besonders wichtig in den Samen einiger Pflanzen wie Sonnenblumen.
Krebs Zyklus
Tricarbonsäurezyklus (Krebszyklus). Entnommen und bearbeitet von: Narayanese, WikiUserPedia, YassineMrabet, TotoBaggins (übersetzt von Alejandro Porto ins Spanische).
Es ist einer der Wege, die als zentral im Stoffwechsel organischer Wesen angesehen werden, da es den Stoffwechsel der wichtigsten Moleküle, einschließlich Proteine, Fette und Kohlenhydrate, vereinheitlicht.
Es ist ein Bestandteil der Zellatmung und zielt darauf ab, die im Acetyl-Coenzym-A-Molekül gespeicherte Energie freizusetzen - dem Hauptvorläufer des Krebszyklus. Es besteht aus zehn enzymatischen Schritten und, wie bereits erwähnt, funktioniert der Zyklus sowohl auf anabolen als auch auf katabolen Wegen.
Bei eukaryotischen Organismen findet der Zyklus in der Matrix der Mitochondrien statt. Bei Prokaryoten - denen echte subzelluläre Kompartimente fehlen - findet der Zyklus in der cytoplasmatischen Region statt.
Elektronentransportkette
Benutzer: Rozzychan / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)
Die Elektronentransportkette besteht aus einer Reihe von Transportern, die in einer Membran verankert sind. Die Kette zielt darauf ab, Energie in Form von ATP zu erzeugen.
Die Ketten können dank des Elektronenflusses einen elektrochemischen Gradienten erzeugen, ein entscheidender Prozess für die Energiesynthese.
Fettsäuresynthese
Fettsäuren sind Moleküle, die in Zellen eine sehr wichtige Rolle spielen. Sie kommen hauptsächlich als strukturelle Bestandteile aller biologischen Membranen vor. Aus diesem Grund ist die Synthese von Fettsäuren unerlässlich.
Der gesamte Synthesevorgang findet im Cytosol der Zelle statt. Das zentrale Molekül des Prozesses heißt Malonyl-Coenzym A. Es ist für die Bereitstellung der Atome verantwortlich, die das Kohlenstoffgerüst der Fettsäure bei der Bildung bilden.
Beta-Oxidation von Fettsäuren
Beta-Oxidation ist ein Prozess des Abbaus von Fettsäuren. Dies wird in vier Schritten erreicht: FAD-Oxidation, Hydratation, NAD + -Oxidation und Thiolyse. Zuvor muss die Fettsäure durch die Integration von Coenzym A aktiviert werden.
Das Produkt der genannten Reaktionen sind Einheiten, die durch ein Paar Kohlenstoffe in Form von Acetyl-Coenzym A gebildet werden. Dieses Molekül kann in den Krebszyklus eintreten.
Die Energieeffizienz dieses Weges hängt von der Länge der Fettsäurekette ab. Für Palmitinsäure mit beispielsweise 16 Kohlenstoffen beträgt die Nettoausbeute 106 ATP-Moleküle.
Dieser Weg findet in den Mitochondrien der Eukaryoten statt. Es gibt auch eine andere alternative Route in einem Kompartiment, das Peroxisom genannt wird.
Da sich die meisten Fettsäuren im Zellzytosol befinden, müssen sie in das Kompartiment transportiert werden, wo sie oxidiert werden. Der Transport ist abhängig von Cartinitan und ermöglicht diesen Molekülen den Eintritt in die Mitochondrien.
Nucleotidstoffwechsel
Die Synthese von Nukleotiden ist ein Schlüsselereignis im Zellstoffwechsel, da dies die Vorläufer der Moleküle sind, die Teil des genetischen Materials, der DNA und RNA, sowie wichtiger Energiemoleküle wie ATP und GTP sind.
Die Vorläufer der Nukleotidsynthese umfassen verschiedene Aminosäuren, Ribose 5-Phosphat, Kohlendioxid und NH 3 . Rückgewinnungswege sind für das Recycling von freien Basen und Nukleosiden verantwortlich, die beim Abbau von Nukleinsäuren freigesetzt werden.
Die Bildung des Purinrings erfolgt aus Ribose-5-Phosphat, es wird ein Purinkern und schließlich wird das Nukleotid erhalten.
Der Pyrimidinring wird als Orotsäure synthetisiert. Anschließend wird es an Ribose 5-Phosphat gebunden und in Pyrimidinnukleotide umgewandelt.
Fermentation
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Fermentationen sind sauerstoffunabhängige Stoffwechselprozesse. Sie sind vom katabolen Typ und das Endprodukt des Prozesses ist ein Metabolit, der noch Oxidationspotential hat. Es gibt verschiedene Arten von Fermentationen, aber die Milchfermentation findet in unserem Körper statt.
Die Milchfermentation findet im Zellzytoplasma statt. Es besteht aus dem teilweisen Abbau von Glukose, um metabolische Energie zu erhalten. Als Abfall wird Milchsäure erzeugt.
Nach einer intensiven Sitzung mit anaeroben Übungen ist der Muskel nicht mit ausreichenden Sauerstoffkonzentrationen versorgt und es kommt zu einer Milchfermentation.
Einige Zellen im Körper sind gezwungen zu fermentieren, da ihnen Mitochondrien fehlen, wie dies bei roten Blutkörperchen der Fall ist.
In der Industrie werden Fermentationsverfahren mit hoher Häufigkeit verwendet, um eine Reihe von Produkten für den menschlichen Verzehr herzustellen, wie z. B. Brot, alkoholische Getränke und Joghurt.
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