Der Stoffwechsel besteht aus zwei Hauptteilen: Anabolismus und Katabolismus. Der Katabolismus ist die Gesamtheit der Stoffwechselprozesse, bei denen große Moleküle abgebaut werden. Diese komplexeren Moleküle werden abgebaut, um Energie zu erzeugen, die für verschiedene Funktionen des Körpers benötigt wird. Die Energie wird für aufbauende oder anabole Prozesse genutzt.
Katabolismus in verschiedenen Organismen
Die genaue Art dieser katabolen Reaktionen unterscheidet sich von Organismus zu Organismus und die Organismen können anhand ihrer Energie- und Kohlenstoffquellen klassifiziert werden:
- bei Organotrophen werden organische Quellen als Energiequelle genutzt
- bei lithotrophen Organismen werden anorganische Substrate verwendet
- bei Phototrophen wird das Sonnenlicht als chemische Energie genutzt
Zu den grundlegenden gemeinsamen Reaktionen im Katabolismus gehören Redoxreaktionen, bei denen Elektronen von reduzierten Donormolekülen wie organischen Molekülen, Wasser, Ammoniak, Schwefelwasserstoff oder Eisenionen auf Akzeptormoleküle wie Sauerstoff, Nitrat oder Sulfat übertragen werden.
Bei Menschen und Tieren werden bei Redoxreaktionen komplexe organische Moleküle zu einfacheren Molekülen wie Kohlendioxid und Wasser abgebaut.
In photosynthetischen Organismen wie Pflanzen und Cyanobakterien wird bei diesen Elektronenübertragungsreaktionen keine Energie freigesetzt. Diese Reaktionen dienen lediglich der Speicherung der vom Sonnenlicht absorbierten Energie.
Stadien des Katabolismus
Der Katabolismus kann in 3 Hauptphasen unterteilt werden.
Stufe 1 – Stufe der Verdauung
Die großen organischen Moleküle wie Proteine, Lipide und Polysaccharide werden außerhalb der Zellen in ihre kleineren Bestandteile zerlegt. Diese Phase betrifft Stärke, Zellulose oder Proteine, die nicht direkt von den Zellen aufgenommen werden können und in ihre kleineren Einheiten zerlegt werden müssen, bevor sie für den Zellstoffwechsel verwendet werden können.
Zu den Verdauungsenzymen gehören Glykosidhydrolasen, die Polysaccharide in Monosaccharide oder Einfachzucker zerlegen.
Das wichtigste Enzym bei der Proteinverdauung ist Pepsin, das die unspezifische Hydrolyse von Peptidbindungen bei einem optimalen pH-Wert von 2 katalysiert. Im Lumen des Dünndarms sondert die Bauchspeicheldrüse Zymogene wie Trypsin, Chymotrypsin und Elastase ab. Diese proteolytischen Enzyme spalten die Proteine in freie Aminosäuren sowie Dipeptide und Tripeptide auf. Die freien Aminosäuren sowie die Di- und Tripeptide werden von den Darmschleimhautzellen aufgenommen und anschließend in den Blutkreislauf abgegeben, wo sie von anderen Geweben aufgenommen werden.
Die Aminosäuren und Zucker werden dann durch spezifische aktive Transportproteine in die Zellen gepumpt.
Stufe 2 – Freisetzung von Energie
Nach der Aufspaltung werden diese Moleküle von den Zellen aufgenommen und in noch kleinere Moleküle umgewandelt, in der Regel Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA), wodurch ein Teil der Energie freigesetzt wird.
Stufe 3 – Die Acetylgruppe des CoA wird im Citratzyklus und in der Elektronentransportkette zu Wasser und Kohlendioxid oxidiert, wobei die Energie freigesetzt wird, die durch die Reduktion des Coenzyms Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD+) zu NADH gespeichert wird.
Abbau von Kohlenhydraten
Bei der Spaltung komplexer Kohlenhydrate entstehen Einfachzucker oder Monosaccharide. Diese werden von den Zellen aufgenommen. In der Zelle werden diese Zucker der Glykolyse unterzogen, bei der Zucker wie Glukose und Fruktose in Pyruvat umgewandelt und etwas ATP erzeugt wird. Pyruvat ist ein Zwischenprodukt in mehreren Stoffwechselwegen, der größte Teil wird jedoch in Acetyl-CoA umgewandelt und dem Citratzyklus zugeführt.
Innerhalb des Citratzyklus wird mehr ATP durch die Monosaccharide erzeugt. Das wichtigste Produkt ist NADH, das bei der Oxidation von Acetyl-CoA aus NAD+ gebildet wird. Bei dieser Oxidation wird Kohlendioxid als Abfallprodukt freigesetzt.
Wenn kein Sauerstoff vorhanden ist, entsteht bei der Glykolyse durch das Enzym Laktatdehydrogenase Laktat, wobei NADH zu NAD+ reoxidiert wird, das wiederum in der Glykolyse verwendet wird.
Glukose kann auch über den Pentosephosphatweg abgebaut werden, bei dem das Coenzym NADPH reduziert wird und Pentosezucker wie Ribose, die Zuckerkomponente der Nukleinsäuren, entsteht.
Abbau von Proteinen
Proteine werden in Aminosäuren aufgespalten. Aminosäuren werden entweder zur Synthese von Proteinen und anderen Biomolekülen verwendet oder zu Harnstoff und Kohlendioxid als Energiequelle oxidiert.
Bei der Oxidation wird zunächst die Aminogruppe durch eine Transaminase entfernt. Die Aminogruppe wird dem Harnstoffzyklus zugeführt, wobei ein desaminiertes Kohlenstoffgerüst in Form einer Ketosäure zurückbleibt.
Diese Ketosäuren gelangen in den Citratzyklus. Aus Glutamat zum Beispiel wird α-Ketoglutarat gebildet. Einige der Amine können auch in Glukose umgewandelt werden, und zwar durch Glukoneogenese.
Einige Proteine sind unglaublich stabil, andere sind sehr kurzlebig. Die kurzlebigen Proteine spielen in der Regel eine wichtige Rolle im Stoffwechsel. Die kurze Lebensdauer dieser Proteine ermöglicht es der Zelle, sich schnell an Veränderungen im Stoffwechselzustand der Zelle anzupassen.
Lipidabbau
Fette werden durch Hydrolyse zu freien Fettsäuren und Glycerin abgebaut. Das Glycerin geht in die Glykolyse ein und die Fettsäuren werden durch Beta-Oxidation abgebaut, um Acetyl-CoA freizusetzen. Dieses Acetyl-CoA gelangt als nächstes in den Citratzyklus. Fettsäuren setzen bei der Oxidation mehr Energie frei als Kohlenhydrate, da Kohlenhydrate mehr Sauerstoff in ihrer Struktur enthalten.
Durch vollständige Oxidation gewonnene Kalorien
Kohlenhydrate liefern 4 kcal/g.
Kohlenhydrate müssen mit Wasser gespeichert werden und jedes 1 g Glykogen wird mit 2 g Wasser hydratisiert. Hydratisierte Kohlenhydrate: 1,3 kcal/g
Fett: 9 kcal/g (Fette werden nicht hydratisiert)
Proteine: 4 kcal/g
