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Anabolismus ist der Prozess, bei dem der Körper die durch den Katabolismus freigesetzte Energie nutzt, um komplexe Moleküle zu synthetisieren. Diese komplexen Moleküle werden dann zur Bildung zellulärer Strukturen verwendet, die aus kleinen und einfachen Vorläufern gebildet werden, die als Bausteine dienen.

Stadien des Anabolismus

Es gibt drei grundlegende Stufen des Anabolismus.

  • In Phase 1 werden Vorstufen wie Aminosäuren, Monosaccharide, Isoprenoide und Nukleotide hergestellt.
  • Stufe 2 umfasst die Aktivierung dieser Vorstufen in reaktive Formen unter Verwendung von ATP-Energie.
  • Stufe 3 umfasst den Aufbau dieser Vorstufen zu komplexen Molekülen wie Proteinen, Polysacchariden, Lipiden und Nukleinsäuren.

Energiequellen für anabole Prozesse

Die verschiedenen Arten von Organismen sind auf unterschiedliche Energiequellen angewiesen. Autotrophe Organismen wie Pflanzen können komplexe organische Moleküle in den Zellen wie Polysaccharide und Proteine aus einfachen Molekülen wie Kohlenstoffdioxid und Wasser aufbauen, wobei sie Sonnenlicht als Energiequelle nutzen.

Heterotrophe Organismen hingegen benötigen eine Quelle komplexerer Stoffe wie Monosaccharide und Aminosäuren, um die End-Moleküle zu synthetisieren. Photoautotrophe und photoheterotrophe Organismen gewinnen Energie aus Licht, während chemoautotrophe und chemoheterotrophe Organismen Energie aus anorganischen Oxidationsreaktionen gewinnen.

Anabolismus von Kohlenhydraten

In diesen Schritten können einfache organische Säuren in Monosaccharide wie Glukose umgewandelt und dann zum Aufbau von Polysacchariden wie Stärke verwendet werden. Glukose wird aus Pyruvat, Laktat, Glycerin, Glycerat-3-Phosphat und Aminosäuren hergestellt; dieser Prozess wird als Gluconeogenese bezeichnet. Bei der Gluconeogenese wird Pyruvat über eine Reihe von Zwischenstufen, von denen viele mit der Glykolyse gemeinsam sind, in Glucose-6-phosphat umgewandelt.

Normalerweise können Fettsäuren, die im Fettgewebe gespeichert sind, nicht durch Gluconeogenese in Glucose umgewandelt werden, da hier das Acetyl-CoA nicht in Pyruvat umwandelt werden kann. Aus diesem Grund müssen Menschen und andere Tiere bei längerem Hunger Ketonkörper aus Fettsäuren herstellen, um die Energie in Geweben wie z. B. dem Gehirn zu gewährleisten, die selber keine Fettsäuren verstoffwechseln können.

Pflanzen und Bakterien können Fettsäuren in Glukose umwandeln, wobei sie den Glyoxylatzyklus nutzen, der den Decarboxylierungsschritt im Citratzyklus umgeht und die Umwandlung von Acetyl-CoA in Oxalacetat ermöglicht. Daraus wird Glukose gebildet.

Glykane und Polysaccharide sind Komplexe aus Einfachzuckern. Diese Anlagerungen werden durch Glykosyltransferase von einem reaktiven Zucker-Phosphat-Donor, wie z. B. Uridindiphosphat-Glukose (UDP-Glukose), zu einer Akzeptor-Hydroxylgruppe auf dem wachsenden Polysaccharid ermöglicht. Die Hydroxylgruppen am Ring des Substrats können Akzeptoren sein, so dass die entstehenden Polysaccharide gerade oder verzweigte Strukturen aufweisen können. Die so gebildeten Polysaccharide können durch Oligosaccharyltransferasen genannte Enzyme auf Lipide und Proteine übertragen werden.

Anabolismus von Proteinen

Proteine werden aus Aminosäuren gebildet. Die meisten Organismen können einige der 20 häufigsten Aminosäuren selbst synthetisieren. Die meisten Bakterien und Pflanzen können alle 20 synthetisieren, aber Säugetiere können nur 10 nicht essenziellen Aminosäuren synthetisieren.

Die Aminosäuren sind durch Peptidbindungen zu einer Kette verbunden und bilden so Polypeptidketten. Jedes unterschiedliche Protein hat eine einzigartige Abfolge von Aminosäureresten: Dies ist seine Primärstruktur. Die Polypeptidkette erfährt Modifikationen, Faltung und strukturelle Veränderungen, um das endgültige Protein zu bilden.

Anabolismus von Nukleotiden

Nukleotide werden aus Aminosäuren, Kohlendioxid und Ameisensäure auf Wegen hergestellt, die große Mengen an metabolischer Energie erfordern.

Purine werden als Nukleoside synthetisiert (Basen, die an Ribose gebunden sind). Adenin und Guanin beispielsweise werden aus dem Vorläufernukleosid Inosinmonophosphat hergestellt, das aus Atomen der Aminosäuren Glycin, Glutamin und Asparaginsäure sowie aus dem Coenzym Tetrahydrofolat übertragenem Formiat synthetisiert wird.

Pyrimidine, wie Thymin und Cytosin, werden aus der Base Orotat synthetisiert, die aus Glutamin und Aspartat gebildet wird.

Anabolismus der Fettsäuren

Fettsäuren werden mit Hilfe von Fettsäuresynthasen synthetisiert, die Acetyl-CoA-Einheiten polymerisieren und anschließend reduzieren. Diese Fettsäuren enthalten Acylketten, die durch einen Zyklus von Reaktionen verlängert werden, bei denen die Actylgruppe hinzugefügt, zu einem Alkohol reduziert, zu einer Alkengruppe dehydriert und dann wieder zu einer Alkangruppe reduziert wird.

Bei Tieren und Pilzen werden alle diese Fettsäuresynthasereaktionen von einem einzigen multifunktionellen Protein vom Typ I durchgeführt. In Pflanzen, Plasmiden und Bakterien führen getrennte Enzyme vom Typ II jeden Schritt des Synthesewegs aus.

Andere Lipide wie Terpene und Isoprenoide, zu denen auch die Carotinoide gehören, bilden die größte Klasse der pflanzlichen Naturstoffe. Diese Verbindungen werden durch den Zusammenbau und die Modifikation von Isopreneinheiten hergestellt, die aus den reaktiven Vorläufern Isopentenylpyrophosphat und Dimethylallylpyrophosphat stammen. In Tieren und Archaeen werden diese Verbindungen über den Mevalonat-Weg aus Acetyl-CoA hergestellt.

Referenzen

https://doi.org/10.1097/MCO.0b013e32831cef75 (Maximizing muscle protein anabolism: the role of protein quality)

https://doi.org/10.1055/s-0033-1358690 (Inflammation in Adipose Tissue and Fatty Acid Anabolism: When Enough is Enough)

https://doi.org/10.1007/s00018-015-2070-4 (Reprogramming of glucose, fatty acid and amino acid metabolism for cancer progression)

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