Stoffwechselprozesse sind Sequenzen biochemischer Reaktionen, die in lebenden Zellen stattfinden, um das Leben zu erhalten. Sie können in zwei Haupttypen unterteilt werden. Katabolische Prozesse oder Stoffwechselwege beinhalten den Abbau komplexer Moleküle aus der Nahrung in kleinere Einheiten, die als Bausteine für neue Moleküle oder zur Energiebereitstellung verwendet werden können. Anabole Wege beinhalten die Verwendung von Energie, um neue Chemikalien aufzubauen, die zu Bestandteilen von Zellen werden. Möglich werden diese Reaktionen durch eine Reihe organischer Katalysatoren, sogenannte Enzyme.
Zusammen ermöglichen die beiden Arten von Stoffwechselprozessen die Umwandlung der von einem Organismus aufgenommenen Rohstoffe oder Nährstoffe in Gewebe. Eine Verbindung, die allen zellulären Lebewesen gemeinsam ist, ist für diese Transformationen wesentlich. Adenosintriphosphat (ATP) wird verwendet, um aus Nährstoffen wie Kohlenhydraten gewonnene Energie zu speichern und Energie freizusetzen, wenn sie für den Aufbau neuer Moleküle benötigt wird.
Katabolische Prozesse
Einige Organismen, wie zum Beispiel grüne Pflanzen, stellen ihre eigene Nahrung aus anorganischen Materialien her, während andere, wie zum Beispiel Tiere, organische Materialien verbrauchen, um ihre Nahrung zu erhalten. Die von Tieren konsumierte Nahrung kann in drei Haupttypen unterteilt werden – Kohlenhydrate, Lipide (Fette und Öle) und Proteine. Die Verdauung beinhaltet katabole Prozesse, die diese in einfachere Komponenten zerlegen. Beispielsweise werden relativ komplexe Kohlenhydrate wie Polysaccharide und Disaccharide in Glucose und Proteine in Aminosäuren zerlegt. Diese einfacheren Verbindungen können durch anabole Prozesse verwendet werden, um neue Materialien aufzubauen, oder sie können weiter abgebaut werden, um Energie bereitzustellen.
Zellatmung ist der Prozess, bei dem das Kohlenhydrat Glukose (C6H12O6) in Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) zerlegt wird, wodurch Energie erzeugt wird, die in ATP gespeichert wird. Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine Oxidation, und wo Luftsauerstoff zur Verfügung steht, wird dieser bei der sogenannten aeroben Atmung verwendet. Dies ist der Prozess, der bei Tieren, Pflanzen und einigen Mikroorganismen stattfindet. Die Gesamtreaktion lässt sich zusammenfassen als
C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O
aber der Prozess läuft in mehreren Stufen ab, und die Details sind recht komplex.
Unter Bedingungen, in denen kein freier Sauerstoff vorhanden ist, findet anaerobe Atmung statt. Dies wird nur in bestimmten Mikroorganismen gefunden, die im Boden, in zerfallenden organischen Stoffen, unter dem Meer, tief unter der Erde und im Darm von Tieren leben. Diese Organismen verwenden Alternativen wie Nitrate, Sulfate, Fumarat und sogar Schwefel anstelle von freiem Sauerstoff. Anaerobe Atmung ist viel weniger effizient als der aerobe Prozess und produziert viel weniger ATP, aber zu Beginn der Erdgeschichte – bevor es freien Sauerstoff in der Atmosphäre gab – war dies die einzige mögliche Form der Atmung.
Auch bei Tieren werden Lipide zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert, aber die ersten Schritte sind anders. Die Chemie der Organismen findet in einer wasserbasierten Umgebung statt, aber Fette und Öle vermischen sich nicht mit Wasser. Der erste Schritt besteht darin, diese Substanzen zu emulgieren, d. h. sie in eine Form zu überführen, die sich mit Wasser vermischt, genauso wie Reinigungsmittel bei der Beseitigung von Ölverschmutzungen helfen können. Dies geschieht durch seifenähnliche Substanzen, die in der Galle enthalten sind, die von der Gallenblase in den Dünndarm abgegeben wird. Die Lipide werden dann in Fettsäuren und Glycerin zerlegt, die über den Darm aufgenommen werden können und dann Oxidationsreaktionen eingehen können, die denen von Kohlenhydraten ähnlich sind.
Proteine sind sehr große, komplexe Moleküle, die aus Bausteinen bestehen, die als Aminosäuren bekannt sind. Sie werden durch verschiedene Reaktionen metabolisiert, die sie in ihre Aminosäuren aufspalten, die absorbiert und dann in den Zellen verwendet werden können. Im Allgemeinen werden Proteine nicht zur Energiebereitstellung verwendet, sondern stattdessen werden die Aminosäuren verwendet, um neue Proteine zum Aufbau von Gewebe und Muskeln herzustellen. In Fällen, in denen keine Kohlenhydrate oder Fette in der Nahrung vorhanden sind und der Körper seine Fettreserven aufgebraucht hat, können Proteine durch Oxidation ihrer Aminosäuren zur Energiegewinnung verwendet werden. In diesen Fällen kann der Körper beginnen, Muskelproteine abzubauen.
Anabole Prozesse
Auch Biosynthese genannt, sind Reaktionen, die die in ATP gespeicherte Energie durch katabole Prozesse verbrauchen. Sie umfassen den Aufbau von Proteinen aus Aminosäuren und den Aufbau von DNA aus Nukleotiden. Bei Tieren können auch die Muskelkontraktionen, die die Bewegung antreiben, einbezogen werden, da diese den Einsatz gespeicherter Energie erfordern. In Pflanzen ist die Synthese von Glukose aus Kohlendioxid und Wasser durch Photosynthese ein weiterer anaboler Stoffwechselweg.
Stoffwechselprozesse und Körpergewicht
Die durch den Katabolismus aus der Nahrung gewonnene Energie kann sofort durch anabole Prozesse verwendet werden, aber wenn sie nicht verwendet wird, wird ein Großteil davon als Fett gespeichert. Die Energiemenge, die einem Lebensmittel entzogen werden kann, lässt sich in Kalorien messen. Ebenso lässt sich auf diese Weise auch der Verbrauch verschiedener Sportarten messen. Wenn konstant mehr Kalorien aufgenommen als verbraucht werden, baut sich Fett auf, was zu einer Gewichtszunahme führt. Umgekehrt, wenn mehr Kalorien verbraucht als verbraucht werden, gewinnt der Körper Energie, indem er seine Fettreserven nutzt und Gewicht verliert.