Nährstoffe und chemische Grundlagen der Stoffwechselbiologie

Inhaltsverzeichnis zum Thema

• Der Stoffwechsel
• Energiegewinnung durch Oxidation
• Nährstoffe – Bestandteile unserer Nahrung
• Kohlenhydrate
• Fette

Der Stoffwechsel

Der Stoffwechsel ist die Gesamtheit aller chemischen Reaktionen, die in Organismen zum Zweck der Energiebereitstellung ablaufen. Energie wird von jedem Organismus für wichtige Körperfunktionen benötigt und wird aus energiereichen Stoffen gewonnen. Woher diese Stoffe allerdings kommen, unterscheidet sich stark zwischen den Lebewesen. Die Pflanzen stellen in der Fotosynthese durch die Nutzung der Lichtenergie den energiereichen Stoff Glukose selbst her. Pflanzen sind somit phototrophe Organismen. Tiere hingegen nehmen energiereiche chemische Verbindungen mit der Nahrung auf. Sie bezeichnet man als chemotroph.

Energiegewinnung durch Oxidation

Redoxreaktionen bestehen immer aus einer Oxidations- und einer Reduktionsreaktion. Beides läuft immer miteinander gekoppelt ab. Unter der Oxidation versteht man die Abgabe, unter Reduktion die Aufnahme von Elektronen. Oxidationsreaktionen sind exergonische Reaktionen, sie setzen also Energie frei. Während des Katabolismus, also den Reaktionen, die dem Abbau von chemischen Reaktionen dienen, setzt die Oxidation von beispielsweise Kohlenhydraten oder Fetten große Mengen von Energie frei. Die freiwerdende Energie wird genutzt, um das Molekül ADP zu ATP zu reduzieren. ADP ist die Abkürzung von Adenosindiphosphat. Bei der Reduktion dieses wichtigen Moleküls wird ein weiterer Phosphatrest unter Energiezufuhr an das Molekül gebunden und reagiert zu Adenosintriphosphat. Solch ein Vorgang gehört übrigens zum Anabolismus, den Reaktionen, die dem Aufbau von Molekülen im Stoffwechsel dienen.

Das ATP dient nun für den Organismus als Energiespeicher, denn es gibt unzählige weitere Reaktionen, für die Energie benötigt wird. An diesen Stellen kann das ATP nun genutzt werden. Es wird wieder zu ADP oxidiert. Diese besondere Eigenschaft macht das ATP für alle Lebewesen auf der Erde unentbehrlich. Lebenswichtige Vorgänge wie das Ablesen der DNA in Proteine und auch der Aufbau und die Organisation von Zellen benötigen ATP.

Nährstoffe – Bestandteile unserer Nahrung

Chemotrophe Organismen, zu denen auch wir Menschen gehören, beziehen ihre Energie aus der Nahrung. Unsere Nahrung besteht hauptsächlich aus Kohlenhydraten, Fetten, Proteinen, Wasser, Vitaminen und Mineralstoffen. Zur Energiegewinnung nutzen wir davon hauptsächlich die Kohlenhydrate und die Fette.

Kohlenhydrate

Zu den Kohlenhydraten bzw. Sacchariden gehören verschiedene Zucker, wie Frucht- und Rohrzucker, und auch Stärke, wie Kartoffelstärke. Je nach Aufbau bzw. Anzahl der Saccharide, unterscheidet man Mono-, Di- und Polysaccharide. Monosaccharide, auch Einfachzucker genannt, bestehen aus 3 bis 7 C-Atomen. Die Disaccharide bestehen aus zwei Monosaccharid-Bausteinen und ein Polysaccharid aus vielen Monosaccharid-Molekülen. Die Energie, die wir für Muskelarbeit oder die Aufrechterhaltung unserer Körpertemperatur benötigen, beziehen wir z.B. aus den aufgenommenen Kohlenhydraten. Sie sind die wichtigsten Energielieferanten für unseren Körper. Zur ATP-Synthese können sie direkt gespalten und verarbeitet werden.

Das Monosaccharid Glukose wird übrigens von Pflanzen in der Fotosynthese hergestellt und anschließend wie bei chemotrophen Organismen verstoffwechselt. Die beiden Saccharide Cellulose und Glukose kann man übrigens leicht in Lebensmitteln nachweisen.

Die Glukose hast du ja bereits kennengelernt. Die Cellulose ist ein Polysaccharid, welches in großen Mengen in Pflanzen vorkommt. Es kann von uns Menschen nicht für den Stoffwechsel genutzt werden, viele Pflanzenfresser können es aber aufspalten. Der Nachweis von Glukose gelingt über die Fehlingprobe. Die Fehling-Lösung ist eigentlich blau, zusammen mit Glukose färbt es sich aber nach dem Erhitzen rötlich. Der Cellulose-Nachweis gelingt mit Zinkchlorid oder Kaliumiodid-Lösung. Tropft man etwas der Chemikalien auf ein cellulosehaltiges Lebensmittel, färbt es sich violett.

Fette

Auch Fette sind als Energielieferanten für unseren Körper unerlässlich. Die Gesamtheit der Fette und fettähnlichen Substanzen wird als Lipide bezeichnet. Lipide bestehen aus Glycerin und Fettsäuren. Glycerin ist ein dreiwertiger Alkohol, an dessen drei Hydroxylgruppen jeweils eine Fettsäure über eine Esterbindung gebunden sein kann.

Eine weitere wichtige Funktion der Fette ist die Energiespeicherung. Fette sind in Lebensmitteln wie Butter oder Öl enthalten. Andere fetthaltige Nahrungsmittel sind z.B. Fleisch, Käse, Schokolade oder Milch. Die Fette können von unserem Körper in Fettspeicherzellen deponiert werden. Wenn wir zu wenig Nahrung zu uns nehmen, können wir wieder auf sie zugreifen, um Energie für wichtige Prozesse im Körper bereitzustellen. Wenn wir mehr Fett zu uns nehmen, als wir benötigen, führt die Speicherung des überschüssigen Fettes zu Übergewicht.