Stoff- und Energieumwandlungen in der Zelle

Stoffwechsel

Als Stoffwechsel bezeichnet man die Gesamtheit aller chemischen Umwandlungen von Stoffen in einem Lebewesen. Er unterteilt sich in den Metabolismus und den Anabolismus. Im Metabolismus werden Stoffe meist zur Energiegewinnung abgebaut. Viele der Reaktionen des Metabolismus sind Oxidationen, also Reaktionen bei denen Elektronen abgegeben werden. Allerdings können Oxidation und Reduktion nie getrennt voneinander ablaufen. Daher sind die oxidativen Reaktionen des Metabolismus mit Reduktionen von Energie- oder Protonenspeicherstoffen wie ATP oder NADH gekoppelt. Der Anabolismus ist der Aufbau von Stoffen im Stoffwechsel. Für die Reaktionen des Anabolismus werden häufig Energieträger benötigt, welche oxidiert werden um die aufzubauenden Stoffe zu reduzieren.

Stoffwechsel bei Tier und Mensch

Tiere und somit auch der Mensch sind heterotrophe Organismen. Das bedeutet, dass sie ihre Energie über die Nahrung zu sich nehmen. Der Stoffwechsel bei Mensch und Tier funktioniert gleich. In der Verdauung wird die Nahrung zerkleinert und die Nährstoffe werden in die Zellen zur Energiegewinnung transportiert. In ihnen, genauer gesagt in den Mitochondrien, findet die Zellatmung statt. Hier wird aus Glucose, einem Zucker, der Energieträger ATP gewonnen. Die Zellatmung gliedert sich in 3 große Abschnitte. Zunächst wird in der Glykolyse aus Glucose Pyruvat. In einem Zwischenschritt, der oxidativen Decarboxylierung, wird dieses zu Acetyl-CoEnzym A umgebaut. Im folgenden Citrat- oder Zitronensäurezyklus wird dieses verarbeitet, um NADH herzustellen. NADH ist ein Speicherstoff für Protonen, welcher im letzten Schritt, der Atmungskette, zur Energiegewinnung unter Sauerstoffverbrauch benötigt wird. Ist kein Sauerstoff verfügbar, reagieren die Stoffe übrigens in einem anderen Stoffwechselweg, der sich Gärung nennt, weiter. Die Zellatmung findet übrigens genauso auch in Pflanzen statt, allerdings kommt bei ihnen die Glucose nicht aus der Nahrung.

Stoffwechsel bei Pflanzen

Im Gegensatz zu Tieren sind Pflanzen autotroph. Das heißt, sie stellen die Stoffe zur Energiegewinnung mit Hilfe des Sonnenlichtes selbst her. Das passiert in der Photosynthese, welche in den Chloroplasten der Pflanzenzellen stattfindet. Sie gliedert sich in eine Lichtreaktion und eine Licht unabhängige Reaktion. In der Lichtreaktion wird mit Hilfe eines Protonengradienten in den Membranen der Thylakoiden die Energie aus dem Sonnenlicht in ATP und NADPH gespeichert. Diese Stoffe werden in der Licht unabhängigen Reaktion dazu genutzt, $CO_2$ zu fixieren. Dies geschieht im Calvinzyklus. Das $CO_2$ wird genutzt, um Glukose herzustellen. Zur Photosynthese wird neben Kohlenstoffdioxid Wasser benötigt. Dieses nehmen die Pflanzen über ihre Wurzeln im Boden auf. Nach der Aufnahme in den Wurzeln wird das Wasser über die Leitbündel in der Sprossachse zu den Blättern transportiert. In den Blättern wird nämlich die meiste Photosynthese betrieben. Da Wasser ein bedeutender Stoff in der Photosynthese ist, muss die Pflanze ihren Wasserhaushalt regulieren. Dazu nutzt sie Spaltöffnungen, die sich an der Unterseite der Blätter befinden. Sind sie geöffnet, kann Wasser verdampfen, sind sie geschlossen bleibt das Wasser in den Blättern.