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4.8: Anabole und katabole Wege - Biologie


Anabole Wege erfordern einen Energieeintrag, um komplexe Moleküle aus einfacheren zu synthetisieren. Zucker aus CO . synthetisieren2 ist ein Beispiel. Diese biosynthetischen Prozesse sind entscheidend für das Leben der Zelle, finden ständig statt und benötigen Energie, die von ATP und anderen hochenergetischen Molekülen wie NADH (Nikotinamidadenindinukleotid) und NADPH bereitgestellt wird (Abbildung 1).

ATP ist ein wichtiges Molekül, das Zellen jederzeit in ausreichender Menge zur Verfügung haben. Der Abbau von Zucker veranschaulicht, wie ein einzelnes Glukosemolekül genug Energie speichern kann, um eine große Menge ATP, 36 bis 38 Moleküle, herzustellen. Dies ist ein kataboler Weg. Katabolische Wege beinhalten den Abbau (oder den Abbau) komplexer Moleküle in einfachere. In den Bindungen komplexer Moleküle gespeicherte molekulare Energie wird auf katabolen Wegen freigesetzt und so geerntet, dass sie zur Produktion von ATP verwendet werden kann. Andere energiespeichernde Moleküle wie Fette werden ebenfalls durch ähnliche katabole Reaktionen abgebaut, um Energie freizusetzen und ATP zu bilden (Abbildung 1).

Wichtig zu wissen ist, dass die chemischen Reaktionen von Stoffwechselwegen nicht spontan ablaufen. Jeder Reaktionsschritt wird durch ein Protein namens Enzym erleichtert oder katalysiert. Enzyme sind wichtig, um alle Arten von biologischen Reaktionen zu katalysieren – sowohl solche, die Energie benötigen als auch solche, die Energie freisetzen.

Erinnern: Anabole Wege bauen große Moleküle zu kleineren zusammen. Katabolische Wege brechen große Moleküle in kleine Stücke.

Anabolismus

Anabolismus bezieht sich zusammenfassend auf alle Prozesse chemischer Reaktionen, die größere Moleküle aus kleineren Molekülen oder Atomen aufbauen. Diese Prozesse werden auch als anabole Prozesse oder anabole Pfade bezeichnet. Das Gegenteil von Anabolismus ist Katabolismus, eine Reihe von Prozessen, die größere Moleküle in kleinere zerlegen. Anabolismus und Katabolismus sind die beiden Arten von Stoffwechselwegen. Stoffwechselwege sind eine Reihe von chemischen Reaktionen, die in der Zelle ablaufen. Anabole Wege verbrauchen Energie, während katabole Wege Energie freisetzen.


Stoffwechsel von Kohlenhydraten

Der Stoffwechsel von Zucker (einem einfachen Kohlenhydrat) ist ein klassisches Beispiel für die vielen zellulären Prozesse, die Energie verbrauchen und produzieren. Lebewesen verbrauchen Zucker als Hauptenergiequelle, da Zuckermoleküle viel Energie in ihren Bindungen gespeichert haben. Der Abbau von Glukose, einem einfachen Zucker, wird durch die Gleichung beschrieben:

Kohlenhydrate, die konsumiert werden, haben ihren Ursprung in photosynthetischen Organismen wie Pflanzen (Figur 2). Bei der Photosynthese nutzen Pflanzen die Energie des Sonnenlichts, um Kohlendioxidgas (CO2) in Zuckermoleküle, wie Glucose (C6h12Ö6). Da dieser Prozess die Synthese eines größeren, energiespeichernden Moleküls beinhaltet, ist eine Energiezufuhr erforderlich, um fortzufahren. Die Synthese von Glukose wird durch diese Gleichung beschrieben (beachten Sie, dass es die Umkehrung der vorherigen Gleichung ist):

Während der chemischen Reaktionen der Photosynthese wird Energie in Form eines sehr energiereichen Moleküls namens ATP oder Adenosintriphosphat bereitgestellt, das die primäre Energiewährung aller Zellen ist. So wie der Dollar als Währung für den Kauf von Waren verwendet wird, verwenden Zellen ATP-Moleküle als Energiewährung, um unmittelbare Arbeit zu verrichten. Der Zucker (Glukose) wird als Stärke oder Glykogen gespeichert. Energiespeichernde Polymere wie diese werden in Glukose zerlegt, um Moleküle von ATP bereitzustellen. Pflanzenzellen verwenden Sonnenenergie, Energie von der Sonne, um das ATP zu synthetisieren, das sie für die Reaktionen der Photosynthese benötigen.

Figur 2. Pflanzen wie diese Eiche und die Eichel nutzen die Energie des Sonnenlichts, um Zucker und andere organische Moleküle herzustellen. Sowohl Pflanzen als auch Tiere (wie dieses Eichhörnchen) nutzen die Zellatmung, um Energie aus den ursprünglich von Pflanzen produzierten organischen Molekülen zu gewinnen. (Credit „Acorn“: Modifikation der Arbeit von Noel Reynolds Credit „Eichhörnchen“: Modifikation der Arbeit von Dawn Huczek)


Anabole und katabole Prozesse

Anabole Prozesse verwenden einfache Moleküle im Organismus, um komplexere und spezialisiertere Verbindungen herzustellen. Diese Synthese, die Herstellung eines Produkts aus einer Reihe von Komponenten, ist der Grund, warum Anabolismus auch "Biosynthese" genannt wird. Der Prozess verwendet Energie, um seine Endprodukte zu erzeugen, die der Organismus verwenden kann, um sich selbst zu erhalten, zu wachsen, zu heilen, sich zu reproduzieren oder sich an Veränderungen in seiner Umgebung anzupassen. Körpergröße und Muskelmasse zu wachsen sind zwei grundlegende anabole Prozesse. Auf zellulärer Ebene können anabole Prozesse kleine Moleküle, sogenannte Monomere, verwenden, um Polymere aufzubauen, was zu oft hochkomplexen Molekülen führt. Zum Beispiel können Aminosäuren (Monomere) zu Proteinen (Polymeren) synthetisiert werden, ähnlich wie ein Baumeister Ziegel verwenden kann, um eine Vielzahl von Gebäuden zu bauen.

Katabolische Prozesse bauen komplexe Verbindungen und Moleküle ab, um Energie freizusetzen. Dadurch entsteht der Stoffwechselkreislauf, in dem der Anabolismus dann andere Moleküle erzeugt, die der Katabolismus abbaut, von denen viele im Organismus verbleiben, um wieder verwendet zu werden.

Der wichtigste katabole Prozess ist die Verdauung, bei der Nährstoffe aufgenommen und in einfachere Bestandteile für den Körper zerlegt werden. In Zellen spalten katabole Prozesse Polysaccharide wie Stärke, Glykogen und Zellulose in Monosaccharide (z. B. Glukose, Ribose und Fruktose) zur Energiegewinnung auf. Proteine ​​werden in Aminosäuren zerlegt, um sie in der anabolen Synthese neuer Verbindungen oder zum Recycling zu verwenden. Und Nukleinsäuren, die in RNA und DNA vorkommen, werden als Teil des Energiebedarfs des Körpers oder zum Zweck der Heilung in Nukleotide katabolisiert.

Hormone

Viele der Stoffwechselprozesse in einem Organismus werden durch chemische Verbindungen, die Hormone genannt, reguliert. Im Allgemeinen können Hormone aufgrund ihrer Wirkung im Organismus in anabol oder katabol eingeteilt werden.

Anabole Hormone sind:

  • Östrogen: Östrogen kommt sowohl bei Männern als auch bei Frauen vor und wird hauptsächlich in den Eierstöcken produziert. Es reguliert einige weibliche Geschlechtsmerkmale (Wachstum von Brüsten und Hüften), reguliert den Menstruationszyklus und spielt eine Rolle bei der Stärkung der Knochenmasse.
  • Testosteron: Testosteron ist sowohl bei Frauen als auch bei Männern vorhanden und wird hauptsächlich in den Hoden produziert. Es reguliert einige männliche Geschlechtsmerkmale (Gesichtsbehaarung, Stimme), stärkt die Knochen und hilft beim Aufbau und Erhalt von Muskelmasse.
  • Insulin: In der Bauchspeicheldrüse von Betazellen produziert, reguliert es den Blutspiegel und die Verwendung von Glukose. Der Körper kann Glukose, eine Hauptenergiequelle, ohne Insulin nicht verwenden. Wenn die Bauchspeicheldrüse kein Insulin produzieren kann oder der Körper Schwierigkeiten hat, das produzierte Insulin zu verarbeiten, führt dies zu Diabetes.
  • Wachstumshormon: Das in der Hypophyse produzierte Wachstumshormon stimuliert und reguliert das Wachstum in den frühen Lebensphasen. Nach der Reife hilft es, die Knochenreparatur zu regulieren.

Zu den katabolen Hormonen gehören:

  • Adrenalin: Adrenalin wird auch "Epinephrin" genannt und wird von den Nebennieren produziert. Es ist die Schlüsselkomponente der "Kampf-oder-Flucht"-Reaktion, die die Herzfrequenz beschleunigt, die Bronchiolen in der Lunge für eine bessere Sauerstoffaufnahme öffnet und den Körper mit Glukose für schnelle Energie durchflutet.
  • Kortisol: Cortisol wird auch in den Nebennieren produziert und ist als "Stresshormon" bekannt. Es wird in Zeiten von Angstzuständen, Nervosität oder wenn der Organismus anhaltendes Unbehagen verspürt, freigesetzt. Es erhöht den Blutdruck, den Blutzuckerspiegel und unterdrückt die Immunprozesse des Körpers.
  • Glukagon: Glucagon wird von den Alphazellen der Bauchspeicheldrüse produziert und stimuliert den Abbau von Glykogen in Glukose. Glykogen wird in der Leber gespeichert und wenn der Körper mehr Energie benötigt (Sport, Kampf, hoher Stress), regt Glucagon die Leber an, Glykogen abzubauen, das als Glukose ins Blut gelangt.
  • Zytokine: Dieses Hormon ist ein kleines Protein, das die Kommunikation und Interaktionen zwischen Zellen reguliert. Zytokine werden im Körper ständig produziert und abgebaut, wo ihre Aminosäuren entweder wiederverwendet oder für andere Prozesse recycelt werden. Zwei Beispiele für Zytokine sind Interleukin und Lymphokine, die am häufigsten während der Immunantwort des Körpers auf eine Invasion (Bakterien, Viren, Pilze, Tumore) oder Verletzungen freigesetzt werden.

Was ist der Unterschied zwischen katabolen und anabolen Stoffwechselwegen?

Katabolische Wege bauen Moleküle ab, um Energie freizusetzen, während anabole Wege Energie verwenden, um neue Moleküle zu erzeugen. Beide Arten von Stoffwechselwegen sind wichtige Bestandteile des Stoffwechsels eines Organismus.

Die Zellatmung ist ein wichtiger Abbauweg, der für die Bildung von ATP-Molekülen notwendig ist. ATP ist ein energiereiches Molekül, das für die von den Zellen geleistete Arbeit unerlässlich ist. Bei der Zellatmung wird Glukose, ein Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen, in zwei Moleküle mit drei Kohlenstoffatomen zerlegt. Dabei entstehen ATP-Moleküle, die Energie für weitere Reaktionen in anderen Systemen bereitstellen.

Beim Aufbau von Proteinen wird ein Teil des ATPs verwendet, das durch die Zellatmung produziert wird. Proteine ​​werden durch die Verknüpfung von Aminosäuren zu Ketten aufgebaut, die als Polypeptide bezeichnet werden. Jede Aminosäure ist mit einem ATP-Molekül an die Kette gebunden. Knochenaufbauende Zellen verwenden ATP bei der Produktion von Calciumphosphatkristallen. Diese Kristalle fügen sich in die Matrix der Knochen ein, um sie zu stärken.

Zwischen Katabolismus und Anabolismus besteht im Körper ein feines Gleichgewicht. Der Körper muss genügend Vorläufermoleküle aufnehmen, um durch den Katabolismus abgebaut zu werden, damit katabole Wege die Energie produzieren können, die für den Aufbau und die Reparatur von Zellen erforderlich ist. Studien deuten darauf hin, dass diese Stoffwechselwege untrennbar mit den zirkadianen Rhythmen des Menschen verbunden sind, erklärt die Zeitschrift Cell Press.


Was ist ein Beispiel für einen katabolen Stoffwechselweg?

Katabolische Pfade beinhalten den Abbau komplexer Moleküle in einfachere, wodurch die in den Bindungen dieser Moleküle gespeicherte chemische Energie freigesetzt wird. Etwas katabole Wege kann diese Energie einfangen, um ATP zu produzieren, das Molekül, das alle zellulären Prozesse antreibt.

Anschließend stellt sich die Frage, was ein biochemischer Stoffwechselweg ist und geben Sie ein Beispiel? EIN biochemischer Weg (auch Stoffwechsel genannt) Weg) ist eine Reihe von enzymvermittelten Reaktionen, bei denen das Produkt einer Reaktion als Substrat in der nächsten verwendet wird. Jedes Enzym wird von einem anderen Gen kodiert. Nehmen wir zum Beispiel an, dass Enzym A von Gen A kodiert wird. Ebenso wird Enzym B von Gen B kodiert.

Vor diesem Hintergrund, was ist ein Beispiel für einen anabolen Weg?

Anabole Wege bauen komplexe Moleküle aus einfacheren auf und benötigen in der Regel Energie. Glukose aus Kohlendioxid aufzubauen ist eine Beispiel. Sonstiges Beispiele umfassen die Synthese von Proteinen aus Aminosäuren oder von DNA-Strängen aus Nukleinsäurebausteinen (Nukleotiden).

Was ist ein Beispiel für einen Stoffwechselweg?

Eine gute Beispiel für einen Stoffwechselweg wäre die Zellatmungsgleichung, bei der Glucose durch Sauerstoff oxidiert wird, um ATP, Adenosintriphosphat, zu produzieren. Das ATP-Molekül wird von praktisch allen tierischen Zellen als primäre Energiequelle für die Lebensfunktionen der Zellen verwendet.


Katabolische und anabole Reaktionen

Wie unterscheiden wir zwischen katabolen und anabolen Reaktionen?

Nach meinen Recherchen

Katabolische Reaktionen

Katabolische Reaktionen (auch „Katabolismus“ genannt) zerlegen größere, komplexere Moleküle in kleinere Moleküle und setzen dabei Energie frei. Die kleineren Endprodukte einer katabolen Reaktion können als Abfall freigesetzt oder anderen Reaktionen zugeführt werden. Die durch katabole Reaktionen freigesetzte Energie kann auf vielfältige Weise eingefangen und genutzt werden. Ein Teil der Energie wird als Wärme freigesetzt und erhöht die Temperatur der Zelle. Manchmal wird die Energie in den chemischen Bindungen eines anderen Moleküls gespeichert. Und manchmal kann es verwendet werden, um Arbeit zu erledigen, wie zum Beispiel die Bewegung von Zellmaschinen, um den aktiven Transport von Materialien durch die Zellmembranen zu beschleunigen. Katabolische Reaktionen sind von zentraler Bedeutung für biologische Prozesse wie die Zellatmung und die Verdauung von Nahrungsmolekülen.

Anabole Reaktionen

Anabole Reaktionen (auch als "Anabolismus" bezeichnet) verwenden Energie, um komplexere Moleküle aus relativ einfachen Rohstoffen aufzubauen. „Anabolic“ und „catabolic“ klingen ähnlich, sind aber Gegensätze. Um sich an den Unterschied zu erinnern, kann es hilfreich sein, darüber nachzudenken, wie „anabole Steroide“ den Aufbau von Muskelmasse fördern. Alle komplexen Moleküle des Lebens – Kohlenhydrate, Lipide, Proteine, Nukleinsäuren – werden durch anabole Reaktionen erzeugt. Anabole Reaktionen sind von zentraler Bedeutung für Prozesse wie Photosynthese, Proteinsynthese und DNA-Replikation.


Die Prozesse des Katabolismus und Anabolismus

Alle anabolen Prozesse sind konstruktiv und verwenden grundlegende Moleküle innerhalb eines Organismus, die dann spezialisiertere und komplexere Verbindungen erzeugen. Anabolismus wird auch als „Biosynthese“ bezeichnet, bei der aus mehreren Komponenten ein Endprodukt entsteht. Der Prozess benötigt ATP als Energieform, die kinetische Energie in potentielle Energie umwandelt. Es wird als endergonischer Prozess angesehen, dh es handelt sich um eine nicht spontane Reaktion, die Energie benötigt 2 . Der Prozess verbraucht Energie, um das Endprodukt wie Gewebe und Organe herzustellen. Diese komplexen Moleküle werden vom Organismus als Mittel für Wachstum, Entwicklung und Zelldifferenzierung benötigt 3 . Anabole Prozesse verwenden keinen Sauerstoff.

Katabolische Prozesse hingegen sind destruktiv, wobei komplexere Verbindungen abgebaut werden und Energie in Form von ATP oder Wärme freigesetzt wird – anstatt wie beim Anabolismus Energie zu verbrauchen. Potentielle Energie wird aus Speichern im Körper in kinetische Energie umgewandelt. Dies führt zur Bildung des Stoffwechselzyklus, wobei der Katabolismus die Moleküle abbaut, die durch den Anabolismus gebildet werden. Ein Organismus verwendet dann oft viele dieser Moleküle, die in einer Vielzahl von Prozessen wiederverwendet werden. Katabolische Prozesse nutzen Sauerstoff.

Auf zellulärer Ebene verwendet der Anabolismus Monomere, um Polymere zu bilden, was zur Bildung komplexerer Moleküle führt. Ein gängiges Beispiel ist die Synthese von Aminosäuren (dem Monomer) zu größeren und komplexeren Proteinen (dem Polymer). Einer der häufigsten katabolen Prozesse ist die Verdauung, bei der aufgenommene Nährstoffe in einfachere Moleküle umgewandelt werden, die ein Organismus dann für andere Prozesse verwenden kann.

Katabolische Prozesse wirken auf den Abbau vieler verschiedener Polysaccharide wie Glykogen, Stärke und Zellulose. Diese werden in Monosaccharide umgewandelt, zu denen Glucose, Fructose und Ribose gehören, die von Organismen als Energieform verwendet werden. Proteine, die durch Anabolismus erzeugt werden, werden für weitere anabole Prozesse durch Katabolismus in Aminosäuren umgewandelt. Alle Nukleinsäuren in DNA oder RNA werden in kleinere Nukleotide katabolisiert, die ein Bestandteil des natürlichen Heilungsprozesses sind und auch für energetische Zwecke verwendet werden.

Die Organismen werden nach der Art des von ihnen verwendeten Katabolismus klassifiziert 4 :

  • Organotrop Ein Organismus, der seine Energie aus organischen Quellen bezieht
  • Lithotrop → Ein Organismus, der seine Energie aus anorganischen Substraten bezieht
  • Phototroph → Ein Organismus, der seine Energie aus Sonnenlicht bezieht

27 Energie und Stoffwechsel

Am Ende dieses Abschnitts können Sie Folgendes tun:

  • Erkläre Stoffwechselwege und beschreibe die beiden Haupttypen
  • Diskutieren Sie, wie chemische Reaktionen bei der Energieübertragung eine Rolle spielen

Wissenschaftler verwenden den Begriff Bioenergetik, um das Konzept des Energieflusses ((Abbildung)) durch lebende Systeme wie Zellen zu diskutieren. Zelluläre Prozesse wie der Auf- und Abbau komplexer Moleküle laufen durch schrittweise chemische Reaktionen ab. Einige dieser chemischen Reaktionen sind spontan und setzen Energie frei, während andere Energie benötigen, um fortzufahren. So wie Lebewesen ständig Nahrung verbrauchen müssen, um das, was sie verbraucht haben, wieder aufzufüllen, müssen Zellen ständig mehr Energie produzieren, um das wieder aufzufüllen, was die vielen energieerfordernden chemischen Reaktionen, die ständig stattfinden, verbrauchen. Alle chemischen Reaktionen, die innerhalb von Zellen ablaufen, einschließlich derjenigen, die Energie verbrauchen und freisetzen, sind der Stoffwechsel der Zelle.

Kohlenhydratstoffwechsel

Der Zuckerstoffwechsel (chemische Reaktionen) (ein einfaches Kohlenhydrat) ist ein klassisches Beispiel für die vielen zellulären Prozesse, die Energie verbrauchen und produzieren. Lebewesen verbrauchen Zucker als Hauptenergiequelle, da Zuckermoleküle beträchtliche Energie in ihren Bindungen gespeichert haben. Die folgende Gleichung beschreibt den Abbau von Glukose, einem einfachen Zucker:

Verbrauchte Kohlenhydrate haben ihren Ursprung in photosynthetischen Organismen wie Pflanzen ((Abbildung)). Bei der Photosynthese nutzen Pflanzen die Energie des Sonnenlichts, um Kohlendioxidgas (CO2) in Zuckermoleküle, wie Glucose (C6h12Ö6). Da dieser Prozess die Synthese eines größeren, energiespeichernden Moleküls beinhaltet, ist eine Energiezufuhr erforderlich, um fortzufahren. Die folgende Gleichung (beachten Sie, dass sie die Umkehrung der vorherigen Gleichung ist) beschreibt die Synthese von Glukose:

Bei chemischen Reaktionen der Photosynthese liegt die Energie in Form eines sehr energiereichen Moleküls vor, das Wissenschaftler ATP oder Adenosintriphosphat nennen. Dies ist die primäre Energiewährung aller Zellen. So wie der Dollar die Währung ist, mit der wir Waren kaufen, verwenden Zellen ATP-Moleküle als Energiewährung, um sofortige Arbeit zu leisten. Der Zucker (Glukose) wird als Stärke oder Glykogen gespeichert. Energiespeichernde Polymere wie diese zerfallen in Glukose, um ATP-Moleküle bereitzustellen.

Während der Photosynthesereaktionen wird Sonnenenergie benötigt, um ein Glucosemolekül zu synthetisieren. Bei der Photosynthese wandelt sich die Lichtenergie der Sonne zunächst in chemische Energie um, die sich in den Energieträgermolekülen ATP und NADPH (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat) zeitlich einlagert. Die Photosynthese nutzt später die in ATP und NADPH gespeicherte Energie, um aus sechs CO .-Molekülen ein Glukosemolekül aufzubauen2. Dieser Vorgang ist vergleichbar mit dem morgendlichen Frühstück, um Energie für Ihren Körper zu gewinnen, die Sie später am Tag verwenden können. Unter idealen Bedingungen wird Energie von 18 ATP-Molekülen benötigt, um ein Glucosemolekül während der Photosynthesereaktionen zu synthetisieren. Glukosemoleküle können sich auch mit anderen Zuckerarten verbinden und in diese umwandeln. Wenn ein Organismus Zucker konsumiert, gelangen Glukosemoleküle schließlich in die lebende Zelle jedes Organismus. Innerhalb der Zelle zerfällt jedes Zuckermolekül durch eine komplexe Reihe chemischer Reaktionen. Das Ziel dieser Reaktionen ist es, die in den Zuckermolekülen gespeicherte Energie zu gewinnen. Die gewonnene Energie erzeugt hochenergetische ATP-Moleküle, die Arbeit verrichten und viele chemische Reaktionen in der Zelle antreiben. Die Energiemenge, die benötigt wird, um aus sechs Kohlendioxidmolekülen ein Glukosemolekül herzustellen, beträgt 18 ATP-Moleküle und 12 NADPH-Moleküle (von denen jedes energetisch drei ATP-Molekülen entspricht) oder insgesamt 54 Moleküläquivalente, die für die Synthese eines Glukosemoleküls erforderlich sind . Dieser Prozess ist ein grundlegender und effizienter Weg für Zellen, die benötigte molekulare Energie zu erzeugen.

Stoffwechselwege

Die Prozesse der Herstellung und des Abbaus von Zuckermolekülen veranschaulichen zwei Arten von Stoffwechselwegen. Ein Stoffwechselweg ist eine Reihe miteinander verbundener biochemischer Reaktionen, die ein oder mehrere Substratmoleküle Schritt für Schritt durch eine Reihe von metabolischen Zwischenprodukten umwandeln und schließlich ein oder mehrere Endprodukte ergeben. Im Fall des Zuckerstoffwechsels synthetisierte der erste Stoffwechselweg Zucker aus kleineren Molekülen, und der andere spaltete Zucker in kleinere Moleküle auf. Wissenschaftler bezeichnen diese beiden gegensätzlichen Prozesse – der erste benötigt Energie und der zweite erzeugt Energie – als anabolen (Aufbau) bzw. katabolen (Abbau) Weg. Folglich umfassen Aufbau (Anabolismus) und Abbau (Katabolismus) den Stoffwechsel.

Evolution von Stoffwechselwegen Zur Komplexität des Stoffwechsels gehört mehr, als nur die Stoffwechselwege zu verstehen. Die metabolische Komplexität variiert von Organismus zu Organismus. Photosynthese ist der primäre Weg, auf dem photosynthetische Organismen wie Pflanzen (planktonische Algen den größten Teil der globalen Synthese durchführen) die Sonnenenergie gewinnen und in Kohlenhydrate umwandeln. Das Nebenprodukt der Photosynthese ist Sauerstoff, den manche Zellen für die Zellatmung benötigen. Während der Zellatmung hilft Sauerstoff beim katabolen Abbau von Kohlenstoffverbindungen wie Kohlenhydraten. Zu den Produkten gehören CO2 und ATP. Darüber hinaus führen einige Eukaryoten katabole Prozesse ohne Sauerstoff (Fermentation) durch, dh sie führen oder verwenden einen anaeroben Stoffwechsel.

Organismen haben wahrscheinlich einen anaeroben Stoffwechsel entwickelt, um zu überleben (lebende Organismen entstanden vor etwa 3,8 Milliarden Jahren, als es der Atmosphäre an Sauerstoff mangelte). Trotz der Unterschiede zwischen Organismen und der Komplexität des Stoffwechsels haben Forscher herausgefunden, dass alle Lebenszweige einige der gleichen Stoffwechselwege haben, was darauf hindeutet, dass sich alle Organismen aus demselben alten gemeinsamen Vorfahren entwickelt haben ((Abbildung)). Es gibt Hinweise darauf, dass sich die Wege im Laufe der Zeit divergierten und spezialisierte Enzyme hinzufügten, die es den Organismen ermöglichen, sich besser an ihre Umgebung anzupassen und so ihre Überlebenschance zu erhöhen. Das zugrunde liegende Prinzip bleibt jedoch, dass alle Organismen Energie aus ihrer Umgebung gewinnen und in ATP umwandeln müssen, um zelluläre Funktionen auszuführen.

Anabole und katabole Wege

Anabole Wege erfordern einen Energieeintrag, um komplexe Moleküle aus einfacheren zu synthetisieren. Zucker aus CO . synthetisieren2 ist ein Beispiel. Andere Beispiele sind die Synthese großer Proteine ​​aus Aminosäurebausteinen und die Synthese neuer DNA-Stränge aus Nukleinsäurebausteinen. Diese biosynthetischen Prozesse sind entscheidend für das Leben der Zelle, finden ständig statt und erfordern Energie, die ATP und andere hochenergetische Moleküle wie NADH (Nikotinamidadenindinukleotid) und NADPH liefern ((Abbildung)).

ATP ist ein wichtiges Molekül, das Zellen jederzeit in ausreichender Menge zur Verfügung haben. Der Abbau von Zucker veranschaulicht, wie ein einzelnes Glukosemolekül genug Energie speichern kann, um eine große Menge ATP, 36 bis 38 Moleküle, herzustellen. Dies ist ein kataboler Weg. Katabolische Wege beinhalten den Abbau (oder den Abbau) komplexer Moleküle in einfachere. Molekulare Energie, die in komplexen Molekülbindungen gespeichert ist, wird in katabolen Wegen freigesetzt und so geerntet, dass sie ATP produzieren kann. Andere energiespeichernde Moleküle wie Fette werden ebenfalls durch ähnliche katabole Reaktionen abgebaut, um Energie freizusetzen und ATP zu bilden ((Abbildung)).

Es ist wichtig zu wissen, dass chemische Reaktionen im Stoffwechselweg nicht spontan ablaufen. Ein als Enzym bezeichnetes Protein erleichtert oder katalysiert jeden Reaktionsschritt. Enzyme sind wichtig, um alle Arten von biologischen Reaktionen zu katalysieren – sowohl solche, die Energie benötigen als auch solche, die Energie freisetzen.

Abschnittszusammenfassung

Zellen erfüllen die Funktionen des Lebens durch verschiedene chemische Reaktionen. Der Stoffwechsel einer Zelle bezieht sich auf die chemischen Reaktionen, die in ihr stattfinden. Es gibt Stoffwechselreaktionen, bei denen komplexe Chemikalien in einfachere zerlegt werden, wie zum Beispiel der Abbau großer Makromoleküle. Wissenschaftler bezeichnen diesen Vorgang als Katabolismus, und wir verbinden solche Reaktionen mit einer Energiefreisetzung. Am anderen Ende des Spektrums bezieht sich Anabolismus auf Stoffwechselprozesse, die komplexe Moleküle aus einfacheren aufbauen, wie zum Beispiel die Makromolekülsynthese. Anabole Prozesse benötigen Energie. Glukosesynthese und Glukoseabbau sind Beispiele für anabole bzw. katabole Wege.

Mehrfachauswahl

Energie wird langfristig in den Bindungen von _____ gespeichert und kurzfristig verwendet, um Arbeit von einem(n) _____ Molekül zu verrichten.

  1. ATP: Glukose
  2. ein anaboles Molekül: kataboles Molekül
  3. Glukose: ATP
  4. ein kataboles Molekül: anaboles Molekül

Die DNA-Replikation beinhaltet das Abwickeln von zwei Strängen der Eltern-DNA, das Kopieren jedes Strangs, um komplementäre Stränge zu synthetisieren, und die Freisetzung der Eltern- und Tochter-DNA. Welche der folgenden Aussagen beschreibt diesen Vorgang genau?

  1. Dies ist ein anaboler Prozess.
  2. Dies ist ein kataboler Prozess.
  3. Dies ist sowohl anabol als auch katabol.
  4. Dies ist ein Stoffwechselprozess, aber weder anabol noch katabol.

Fragen zum kritischen Denken

Beinhaltet körperliche Bewegung anabole und/oder katabole Prozesse? Geben Sie Beweise für Ihre Antwort.

Körperliches Training beinhaltet sowohl anabole als auch katabole Prozesse. Körperzellen bauen Zucker ab, um ATP bereitzustellen, um die für das Training notwendige Arbeit wie Muskelkontraktionen zu erledigen. Das ist Katabolismus. Muskelzellen müssen auch durch Training geschädigtes Muskelgewebe reparieren, indem sie neue Muskeln aufbauen. Das ist Anabolismus.

Nennen Sie zwei verschiedene zellulare Funktionen, die Energie benötigen, die den energieerfordernden Funktionen des Menschen entsprechen.

Energie wird für die Zellbewegung durch das Schlagen von Zilien oder Geißeln sowie für die menschliche Bewegung, die durch Muskelkontraktion erzeugt wird, benötigt. Zellen benötigen auch Energie für die Verdauung, da der Mensch Energie benötigt, um Nahrung zu verdauen.

Glossar


Elektronentransportkette

Spezifische Enzyme der Elektronentransportkette werden von der Rückkopplungshemmung nicht beeinflusst, aber die Geschwindigkeit des Elektronentransports durch den Stoffwechselweg wird durch die ADP- und ATP-Spiegel beeinflusst. Ein höherer ATP-Verbrauch durch eine Zelle wird durch eine Ansammlung von ADP angezeigt. Wenn der ATP-Verbrauch abnimmt, nimmt die Konzentration von ADP ab, und jetzt beginnt sich ATP in der Zelle aufzubauen. Diese Veränderung der relativen Konzentration von ADP zu ATP bewirkt, dass die Zelle die Elektronentransportkette verlangsamt.

Eine Zusammenfassung der Rückkopplungskontrollen bei der Zellatmung finden Sie in der folgenden Tabelle.


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