Was ist Zellstoffwechsel?
Der Zellstoffwechsel ist ein allgemeiner Begriff, der alle chemischen Reaktionen abdeckt, die Energie umwandeln oder in einer Zelle Energie verbrauchen. Die Zellen von Menschen und vielen anderen mehrzelligen Organismen nutzen den Prozess der aeroben Atmung, um Nahrung in Energie umzuwandeln. Pflanzen und einige Mikroorganismen führen den Photosyntheseprozess durch. Andere Organismen arbeiten mit anaerober Atmung oder Fermentation, Arten des Zellstoffwechsels, die keinen Sauerstoff benötigen.
Zwei Arten chemischer Reaktionen treten im Zellstoffwechsel auf, katabolische Reaktionen und anabole Reaktionen. Katabolische Reaktionen produzieren Energie, die die Zelle nutzen kann, während anabolische Reaktionen Energie benötigen, um Moleküle zu erzeugen, die für das weitere Funktionieren der Zelle erforderlich sind. Zellen speichern Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP), das durch katabolische Reaktionen erzeugt und von anabolischen Reaktionen genutzt wird.
Durch die aerobe Atmung werden organische Kohlenstoffquellen wie Kohlenhydrate, Proteine und Fette abgebaut. Erstens zerlegt der Prozess der Glykolyse ein Glucosemolekül - einen Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen - in zwei Pyruvatmoleküle, zwei Moleküle reduziertes Nicotinamidadenindinukleotid (NADH) und zwei ATP-Moleküle. Der Kreb-Zyklus, auch Citronensäure-Zyklus (CAC) oder Tricarbonsäure-Zyklus (TCA) genannt, spaltet das bei der Glykolyse entstehende Pyruvat weiter in Kohlendioxid und Wasser auf und erzeugt dabei zwei weitere ATP-Moleküle. Ein als Elektronentransportkette bezeichneter Mechanismus überträgt Wasserstoffatome von NADH auf Sauerstoff. Dieser Transfer setzt Energie frei, mit der 34 weitere ATP-Moleküle erzeugt werden.
Die Glykolyse und der Kreb-Zyklus finden in anaerober Atmung auf die gleiche Weise statt wie in aerober Atmung. In der Elektronentransportkette werden jedoch anorganische Moleküle - Moleküle, die keinen Kohlenstoff enthalten - anstelle von Sauerstoff als Elektronenakzeptor verwendet. Die Art des verwendeten anorganischen Moleküls hängt vom Organismus ab. Beispielsweise verwenden einige Organismen schwefelhaltige Verbindungen, und einige verwenden stickstoffhaltige Verbindungen. Anaerobe Atmung produziert insgesamt 36 ATP-Moleküle im Gegensatz zu 38 für aerobe Atmung.
Die Fermentation ist eine andere Form des anaeroben Stoffwechsels. Im Gegensatz zur anaeroben Atmung handelt es sich jedoch nicht um eine Elektronentransportkette oder den Kreb-Zyklus. Die Glykolyse spaltet organische Moleküle auf, um Energie zu erzeugen. Da Glykolyse die einzige Reaktion bei der Fermentation ist, werden nur zwei ATP-Moleküle pro Glucosemolekül produziert.
Pflanzen und einige Mikroorganismen, die alle als Photoautotrophen klassifiziert sind, beziehen ihre Energie eher aus einer Form des Zellmetabolismus, der Photosynthese, als aus der Atmung. Photoautotrophen gewinnen Energie aus Licht und wandeln sie in Form von ATP in chemische Energie um. Die Zellen verwenden dann das ATP, um Kohlendioxid in Glukose und andere Nährstoffe umzuwandeln, die der Organismus benötigt.