Stoffwechsel: Überblick, Physiologie und Störungen

Der Stoffwechsel im menschlichen Körper leistet Enormes. Ohne diese Stoffwechselleistungen könnte der Mensch nicht die nötige Energie für den Alltag bereitstellen und das Gleichgewicht würde außer Kontrolle geraten. Dieser Artikel soll einen Überblick über die allgemeinen Stoffwechselleistungen des Körpers bieten und sie in einen Zusammenhang bringen.

Stoffwechsel – Definition

Stoffwechsel (Metabolismus) bezeichnet alle biochemischen Prozesse in einem Organismus, die der Umwandlung von aufgenommenen Stoffen in Energie und körpereigene Substanzen dienen. Diese Prozesse sind essenziell für Wachstum, Reparatur, Energiegewinnung und die Aufrechterhaltung lebenswichtiger Funktionen.

Stoffwechsel – Überblick

Der Stoffwechsel kann anabol oder katabol sein. Katabole Stoffwechsellagen dienen dem Abbau von Substanzen und letztendlich der Energiegewinnung in “schlechteren Zeiten”. Anabole Stoffwechsellagen dienen dem Aufbau von Reserven oder körpereigenen Bausubstanzen.

Regulation

Ein Zusammenspiel von Hormonen, Enzymen und Rückkopplungsmechanismen reguliert den Stoffwechsel. Hormone wie Insulin und Glukagon steuern den Blutzucker, indem sie dafür sorgen, dass Glukose gespeichert oder freigesetzt wird, je nachdem, was der Körper braucht.

Schilddrüsenhormone (hauptsächlich T3 und T4) beeinflussen den Stoffwechsel, indem sie die Stoffwechselrate des Körpers regulieren. Sie steigern den Energieverbrauch, indem sie die Verbrennung von Nährstoffen wie Zucker und Fett fördern, was zu einer erhöhten Körpertemperatur und einer schnelleren Zellaktivität führt. Außerdem unterstützen sie den Aufbau von Gewebe und Muskelmasse durch die Förderung der Proteinsynthese. Schilddrüsenhormone verbessern auch die Verwertung von Kohlenhydraten und Fetten, indem sie den Abbau von Glykogen und Fettreserven anregen.

Kataboler Stoffwechsel

Katabole Stoffwechselleistungen sind alle biochemischen Prozesse, bei denen komplexe Moleküle in kleinere Bestandteile zerlegt werden, um Energie für den Körper bereitzustellen. Diese Vorgänge laufen meist unter Energiegewinnung ab und dienen der Aufrechterhaltung lebenswichtiger Funktionen.

Glykolyse

Einer der bedeutendsten katabolen Stoffwechselleistungen ist die Glykolyse. In der Glykolyse bauen Enzyme Traubenzucker (Glucose) zum Pyruvat ab, wodurch auch teilweise schon Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) gewonnen wird. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Reduktion von NAD+ zu NADH+, welche später entscheidend sind für die Energiegewinnung in der sogenannten Atmungskette. Die Atmungskette verwendet diese Reduktionsäquivalente (z.B. NADH+) in komplexen Redoxreaktionen dazu, ATP zu synthetisieren und damit viel Energie zu gewinnen.

Glykogenolyse

Glucose wird im Körper als Glykogen gespeichert. In Zeiten erhöhten Glucosebedarfs setzten bestimmte Enzyme einzelne Glucose-Moleküle aus den großen Glykogenen frei. Die Zelle kann die Glucose dann zur Glykolyse und zum Energiegewinn benutzen oder an das Blut abgeben werden, um den Zucker anderen Zellen des Körpers zur Verfügung zu stellen.

Lipolyse

Fettsäuren sind in Form von Triglyceriden vor allem in Fettzellen (Adipozyten) gespeichert. Beim Abbau werden die einzelnen Fettsäuren von dem Glycerin getrennt. Im Anschluss bauen Enzyme die Fettsäuren in der sogenannten β-Oxidation ab, wodurch auch wieder Reduktionsäquivalente entstehen, die für die Energiegewinnung in der Atmungskette essentiell sind.

Proteolyse

Proteolyse ist der Abbau von Proteinen in kleinere Peptide oder einzelne Aminosäuren. Dies geschieht durch Enzyme, sogenannte Proteasen oder Peptidasen. Der Prozess dient der Energiegewinnung, dem Recycling von Proteinen und der Regulation biologischer Prozesse.

Purin- und Pyrimidinabbau

Der Abbau von Purin- und Pyrimidinbasen ist ein weiterer Stoffwechselprozess. Wichtig ist auch, dass diese Basen nicht immer ganz abgebaut werden müssen, sondern auch recycelt werden können, um Energie zu sparen.

Anaboler Stoffwechsel

Anabole Stoffwechselleistungen sind aufbauende Prozesse im Körper, bei denen aus kleinen Molekülen größere, komplexe Strukturen gebildet werden. Diese Vorgänge erfordern Energie (z. B. in Form von ATP) und sind essenziell für Wachstum, Reparatur und Zellneubildung.

Glykogensynthese

Wird dem Körper mehr Glucose bereitgestellt als er benötigt, kann der Überschuss in den Zellen in Form von Glykogen gespeichert werden. Glykogen ist ein Mehrfachzucker, der aus vielen Glucose-Einheiten besteht. Verschiedene Enzyme können diese dann bei Bedarf auch wieder abtrennen, um sie zur Energiegewinnung zu verwenden. Besonders große Speicher an Glykogen sind in der Skelettmuskulatur und der Leber zu finden.

Lipogenese

Lipogenese ist der Prozess, bei dem der Körper Fettsäuren und Triglyzeride aus überschüssigen Nahrungsbestandteilen wie Glukose oder Aminosäuren aufbaut. Diese Fette werden dann im Fettgewebe oder in der Leber gespeichert, um Energie für spätere Zeiten bereitzuhalten. Lipogenese tritt hauptsächlich auf, wenn der Körper überschüssige Energie und Nährstoffe hat, die er nicht sofort verbrauchen kann.

Proteinsynthese

Die Synthese von Proteinen ist ein Prozess, der ständig in fast jeder Zelle des Körpers abläuft. Sie sind unerlässlich für die Funktionen der Zellen in einem Gewebe. Die Information, wie ein bestimmtes Protein aussieht, ist in den Genen codiert. Diese werden im Zuge der Proteinbiosynthese abgelesen und in eine Kopie, die mRNA, umgeschrieben. Diese mRNA wird von spezialisierten Zellorganellen, den Ribosomen, abgelesen und in eine Aminosäuresequenz übersetzt. Diese Aminosäuresequenz stellt letztendlich in ihrer fertigen Struktur das Protein dar.

Proteine sorgen für Struktur, indem sie Zellen, Gewebe und Organe aufbauen. Als Enzyme beschleunigen sie chemische Reaktionen im Stoffwechsel. Sie transportieren Moleküle wie Sauerstoff (Hämoglobin) und Fettsäuren. Antikörper schützen den Körper vor Krankheitserregern. Als Hormone regulieren sie Prozesse wie den Blutzuckerspiegel (Insulin). Sie sind auch für die Bewegung verantwortlich, da sie Muskelkontraktionen ermöglichen, und speichern wichtige Substanzen wie Eisen.

Purin- und Pyrimidinsynthese

Kleine, aber wichtige Bausteine der DNA sind Purin- und Pyrimidinbasen. Deren Aufbau kostet viel Energie, weshalb sie auch häufig recycelt werden. Dennoch müssen öfter auch einige dieser Basen selbst vom Körper hergestellt werden. Auch die Synthese der DNA selbst wird während des Zellzyklus vorgenommen. Damit sich eine Zelle teilen kann, muss auch das Erbgut verdoppelt werden.

Stoffwechselstörungen

Stoffwechselstörungen sind Erkrankungen, bei denen der normale Ablauf von Stoffwechselprozessen im Körper gestört ist. Diese Störungen können durch genetische Defekte, Umwelteinflüsse, Ernährung oder andere Erkrankungen verursacht werden. Sie betreffen oft den Abbau oder Aufbau von Nährstoffen, was zu einem Ungleichgewicht im Körper führt.

Bekannte Stoffwechselstörungen umfassen eine Vielzahl von Erkrankungen, bei denen die normalen biochemischen Prozesse im Körper gestört sind. Eine der häufigsten ist Diabetes mellitus, bei dem der Körper entweder kein Insulin produziert oder Insulin nicht richtig nutzen kann, was zu erhöhten Blutzuckerwerten führt. Fettstoffwechselstörungen wie erhöhte Cholesterin- oder Triglyzeridwerte können das Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen erhöhen. Gicht entsteht, wenn Harnsäure nicht richtig abgebaut wird und sich in den Gelenken ablagert. Eine genetische Störung wie Phenylketonurie hindert den Körper daran, die Aminosäure Phenylalanin abzubauen, was zu Gehirnschäden führen kann, wenn es nicht behandelt wird.