Die Stoffwechselwege im Überblick

Stoffwechsel im Körper

Nährstoffe aus der Nahrung werden im Körper transportiert, umgebaut und zur Energiegewinnung genutzt.

• Verdauung: Proteine, Kohlenhydrate und Fette werden in Aminosäuren, Glucose und Fettsäuren zerlegt.
• Zellatmung: Glucose wird in der Glykolyse, dem Citratzyklus und der Atmungskette zu CO2 abgebaut, um massenhaft ATP zu gewinnen.

💡 Tipp: Merk dir, dass die Atmungskette im Mitochondrium mit 28 ATP den mit Abstand größten Anteil an Energie liefert.

Anabolismus vs. Katabolismus

Der energetische Zusammenhang

Zellen nutzen die Energiekopplung, um aufbauende Prozesse mit abbauenden Prozessen zu verknüpfen.

• Katabolismus: Abbauender, exergonischer Stoffwechsel, der Energie freisetzt ($\Delta G < 0$) und ATP aufbaut.
• Anabolismus: Aufbauender, endergonischer Stoffwechsel, der ATP verbraucht ($\Delta G > 0$), um komplexe Biomoleküle herzustellen.

Beispiel:

• Katabol: Protein $\rightarrow$ Aminosäuren
• Anabol: Aminosäuren $\rightarrow$ neues Muskelprotein

💡 Tipp: Exergonisch bedeutet "Energie wird frei", endergonisch bedeutet "Energie wird benötigt".

Hemmung von Enzymen

Arten der Enzymhemmung

Inhibitoren können die Aktivität von Enzymen verlangsamen oder komplett stoppen.

• Kompetitive Hemmung: Inhibitor blockiert das aktive Zentrum reversibel; hohe Substratkonzentration verdrängt ihn.
• Nichtkompetitive Hemmung: Inhibitor bindet am allosterischen Zentrum und verändert die Enzymstruktur dauerhaft oder temporär.
• Irreversible Hemmung: Inhibitor zerstört die Enzymfunktion dauerhaft, wie z.B. Schwermetalle.

💡 Tipp: Bei der kompetitiven Hemmung wird die maximale Reaktionsgeschwindigkeit ($v_{max}$) trotzdem erreicht, bei der nichtkompetitiven Hemmung nicht.

Regulation der Enzymaktivität

Steuerung über Effektoren

Allosterische Enzyme besitzen neben dem aktiven Zentrum ein regulatorisches Zentrum zur Steuerung.

• Positive Effektoren: Aktivieren das Enzym (z.B. AMP signalisiert Energiemangel).
• Negative Effektoren: Hemmen das Enzym (z.B. ATP signalisiert ausreichend Energie).
• Endprodukthemmung: Das fertige Produkt hemmt das erste Enzym der Kette, um Überproduktion zu verhindern.

💡 Tipp: Die Phosphofructokinase ist das klassische Schlüsselenzym des Glucoseabbaus, das durch ATP gehemmt wird.

Passiver Stofftransport

Transport ohne Energieaufwand

Stoffe bewegen sich von selbst entlang ihres Konzentrationsgefälles durch die Membran.

• Einfache Diffusion: Kleine, ungeladene Moleküle ($O_2, CO_2$) schlüpfen direkt durch die Lipidschicht.
• Erleichterte Diffusion: Größere oder geladene Teilchen nutzen Kanalproteine oder spezifische Carrier.

💡 Tipp: Passiver Transport läuft so lange ab, bis ein Konzentrationsausgleich zwischen beiden Seiten herrscht.

Aktiver Stofftransport

Transport gegen das Gefälle

Zellen müssen aktiv Energie aufwenden, um Stoffe gezielt in eine Richtung zu pumpen.

• Primär aktiver Transport: Spaltet direkt ATP auf, um Stoffe zu transportieren (z.B. Natrium-Kalium-Pumpe).
• Sekundär aktiver Transport: Nutzt ein bereits aufgebautes Konzentrationsgefälle eines anderen Ions als Antrieb.

💡 Tipp: Stell dir den sekundären Transport wie einen Fluss vor, der ein Mühlrad antreibt und dabei etwas anderes mitreißt.

Stofftransport via Zytose

Transport von Riesenmolekülen

Sehr große Partikel oder Proteine, die zu groß für Membranproteine sind, nutzen Membranbläschen (Vesikel).

• Endozytose: Die Zellmembran stülpt sich ein, um Stoffe als Vesikel ins Zellinnere aufzunehmen.
• Exozytose: Vesikel verschmelzen mit der Plasmamembran, um Stoffe nach außen abzugeben.

💡 Tipp: Endo steht für "rein" (into), Exo für "raus" (exit).

Chemiosmotische ATP-Bildung

Der Protonengradient

Die ATP-Synthese in Mitochondrien und Chloroplasten basiert auf einem Ladungs- und Konzentrationsunterschied.

• H+-Gradient: Protonen ($H^+$) werden über die Membran gepumpt, wodurch innen ein hoher Säuregehalt (pH 5) entsteht.
• ATP-Synthase: Die Protonen fließen wie Wasser durch eine Turbine zurück, was Energie für die Synthese liefert.

Beispiel:

• $ADP + P \rightarrow ATP$ (angetrieben durch den Protonenrückfluss)

💡 Tipp: Ohne den elektrochemischen Gradienten steht die ATP-Synthese sofort still.