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7.24: Zusammenfassung - Energie und Stoffwechsel - Biologie

7.24: Zusammenfassung - Energie und Stoffwechsel - Biologie


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Lernerfolge

  • Identifizieren Sie verschiedene Arten von Stoffwechselwegen
  • Unterscheiden Sie zwischen einem offenen und einem geschlossenen System
  • Geben Sie den ersten Hauptsatz der Thermodynamik an
  • Geben Sie den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik an
  • Erklären Sie den Unterschied zwischen kinetischer und potentieller Energie
  • Beschreiben Sie endergonische und exergonische Reaktionen
  • Diskutieren Sie, wie Enzyme als molekulare Katalysatoren funktionieren

Zellen erfüllen die Funktionen des Lebens durch verschiedene chemische Reaktionen. Anabole Prozesse bauen aus einfacheren Molekülen komplexe Moleküle auf und benötigen Energie.

In der Energieforschung bezieht sich der Begriff System auf die Materie und die Umgebung, die an der Energieübertragung beteiligt sind. Die Entropie ist ein Maß für die Unordnung eines Systems. Die physikalischen Gesetze, die die Energieübertragung beschreiben, sind die Gesetze der Thermodynamik. Das erste Gesetz besagt, dass die Gesamtenergiemenge im Universum konstant ist. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass jede Energieübertragung einen gewissen Energieverlust in einer unbrauchbaren Form, wie beispielsweise Wärmeenergie, mit sich bringt. Energie gibt es in verschiedenen Formen: kinetisch, potentiell und frei. Die Änderung der freien Energie einer Reaktion kann negativ (energiefreisetzend, exergonisch) oder positiv (energieverbrauchend, endergonisch) sein. Alle Reaktionen erfordern eine anfängliche Energiezufuhr, die als Aktivierungsenergie bezeichnet wird.

Enzyme sind chemische Katalysatoren, die chemische Reaktionen beschleunigen, indem sie ihre Aktivierungsenergie senken. Enzyme haben ein aktives Zentrum mit einer einzigartigen chemischen Umgebung, die zu bestimmten chemischen Reaktionspartnern für dieses Enzym, den sogenannten Substraten, passt. Es wird angenommen, dass Enzyme und Substrate gemäß einem induzierten Anpassungsmodell binden. Die Enzymwirkung wird reguliert, um Ressourcen zu schonen und optimal auf die Umwelt zu reagieren.

Fragen zum Üben

  1. Sehen Sie sich jeden der in Abbildung 1 gezeigten Prozesse an und entscheiden Sie, ob er endergonisch oder exergonisch ist.
  • Beinhaltet körperliche Bewegung zur Steigerung der Muskelmasse anabole und/oder katabole Prozesse? Geben Sie Beweise für Ihre Antwort.
  • Erklären Sie in Ihren eigenen Worten den Unterschied zwischen einer spontanen Reaktion und einer spontanen Reaktion und was diesen Unterschied verursacht.
  • In Bezug auf Enzyme, warum sind Vitamine und Mineralstoffe für eine gute Gesundheit notwendig? Nenne Beispiele.
  • [reveal-answer q=”32093″]Antworten anzeigen[/reveal-answer]
    [versteckte Antwort a=”32093″]

    1. Die Zersetzung eines Komposthaufens ist ein exergonischer Prozess. Ein Baby, das sich aus einer befruchteten Eizelle entwickelt, ist ein endergonischer Prozess. Das Auflösen von Tee in Wasser ist ein exergonischer Prozess. Ein bergab rollender Ball ist ein exergonischer Vorgang.
    2. 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.
    3. Eine spontane Reaktion ist eine Reaktion, die ein negatives ∆G hat und somit Energie freisetzt. Eine spontane Reaktion muss jedoch nicht schnell oder plötzlich wie eine Sofortreaktion erfolgen. Es kann aufgrund einer großen Aktivierungsenergie über lange Zeiträume auftreten, die ein schnelles Auftreten der Reaktion verhindert.
    4. Die meisten Vitamine und Mineralstoffe wirken als Cofaktoren und Coenzyme für die Enzymwirkung. Viele Enzyme benötigen die Bindung bestimmter Cofaktoren oder Coenzyme, um ihre Reaktionen katalysieren zu können. Da Enzyme viele wichtige Reaktionen katalysieren, ist es wichtig, ausreichend Vitamine und Mineralstoffe über die Nahrung und Nahrungsergänzungsmittel aufzunehmen. Vitamin C (Ascorbinsäure) ist ein Coenzym, das für die Wirkung von Enzymen notwendig ist, die Kollagen aufbauen.[/hidden-answer]

    Zusammenfassung von Energie und Atmung

    1 Organismen müssen Arbeit verrichten, um am Leben zu bleiben. Der für diese Arbeit erforderliche Energieeinsatz beträgt
    entweder Licht für die Photosynthese oder die chemische potentielle Energie organischer Moleküle.
    Die Arbeit umfasst anabole Reaktionen, aktiven Transport und Bewegung. Einige Organismen,
    wie Säugetiere und Vögel, nutzen die bei Stoffwechselreaktionen freigesetzte Wärmeenergie, um
    halten ihre Körpertemperatur.
    2 Reaktionen, die Energie freisetzen, müssen für energieaufwendige Reaktionen genutzt werden. Dies
    Beim „Harnessing“ handelt es sich um ein Zwischenmolekül, ATP. Dies kann synthetisiert werden aus
    ADP und Phosphat unter Verwendung von Energie und hydrolysiert zu ADP und Phosphat zur Freisetzung
    Energie. ATP fungiert daher in allen lebenden Organismen als Energiewährung.
    3 Atmung ist die Abfolge enzymgesteuerter Schritte, durch die ein organisches
    Molekül, normalerweise Glukose, wird abgebaut, so dass seine chemische potentielle Energie
    verwendet, um die Energiewährung ATP zu machen.
    4 Bei der aeroben Atmung umfasst der Ablauf vier Hauptstadien: die Glykolyse, die
    Reaktion, der Krebs-Zyklus und die oxidative Phosphorylierung.
    5 Bei der Glykolyse wird Glucose zunächst phosphoryliert und dann in zwei Triosephosphate gespalten
    Moleküle. Diese werden weiter zu Pyruvat oxidiert, wodurch eine geringe Ausbeute an ATP und
    reduziertes NAD. Die Glykolyse findet im Zellzytoplasma statt.
    6 Wenn Sauerstoff verfügbar ist (aerobe Atmung), geht das Pyruvat in die Matrix von a
    Mitochondrium. Dort wird bei der Link-Reaktion Pyruvat decarboxyliert und
    dehydriert und die verbleibende 2C-Acetyleinheit mit Coenzym A kombiniert, um
    Acetyl-Coenzym A.
    7 Das Acetyl-Coenzym A tritt in den Krebs-Zyklus in der mitochondrialen Matrix ein und
    spendet die Acetyleinheit an Oxalacetat (4C), um Citrat (6C) herzustellen.
    8 Der Krebs-Zyklus decarboxyliert und dehydriert Citrat zu Oxalacetat in a
    Reihe kleiner Schritte. Das Oxalacetat kann dann mit einem anderen Acetyl-Coenzym A . reagieren
    aus der Linkreaktion.

    9 Dehydrierung liefert Wasserstoffatome, die von den Trägern NAD
    und FAD. Diese gelangen zur inneren Membran der Mitochondrienhülle, wo sie
    werden in Protonen und Elektronen gespalten.
    10 Bei der oxidativen Phosphorylierung werden die Elektronen entlang einer Reihe
    von Trägern. Ein Teil der bei diesem Prozess freigesetzten Energie wird verwendet, um Protonen von
    der mitochondrialen Matrix zum Intermembranraum. Dadurch entsteht ein Gradient von Protonen
    über die innere Membran der Mitochondrienhülle. Die Protonen gehen zurück in
    der Matrix, indem sie ihren Konzentrationsgradienten durch Proteinkanäle in der
    innere Membran. Mit jedem dieser Kanäle ist ein Enzym, die ATP-Synthase, assoziiert.
    Die ATP-Synthase nutzt die elektrische potentielle Energie des Protonengradienten, um
    ADP zu ATP phosphorylieren.
    11 Am Ende der Trägerkette werden Elektronen und Protonen rekombiniert und reduziert
    Sauerstoff zu Wasser.
    12 In Abwesenheit von Sauerstoff als Wasserstoffakzeptor (bei anaerober Atmung) ist ein kleiner
    Die Ausbeute an ATP wird durch Abgabe von Wasserstoff in andere Wege im Zytoplasma erreicht, die
    Ethanol oder Laktat produzieren. Der Laktatweg kann bei Säugetieren umgekehrt werden, wenn
    Sauerstoff verfügbar wird. Der Sauerstoff, der benötigt wird, um das Laktat zu entfernen, das während
    Die anaerobe Atmung wird als Sauerstoffschuld bezeichnet.
    13 Die Energiewerte von Atmungssubstraten sind abhängig von der Anzahl der Wasserstoff
    Atome pro Molekül. Lipide haben eine höhere Energiedichte als Kohlenhydrate oder
    Proteine.
    14 Der respiratorische Quotient (RQ) ist das Verhältnis der aufgenommenen Sauerstoffvolumina und
    bei der Atmung abgegebenes Kohlendioxid. Der RQ zeigt die Beschaffenheit des Substrats an
    atmete. Kohlenhydrate haben einen RQ von 1,0, Lipid 0,7 und Protein 0,9.
    15 Die Sauerstoffaufnahme und damit der RQ kann mit einem Respirometer gemessen werden.

    1. Fragen zum Ende des Kapitels
    1. Was passiert bei der Umwandlung von Glucose in zwei Pyruvatmoleküle nicht?
    Eine Hydrolyse von ATP
    B-Phosphorylierung von ATP
    C-Phosphorylierung von Triose (3C)-Zucker
    D-Reduktion von NAD
    2 Wo treten die einzelnen Stadien der aeroben Atmung in einer eukaryontischen Zelle auf?


    Stoffwechsel und seine Integration (mit Diagramm)

    Hunderte von Reaktionen laufen in einer lebenden Zelle gleichzeitig gut organisiert und integriert ab. Das gesamte Spektrum chemischer Reaktionen, die im lebenden System ablaufen, wird zusammenfassend als Stoffwechsel bezeichnet.

    Ein Stoffwechselweg (oder eine Stoffwechselkarte) besteht aus einer Reihe von enzymatischen Reaktionen, um spezifische Produkte herzustellen. Der Begriff Metabolit wird auf ein Substrat oder ein Zwischenprodukt oder ein Produkt bei den Stoffwechselreaktionen angewendet.

    Einführung in den Stoffwechsel:

    Der Stoffwechsel wird grob in zwei Kategorien eingeteilt (Abb. 67.1).

    Die Abbauprozesse betreffen den Abbau komplexer Moleküle in einfachere unter gleichzeitiger Freisetzung von Energie.

    Die biosynthetischen Reaktionen, bei denen komplexe Moleküle aus einfachen Vorstufen gebildet werden. Eine klare Abgrenzung zwischen Katabolismus und Anabolismus ist eher schwierig, da beiden Prozessen mehrere Zwischenstufen gemeinsam sind.

    Katabolismus:

    Der eigentliche Zweck des Katabolismus besteht darin, die Energie der Biomoleküle in Form von ATP einzufangen und die für die Synthese komplexer Moleküle benötigten Substanzen (Vorstufen) zu erzeugen. Der Katabolismus verläuft in drei Stadien (Abb. 67.2).

    1. Umwandlung komplexer Moleküle in ihre Bausteine:

    Polysaccharide werden in Monosaccharide zerlegt, Lipide in freie Fettsäuren und Glycerin und Proteine ​​in Aminosäuren.

    2. Bildung einfacher Zwischenprodukte:

    Die in Stufe (1) hergestellten Bausteine ​​werden zu einfachen Zwischenprodukten wie Pyruvat und Acetyl-CoA abgebaut. Diese Zwischenprodukte sind nicht ohne weiteres als Kohlenhydrate, Lipide oder Proteine ​​identifizierbar. In Stufe 2 wird eine kleine Energiemenge (als ATP) eingefangen.

    3. Endoxidation von Acetyl-CoA:

    Acetyl-CoA wird vollständig zu CO . oxidiert2, befreit NADH und FADH2 die schließlich oxidiert werden, um große Energiemengen (als ATP) freizusetzen. Der Krebs-Zyklus (oder Zitronensäure-Zyklus) ist der gemeinsame Stoffwechselweg, der an der endgültigen Oxidation aller energiereichen Moleküle beteiligt ist. Dieser Weg nimmt die aus Kohlenhydraten, Lipiden oder Proteinen stammenden Kohlenstoffverbindungen (Pyruvat, Succinat etc.) auf.

    Anabolismus:

    Für die Synthese verschiedenster komplexer Moleküle gibt es relativ wenige Ausgangsmaterialien. Dazu gehören Pyruvat, Acetyl-CoA und die Zwischenprodukte des Zitronensäurezyklus. Neben der Verfügbarkeit von Vorstufen sind die anabolen Reaktionen von der Zufuhr von Energie (als ATP oder GTP) und reduzierenden Äquivalenten (als NADPH + H + ) abhängig.

    Die anabolen und katabolen Wege sind nicht reversibel und funktionieren unabhängig. Als solche verlaufen die Stoffwechselwege an bestimmten zellulären Orten (Mitochondrien, Mikrosomen etc.) und werden durch unterschiedliche regulatorische Signale gesteuert.

    Auch die Begriffe Intermediärstoffwechsel und Energiestoffwechsel sind in Gebrauch. Der Intermediärstoffwechsel bezieht sich auf das gesamte Spektrum kataboler und anaboler Reaktionen, bei denen Nukleinsäuren nicht beteiligt sind. Der Energiestoffwechsel beschäftigt sich mit den Stoffwechselwegen, die sich mit der Speicherung und Freisetzung von Energie befassen.

    Arten von Stoffwechselreaktionen:

    Die biochemischen Reaktionen sind hauptsächlich von vier Arten:

    3. Umlagerung und Isomerisierung.

    4. Herstellen und Brechen von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen.

    Diese Reaktionen werden durch spezifische Enzyme katalysiert – mehr als 2.000 sind bisher bekannt.

    Methoden zur Untersuchung des Stoffwechsels:

    Die Stoffwechselreaktionen laufen nicht isoliert ab. Sie sind voneinander abhängig und in spezifische Reihen integriert, die Stoffwechselwege darstellen. Es ist daher keine leichte Aufgabe, den Stoffwechsel zu untersuchen. Glücklicherweise sind die grundlegenden Stoffwechselwege in den meisten Organismen im Wesentlichen identisch. Zur Aufklärung biochemischer Reaktionen und der Stoffwechselwege werden verschiedene Methoden eingesetzt.

    Diese experimentellen Ansätze lassen sich grob in 3 Kategorien einteilen:

    1. Verwendung ganzer Organismen oder ihrer Bestandteile.

    2. Nützlichkeit von Stoffwechselsonden.

    3. Anwendung von Isotopen.

    Die tatsächlich eingesetzten Verfahren können entweder in vivo (im lebenden System) oder in vitro (im Reagenzglas) oder häufiger beides sein.

    1. Verwendung des ganzen Organismus oder seiner Bestandteile:

    (a) Ganze Organismen: Glukosetoleranztest (GTT).

    (b) Isolierte Organe, Gewebeschnitte, ganze Zellen, subzelluläre Organellen etc., um biochemische Reaktionen und Stoffwechselwege aufzuklären.

    2. Nutzen von Stoffwechselsonden:

    Zwei Arten von Stoffwechselsonden werden üblicherweise verwendet, um biochemische Wege aufzuspüren. Dies sind metabolische Hemmstoffe und Mutationen.

    3. Anwendung von Isotopen.

    Integration des Stoffwechsels:

    Der Stoffwechsel ist ein kontinuierlicher Prozess mit Tausenden von Reaktionen, die gleichzeitig in der lebenden Zelle ablaufen. Biochemiker präsentieren den Stoffwechsel jedoch lieber in Form von Reaktionen und Stoffwechselwegen. Dies geschieht aus Gründen der Einfachheit der Darstellung und des Verständnisses. Wir haben den Stoffwechsel von Kohlenhydraten, Lipiden und Aminosäuren erlernt. Wir betrachten nun den Organismus als Ganzes und integrieren den Stoffwechsel unter besonderer Berücksichtigung des Energiebedarfs des Körperorganismus.

    Energiebedarf und -angebot:

    Die Organismen haben einen variablen Energiebedarf, daher ist auch das Angebot (Input) gleich variabel. Der verbrauchte Stoffwechselbrennstoff kann verbrannt werden (oxidiert zu CO2 und H2O) oder gespeichert, um den Energiebedarf gemäß dem Körperbedarf zu decken. ATP dient dabei als Energiewährung der Zelle (Abb. 67.21).

    Der Mensch besitzt eine enorme Kapazität zur Nahrungsaufnahme. Es wird geschätzt, dass man bis zum 100-fachen seines Grundbedarfs verbrauchen kann! Adipositas, eine in Wohlstandsgesellschaften vorherrschende Störung der Überernährung, ist in erster Linie eine Folge von Überkonsum.

    Integration wichtiger Stoffwechselwege des Energiestoffwechsels:

    Ein Überblick über die Zusammenhänge zwischen den wichtigen Stoffwechselwegen, die den in Abb. 67.22 dargestellten Brennstoffstoffwechsel betreffen, soll hier kurz beschrieben werden.

    Der Abbau von Glucose zu Pyruvat (Laktat unter anaeroben Bedingungen) erzeugt 8 ATP. Pyruvat wird in Acetyl-CoA umgewandelt.

    2. Fettsäureoxidation:

    Fettsäuren unterliegen einem sequentiellen Abbau unter Freisetzung eines 2-Kohlenstoff-Fragments, nämlich Acetyl-CoA. Die Energie ist in Form von NADH und FADH . gefangen2.

    3. Abbau von Aminosäuren:

    Aminosäuren werden abgebaut und verwendet, um den Energiebedarf des Körpers zu decken, insbesondere wenn sie im Übermaß konsumiert werden, als für die Proteinsynthese erforderlich ist. Die glucogenen Aminosäuren können als Vorläufer für die Synthese von Glucose über die Bildung von Pyruvat oder Zwischenprodukten des Zitronensäurezyklus dienen. Die ketogenen Aminosäuren sind die Vorläufer von Acetyl-CoA.

    Acetyl-CoA ist der wichtigste und häufigste Metabolit, der aus verschiedenen Brennstoffquellen (Kohlenhydrate, Lipide, Aminosäuren) hergestellt wird. Acetyl-CoA tritt in den Zitronensäurezyklus ein und wird zu CO . oxidiert2. Somit ist der Zitronensäurezyklus der letzte gemeinsame Stoffwechselweg für die Oxidation aller Lebensmittel. Der größte Teil der Energie ist in Form von NADH und FADH . gefangen2.

    5. Oxidative Phosphorylierung:

    Die NADH und FADH2, die auf verschiedenen Stoffwechselwegen entstehen, werden schließlich in der Elektronentransportkette (ETC) oxidiert. Das ETC wird mit oxidativer Phosphorylierung gekoppelt, um ATP zu erzeugen.

    6. Hexosemonophosphat-Shunt:

    Dieser Weg befasst sich hauptsächlich mit der Freisetzung von NADPH und Ribosezucker. NADPH wird für die Biosynthese mehrerer Verbindungen, einschließlich Fettsäuren, verwendet. Ribose ist ein wesentlicher Bestandteil von Nukleotiden und Nukleinsäuren (Anmerkung – DNA enthält Desoxyribose).

    Die Synthese von Glucose aus Nicht-Kohlenhydratquellen bildet die Gluconeogenese. Mehrere Verbindungen (z. B. Pyruvat, Glycerin, Aminosäuren) können als Vorläufer für die Gluconeogenese dienen.

    8. Glykogenstoffwechsel:

    Glykogen ist die Speicherform von Glukose, die hauptsächlich in Leber und Muskeln vorkommt. Es wird auf unabhängigen Wegen abgebaut (Glykogenolyse) und synthetisiert (Glykogenese). Glykogen dient effektiv als Brennstoffreserve, um den Körperbedarf für eine kurze Zeit (zwischen den Mahlzeiten) zu decken.

    Regulation von Stoffwechselwegen:

    Die Stoffwechselwege werden im Allgemeinen durch vier verschiedene Mechanismen gesteuert:

    1. Die Verfügbarkeit von Substraten

    2. Kovalente Modifikation von Enzymen

    4. Regulierung der Enzymsynthese.

    Die Einzelheiten dieser Regulationsvorgänge werden unter den einzelnen Stoffwechselwegen diskutiert.


    1. Phosphagen-System

    Bei kurzfristigen, intensiven Aktivitäten muss viel Kraft von der Muskulatur produziert werden, wodurch ein hoher ATP-Bedarf entsteht. Die phosphagensystem (auch ATP-CP-System genannt) ist der schnellste Weg, ATP zu resynthesen (Robergs & Roberts 1997).

    Kreatinphosphat (CP), das in der Skelettmuskulatur gespeichert wird, spendet ein Phosphat an ADP, um ATP zu produzieren: ADP + CP = ATP + C. Bei diesem Prozess werden keine Kohlenhydrate oder Fette verwendet, die Regeneration von ATP erfolgt ausschließlich aus gespeichertem CP. Da dieser Prozess keinen Sauerstoff benötigt, um ATP neu zu synthetisieren, ist er anaerob oder sauerstoffunabhängig. Als schnellste Methode zur Resynthese von ATP ist das Phosphagen-System das vorherrschende metabolische Energiesystem, das für ein umfassendes Training mit einer Dauer von bis zu etwa 10 Sekunden verwendet wird. Da jedoch nur eine begrenzte Menge an gespeichertem CP und ATP in der Skelettmuskulatur vorhanden ist, kommt es schnell zur Ermüdung.


    Ernährung

    Grundumsatz

    Der Grundumsatz (BMR) ist die Rate des Energieverbrauchs einer Person in Ruhe, die den variablen Effekt der körperlichen Aktivität eliminiert. Der BMR macht etwa 60 % des täglichen Energieverbrauchs aus. Somit umfasst es Energie, die für die normale zelluläre Homöostase des Körpers, die Herzfunktion, das Gehirn und andere Nervenfunktionen usw. verwendet wird. Es ist bezogen auf das Körpergewicht durch die Berechnung:

    Bei der Verdauung der Nahrung kommt es zu einer passiven Erhöhung des Energieverbrauchs. Dies wird als thermischer Effekt oder in der älteren Literatur als spezifische dynamische Wirkung von Lebensmitteln bezeichnet und macht etwa 10 % des täglichen Energieverbrauchs aus.

    Der tägliche Gesamtenergieverbrauch wird aus der Kenntnis des BMR und einem körperlichen Aktivitätsfaktor berechnet. Der Faktor körperliche Aktivität hängt von der Art der Aktivität einer Person ab (z. B. 1,3 für eine sitzende, 1,5 für mäßig aktive und 1,7 für extrem aktive). Multipliziert mit dem BMR ergibt sich eine Schätzung des täglichen Energieverbrauchs.

    Beispiel: Eine 220 lb (220/2,2 = 100 kg) Person mit mäßigem Energieverbrauch (z. B. ein Tischler):


    Glykolyse und Zellatmung - Übersicht über Stoffwechsel und Atmung

    Alle Organismen brauchen Energie zum Leben. Der Mensch setzt sich gerne zu drei quadratischen Mahlzeiten am Tag hin (auch wenn sie auf runden Tellern stehen), aber andere Lebewesen haben drastisch andere Arten, mit ihrem Energiebedarf umzugehen. Einige gruselige Krabbeltiere beziehen ihre Energie aus dem Essen von Schmutz, was wahrscheinlich nicht die leckerste Mahlzeit auf dem Planeten ist. Und Pflanzen sonnen sich, machen ihr eigenes Essen und fressen dann. Der Punkt ist, dass wir alle essen müssen.

    Aber Energie und Lebensmittel sind nicht dasselbe, wenn wir über die zelluläre Ebene sprechen. Stoffwechsel ist der Weg zu den guten Dingen, der chemischen Energie in den Molekülen der Nahrung, die wir essen. Chemische Energie ist der Boss, wenn es darum geht, Dinge zu erledigen: Sie treibt jeden Prozess an, der zum Leben benötigt wird.

    Übersicht über die Zellatmung

    Zellatmung wird auch genannt aerobe Atmung weil es stattfindet, wenn Sauerstoff vorhanden ist. Der Zweck der Zellatmung besteht darin, Energie für die Zelle nutzbar zu machen. Anstelle von Red Bull oder Monster Energy hat die zelluläre Energie die Form einer Verbindung namens ATP (kurz für Adenosintriphosphat). ATP wird oft als Energiewährung der Zelle bezeichnet.

    Das Endprodukt der Zellatmung sind genau 38 Moleküle ATP. Das ist eine ziemlich gute Auszahlung für ein Molekül Glukose.

    Die Zellatmung erfolgt in drei Schritten:


    1. Glykolyse
    2. Zitronensäure-Zyklus, auch bekannt als Krebs-Zyklus
    3. Oxidative Phosphorylierung

    Bereiten Sie sich darauf vor, reduziert zu werden ... oder oxidiert zu werden

    Um unseren Blick hinter die Kulissen der Zellatmung mitzuverfolgen, hilft es, vertraut zu sein mit Oxidation und die Ermäßigung Reaktionen. Redoxreaktionen (wie sie bekannt sind) sind für viele der Veränderungen verantwortlich, die während der Zellatmung auftreten. Redoxreaktionen beinhalten entweder den Verlust oder die Aufnahme von Elektronen.


    • In Oxidation, ein Atom verliert Elektronen.
    • In die Ermäßigung, ein Atom nimmt Elektronen auf.

    Dies kann verwirrend sein, denn warum würden Sie etwas reduziert nennen, wenn es tatsächlich Elektronen aufnimmt? Gute Frage.

    Die Antwort liegt in der Ladung des Atoms. Da Elektronen negativ geladen sind, bedeutet die Aufnahme eines Elektrons auch eine Ladung von -1, reduzierend das Gesamtgebühr des Atoms.

    Sie können sich Oxidation und Reduktion mit einem einfachen Trick merken: LÖWE sagt der Löwe GER.LEO steht für Loss von EElektronen ist Öxidation, andGER steht für gain of EElektronen ist RBildung.

    Elektronendonatoren werden oxidiert und Elektronenakzeptoren werden reduziert.

    Redox-Reaktionen sind eine wichtige Energiequelle und treten bei allen Arten von Verbrennungsreaktionen auf, wie zum Beispiel beim Verbrennen von Methan zum Heizen eines Ofens oder beim Erhitzen von Benzin zum Fahren eines Autos. In der Biologie sind Redoxreaktionen weit verbreitet und äußerst wichtig, beispielsweise bei der Zellatmung.

    Tatsächlich ist die Zellatmung einer der Prozesse, die es uns ermöglichen, warm und gemütlich in unserer Haut zu bleiben. Die Wärme, die bei diesen funky Reaktionen freigesetzt wird, hält unseren Körper auf einer konstanten Temperatur, selbst wenn es draußen kühl ist.

    Bei der Zellatmung, Glukose (C6h12Ö6) wird in einer Reihe von Schritten oxidiert, die nach und nach Energie freisetzen. Die Elektronen, die Glukose bei der Oxidation verliert, werden aufgenommen von NAD + oder FAD 2+ Moleküle, die als Elektronenüberträger fungieren. Redox ausgedrückt wird Glucose oxidiert und die NAD + - und FAD 2+ -Moleküle werden zu reduziert NADH und FADH2.

    Bei der oxidativen Phosphorylierung wird das letzte Molekül in der Kette, das ein Elektron aufnimmt, als bezeichnet terminaler Elektronenakzeptor. In Organismen, die Sauerstoff atmen, wie zum Beispiel unserem schönen menschlichen Selbst, ist Sauerstoff der terminale Elektronenakzeptor, daher wird er während des gesamten Prozesses reduziert.

    Gehirn-Snack

    Eine Zusammenfassung der Zellatmung mit eingängiger Melodie finden Sie in diesem Video.


    Glykogenese

    Der Prozess der Glykogensynthese aus Glukoseresten wird Glykogenese genannt. Bevor man die Schritte seiner Synthese studiert, ist es wichtig, zuerst die allgemeine Struktur von Glykogen zu verstehen.

    Struktur

    Glykogen ist ein verzweigtes Polymer der Alpha-Glucose. Die Glucosemoleküle sind über alpha 1-4 glykosidische Bindungen in den linearen Ketten miteinander verbunden, während die Reste an den Verzweigungspunkten über alpha 1-6 glykosidische Bindungen verbunden sind. Das Glykogenmolekül weist eine starke Verzweigung auf, wobei nach jeweils 8 bis 12 Glucoseresten in der linearen Kette ein Verzweigungspunkt auftritt. Es hat ein Protein in seinem Kern, das Glykogenin-Protein genannt wird. Das Glykogenmolekül erscheint als Baumzweige, die aus dem Glykogeninkern herausragen.

    Synthese

    Glykogen wird aus den Molekülen der Alpha-D-Glucose synthetisiert. Der Prozess findet im Zytoplasma statt und verbraucht Energie in Form von ATP sowie UTP. Es umfasst die folgenden Schritte.

    Synthese von Glucose-1-Phosphat

    Zunächst werden die Glucosemoleküle zu Glucose-6-phosphat phosphoryliert. Diese Reaktion wird durch Glucokinase-Enzyme katalysiert. Das Phosphat wird von den ATP-Molekülen bereitgestellt.

    Diese Glucose-6-Phosphat-Moleküle werden später über das Phosphoglucomutase-Enzym in Glucose-1-Phosphat umgewandelt. Bei dieser Umwandlung entsteht auch Glucose-1,6-bisphosphat, das ein obligatorisches Zwischenprodukt der Reaktion ist.

    Synthese von UDP-Glukose

    Alle im Glykogen gefundenen Glucosereste werden von UDP-Glucose bereitgestellt. Die UDP-Glucose-Moleküle werden aus Glucose-1-Phosphat und UTP über das Enzym UDP-Glucose-Phosphorylase synthetisiert.

    Ein Molekül Pyrophosphat (PPich) entsteht auch bei diesem Prozess. Dieses Pyrophosphat wird hydrolysiert, um zusammen mit Energie zwei anorganische Phosphate freizusetzen. Diese exergonische Reaktion stellt sicher, dass die UDP-Glucose-Synthesereaktion immer in Vorwärtsrichtung abläuft.

    Glykogen-Synthase-Enzym

    Sobald die UDP-Glucose-Moleküle gebildet sind, werden sie vom Glykogen-Synthase-Enzym verwendet, um eine lineare Kette von Alpha-D-Glucose zu bilden. Ein wichtiges Merkmal dieses Enzyms ist, dass es nur bereits bestehende Glykogenketten verlängern kann. Es kann nicht die Synthese einer neuen Kette beginnend mit dem ersten Rest beginnen. Das Glykogen-Synthase-Enzym benötigt immer einen Primer, um seinen Prozess zu beginnen.

    Wenn jedoch einige bereits vorhandene Glykogenketten in der Zelle vorhanden sind, kann das Glykogen-Synthase-Enzym diese Fragmente als Primer verwenden und seinen Prozess der Glykogenherstellung fortsetzen.

    Synthese von Primer

    Wenn keine Glykogenfragmente vorhanden sind, dient ein Protein namens Glykogenin als Primer. Die in der Seitenkette eines Tyrosinrestes in Glykogenin vorhandene Hydroxylgruppe fungiert als Akzeptor des ersten Glucosylrestes von UDP-Glucose. Die Reaktion wird als Autoglucosylierung bezeichnet, da sie durch das Glykogenin selbst katalysiert wird. Das Protein fügt über alpha 1-4 glykosidische Bindungen immer wieder einige weitere Glucosylreste hinzu, bis eine kurze Kette gebildet wird. Diese kurze Kette von Glucoseresten dient dann als Primer für das Glykogensynthase-Enzym.

    Verlängerung der Kette

    Sobald der Primer gebildet wurde, kann auf ihn das Enzym Glykogensynthase einwirken. Dieses Enzym verlängert die Glykogenkette, indem es neue Glucosylreste an das nicht-reduzierende Ende der Kette anfügt. Die Glucosereste werden von UDP-Glucosemolekülen bereitgestellt. das nicht-reduzierende Ende der Kette ist dasjenige mit freiem anomerem Kohlenstoff, Kohlenstoff der aldehydischen funktionellen Gruppe. Während des Prozesses der Kettenverlängerung reagiert die Hydroxylgruppe am vierten Kohlenstoffatom des neuen Glycosylrests mit der Aldehydgruppe des am nicht reduzierenden Ende vorhandenen Rests unter Bildung einer alpha 1-4 glycosidischen Bindung.

    Während dieses Prozesses wird ein UDP-Molekül mit jedem an die Kette hinzugefügten Glucosylrest freigesetzt. Dieses UDP wird durch die Nukleosiddiphosphatkinase wieder in UTP umgewandelt, wobei ATP als Energiequelle sowie als Lieferant von anorganischem Phosphat verwendet wird.

    Die linearen alpha 1-4 Glucosylreste, die durch das Glykogensynthase-Enzym gebildet werden, ähneln der in Pflanzen vorkommenden Amylasestärke. Auf der anderen Seite ist Glykogen ein stark verzweigtes Polymer aus Alpha 1-4 Glucosylresten.

    Der nächste Schritt in der Glykogenese ist der Prozess der Verzweigung, so dass ein stark verzweigtes Molekül entsteht. Dies wird von einem separaten Enzym durchgeführt, das als Verzweigungsenzym bezeichnet wird.

    Das Verzweigungsenzym wird Amylo-Alpha(1-4) zu Alpha(1-6) Transglucosidase genannt. Eine Verzweigung erfolgt in zwei Schritten:

    • Im ersten Schritt entfernt das Verzweigungsenzym eine kurze Kette von sechs bis acht Glucosylresten vom nichtreduzierenden Ende der linearen Kette, indem es eine alpha 1-4 glykosidische Bindung bricht.
    • Im nächsten Schritt fügt das Verzweigungsenzym diese kurze lineare Verzweigung über eine alpha 1-6 glykosidische Bindung an einem nicht reduzierenden Rest der Kette ein. Der erste Rest am Verzweigungspunkt ist über eine glykosidische Alpha 1-6-Bindung gebunden, während die restlichen Reste in der Kette die gleichen glykosidischen Alpha 1-4-Bindungen aufweisen.

    Sobald die Verzweigung gebildet ist, können beide Ketten durch das Enzym Glykogensynthase weiter verlängert werden. Darüber hinaus können durch das Verzweigungsenzym auch weitere Verzweigungen hinzugefügt werden.

    Das Endergebnis ist die Bildung eines großen Moleküls mit ausgedehnten baumartigen Zweigen, wobei alle acht bis zwölf Reste in der Kette ein Zweig auftritt.

    Das Glykogenin-Protein, das zur Herstellung des Primers verwendet wurde, bleibt ein Teil des Moleküls und bildet den Kern der Glykogen-Granula in den Zellen.


    Stoffwechsel

    Stoffwechsel (ausgesprochen: meh-TAB-uh-liz-um) ist die chemische Reaktion in den Körperzellen, die Nahrung in Energie umwandelt. Unser Körper braucht diese Energie, um alles zu tun, von der Bewegung über das Denken bis zum Wachsen.

    Spezifische Proteine ​​im Körper steuern die chemischen Reaktionen des Stoffwechsels. Tausende von Stoffwechselreaktionen laufen gleichzeitig ab &ndash alle werden vom Körper reguliert &mdash um unsere Zellen gesund und funktionsfähig zu halten.

    Wie funktioniert der Stoffwechsel?

    Nachdem wir Nahrung zu uns genommen haben, verwendet das Verdauungssystem Enzyme, um:

    • Proteine ​​in Aminosäuren zerlegen
    • wandeln Fette in Fettsäuren um
    • Kohlenhydrate in Einfachzucker umwandeln (zum Beispiel Glukose)

    Der Körper kann bei Bedarf Zucker, Aminosäuren und Fettsäuren als Energiequellen verwenden. Diese Verbindungen werden in das Blut aufgenommen, das sie zu den Zellen transportiert.

    Nachdem sie in die Zellen eingetreten sind, wirken andere Enzyme, um die chemischen Reaktionen zu beschleunigen oder zu regulieren, die mit dem "Metabolisieren" dieser Verbindungen verbunden sind. Während dieser Prozesse kann die Energie aus diesen Verbindungen für den Körper freigesetzt oder in Körpergeweben, insbesondere Leber, Muskeln und Körperfett, gespeichert werden.

    Der Stoffwechsel ist ein Balanceakt, bei dem zwei Arten von Aktivitäten gleichzeitig stattfinden:

    • Aufbau von Körpergewebe und Energiespeichern (sogenannter Anabolismus)
    • Abbau von Körpergewebe und Energiespeichern, um mehr Energie für die Körperfunktionen zu erhalten (sogenannter Katabolismus)

    Anabolismus (ausgesprochen: uh-NAB-uh-liz-um), oder konstruktiver Stoffwechsel, dreht sich alles um Aufbau und Speicherung. Es unterstützt das Wachstum neuer Zellen, den Erhalt von Körpergewebe und die Speicherung von Energie für die zukünftige Verwendung. Beim Anabolismus verwandeln sich kleine Moleküle in größere, komplexere Moleküle aus Kohlenhydraten, Protein und Fett.

    Katabolismus (ausgesprochen: kuh-TAB-uh-liz-um) oder destruktiver Stoffwechsel ist der Prozess, der die Energie produziert, die für alle Aktivitäten in den Zellen benötigt wird. Zellen bauen große Moleküle (hauptsächlich Kohlenhydrate und Fette) ab, um Energie freizusetzen. Dies liefert Treibstoff für den Anabolismus, erwärmt den Körper und ermöglicht es den Muskeln, sich zusammenzuziehen und sich zu bewegen.

    Wenn komplexe chemische Einheiten in einfachere Substanzen zerfallen, setzt der Körper die Abfallprodukte über Haut, Nieren, Lunge und Darm frei.

    Was steuert den Stoffwechsel?

    Mehrere Hormone des endokrinen Systems helfen, die Geschwindigkeit und Richtung des Stoffwechsels zu steuern. Thyroxin, ein Hormon, das von der Schilddrüse gebildet und freigesetzt wird, spielt eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung, wie schnell oder langsam die chemischen Reaktionen des Stoffwechsels im Körper einer Person ablaufen.

    Eine andere Drüse, die Bauchspeicheldrüse, sondert Hormone ab, die dabei helfen, festzustellen, ob die Hauptstoffwechselaktivität des Körpers zu einem bestimmten Zeitpunkt anabol (ausgesprochen: an-uh-BOL-ik) oder katabol (ausgesprochen: kat-uh-BOL-ik) ist. Zum Beispiel tritt normalerweise eine stärkere anabole Aktivität auf, nachdem Sie eine Mahlzeit zu sich genommen haben. Das liegt daran, dass das Essen den Blutzuckerspiegel erhöht und den wichtigsten Brennstoff des Körpers darstellt. Die Bauchspeicheldrüse spürt diesen erhöhten Glukosespiegel und setzt das Hormon Insulin frei, das den Zellen signalisiert, ihre anabolen Aktivitäten zu steigern.

    Der Stoffwechsel ist ein komplizierter chemischer Prozess. Es ist daher nicht verwunderlich, dass viele Menschen es im einfachsten Sinne betrachten: als etwas, das beeinflusst, wie leicht unser Körper zunimmt oder abnimmt. Hier kommen Kalorien ins Spiel. Eine Kalorie ist eine Einheit, die misst, wie viel Energie ein bestimmtes Lebensmittel dem Körper liefert. Ein Schokoriegel hat mehr Kalorien als ein Apfel, versorgt den Körper also mit mehr Energie &mdash und das kann manchmal zu viel des Guten sein. So wie ein Auto Gas im Benzintank speichert, bis es zum Betanken des Motors benötigt wird, speichert der Körper Kalorien &mdash hauptsächlich als Fett. Wenn Sie den Benzintank eines Autos überfüllen, schwappt er auf den Bürgersteig. Ebenso, wenn eine Person zu viele Kalorien zu sich nimmt, "überlaufen" sie in Form von überschüssigem Körperfett.

    Die Anzahl der Kalorien, die eine Person an einem Tag verbrennt, hängt davon ab, wie viel diese Person trainiert, wie viel Fett und Muskeln in ihrem Körper vorhanden sind und wie viel Grundumsatz (BMR). Der BMR ist ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der der Körper einer Person im Ruhezustand Energie in Form von Kalorien "verbrennt".

    Der BMR kann eine Rolle bei der Gewichtszunahme einer Person spielen. Zum Beispiel neigt jemand mit einem niedrigen BMR (der daher in Ruhe oder im Schlaf weniger Kalorien verbrennt) dazu, im Laufe der Zeit mehr Pfund Körperfett zuzunehmen als eine ähnlich große Person mit einem durchschnittlichen BMR, die die gleiche Menge an Nahrung zu sich nimmt und bekommt die gleiche Menge an Übung.

    BMR kann durch die Gene einer Person und durch einige gesundheitliche Probleme beeinflusst werden. Es wird auch von der Körperzusammensetzung beeinflusst und Menschen mit mehr Muskeln und weniger Fett haben im Allgemeinen höhere BMRs. Aber Menschen können ihren BMR auf bestimmte Weise ändern. Zum Beispiel verbrennt eine Person, die mehr trainiert, nicht nur mehr Kalorien, sondern wird auch körperlich fitter, was ihren BMR erhöht.


    Die Rolle der Zellen

    Ihr Körper besteht aus einer unübersehbaren Anzahl von Zellen und noch dazu aus vielen verschiedenen Zelltypen. Gehirnzellen unterscheiden sich von Blutzellen, die sich von Knochenzellen unterscheiden, die sich von Hautzellen unterscheiden, und so weiter. Jede Zelle Ihres Körpers ist auf einzigartige Weise für einen bestimmten Zweck geeignet. Andere senden elektrochemische Botschaften an das Gehirn. [7,8] Verschiedene Zellen haben unterschiedliche Eigenschaften und können je nach Verwendungszweck sogar strukturelle Unterschiede aufweisen. [9]


    Stoffwechselwege

    Betrachten Sie den Zuckerstoffwechsel. This is a classic example of one of the many cellular processes that use and produce energy. Living things consume sugars as a major energy source, because sugar molecules have a great deal of energy stored within their bonds. For the most part, photosynthesizing organisms like plants produce these sugars. During photosynthesis, plants use energy (originally from sunlight) to convert carbon dioxide gas (CO2) into sugar molecules (like glucose: C6h12Ö6). They consume carbon dioxide and produce oxygen as a waste product. This reaction is summarized as:

    Da dieser Prozess die Synthese eines energiespeichernden Moleküls beinhaltet, erfordert er Energiezufuhr, um fortzufahren. During the light reactions of photosynthesis, energy is provided by a molecule called adenosine triphosphate (ATP), which is the primary energy currency of all cells. So wie der Dollar als Währung für den Kauf von Waren verwendet wird, verwenden Zellen ATP-Moleküle als Energiewährung, um unmittelbare Arbeit zu verrichten. Im Gegensatz dazu werden Energiespeichermoleküle wie Glukose nur verbraucht, um abgebaut zu werden, um ihre Energie zu nutzen. Die Reaktion, die die Energie eines Zuckermoleküls in Zellen erntet, die Sauerstoff zum Überleben benötigen, kann als die Umkehrreaktion zur Photosynthese zusammengefasst werden. Bei dieser Reaktion wird Sauerstoff verbraucht und Kohlendioxid als Abfallprodukt freigesetzt. Die Reaktion lässt sich wie folgt zusammenfassen:

    Beide Reaktionen umfassen viele Schritte.

    Die Prozesse der Herstellung und des Abbaus von Zuckermolekülen veranschaulichen zwei Beispiele für Stoffwechselwege. EIN metabolic pathway is a series of chemical reactions that takes a starting molecule and modifies it, step-by-step, through a series of metabolic intermediates, eventually yielding a final product. Im Beispiel des Zuckerstoffwechsels synthetisierte der erste Stoffwechselweg Zucker aus kleineren Molekülen, und der andere spaltete Zucker in kleinere Moleküle auf. These two opposite processes—the first requiring energy and the second producing energy—are referred to as anabolic pathways (building polymers) and catabolic pathways (breaking down polymers into their monomers), respectively. Consequently, metabolism is composed of synthesis (anabolism) and degradation (catabolism) (Figur 3).

    It is important to know that the chemical reactions of metabolic pathways do not take place on their own. Each reaction step is facilitated, or catalyzed, by a protein called an Enzym. Enzyme sind wichtig, um alle Arten von biologischen Reaktionen zu katalysieren – sowohl solche, die Energie benötigen als auch solche, die Energie freisetzen.

    Figure 3 Catabolic pathways are those that generate energy by breaking down larger molecules. Anabolic pathways are those that require energy to synthesize larger molecules. Both types of pathways are required for maintaining the cell’s energy balance.


    Schau das Video: Energiestoffwechsel Basics (September 2022).


    Bemerkungen:

    1. Bebhinn

      Ich gratuliere der hervorragenden Antwort.

    2. Maethelwine

      Wir wünschen Ihnen Glück und Gesundheit!

    3. Talal

      Ja ... wahrscheinlich ... desto einfacher, desto besser ... alles genial ist einfach.

    4. Bashiri

      Er hat es nicht so gemeint

    5. Tassa

      Es tut mir leid, aber meiner Meinung nach liegst du falsch. Ich bin sicher. Ich schlage vor, darüber zu diskutieren. Schreiben Sie mir in PM, sprechen Sie.



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