Stoffwechsel und Anabolismus

Stoffwechsel

• Der Stoffwechsel ist die Summe aller chemischen Reaktionen in einem Organismus.
• Der Stoffwechsel besteht aus zwei Hauptkompartimenten: dem Katabolismus und dem Anabolismus.
• Katabolismus: Stoffwechselwege zum Abbau von organischen Verbindungen. Diese Prozesse setzen Energie frei.
• Anabolismus: Stoffwechselwege zum Aufbau von Zellmaterial. Diese Prozesse benötigen Energie.
• Katabolismus + Anabolismus = Metabolismus

Anabolismus

• Der Anabolismus ist ein Prozess der Synthese.
• Der Aufbau von Polymeren aus Monomeren.
• Benötigt Energie (z.B. ATP oder protonenmotorische Kraft)
• Monomere sind die Bausteine für die Polymere und müssen vom Organismus aufgenommen oder synthetisiert werden.

Ebenen des Anabolismus

• Bildung von Vorstufen und Reduktionsäquivalenten
• Synthese von Monomeren
• Synthese von Makromolekülen
• Aufbau von Zielstrukturen

Vielfältigkeit des Stoffwechsels

• Viele Bakterien können mit einem einzigen Substrat wachsen.
• Divergenter Anabolismus zeigt eine große Anzahl von Reaktionen und Regulationen.
• Konvergenter Katabolismus zeigt die Synthese von wenigen Endprodukten aus verschiedenen Substraten.

Beispiele des Anabolismus

• Synthese von Monomeren (z.B. Zucker, Aminosäuren, Nukleotide)
• Aufbau von Polymeren (z.B. Polysaccharide, Proteine, Nukleinsäuren)
• Aufbau von Zellstrukturen (z.B. Zellwände)

Wachstum durch Anabolismus

• Wachstum durch Anabolismus (= Assimilation, Biosynthese) ist eng mit dem Katabolismus (= Dissimilation, Mineralisierung) gekoppelt.
• Bakterien gewinnen Energie aus dem Abbau organischer Substanz, die notwendig ist für den Aufbau neuer Biomasse.
• Eine Ausnahme bilden lithotroph-autotroph-Organismen, die ihre Biomasse aus anorganischen Vorstufen aufbauen können.

Zucker und Polysaccharide

• Polysaccharide sind wichtige Bestandteile von Zellwänden.
• Zellen lagern Kohlenhydrate und Energiereserven in Form von Polysacchariden (z.B. Glykogen, Stärke)
• Monomere von Polysacchariden sind Hexosen (6 C-Atome) oder Pentosen (5 C-Atome), z.B. Glucose, Ribose oder Desoxyribose

Gluconeogenese

• Die Gluconeogenese ist die Umkehr der Glykolyse und dient der Synthese von Glucose aus nicht-kohlenhydratischen Vorläufern.
• Ein wichtiges Zwischenprodukt ist Phosphoenolpyruvat, das von CO2 und einem Zwischenprodukt der Glykolyse gebildet werden kann.

Von Glucose zu Glykogen, Glykogensynthese

• Glucose-6-P wird zu Glucose-1-P umgewandelt (mittels Phosphoglucomutase)
• Um die Glucose-1-P im Glykogen-Aufbau einzusetzen, wird die aktivierte UDP-Glucose gebildet (mittels UDP-Glucose-Pyrophosphorylase).
• UDP-Glucose ist der Baustein der Glykogensynthese

UDPG „aktiviertes Zucker“

• Uridindiphosphoglucose (UDPG) ist ein wichtiges Molekül in der Transformation von Glucose in andere Zucker.
• UDPG wirkt vor allem bei der Biosynthese von Glucosdeivat, wie z.B. N-Acetylglucosaminsäure.

Glykogen

• UDPG dient der Anlagerung der Glykosyl-Einheit an den Glykogenstrang.
• Diese Reaktion ist energiereicher und benötigt keine zusätzliche Energiezufuhr.
• Ein Schlüsselfaktor ist eine energiereiche Verbindung, um an eine Glykosyl-Einheit gebunden zu werden.

Biosynthese der Pentosen (Pentosephosphatweg)

• Pentosen entstehen durch die Abspaltung eines Kohlenstoffatoms (CO2) von einer Hexose (Decarboxylierung).
• Ribose-5-phosphat ist eine Vorstufe für die Synthese von Nukleotiden und Nucleotidcoenzymen wie FAD oder NADH.
• Ribonukleotidreduktase wandelt Ribose in Desoxyribose um.

Aminosäuren

• Aminosäuren bestehen aus einer Carboxylgruppe, einer Aminogruppe, einem Wasserstoffatom und einer variablen Seitenkette (Rest).
• Diese sind die Bausteine der Proteine.
• Aminosäuren werden in verschiedene Gruppen eingeteilt (hydrophobe, hydrophile, saure, basische, aromatische).
• Bestimmte Aminosäuren können vom Körper synthetisiert werden (nicht-essentielle Aminosäuren), andere müssen über die Nahrung zugeführt werden (essentielle Aminosäuren).
• Aminosäuren werden aus Zwischenprodukten, vor allem aus dem Zitronensäurezyklus und der Glykolyse, synthetisiert.

Nukleotide

• Nukleotide sind die Bausteine von DNA und RNA.
• Sie bestehen aus einem Phosphat, einer Pentose und einer Base (Purin oder Pyrimidin).
• Nukleotide fungieren als chemische Energiespeicher und Kofaktoren.
• Beispiele sind Adenosin, Guanosin, Cytosin und Thymin.

Pyrimidine und Purine

• Pyrimidine sind sechsgliedrige heterocyclische aromatische organische Verbindungen mit zwei Stickstoffatomen.
• Purine sind heterobicyclische aromatische organische Verbindungen mit vier Stickstoffatomen.

Nukleotid-Biosynthese (Purin- und Pyrimidinsynthese)

• Die Synthese von Purin- und Pyrimidin-Nukleotiden ist komplex.
• Die verschiedenen Kohlenstoff- und Stickstoffquellen werden Schritt für Schritt in das Purin- oder Pyrimidin-Gerüst eingebaut.
• Aspartat ist der Ausgangspunkt für die Pyrimidinsynthese, mit einer Carbamoyl-Phosphat-Bindung.

Ribonukleotide

• Ribonukleotide sind Nukleotide, die Ribose als Pentose enthalten und Vorstufen für RNA.

Desoxyribonukleotide

• Desoxyribonucleotide enthalten Desoxyribose anstelle von Ribose und dienen als Vorstufen für DNA.