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Stoff- und EnergiewechselFür das Leben auf der Erde existieren universelle Merkmale. Eines dieser Merkmale ist ein Stoff- und Energiewechsel, ohne den zelluläres Leben auf Dauer nicht möglich ist: Alle Organismen benötigen Energie zur Aufrechterhaltung der Lebensprozesse und müssen aus Stoffen ihrer Umgebung körpereigene Bestandteile aufbauen, um wachsen und sich vermehren zu können. Der Aufbau von körpereigenen Baustoffen wird als Baustoffwechsel bezeichnet. Weiteres empfehlenswertes FachwissenAls Energiequelle kann von einem Teil der Lebewesen Licht genutzt werden (Phototrophie, phototrophe Lebewesen). Die anderen Lebewesen gewinnen Energie aus exergonen Stoffumsetzungen, die als Energiestoffwechsel bezeichnet werden (Chemotrophie). Jedes Lebewesen benötigt zum Aufbau seiner Strukturen Kohlenstoff, der neben Wasserstoff, Sauerstoff und weiteren chemischen Elementen das häufigste Element in allen Organismen ist. Deshalb steht bei der Betrachtung des Baustoffwechsels der Kohlenstoffwechsel im Vordergrund. Die Vielfalt des Energie- und Kohlenstoffwechsels kann in allgemeine Kategorien eingeteilt werden. Diese Kategorien teilen gleichzeitig die Organismen hinsichtlich
ein.
Folgende Kategorien sind hierfür gebräuchlich:
Diese Begriffe finden vor allem in der Mikrobiologie Anwendung, denn die Stoffwechselvielfalt von Bakterien und Archaeen ist wesentlich komplexer als die von Pflanzen und Tieren. Die Endung -troph ist abgeleitet vom altgriechischen τροφή (trophé) – Ernährung. Einteilung nach der Art der Energiequelle: Chemotrophie und PhototrophieGrundsätzlich existieren zwei Energieformen, die für lebende Zellen nutzbar sind:
Einteilung nach der Art der Elektronendonoren: Organotrophie und LithotrophieOrganismen können auch hinsichtlich der Art ihrer Elektronendonoren beschrieben und unterteilt werden. Alle – auch phototrophe – Organismen benötigen Elektronendonoren für Reduktionen, sei es im Zusammenhang mit dem Baustoffwechsel oder dem Energiestoffwechsel. Hierbei wird ein in reduzierter Form vorliegender Stoff oxidiert und dessen Elektronen auf einen oxidierteren Stoff übertragen.
Die phototrophen Organismen lassen sich den lithotrophen (photolithotroph), oder den organotrophen (photoorganotroph) zuordnen, je nachdem ob sie anorganische oder organische Elektronendonoren nutzen. Die häufigste Form der Phototrophen, die oxygenen Phototrophen, sind photolithotroph, da sie Wasser als Elektronendonor verwenden. Sie benutzen das O-Atom im (anorganischen) H2O-Molekül als Elektronendonator, das sich ohne weiteres nicht oxidieren lässt. Der Elektronenübergang kommt hier zustande, weil ein von Licht angeregtes Chlorophyllmolekül zunächst die Rolle des Elektronendonators einnimmt; das so entstehende oxidierte Chlorophyllmolekül ist nun ein so starkes Oxidationsmittel, dass es sogar das O-Atom des H2O-Moleküls seiner Elektronen entledigen kann. Die Erfolgsgeschichte dieser Reaktion beruht darauf, dass hier das (in Lebewesen ubiquitäre) H2O-Molekül als Elektronendonator nutzbar gemacht wurde. Einteilung nach der Art der Kohlenstoffquelle: Heterotrophie und AutotrophieJeder Organismus wird durch seine Kohlenstoffquelle charakterisiert, denn jeder Organismus baut Kohlenstoff in seine Zellstrukturen ein. Man unterscheidet zwischen organischen und anorganischen Kohlenstoffquellen.
Einteilung des Energiestoffwechsels in Atmung und GärungDer Energiestoffwechsel besteht in einer Umsetzung von einem oder mehreren energiereicheren Stoffen in einen oder mehrere energieärmere Stoffe. Die dabei frei werdende Energie wird von den Organismen genutzt (Chemotrophie). Zwei Arten von Energiestoffwechsel werden unterschieden:
Als Elektronenakzeptor bei der Atmung dient den meisten Organismen molekularer Sauerstoff (O2), ein elektronegatives, energiearmes Molekül. Viele Bakterien und Archaeen können aber auch andere Moleküle oder Element-Ionen als Elektronenakzeptoren nutzen. Die wichtigsten sind Nitrat, Sulfat, Fumarat und oxidierte Metalle wie dreiwertiges Eisen, vierwertiges Mangan und andere. Atmung bedeutet also nicht, dass in jedem Fall Sauerstoff reduziert wird. Bakterien können auch anaerob mit anderen Elektronenakzeptoren als Sauerstoff atmen. Zur besseren Unterscheidung gegenüber der verbreiteten Sauerstoffatmung spricht man in diesen Fällen zum Beispiel von Sulfatatmung oder Nitratatmung. Bei Gärungen wird bei quantitativ gleichem Stoffumsatz in der Regel wesentlich weniger Energie frei als bei Atmung. Die Fähigkeit zur Gärung besitzen praktisch alle Organismen, auch der Mensch: Wenn bei körperlicher Anstrengung Sauerstoff als Elektronenakzeptor im Muskel fehlt, kann Glucose nur zu Lactat abgebaut werden – ein Vorgang, bei dem weniger Energie frei wird. Obligate Aerobier sind allerdings auf Dauer auf Sauerstoff angewiesen, die Energiefreisetzung durch Gärung reicht nicht aus, um den Organismus am Leben zu erhalten. Anaerobier haben sich dagegen auf sauerstoffarme oder -freie Lebensräume spezialisiert und kommen mit Gärungsprozessen aus. Für obligate Anaerobier ist Sauerstoff sogar giftig. Viele Einzeller verfügen über flexible Stoffwechselwege. Einige Bakterien können zum Beispiel im Licht photoautotroph oder photoheterotroph wachsen, bei Lichtmangel auf chemoorganotrophe Lebensweise umschalten und bei Sauerstoffmangel fermentativ überleben. Dies setzt eine entsprechend komplexe genetische Ausstattung voraus. BeispieleGrüne, also Photosynthese betreibende Pflanzen, sind meist photolithoautotroph. Das heißt, sie gewinnen die Energie zur Aufrechterhaltung ihrer Lebensprozesse durch die Absorption von Licht. (Ausnahmen bilden fleischfressende Pflanzen und reine Parasiten, wie Fichtenspargel oder Seide.) Die Elektronen zur Reduktion oxidierter Verbindungen liefern anorganische Moleküle, bei Pflanzen ist dies ausschließlich Wasser: Das Wassermolekül wird mit Hilfe der Energie des absorbierten Lichtes gespalten und die Elektronen zur Reduktion der anorganischen Kohlenstoffquelle CO2 genutzt. Es entstehen Kohlenhydrate, zum Beispiel Glukose. Tiere und Pilze leben immer chemoorganoheterotroph: Sie gewinnen ihre Energie ausschließlich aus exergonenen Umsetzungen organischer Stoffe, Tiere fast immer, Pilze meistens aus Sauerstoffatmung. Dabei werden Elektronen einer reduzierten, organischen Kohlenstoff-Verbindung wie Glucose auf das stark elektronegative, oxidierte Sauerstoffmolekül O2 übertragen. Die Kohlenstoff-Verbindung wird dabei stufenweise oxidiert. Die Elektronen reduzieren Sauerstoff schließlich zu Wasser (H2O). Der oxidierte Kohlenstoff wird als CO2 abgegeben. Tiere und Pflanzen führen netto also umgekehrte Reaktionen aus. Einige chemoorganoheterotrophe Pilze und Bakterien gewinnen Energie aus Gärungen. Einige Purpurbakterien leben photoorganoheterotroph. Sie gewinnen ihre Energie durch Lichtabsorption, aber sowohl Elektronen als auch Kohlenstoff aus organischen Verbindungen. Chemolithoautotrophe Bakterien wachsen ohne organische Elektronen- und Kohlenstoffquelle. Sie bilden organische Stoffe aus rein anorganischen Stoffen, ähnlich wie Pflanzen. Allerdings benötigen sie hierfür kein Licht und können deshalb auch tief im Inneren der Erde und als Endolithe wachsen. Kategorien: Mikrobiologie | Stoffwechsel |
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Stoff-_und_Energiewechsel aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |