Information

2.6.1: Stoffwechsel von Kohlenhydraten - Biologie

2.6.1: Stoffwechsel von Kohlenhydraten - Biologie


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Lernziele

  • Analysieren Sie die Bedeutung des Kohlenhydratstoffwechsels für die Energieproduktion

Stoffwechsel von Kohlenhydraten

Kohlenhydrate sind eine der wichtigsten Energieformen für Tiere und Pflanzen. Pflanzen bauen Kohlenhydrate mit Lichtenergie aus der Sonne (während des Prozesses der Photosynthese) auf, während Tiere Pflanzen oder andere Tiere fressen, um Kohlenhydrate zu gewinnen. Pflanzen speichern Kohlenhydrate in langen Polysaccharidketten, die als Stärke bezeichnet werden, während Tiere Kohlenhydrate als das Molekül Glykogen speichern. Diese großen Polysaccharide enthalten viele chemische Bindungen und speichern daher viel chemische Energie. Wenn diese Moleküle im Stoffwechsel abgebaut werden, wird die Energie in den chemischen Bindungen freigesetzt und kann für zelluläre Prozesse genutzt werden.

Energiegewinnung aus Kohlenhydraten (Zellatmung)

Der Stoffwechsel jedes Monosaccharids (einfachen Zuckers) kann Energie für die Zelle produzieren. Überschüssige Kohlenhydrate werden in Pflanzen als Stärke und in Tieren als Glykogen gespeichert und stehen für den Stoffwechsel bereit, wenn der Energiebedarf des Organismus plötzlich ansteigt. Wenn dieser Energiebedarf steigt, werden Kohlenhydrate in Monosaccharide zerlegt, die dann an alle lebenden Zellen eines Organismus verteilt werden. Glukose (C6h12Ö6) ist ein typisches Beispiel für Monosaccharide, die zur Energieerzeugung verwendet werden.

In der Zelle wird jedes Zuckermolekül durch eine komplexe Reihe chemischer Reaktionen abgebaut. Da aus den Bindungen im Monosaccharid chemische Energie freigesetzt wird, wird sie genutzt, um hochenergetische Adenosintriphosphat (ATP)-Moleküle zu synthetisieren. ATP ist die primäre Energiewährung aller Zellen. So wie der Dollar als Währung zum Kauf von Waren verwendet wird, verwenden Zellen ATP-Moleküle, um sofortige Arbeit zu verrichten und chemische Reaktionen anzutreiben.

Der Abbau von Glukose während des Stoffwechsels wird als Zellatmung bezeichnet und kann durch die Gleichung beschrieben werden:

[ce{C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Energie}]

Herstellung von Kohlenhydraten (Photosynthese)

Pflanzen und einige andere Arten von Organismen produzieren Kohlenhydrate durch den Prozess, der als Photosynthese bezeichnet wird. Während der Photosynthese wandeln Pflanzen Lichtenergie in chemische Energie um, indem sie Kohlendioxid-Gasmoleküle (CO2) in Zuckermoleküle wie Glukose. Da dieser Prozess den Aufbau von Bindungen beinhaltet, um ein großes Molekül zu synthetisieren, ist eine Zufuhr von Energie (Licht) erforderlich, um fortzufahren. Die Synthese von Glucose durch Photosynthese wird durch diese Gleichung beschrieben (beachten Sie, dass es die Umkehrung der vorherigen Gleichung ist):

[ce{6CO2 + 6H2O + Energie → C6H12O6 + 6O2}]

Im Rahmen chemischer Prozesse in Pflanzen können Glukosemoleküle mit anderen Zuckerarten kombiniert und in diese umgewandelt werden. In Pflanzen wird Glukose in Form von Stärke gespeichert, die über die Zellatmung wieder zu Glukose abgebaut werden kann, um ATP zu liefern.

Wichtige Punkte

  • Der Abbau von Glukose, den lebende Organismen zur Energiegewinnung nutzen, wird durch die Gleichung beschrieben: [ce{C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Energie} onumber]
  • Der photosynthetische Prozess, den Pflanzen zur Glukosesynthese verwenden, wird durch die Gleichung beschrieben: [ce{6CO2 + 6H2O + Energie → C6H12O6 + 6O2} onumber]
  • Die verbrauchte Glukose wird zur Energiegewinnung in Form von ATP verwendet, das verwendet wird, um Arbeit zu verrichten und chemische Reaktionen in der Zelle anzutreiben.
  • Während der Photosynthese wandeln Pflanzen Lichtenergie in chemische Energie um, die zum Aufbau von Glukosemolekülen verwendet wird.

Schlüsselbegriffe

  • Adenosintriphosphat: ein multifunktionales Nukleosidtriphosphat, das in Zellen als Coenzym verwendet wird, oft als „molekulare Einheit der Energiewährung“ bei der intrazellulären Energieübertragung bezeichnet
  • Glucose: ein einfaches Monosaccharid (Zucker) mit der Summenformel C6H12O6C6H12O6C6H12O6; es ist eine Hauptenergiequelle für den Zellstoffwechsel

Gene des primären Kohlenhydratstoffwechsels sind am Hitzestressgedächtnis im Sprossapikalmeristem von Arabidopsis thaliana beteiligt

Bei Pflanzen ist das Sprossapikalmeristem (SAM) essentiell für das Wachstum oberirdischer Organe. Über seine molekularen Reaktionen auf abiotischen Stress ist jedoch wenig bekannt. Hier zeigen wir, dass die SAM von Arabidopsis thaliana ein autonomes Hitzestress-(HS)-Gedächtnis eines früheren nicht-tödlichen HS aufweist, das es der SAM ermöglicht, nach Exposition gegenüber einem ansonsten tödlichen HS einige Tage später wieder zu wachsen. Mithilfe der RNA-Sequenzierung identifizierten wir Gene, die an der Etablierung des HS-Transkriptionsgedächtnisses der SAM beteiligt sind, einschließlich der Stammzell-(SC)-Regulatoren CLAVATA1 (CLV1) und CLV3, HEAT SHOCK PROTEIN 17.6A (HSP17.6A) und des primären Kohlenhydratstoffwechsel-Gens FRUCTOSE- BISPHOSPHAT-ALDOLASE 6 (FBA6). Wir zeigen, dass die Verfügbarkeit von Zucker für das Überleben von Pflanzen bei hohen Temperaturen unerlässlich ist. HEAT SHOCK TRANSCRIPTION FACTOR A2 (HSFA2A) reguliert direkt die Expression von HSP17.6A und FBA6 durch Bindung an die Hitzeschockelemente in ihren Promotoren, was darauf hinweist, dass HSFA2 für die transkriptionelle Aktivierung von SAM-Gedächtnisgenen erforderlich ist. Zusammenfassend weisen diese Ergebnisse darauf hin, dass Pflanzen einen ausgeklügelten Schutzmechanismus entwickelt haben, um SCs und damit ihre Fähigkeit zu erhalten, das Sprosswachstum nach Stressabbau wieder zu initiieren.

Schlüsselwörter: Aldolase Kohlenstoffmetabolismus Hitzestress Trieb apikales Meristem Thermogedächtnis Thermopriming.

Copyright © 2021 Die Autoren. Herausgegeben von Elsevier Inc. Alle Rechte vorbehalten.


Inhalt

Glykolyse Bearbeiten

Glykolyse ist der Prozess, bei dem ein Glukosemolekül in zwei Pyruvatmoleküle zerlegt wird, während die während dieses Prozesses freigesetzte Energie als ATP und NADH gespeichert wird. [2] Fast alle Organismen, die Glukose abbauen, nutzen die Glykolyse. [2] Glukoseregulierung und Produktverwendung sind die Hauptkategorien, in denen sich diese Stoffwechselwege zwischen den Organismen unterscheiden. [2] In einigen Geweben und Organismen ist die Glykolyse die einzige Methode zur Energiegewinnung. [2] Dieser Weg ist sowohl bei der anaeroben als auch bei der aeroben Atmung üblich. [1]

Die Glykolyse besteht aus zehn Schritten, die in zwei Phasen aufgeteilt sind. [2] Während der ersten Phase erfordert es den Abbau von zwei ATP-Molekülen. [1] Während der zweiten Phase wird chemische Energie aus den Zwischenprodukten in ATP und NADH übertragen. [2] Der Abbau eines Glucosemoleküls führt zu zwei Pyruvatmolekülen, die weiter oxidiert werden können, um in späteren Prozessen mehr Energie zu gewinnen. [1]

Die Glykolyse kann in verschiedenen Schritten des Prozesses durch Feedback-Regulierung reguliert werden. Der am stärksten regulierte Schritt ist der dritte Schritt. Diese Regulierung soll sicherstellen, dass der Körper keine Pyruvatmoleküle überproduziert. Die Regulierung ermöglicht auch die Speicherung von Glucosemolekülen in Fettsäuren. [6] Es gibt verschiedene Enzyme, die während der Glykolyse verwendet werden. Die Enzyme regulieren den Prozess hoch, runter und Feedback regulieren.

Glukoneogenese Bearbeiten

Die Glukoneogenese (GNG) ist ein Stoffwechselweg, der zur Bildung von Glukose aus bestimmten Nicht-Kohlenhydrat-Kohlenstoffsubstraten führt. Es ist ein allgegenwärtiger Prozess, der in Pflanzen, Tieren, Pilzen, Bakterien und anderen Mikroorganismen vorkommt.[1] Bei Wirbeltieren findet die Gluconeogenese hauptsächlich in der Leber und in geringerem Maße in der Nierenrinde statt. Es ist einer von zwei Hauptmechanismen – der andere ist der Abbau von Glykogen (Glykogenolyse) – der von Menschen und vielen anderen Tieren verwendet wird, um den Blutzuckerspiegel aufrechtzuerhalten und niedrige Werte (Hypoglykämie) zu vermeiden.[2] Bei Wiederkäuern tritt die Glukoneogenese unabhängig von Fasten, kohlenhydratarmer Ernährung, Bewegung usw. auf, da Kohlenhydrate in der Nahrung dazu neigen, von Pansenorganismen metabolisiert zu werden.[3] Bei vielen anderen Tieren tritt der Prozess während des Fastens, des Hungerns, einer kohlenhydratarmen Ernährung oder intensiver körperlicher Betätigung auf.

Beim Menschen können Substrate für die Gluconeogenese aus allen Nicht-Kohlenhydratquellen stammen, die in Pyruvat oder Zwischenprodukte der Glykolyse umgewandelt werden können (siehe Abbildung). Für den Abbau von Proteinen umfassen diese Substrate glucogene Aminosäuren (jedoch keine ketogenen Aminosäuren) aus dem Abbau von Lipiden (wie Triglyceride), sie umfassen Glycerin, ungeradkettige Fettsäuren (jedoch keine geradkettigen Fettsäuren, siehe unten) und aus anderen Teilen des Stoffwechsels enthalten sie Laktat aus dem Cori-Zyklus. Bei längerem Fasten kann auch aus Ketonkörpern gewonnenes Aceton als Substrat dienen, das einen Weg von Fettsäuren zu Glucose bereitstellt.[4] Obwohl der größte Teil der Gluconeogenese in der Leber stattfindet, ist der relative Beitrag der Gluconeogenese durch die Niere bei Diabetes und verlängertem Fasten erhöht.[5]

Der Gluconeogenese-Weg ist stark endergonisch, bis er an die Hydrolyse von ATP oder GTP gekoppelt ist, wodurch der Prozess effektiv exergonisch wird. Zum Beispiel erfordert der Weg, der von Pyruvat zu Glucose-6-Phosphat führt, 4 Moleküle ATP und 2 Moleküle GTP, um spontan zu verlaufen. Diese ATPs werden aus dem Fettsäurekatabolismus über Beta-Oxidation geliefert.[6]

Glykogenolyse Bearbeiten

Unter Glykogenolyse versteht man den Abbau von Glykogen. [7] In der Leber, den Muskeln und der Niere findet dieser Prozess statt, um bei Bedarf Glukose bereitzustellen. [7] Ein einzelnes Glukosemolekül wird von einem Glykogenzweig abgespalten und während dieses Prozesses in Glukose-1-phosphat umgewandelt. [1] Dieses Molekül kann dann in Glucose-6-Phosphat umgewandelt werden, ein Zwischenprodukt im Glykolyse-Weg. [1]

Glucose-6-Phosphat kann dann die Glykolyse durchlaufen. [1] Die Glykolyse erfordert nur die Zufuhr eines ATP-Moleküls, wenn die Glukose aus Glykogen stammt. [1] Alternativ kann Glukose-6-Phosphat in Leber und Niere wieder in Glukose umgewandelt werden, wodurch es bei Bedarf den Blutzuckerspiegel anheben kann. [2]

Glucagon in der Leber stimuliert die Glykogenolyse, wenn der Blutzucker gesenkt wird, bekannt als Hypoglykämie. [7] Das Glykogen in der Leber kann als Backup-Quelle für Glukose zwischen den Mahlzeiten dienen. [2] Leberglykogen dient hauptsächlich dem zentralen Nervensystem. Adrenalin stimuliert während des Trainings den Abbau von Glykogen in der Skelettmuskulatur. [7] In der Muskulatur sorgt Glykogen für eine schnell verfügbare Energiequelle für die Bewegung. [2]

Glykogenese Bearbeiten

Glykogenese bezieht sich auf den Prozess der Synthese von Glykogen. [7] Beim Menschen kann Glukose durch diesen Prozess in Glykogen umgewandelt werden. [2] Glykogen ist eine stark verzweigte Struktur, bestehend aus dem Kernprotein Glykogenin, umgeben von Verzweigungen von Glukoseeinheiten, die miteinander verbunden sind. [2] [7] Die Verzweigung von Glykogen erhöht seine Löslichkeit und ermöglicht, dass gleichzeitig eine größere Anzahl von Glukosemolekülen für den Abbau zugänglich ist. [2] Die Glykogenese tritt hauptsächlich in der Leber, der Skelettmuskulatur und der Niere auf. [2] Der Glycogenese-Weg verbraucht wie die meisten Synthesewege Energie, da für jedes eingeführte Glucosemolekül ein ATP und ein UTP verbraucht werden. [8]

Pentosephosphatweg Bearbeiten

Der Pentosephosphatweg ist eine alternative Methode zur Oxidation von Glucose. [7] Es kommt in Leber, Fettgewebe, Nebennierenrinde, Hoden, Brustdrüsen, Fresszellen und roten Blutkörperchen vor. [7] Es produziert Produkte, die in anderen Zellprozessen verwendet werden, während es NADP zu NADPH reduziert. [7] [9] Dieser Weg wird durch Veränderungen der Aktivität der Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase reguliert. [9]

Fructose-Stoffwechsel Bearbeiten

Fructose muss bestimmte zusätzliche Schritte durchlaufen, um in den Glykolyseweg einzutreten. [2] Enzyme, die sich in bestimmten Geweben befinden, können der Fructose eine Phosphatgruppe hinzufügen. [7] Diese Phosphorylierung erzeugt Fructose-6-Phosphat, ein Zwischenprodukt im Glykolyseweg, das direkt in diesen Geweben abgebaut werden kann. [7] Dieser Weg findet in den Muskeln, im Fettgewebe und in der Niere statt. [7] In der Leber produzieren Enzyme Fructose-1-Phosphat, das in den Glykolyseweg eingeht und später in Glycerinaldehyd und Dihydroxyacetonphosphat gespalten wird. [2]

Galactose-Stoffwechsel Bearbeiten

Laktose oder Milchzucker besteht aus einem Molekül Glukose und einem Molekül Galaktose. [7] Nach der Trennung von Glukose gelangt Galaktose zur Umwandlung in Glukose in die Leber. [7] Galaktokinase verwendet ein Molekül ATP, um Galaktose zu phosphorylieren. [2] Die phosphorylierte Galaktose wird dann in Glucose-1-Phosphat und schließlich in Glucose-6-Phosphat umgewandelt, die in der Glykolyse abgebaut werden können. [2]

Viele Schritte des Kohlenhydratstoffwechsels ermöglichen den Zellen, auf Energie zuzugreifen und sie vorübergehend in ATP zu speichern. [10] Die Cofaktoren NAD + und FAD werden dabei manchmal zu NADH und FADH . reduziert2, die die Bildung von ATP in anderen Prozessen vorantreiben. [10] Ein Molekül NADH kann 1,5–2,5 Moleküle ATP produzieren, während ein Molekül FADH2 ergibt 1,5 Moleküle ATP. [11]

Energie, die während des Stoffwechsels eines Glukosemoleküls entsteht
Weg ATP-Eingang ATP-Ausgang Netto-ATP NADH-Ausgang FADH2 Ausgang ATP-Endausbeute
Glykolyse (aerob) 2 4 2 2 0 5-7
Zitronensäurezyklus 0 2 2 8 2 17-25

Typischerweise beträgt der vollständige Abbau eines Glukosemoleküls durch aerobe Atmung (d. h. unter Einbeziehung sowohl der Glykolyse als auch des Zitronensäurezyklus) normalerweise etwa 30–32 Moleküle ATP. [11] Die Oxidation von einem Gramm Kohlenhydrat ergibt ungefähr 4 kcal Energie. [3]

Glukoregulierung ist die Aufrechterhaltung eines konstanten Glukosespiegels im Körper.

Aus der Bauchspeicheldrüse freigesetzte Hormone regulieren den gesamten Glukosestoffwechsel. [12] Insulin und Glucagon sind die primären Hormone, die an der Aufrechterhaltung eines konstanten Glukosespiegels im Blut beteiligt sind, und ihre Freisetzung wird durch die Menge der derzeit verfügbaren Nährstoffe gesteuert. [12] Die im Blut freigesetzte Insulinmenge und die Empfindlichkeit der Zellen gegenüber dem Insulin bestimmen beide die Menge an Glukose, die die Zellen abbauen. [4] Erhöhte Glucagonspiegel aktivieren die Enzyme, die die Glykogenolyse katalysieren, und hemmt die Enzyme, die die Glykogenese katalysieren. [10] Umgekehrt wird die Glykogenese verstärkt und die Glykogenolyse gehemmt, wenn hohe Insulinspiegel im Blut vorhanden sind. [10]

Der Blutzuckerspiegel im Kreislauf (umgangssprachlich „Blutzucker“ genannt) sowie der Nährstoffnachweis im Zwölffingerdarm sind die wichtigsten Faktoren für die Produktion von Glukagon oder Insulin. Die Freisetzung von Glucagon wird durch einen niedrigen Blutzuckerspiegel ausgelöst, während ein hoher Blutzuckerspiegel die Zellen zur Insulinproduktion anregt. Da der Glukosespiegel im Kreislauf weitgehend durch die Aufnahme von Kohlenhydraten in der Nahrung bestimmt wird, steuert die Ernährung wichtige Aspekte des Stoffwechsels über Insulin. [13] Beim Menschen wird Insulin von Betazellen in der Bauchspeicheldrüse produziert, Fett wird in Fettgewebezellen gespeichert und Glykogen wird von Leberzellen sowohl gespeichert als auch nach Bedarf freigesetzt. Unabhängig vom Insulinspiegel wird keine Glukose aus den internen Glykogenspeichern der Muskelzellen an das Blut abgegeben.

Kohlenhydrate werden typischerweise als lange Polymere von Glucosemolekülen mit glykosidischen Bindungen zur strukturellen Unterstützung (z. B. Chitin, Cellulose) oder zur Energiespeicherung (z. B. Glykogen, Stärke) gespeichert. Die starke Affinität der meisten Kohlenhydrate zu Wasser macht jedoch die Speicherung großer Mengen an Kohlenhydraten aufgrund des großen Molekulargewichts des solvatisierten Wasser-Kohlenhydrat-Komplexes ineffizient. In den meisten Organismen werden überschüssige Kohlenhydrate regelmäßig zu Acetyl-CoA abgebaut, das ein Ausgangsmaterial für den Fettsäuresyntheseweg ist. Fettsäuren, Triglyceride und andere Lipide werden üblicherweise zur langfristigen Energiespeicherung verwendet. Der hydrophobe Charakter von Lipiden macht sie zu einer viel kompakteren Form der Energiespeicherung als hydrophile Kohlenhydrate. Die Gluconeogenese ermöglicht die Synthese von Glucose aus verschiedenen Quellen, einschließlich Lipiden. [14]

Bei einigen Tieren (wie Termiten [15] ) und einigen Mikroorganismen (wie Protisten und Bakterien) kann Zellulose während der Verdauung zerlegt und als Glukose aufgenommen werden. [16]


Allgemeine Merkmale

Obwohl eine Reihe von Klassifikationsschemata für Kohlenhydrate entwickelt wurden, ist die hier verwendete Unterteilung in vier Hauptgruppen – Monosaccharide, Disaccharide, Oligosaccharide und Polysaccharide – eine der häufigsten. Die meisten Monosaccharide oder Einfachzucker sind in Trauben, anderen Früchten und Honig enthalten. Obwohl sie drei bis neun Kohlenstoffatome enthalten können, bestehen die häufigsten Vertreter aus fünf oder sechs, die zu einem kettenförmigen Molekül verbunden sind. Drei der wichtigsten Einfachzucker – Glukose (auch bekannt als Dextrose, Traubenzucker und Maiszucker), Fruktose (Fruchtzucker) und Galaktose – haben die gleiche Summenformel (C6h12Ö6), aber da ihre Atome unterschiedliche strukturelle Anordnungen haben, haben die Zucker unterschiedliche Eigenschaften, d. h. sie sind Isomere.

Geringfügige Veränderungen der Strukturanordnungen sind von Lebewesen nachweisbar und beeinflussen die biologische Bedeutung isomerer Verbindungen. Es ist beispielsweise bekannt, dass sich der Süßegrad verschiedener Zucker je nach Anordnung der Hydroxylgruppen (―OH) unterscheidet, die einen Teil der Molekülstruktur bilden. Eine direkte Korrelation, die zwischen dem Geschmack und einer bestimmten strukturellen Anordnung bestehen kann, wurde jedoch noch nicht festgestellt, dh es ist noch nicht möglich, den Geschmack eines Zuckers durch Kenntnis seiner spezifischen strukturellen Anordnung vorherzusagen. Die Energie in den chemischen Bindungen der Glukose versorgt die meisten Lebewesen indirekt mit einem Großteil der Energie, die sie für ihre Aktivitäten benötigen. Galactose, die selten als Einfachzucker vorkommt, wird meist mit anderen Einfachzuckern kombiniert, um größere Moleküle zu bilden.

Zwei miteinander verbundene Moleküle eines Einfachzuckers bilden ein Disaccharid oder Doppelzucker. Das Disaccharid Saccharose oder Haushaltszucker besteht aus einem Molekül Glukose und einem Molekül Fruktose. Die bekanntesten Saccharosequellen sind Zuckerrüben und Rohrzucker. Milchzucker oder Laktose und Maltose sind ebenfalls Disaccharide. Bevor die Energie in Disacchariden von Lebewesen genutzt werden kann, müssen die Moleküle in ihre jeweiligen Monosaccharide zerlegt werden. Oligosaccharide, die aus drei bis sechs Monosaccharid-Einheiten bestehen, kommen in natürlichen Quellen eher selten vor, obwohl einige Pflanzenderivate identifiziert wurden.

Polysaccharide (der Begriff bedeutet viele Zucker) stellen die meisten der in der Natur vorkommenden Struktur- und Energiereserven dar. Große Moleküle, die aus bis zu 10.000 miteinander verbundenen Monosaccharid-Einheiten bestehen können, unterscheiden sich in Größe, Strukturkomplexität und Zuckergehalt erheblich. Mehrere hundert verschiedene Typen wurden bisher identifiziert. Cellulose, der Hauptstrukturbestandteil von Pflanzen, ist ein komplexes Polysaccharid, das viele miteinander verbundene Glucoseeinheiten umfasst. Es ist das am häufigsten vorkommende Polysaccharid. Die in Pflanzen vorkommende Stärke und das in Tieren vorkommende Glykogen sind ebenfalls komplexe Glucosepolysaccharide. Stärke (vom altenglischen Wort stercan, was „versteifen“ bedeutet) kommt vor allem in Samen, Wurzeln und Stängeln vor, wo es als verfügbare Energiequelle für Pflanzen gespeichert wird. Pflanzenstärke kann zu Lebensmitteln wie Brot verarbeitet oder direkt verzehrt werden – beispielsweise in Kartoffeln. Glykogen, das aus verzweigten Glukosemolekülketten besteht, wird in Leber und Muskeln höherer Tiere gebildet und als Energiequelle gespeichert.


Bedeutung von Kohlenhydraten

Kohlenhydrate sind eine wichtige Klasse biologischer Makromoleküle, die ein wesentlicher Bestandteil unserer Ernährung sind und den Körper mit Energie versorgen.

Lernziele

Beschreiben Sie den Nutzen von Kohlenhydraten für Organismen

Die zentralen Thesen

Wichtige Punkte

  • Kohlenhydrate liefern dem Körper Energie, insbesondere durch Glukose, einen einfachen Zucker, der in vielen Grundnahrungsmitteln vorkommt.
  • Kohlenhydrate enthalten lösliche und unlösliche Elemente, der unlösliche Teil wird als Ballaststoffe bezeichnet, die den regelmäßigen Stuhlgang fördern, die Blutzuckeraufnahme regulieren und auch dazu beitragen, überschüssiges Cholesterin aus dem Körper zu entfernen.
  • Als unmittelbare Energiequelle wird Glukose während des Prozesses der Zellatmung abgebaut, wodurch ATP, die Energiewährung der Zelle, entsteht.
  • Da Kohlenhydrate ein wichtiger Bestandteil der menschlichen Ernährung sind, ist es nicht der beste Weg, um Gewicht zu verlieren.

Schlüsselbegriffe

  • Kohlenhydrat: Zucker, Stärke oder Zellulose, die eine Nahrungsquelle für Energie für ein Tier oder eine Pflanze ist, ein Saccharid.
  • Glucose: ein einfaches Monosaccharid (Zucker) mit der Summenformel C6H12O6 ist eine Hauptenergiequelle für den Zellstoffwechsel
  • ATP: Ein Nukleotid, das im Muskelgewebe vorkommt und als Energiequelle bei zellulären Reaktionen und bei der Synthese von Nukleinsäuren verwendet wird. ATP ist die Abkürzung für Adenosintriphosphat.

Vorteile von Kohlenhydraten

Biologische Makromoleküle sind große Moleküle, die für das Leben notwendig sind und aus kleineren organischen Molekülen aufgebaut sind. Eine Hauptklasse biologischer Makromoleküle sind Kohlenhydrate, die weiter in drei Untertypen unterteilt werden: Monosaccharide, Disaccharide und Polysaccharide. Kohlenhydrate sind in der Tat ein wesentlicher Bestandteil unserer Ernährung. Getreide, Obst und Gemüse sind alle natürliche Kohlenhydratquellen. Wichtig ist, dass Kohlenhydrate dem Körper Energie liefern, insbesondere durch Glukose, einen einfachen Zucker, der ein Bestandteil von Stärke und ein Bestandteil vieler Grundnahrungsmittel ist.

Kohlenhydrate: Kohlenhydrate sind biologische Makromoleküle, die weiter in drei Untertypen unterteilt werden: Monosaccharide, Disaccharide und Polysaccharide. Wie alle Makromoleküle sind Kohlenhydrate lebensnotwendig und bestehen aus kleineren organischen Molekülen.

Kohlenhydrate in der Ernährung

Kohlenhydrate sind in der Ernährungswelt ein umstrittenes Thema. Menschen, die versuchen, Gewicht zu verlieren, vermeiden oft Kohlenhydrate, und einige Diäten verbieten den Kohlenhydratkonsum vollständig, da sie behaupten, dass eine kohlenhydratarme Ernährung den Menschen hilft, schneller Gewicht zu verlieren. Kohlenhydrate sind jedoch seit Tausenden von Jahren ein wichtiger Bestandteil der menschlichen Ernährung. Artefakte aus alten Zivilisationen zeigen das Vorhandensein von Weizen, Reis und Mais in den Lagerbereichen unserer Vorfahren.

Kohlenhydrate sollten mit Proteinen, Vitaminen und Fetten ergänzt werden, um Teil einer ausgewogenen Ernährung zu sein. Kalorienmäßig liefert ein Gramm Kohlenhydrate 4,3 Kcal. Im Vergleich dazu liefern Fette 9 Kcal/g, ein weniger wünschenswertes Verhältnis. Kohlenhydrate enthalten lösliche und unlösliche Elemente, der unlösliche Teil wird als Ballaststoffe bezeichnet, die hauptsächlich aus Zellulose bestehen. Ballaststoffe haben viele Verwendungsmöglichkeiten, sie fördern den regelmäßigen Stuhlgang, indem sie Masse hinzufügen, und sie regulieren die Geschwindigkeit der Blutzuckeraufnahme. Ballaststoffe helfen auch, überschüssiges Cholesterin aus dem Körper zu entfernen. Ballaststoffe binden und binden an das Cholesterin im Dünndarm und verhindern, dass die Cholesterinpartikel in den Blutkreislauf gelangen. Dann verlässt das Cholesterin den Körper über den Kot. Ballaststoffreiche Ernährung hat auch eine schützende Rolle bei der Verringerung des Auftretens von Dickdarmkrebs. Darüber hinaus vermittelt eine Mahlzeit mit Vollkorn und Gemüse ein Sättigungsgefühl. Als unmittelbare Energiequelle wird Glukose während des Prozesses der Zellatmung abgebaut, wodurch Adenosintriphosphat (ATP), die Energiewährung der Zelle, entsteht. Ohne den Verzehr von Kohlenhydraten würde die Verfügbarkeit von ‚Sofortenergie‘ verringert. Kohlenhydrate aus der Ernährung zu eliminieren ist nicht der beste Weg, um Gewicht zu verlieren. Eine kalorienarme Ernährung, die reich an Vollkornprodukten, Obst, Gemüse und magerem Fleisch ist, zusammen mit viel Bewegung und viel Wasser ist der sinnvollere Weg, um Gewicht zu verlieren.


Biologie 171

Lernziele

Am Ende dieses Abschnitts können Sie Folgendes tun:

  • Diskutieren Sie, wie Kohlenhydrat-Stoffwechselwege, Glykolyse und der Zitronensäure-Zyklus mit Protein- und Lipid-Stoffwechselwegen zusammenhängen
  • Erklären Sie, warum Stoffwechselwege nicht als geschlossene Systeme betrachtet werden

Sie haben den Katabolismus von Glukose kennengelernt, der lebende Zellen mit Energie versorgt. Aber Lebewesen verbrauchen andere organische Verbindungen als Glukose als Nahrung. Wie landet ein Truthahnsandwich als ATP in Ihren Zellen? Dies geschieht, weil alle Abbauwege für Kohlenhydrate, Proteine ​​und Lipide schließlich mit der Glykolyse und dem Zitronensäurezyklus verbunden sind (siehe (Abbildung)). Stoffwechselwege sollten als porös und miteinander verbunden betrachtet werden – das heißt, Substanzen treten von anderen Wegen ein und Zwischenprodukte gehen auf andere Wege. Diese Wege sind keine geschlossenen Systeme! Viele der Substrate, Zwischenprodukte und Produkte in einem bestimmten Reaktionsweg sind Reaktanten in anderen Reaktionswegen.

Verbindungen anderer Zucker zum Glukosestoffwechsel

Glykogen, ein Polymer aus Glukose, ist ein Energiespeichermolekül bei Tieren. Wenn ausreichend ATP vorhanden ist, wird überschüssige Glukose als Glykogen sowohl in Leber- als auch in Muskelzellen gespeichert. Das Glykogen wird zu Glucose-1-Phosphat-Monomeren (G-1-P) hydrolysiert, wenn der Blutzuckerspiegel sinkt. Das Vorhandensein von Glykogen als Glukosequelle ermöglicht es, während des Trainings über einen längeren Zeitraum ATP zu produzieren. Glykogen wird in Muskel- und Leberzellen in Glukose-1-Phosphat (G-1-P) abgebaut und in Glukose-6-Phosphat (G-6-P) umgewandelt, und dieses Produkt gelangt in den glykolytischen Weg.

Saccharose ist ein Disaccharid mit einem Glucosemolekül und einem Fructosemolekül, die durch eine glykosidische Bindung miteinander verbunden sind. Fruktose ist neben Glukose und Galaktose (Teil des Milchzuckers Disaccharid-Laktose) eines der drei „diätetischen“ Monosaccharide, die bei der Verdauung direkt in den Blutkreislauf aufgenommen werden. Der Katabolismus von Fructose und Galactose produziert die gleiche Anzahl von ATP-Molekülen wie Glucose.

Verbindungen von Proteinen zum Glukosestoffwechsel

Proteine ​​werden durch eine Vielzahl von Enzymen in Zellen hydrolysiert. Meistens werden die Aminosäuren in die Synthese neuer Proteine ​​recycelt. Bei einem Überschuss an Aminosäuren oder einem Hungerzustand des Körpers werden jedoch einige Aminosäuren in die Wege des Glukosekatabolismus umgeleitet ((Abbildung)). Es ist sehr wichtig zu beachten, dass jede Aminosäure ihre Aminogruppe entfernen muss, bevor sie in diese Wege eintreten kann. Die Aminogruppe wird in Ammoniak umgewandelt. Bei Säugetieren synthetisiert die Leber Harnstoff aus zwei Ammoniakmolekülen und einem Kohlendioxidmolekül. Harnstoff ist somit das wichtigste Abfallprodukt bei Säugetieren, das aus dem Stickstoff der Aminosäuren entsteht und den Körper mit dem Urin verlässt. Es sollte beachtet werden, dass Aminosäuren aus den Zwischenprodukten und Reaktanten im Zellatmungszyklus synthetisiert werden können.


Zusammenhänge des Lipid- und Glukosestoffwechsels

Zu den Lipiden, die mit dem Glukoseweg verbunden sind, gehören Cholesterin und Triglyceride. Cholesterin ist ein Lipid, das zur Flexibilität der Zellmembran beiträgt und eine Vorstufe von Steroidhormonen ist. Die Synthese von Cholesterin beginnt mit Acetylgruppen und verläuft nur in eine Richtung. Der Vorgang kann nicht rückgängig gemacht werden.

Triglyceride – hergestellt aus der Bindung von Glycerin und drei Fettsäuren – sind eine Form der langfristigen Energiespeicherung bei Tieren. Tiere können die meisten der benötigten Fettsäuren selbst herstellen. Triglyceride können durch Teile der Glukoseabbauwege sowohl hergestellt als auch abgebaut werden. Glycerin kann zu Glycerin-3-phosphat phosphoryliert werden, was durch die Glykolyse weitergeführt wird. Fettsäuren werden in einem Prozess namens Beta-Oxidation abgebaut, der in der Matrix der Mitochondrien stattfindet und ihre Fettsäureketten in Zwei-Kohlenstoff-Einheiten von Acetylgruppen umwandelt. Die Acetylgruppen werden von CoA aufgenommen, um Acetyl-CoA zu bilden, das in den Zitronensäurezyklus übergeht.


Wege der Photosynthese und des zellulären Stoffwechsels Die Prozesse der Photosynthese und des zellulären Stoffwechsels bestehen aus mehreren sehr komplexen Wegen. Es wird allgemein angenommen, dass die ersten Zellen in einer wässrigen Umgebung entstanden sind – einer „Suppe“ von Nährstoffen – möglicherweise auf der Oberfläche einiger poröser Tone, vielleicht in warmen Meeresumgebungen. Wenn sich diese Zellen erfolgreich reproduzierten und ihre Zahl stetig anstieg, folgte daraus, dass die Zellen beginnen würden, die Nährstoffe aus dem Medium, in dem sie lebten, zu verbrauchen, während sie die Nährstoffe in die Bestandteile ihres eigenen Körpers umwandelten. Diese hypothetische Situation hätte dazu geführt, dass die natürliche Selektion diejenigen Organismen begünstigt hätte, die existieren könnten, indem sie die in ihrer Umgebung verbliebenen Nährstoffe nutzten und diese Nährstoffe in Materialien umwandelten, auf denen sie überleben könnten. Die Selektion würde diejenigen Organismen begünstigen, die aus den Nährstoffen, zu denen sie Zugang haben, den maximalen Nutzen ziehen können.

Es entwickelte sich eine frühe Form der Photosynthese, die die Sonnenenergie nutzte, indem Wasser als Quelle für Wasserstoffatome verwendet wurde, aber dieser Weg erzeugte keinen freien Sauerstoff (anoxygene Photosynthese). (Eine andere Art der anoxygenen Photosynthese produzierte keinen freien Sauerstoff, weil sie kein Wasser als Quelle für Wasserstoffionen verwendet, sondern Materialien wie Schwefelwasserstoff und folglich Schwefel produzierte). Es wird angenommen, dass sich zu dieser Zeit die Glykolyse entwickelte und die Produktion von Einfachzuckern nutzen konnte, diese Reaktionen jedoch nicht in der Lage waren, die in den Kohlenhydraten gespeicherte Energie vollständig zu extrahieren. Die Entwicklung der Glykolyse ging wahrscheinlich vor der Entwicklung der Photosynthese zurück, da sie gut geeignet war, Energie aus Materialien zu gewinnen, die sich spontan in der „Ursuppe“ ansammelten. Eine spätere Form der Photosynthese nutzte Wasser als Quelle für Elektronen und Wasserstoff und erzeugte freien Sauerstoff. Im Laufe der Zeit wurde die Atmosphäre mit Sauerstoff angereichert, aber nicht bevor der Sauerstoff oxidierte Metalle im Ozean freisetzte und eine „Rost“-Schicht im Sediment bildete, die die Datierung des Aufstiegs der ersten sauerstoffhaltigen Photosynthesegeräte ermöglichte. Lebewesen haben sich angepasst, um diese neue Atmosphäre zu nutzen, die die Entwicklung der aeroben Atmung, wie wir sie kennen, ermöglichte. Als sich der vollständige Prozess der sauerstoffhaltigen Photosynthese entwickelte und die Atmosphäre mit Sauerstoff angereichert wurde, konnten die Zellen endlich den durch die Photosynthese ausgestoßenen Sauerstoff nutzen, um den Zuckermolekülen über den Zitronensäurezyklus und die oxidative Phosphorylierung deutlich mehr Energie zu entziehen.

Abschnittszusammenfassung

Der Abbau und die Synthese von Kohlenhydraten, Proteinen und Lipiden sind mit den Stoffwechselwegen des Glukoseabbaus verbunden. Die Einfachzucker sind Galactose, Fructose, Glykogen und Pentose. Diese werden während der Glykolyse abgebaut. Die Aminosäuren aus Proteinen sind über Pyruvat, Acetyl-CoA und Komponenten des Zitronensäurezyklus mit dem Glukosekatabolismus verbunden. Die Cholesterinsynthese beginnt mit Acetylgruppen, und die Bestandteile der Triglyceride stammen aus Glycerin-3-phosphat aus der Glykolyse und Acetylgruppen, die in den Mitochondrien aus Pyruvat hergestellt werden.

Freie Antwort

Würden Sie Stoffwechselwege als von Natur aus verschwenderisch oder von Natur aus wirtschaftlich beschreiben? Wieso den?

Sie sind sehr wirtschaftlich. Die Substrate, Zwischenprodukte und Produkte bewegen sich zwischen den Signalwegen und tun dies als Reaktion auf fein abgestimmte Rückkopplungs-Hemmschleifen, die den Stoffwechsel insgesamt im Gleichgewicht halten. Zwischenprodukte in einem Weg können in einem anderen vorkommen, und sie können sich als Reaktion auf die Bedürfnisse der Zelle flüssig von einem Weg zum anderen bewegen.


Schau das Video: How do carbohydrates impact your health? - Richard J. Wood (Juni 2022).