Stoffwechselkreisläufe

Stoffwechselkreisläufe sind wiederholte Abfolgen von enzymatischen Reaktionen, die so aufgebaut sind, dass ein Ausgangsmolekül nach einer Reihe von Schritten erneut entsteht. In solchen Kreisläufen wird ein Substrat durch Ab- und Umbauten umgesetzt, Nährstoffe werden in Energie, Bausteine oder Reduktionsäquivalente überführt und der Ausgangspunkt wird regeneriert, damit der Zyklus fortgeführt werden kann. Stoffwechselkreisläufe finden sich in nahezu allen Organismen und können kohlenstoff-, stickstoff- oder energiewechselbezogen sein. Sie tragen zur Effizienz des Gesamtstoffwechsels bei, stabilisieren Gleichgewichte zwischen Aufbau- und Abbaustufen und ermöglichen eine kontrollierte Steuerung der Bioproduktion.

Zu den bekanntesten Stoffwechselkreisläufen gehören der Citratzyklus (Krebszyklus) in der Mitochondrienmatrix, der aus Acetyl-CoA CO2 freisetzt und dabei Reduktionsäquivalente in Form von NADH und FADH2 sowie GTP erzeugt; er regeneriert gleichzeitig das Ausgangsmolekül Oxaloacetat. Der Calvinzyklus in den Chloroplasten der Pflanzen fixiert CO2 zu Kohlenhydraten und regeneriert Ribulose-1,5-bisphosphat, wobei ATP und NADPH verbraucht werden. Der Harnstoffzyklus dient der Entgiftung von Ammoniak und regeneriert Ornithin, während Harnstoff entsteht. Der Glyoxylatzyklus kommt vor allem in Pflanzen, Samen und bestimmten Mikroorganismen vor und ermöglicht die Umwandlung von Acetyl-CoA in Succinat, wodurch Glukoneogenese erleichtert wird.

Stoffwechselkreisläufe sind räumlich oft getrennt organisiert (z. B. Mitochondrien, Chloroplasten, Cytosol) und durch Regulation der Enzymaktivitäten gesteuert. Sie liefern Energiemobilisierung, Reduktionsäquivalente und Vorstufen für Biosynthesen und tragen so wesentlich zur Anpassung des Organismus an Umweltbedingungen bei.