Stoffwechselwege

Stoffwechselwege bezeichnet man als geordnete Sequenzen biochemischer Reaktionen, die Substrate in Produkte umwandeln, Energie freisetzen oder Bausteine für Biomoleküle liefern. Sie ermöglichen den Umbau von Nährstoffen, die Erhaltung der Zellstruktur und die Biosynthese von Verbindungen. Grundsätzlich unterscheidet man katabolische Wege, die Moleküle abbauen, von anabolen Wegen, die Bausteine aufbauen. Viele Stoffwechselwege sind amphibol, da sie sowohl der Energiegewinnung als auch der Biosynthese dienen, abhängig von den Bedürfnissen der Zelle. Zentraler Stoffwechsel umfasst Glykolyse, Citratzyklus und oxidative Phosphorylierung; daneben existieren spezialisierte Pfade wie der Pentosephosphatweg, Fettsäureoxidation und Aminosäurestoffwechsel.

Enzyme katalysieren jede Reaktion, und die Aktivität wird streng reguliert. Allosterische Effekte, Rückkopplungshemmung, kovalente Modifikationen sowie hormonelle Signale steuern Flüsse durch Stoffwechselwege. In Eukaryoten finden Wege oft räumliche Trennungen: Glykolyse im Cytosol, Citratzyklus und Atmungskette in Mitochondrien, Fettsäuresynthese im Cytosol; in Pflanzen laufen Prozesse auch in Chloroplasten ab, etwa die Photosynthese.

Typische Wege sind Glykolyse, bei der Glukose zu Pyruvat abgebaut wird und ATP sowie NADH entsteht; Gluconeogenese baut Glukose aus Nichtkohlenhydraten auf. Der Pentosephosphatweg liefert NADPH und Ribose-5-phosphat für Biosynthese. Die Beta-Oxidation spaltet Fettsäuren zu Acetyl-CoA, das in den Citratzyklus eingespeist wird. Ureazyklus dient der Entsorgung von Stickstoff. In Pflanzen betreibt die Photosynthese Lichtreaktionen und den Calvinzyklus, um CO2 in Zucker zu fixieren.

Die Untersuchung von Stoffwechselwegen erfolgt durch Metabolomik, Fluxanalyse mit stabilen Isotopen und genetische Perturbationen. Das Verständnis dieser Wege ist grundlegend für Biologie, Medizin und Biotechnologie, da Störungen der Stoffwechselführung Krankheiten verursachen können und Wege sich für industrielle Anwendungen nutzen lassen.