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Ein uraltes Geheimnis der Biochemie: Warum sind die grundlegenden Stoffwechselwege aller Lebensformen so ähnlich?
Bei der Erforschung von Lebewesen sind wir oft überrascht von den Ähnlichkeiten zwischen verschiedenen Organismen, insbesondere in ihren Stoffwechselwegen. Der Stoffwechsel, abgeleitet vom griechischen Wort für „Veränderung“, bezieht sich auf die Reihe lebenserhaltender chemischer Reaktionen, die in einem Organismus ablaufen. Diese Reaktionen liefern nicht nur Energie für zelluläre Prozesse, sondern sind auch von zentraler Bedeutung für die Stoffwechselmaschinerie, die die Grundlagen des Lebens bildet.
Zu den drei Hauptfunktionen des Stoffwechsels gehören die Umwandlung der in der Nahrung enthaltenen Energie in nutzbare Energie, die Umwandlung der Nahrung in Grundbausteine wie Proteine und Lipide sowie die Beseitigung von Stoffwechselabfallprodukten.
Überraschenderweise sind die grundlegenden Stoffwechselwege sowohl einzelliger Bakterien als auch großer mehrzelliger Organismen wie Elefanten bemerkenswert ähnlich. Beispielsweise sind in allen bekannten Organismen die Carbonsäure-Zwischenprodukte im Zitronensäurezyklus artenübergreifend nahezu identisch. Dies stellt nicht nur wichtige Informationen im Evolutionsprozess dar, sondern zeigt auch die funktionelle Effizienz dieser Stoffwechselwege.
„Diese Ähnlichkeiten könnten auf ihr frühes Auftreten in der Evolutionsgeschichte und die Beibehaltung ihrer Wirksamkeit zurückzuführen sein.“
Bestandteile des Stoffwechsels
Die Grundstruktur von Lebewesen besteht hauptsächlich aus vier Grundmolekülen: Aminosäuren, Kohlenhydraten, Nukleinsäuren und Lipiden. Diese Moleküle spielen eine entscheidende Rolle bei Stoffwechselreaktionen.
Aminosäuren und Proteine
Proteine sind lineare Ketten aus Aminosäuren, die durch Peptidbindungen verbunden sind. Viele dieser Proteine sind Enzyme, die Stoffwechselreaktionen katalysieren, während andere strukturelle oder mechanische Funktionen haben, beispielsweise Proteine, die das Zytoskelett bilden. Im Energiestoffwechsel können Aminosäuren auch als Kohlenstoffquellen für den Eintritt in den Zitronensäurezyklus genutzt werden.
Lipid
Lipide sind die vielfältigste biochemische Gruppe. Sie spielen vor allem eine strukturelle Rolle in biologischen Membranen und können auch als Energiequelle genutzt werden. Zu den Strukturmerkmalen von Lipiden gehören lange unpolare Kohlenwasserstoffketten und kleine Polarregionen.
Kohlenhydrate
Kohlenhydrate werden in Aldehyde und Ketone eingeteilt und sind die am häufigsten vorkommenden Biomoleküle. Sie spielen eine Vielzahl von Rollen, von der Speicherung und dem Transport von Energie (wie Stärke und Glykogen) bis hin zur Funktion als Strukturbestandteile (wie Zellulose in Pflanzen).
Nukleotide
Nukleinsäuren wie DNA und RNA werden aus Nukleotiden polymerisiert und spielen eine Schlüsselrolle bei der Speicherung und Nutzung genetischer Informationen.
Interaktion von Stoffwechselprozessen
Innerhalb von Zellen können Stoffwechselprozesse in zwei Hauptsysteme unterteilt werden: Dissimilation und Synthese. Der Zweck der Dissimilation besteht darin, große Moleküle in kleine Moleküle zu zerlegen, Energie freizusetzen und Rohstoffe für die Synthese bereitzustellen. Diese Energieumwandlungen basieren hauptsächlich auf Prozessen wie der oxidativen Phosphorylierung.
Bei Energieumwandlungsprozessen wie der oxidativen Phosphorylierung werden den organischen Molekülen entzogene Elektronen auf Sauerstoff übertragen und die freigesetzte Energie wird zur Synthese von ATP verwendet.
Der Zusammenhang zwischen Genen und Stoffwechsel
Die Ähnlichkeit der Stoffwechselwege spiegelt sich nicht nur im Ablauf chemischer Reaktionen wider, sondern auch in der Erhaltung von Genen. Ob Tiere, Pflanzen oder Mikroorganismen – die Gene, die diese Stoffwechselwege steuern, haben auch im Laufe der Evolution eine erstaunliche Konsistenz bewahrt.
Darüber hinaus spielen Stoffwechselstörungen bei mehreren Krankheiten eine wichtige Rolle, beispielsweise bei Typ-2-Diabetes und Krebs. Krebszellen metabolisieren auf ganz andere Weise als normale Zellen, und diese Eigenschaften können Ziele für therapeutische Interventionen sein.
„Umfassende Forschung zum Stoffwechsel enthüllt nicht nur die Grundlagen des Lebens, sondern kann auch zum Schlüssel zum Verständnis und zur Behandlung vieler Krankheiten werden.“
Bedeutet die Ähnlichkeit der grundlegenden Stoffwechselwege verschiedener Lebensformen, dass der Ursprung und die Entwicklung des Lebens möglicherweise gemeinsame Gene und Stoffwechselprozesse aufweisen? Oder gibt es unter diesen alten biochemischen Geheimnissen verborgene Geheimnisse des Lebens, die noch nicht gelüftet wurden?
