Stoffwechsel

Definition & Überblick

Der Stoffwechsel (Metabolismus) umfasst die Gesamtheit aller chemischen Reaktionen, die in einem lebenden Organismus ablaufen. Er dient der Aufrechterhaltung sämtlicher Lebensvorgänge: der Energiegewinnung, dem Aufbau körpereigener Substanzen, dem Abbau nicht mehr benötigter oder schädlicher Stoffe sowie der Ausscheidung von Endprodukten. In der Veterinärmedizin ist das Verständnis des Metabolismus grundlegend, da nahezu jede Organfunktion – von der Muskelkontraktion über die Hormonproduktion bis zur Immunabwehr – auf biochemischen Stoffwechselvorgängen beruht.

Der Stoffwechsel wird in zwei übergeordnete Bereiche unterteilt: den Anabolismus (aufbauender Stoffwechsel), bei dem aus einfachen Molekülen komplexe Strukturen wie Proteine, Glykogen oder Fette synthetisiert werden, und den Katabolismus (abbauender Stoffwechsel), bei dem energiereiche Verbindungen in kleinere Moleküle zerlegt werden, um Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) freizusetzen.

Aufbau & Struktur

Der Stoffwechsel ist kein einzelnes Organ, sondern ein funktionelles System, das zahlreiche Organe, Gewebe und Zellkompartimente einbezieht. Die zentralen anatomischen Strukturen, die am Metabolismus beteiligt sind, umfassen:

• Leber (Hepar): Das metabolische Zentralorgan. In den Hepatozyten finden Glukoneogenese, Harnstoffsynthese, Fettsäureoxidation, Glykogenspeicherung, Biotransformation körperfremder Stoffe (Xenobiotika) und die Synthese von Plasmaproteinen statt.
• Bauchspeicheldrüse (Pancreas): Sowohl exokrin (Verdauungsenzyme) als auch endokrin (Insulin und Glukagon aus den Langerhans-Inseln) an der Stoffwechselregulation beteiligt.
• Nieren (Renes): Verantwortlich für die Ausscheidung harnpflichtiger Substanzen, die Regulation des Elektrolyt- und Säure-Basen-Haushalts sowie die Glukoneogenese im Hungerstoffwechsel.
• Gastrointestinaltrakt: Ort der Nährstoffresorption; bei Wiederkäuern mit den Vormägen (Rumen, Reticulum, Omasum) eine besondere Struktur für den mikrobiellen Stoffwechsel.
• Schilddrüse (Glandula thyroidea): Produziert Thyroxin (T4) und Trijodthyronin (T3), die den Grundumsatz regulieren.
• Skelettmuskulatur und Fettgewebe (Textus adiposus): Große Speicherorgane für Glykogen beziehungsweise Triglyzeride, die bei Bedarf mobilisiert werden.

Auf zellulärer Ebene sind die Mitochondrien die entscheidenden Organellen der aeroben Energiegewinnung (Citratzyklus, oxidative Phosphorylierung), während im Zytosol die Glykolyse und die Fettsäuresynthese stattfinden. Das endoplasmatische Retikulum ist Ort der Proteinbiosynthese und der Biotransformation.

Funktion

Die Funktionen des Stoffwechsels lassen sich in mehrere Teilbereiche gliedern:

• Kohlenhydratstoffwechsel: Glykolyse, Glukoneogenese, Glykogenolyse und Pentosephosphatweg dienen der Bereitstellung von Glukose als universellem Energieträger. Insulin senkt den Blutzuckerspiegel, Glukagon und Kortisol erhöhen ihn.
• Fettstoffwechsel (Lipidmetabolismus): Die β-Oxidation von Fettsäuren liefert Acetyl-CoA für den Citratzyklus. Die Lipogenese dient der Energiespeicherung. Bei Energiemangel bildet die Leber Ketonkörper (Ketogenese).
• Eiweißstoffwechsel (Proteinmetabolismus): Aminosäuren werden für die Proteinsynthese verwendet oder über Transaminierung und oxidative Desaminierung abgebaut. Der dabei entstehende Ammoniak wird in der Leber über den Harnstoffzyklus entgiftet.
• Mineralstoff- und Elektrolytstoffwechsel: Kalzium, Phosphor, Natrium, Kalium und Magnesium unterliegen einer präzisen hormonellen Regulation durch Parathormon, Calcitonin und Vitamin D.
• Wasser- und Säure-Basen-Haushalt: Nieren, Lunge und Puffersysteme im Blut halten den pH-Wert in einem engen physiologischen Bereich.

Unterschiede zwischen Tierarten

Die vergleichende Anatomie und Physiologie zeigt erhebliche Unterschiede im Stoffwechsel verschiedener Spezies:

• Wiederkäuer (Ruminantia): Rinder, Schafe und Ziegen decken ihren Energiebedarf überwiegend durch kurzkettige Fettsäuren (Acetat, Propionat, Butyrat), die von Mikroorganismen im Pansen (Rumen) aus Zellulose produziert werden. Die Glukoseversorgung erfolgt fast ausschließlich über die Glukoneogenese aus Propionat. Der Kohlenhydratstoffwechsel unterscheidet sich daher grundlegend von dem monogastrischer Tiere.
• Fleischfresser (Karnivoren): Hund und Katze haben einen hohen Proteinumsatz. Die Katze ist ein obligater Karnivore mit eingeschränkter Fähigkeit zur Synthese bestimmter Aminosäuren (Taurin, Arginin) und zur Konversion von β-Carotin in Vitamin A. Ihr Stoffwechsel ist auf tierische Proteinquellen angewiesen.
• Pferd (Equus caballus): Als Dickdarmfermentierer nutzt das Pferd die mikrobielle Fermentation im Caecum und Colon zur Verwertung von Pflanzenfasern. Die flüchtigen Fettsäuren werden dort resorbiert.
• Vögel (Aves): Vögel besitzen einen besonders hohen Grundumsatz mit erhöhter Körpertemperatur (40–42 °C). Statt