Kapitel 7: Stoffwechsel

Metabolismus bezeichnet die Gesamtheit der in einer Zelle ablaufenden Prozesse und setzt sich aus den Teilbereichen Energiestoffwechsel und Leistungsstoffwechsel zusammen. Im Energiestoffwechsel wird Sonnenenergie oder chemische Energie in Form von ATP, elektrochemischen Membranpotentialen und Reduktionsäquivalenten konserviert und für den Leistungsstoffwechsel bereitgestellt. Der Leistungsstoffwechsel besteht aus den Energie verbrauchenden Prozessen Anabolismus, Transport, Bewegung und Wahrnehmung. Im Anabolismus werden unter Energieverbrauch Zellstrukturen aufgebaut, er wird daher auch als Baustoffwechsel bezeichnet. Im Katabolismus werden energiereiche organische Verbindungen zu energieärmeren abgebaut und die dabei frei werdende Energie konserviert. Der Katabolismus ist daher ein Teilbereich des Energiestoffwechsels
 

Ein chemolithoautropher Organismus nutzt die Oxidation chemischer Verbindungen als Energiequelle, einen anorganischen Elektronendonor und als Kohlenstoffquelle für die Synthese von Zellsubstanz überwiegend CO2. Stoffwechseltypen werden anhand der Energiequelle (phototroph: Sonnenlicht; chemotroph: chemische Energie), des Elektronendonors (lithotroph: anorganisch; organotroph: organisch) und der vorwiegend genutzten Kohlenstoffquelle für den Baustoffwechsel (autotroph: CO2; heterotroph: organische Kohlenstoffverbindungen) definiert.
 

Autotrophe Organismen, z.B. Pflanzen, synthetisieren als Primärproduzenten aus CO2 organische Kohlenstoffverbindungen, die von heterotrophen Organismen, z.B. Tieren, für ihren Baustoffwechsel genutzt werden.
 

Wie verschiedene andere Verbindungen besitzt auch ATP ein hohes Gruppenübertragungspotential, seine Hydrolyse ist jedoch unter physiologischen Bedingungen kinetisch gehemmt, sodass nur unter enzymatischer Katalyse eine Phosphorylgruppe auf eine Verbindung mit geringerem Gruppenübertragungspotential übertragen wird.
 

Die Energieladung einer Zelle ist definiert als Quotient aus der Summe der Konzentration von ATP plus der halben Konzentration von ADP und der Summe der Konzentrationen von ATP, ADP und AMP:

Energieladung = ([ATP] + ½ [ADP]) / ([ATP] + [ADP] + [AMP]). Sie kann Werte zwischen 1 (nur ATP) und 0 (nur AMP) annehmen, über die Energieladung werden ATP-erzeugende und ATP-verbrauchende Stoffwechselwege bedarfsgerecht reguliert.
 

Als Dissimilation wird der stufenweise Abbau energiereicher Substrate im Energiestoffwechsel bezeichnet, als Assimilation der Aufbau von Zellsubstanz aus einfachen Biosynthesevorstufen im Baustoffwechsel.
 

Eine Dissimilation gliedert sich in einen oxidativen und einen reduktiven Teil. Im oxidativen Teil fungiert das Energiesubstrat als Elektronendonor und wird oxidiert. Als Elektronenakzeptor dienen Nicotinamidnucleotide oder enzymgebundene Flavinnucleotide. Im reduktiven Teil gibt es zwei Möglichkeiten: Bei Nutzung eines externen Elektronenakzeptors wird das Energiesubstrat vollständig oxidiert und die frei werdenden Elektronen auf einen terminalen Elektronenakzeptor übertragen (Atmung), steht kein externer Elektronenakzeptor zur Verfügung, dient eine im oxidativen Teil entstandene organische Verbindung als interner Elektronenakzeptor, die Oxidation des Energiesubstrates ist unvollständig (Gärung).
 

ATP kann in beiden Teilen der Dissimilation synthetisiert werden. Bei der Substratstufenphosphorylierung, die meist im oxidativen Teil stattfindet, wird eine Phosphorylgruppe von einem energiereichen Zwischenprodukt, dessen Gruppenübertragungspotential hoch genug ist, auf ADP übertragen. Im reduktiven Teil kann ATP über Elektronentransportphosphorylierung synthetisiert werden, Voraussetzung ist eine Elektronentransportkette und ein externer Elektronenakzeptor. Die im oxidativen Teil reduzierten Coenzyme (NADH, [FADH2] bzw. QH2) dienen als Elektronendonoren. Durch die gleichzeitige Translokation von Protonen über eine Membran wird ein elektrochemischer Protonengradient aufgebaut. Die resultierende protonenmotorische Kraft kann zur ATP-Synthese durch eine membrangebundene ATP-Synthase genutzt werden.
 

Die ATP-Synthese phototropher Organismen entspricht einer Elektronentransportphosphorylierung. Als Elektronendonor fungiert jedoch kein chemisches Energiesubstrat, das oxidiert wird, sondern die Elektronen werden einem primären Elektronendonor, z.B. Wasser bei Cyanobacteria und grünen Pflanzen, durch die Energie des Sonnenlichts entzogen und über eine Elektronentransportkette auf einen terminalen Elektronenakzeptor übertragen. Auch hier wird durch Translokation von Protonen eine protonenmotorische Kraft aufgebaut, die für die ATP-Synthese durch eine membrangebundene ATP-Synthase genutzt wird.
 

In der Glykolyse wird Glucose in 10 Schritten zu Pyruvat oxidiert. An zwei Stellen werden über mehrere Reaktionen energiereiche Zwischenprodukte gebildet, deren Gruppenübertragungspotential hoch genug ist, um nachfolgend eine Phosphorylgruppe auf ADP zu übertragen. Pro Mol Glucose werden vier Mol ATP über Substratstufenphosphorylierung synthetisiert und zwei Mol Reduktionsäquivalente erzeugt. Zur Aktivierung werden pro Mol Glucose zwei Mol ATP verbraucht, sodass die Nettoproduktion zwei Mol ATP pro Mol Glucose beträgt.
 

Glucose-6-phosphat ist ein zentrales Intermediat verschiedener kataboler und anaboler Stoffwechselwege, z.B. Glykolyse, Pentosephosphatweg, Gluconeogenese, Glykogensynthese. Da die Isomerisierung von Glucose-6-phosphat zu Fructose-6-phosphat reversibel ist, stellt erst die irreversible Reaktion der Phosphofructokinase endgültig die Weichen in Richtung Glykolyse.
 

Für die ATP-Synthese ist unter physiologischen Bedingungen ein Energiebetrag von 50 kJ mol–1 erforderlich. Die Freie Standardenthalpie der Hydrolyse von Phosphoenolpyruvat ist mit –62 kJ mol–1 hoch genug für die Phosphorylierung von ADP zu ATP, dagegen würde die Freie Standardenthalpie der Hydrolyse von 2-Phosphoglycerat von –17,6 kJ mol–1 nicht ausreichen
 

Die Regulation der Phosphofructokinase spiegelt die Funktionen der Glykolyse, Energiekonservierung und Bereitstellung von Bausteinen, wider: Das Enzym wird über die Energieladung reguliert: Hohe ATP-Konzentrationen hemmen die Phosphofructokinase allosterisch, hohe Konzentrationen von ADP und AMP wirken aktivierend. Das Signal des Baustoffwechsels geht von Citrat aus: eine hohe Citratkonzentration zeigt eine ausreichende Menge an Bausteinen an und wirkt daher hemmend auf die Phosphofructokinase. Die durch ATP bewirkte allosterische Hemmung wird dabei verstärkt.
 

Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex katalysiert die oxidative Decarboxylierung von Pyruvat und besteht aus drei Enzymkomponenten mit den Cofaktoren Thiaminpyrophosphat (TPP), Liponamid und enzymgebundenem FAD. Im ersten Schritt wird Pyruvat an TPP gebunden und decarboxyliert. Die gebundene Hydroxyethylgruppe wird anschließend zur Acetylgruppe oxidiert und auf Liponamid transferiert. Daraufhin übernimmt Coenzym A die Acetylgruppe unter Bildung von Acetyl-CoA. Die letzten beiden Schritte dienen der Reoxidierung von Dihydroliponamid mit enzymgebundenem FAD und freiem NAD+ als Elektronenakzeptoren. Produkte der Reaktion sind CO2, Acetyl-CoA und NADH. Nach dem gleichen Prinzip läuft die Reaktion des α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplexes im Citratzyklus ab, an dem ebenfalls Coenzym A sowie die Cofaktoren TPP, Liponamid und enzymgebundenes FAD beteiligt sind: α-Ketoglutarat wird oxidativ decarboxyliert, Reaktionsprodukte sind CO2, Succinyl-CoA und NADH.
 

Die Synthese von Polysacchariden beginnt mit der Aktivierung der Zuckermonomere zu Nucleosiddiphophat-Zuckern mit hohem Gruppenübertragungspotential, z.B. UDP-Glucose bei der Glykogensynthese. Spezielle Synthasen katalysieren an einem Startermolekül aus 4 bis 8 Glucanresten die glykosidische Verknüpfung der Monomere unter Freisetzung des Nucleosiddiphosphates. Speicherpolysaccharide sind in der Regel α-glykosisch verknüpft, Strukturpolysaccharide β-glykosidisch. Verzweigungen werden durch spezielle Verzweigungsenzyme eingeführt. Der Abbau von Polysacchariden erfolgt phosphorolytisch oder hydrolytisch, Verzweigungen, z.B. in Stärke, erfordern spezielle „debranching“-Enzyme.
 

In Cellulose sind Glucose-Monomere β1→4-glykosidisch verknüpft. Diese Bindung kann von der tierischen α-Amylase nicht gespalten werden. Tiere, die Cellulose verwerten wie Wiederkäuer oder Termiten, beherbergen in ihrem Verdauungstrakt symbiontische Bakterien bzw. eukaryotische Einzeller, die Cellulasen produzieren.
 

Über die Gluconeogenese werden Glucose-6-phosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat aus Substraten synthetisiert, die über Pyruvat oder über Intermediate des Citratzyklus in den Zentralstoffwechsel eingeschleust werden. Alle reversiblen Reaktionen der Glykolyse laufen dabei in umgekehrter Richtung ab, die irreversiblen erfordern andere Enzyme. Die Bildung von Phosphoenolpyruvat (PEP) aus Pyruvat erfolgt meist in zwei ATP bzw. GTP verbrauchenden Schritten: die Carboxylierung von Pyruvat zu Oxalacetat durch die Pyruvat-Carboxylase und die nachfolgende Umsetzung von Oxalacetat zu PEP durch die PEP-Carboxykinase. Die Dephosphorylierung von Fructose-1,6-bisphosphat zu Fructose-6-phosphat wird von der Fructose-1,6-bisphosphatase katalysiert. Bei Tieren setzt die Glucose-6-phosphatase in Leber, Nierenrinde und Dünndarmepithel Glucose-6-phosphat zu Glucose um, die über das Blut transportiert werden kann.
 

Glykolyse und Gluconeogenese sind gepaarte katabole und anabole Stoffwechselwege, die den Abbau bzw. die Synthese von Glucose(-6-phosphat) zum Ziel haben. Da die Glykolyse pro Mol Glucose netto zwei ATP liefert und die Gluconeogenese sechs energiereiche Phosphatbindungen verbraucht, hätte ein gleichzeitiger Ablauf beider Wege eine Verschwendung von ATP zur Folge. Regulationsstellen sind jeweils die unterschiedlichen Enzyme beider Wege, die durch Signale des Energie- bzw. des Baustoffwechsels stimuliert oder inhibiert werden.

Der Pentosephosphatweg stellt Pentosen und Reduktionsäquivalente in Form von NADPH für Biosynthesen zur Verfügung. Er besteht aus einem oxidativen und einem nicht oxidativen Abschnitt, die über Epimerisierungs- und Isomerisierungsreaktionen miteinander verbunden sind.

Im irreversiblen oxidativen Abschnitt wird ausgehend von Glucose-6-phosphat Ribulose-5-phosphat gebildet, dabei dient NADP+ als Elektronenakzeptor. Im nicht oxidativen Abschnitt werden durch reversible Umlagerungen von C2 und C3-Einheiten aus drei Pentosen zwei Hexosen und eine Triose gebildet, katalysierende Enzyme sind Transaldolasen und Transketolasen. Die Umkehrbarkeit dieser Umlagerungsreaktionen erlaubt die flexible Umschaltung zwischen Pentosen, Hexosen und Triosen.
 

Bei der vollständigen Oxidation von Glucose zu CO2 wird ein Energiebetrag von –2877 kJ mol–1 freigesetzt, die unvollständige Oxidation zu Lactat oder Ethanol dagegen nur –219 kJ mol–1 bzw. –234 kJ mol–1. Die ATP-Ausbeute pro Mol umgesetzte Glucose ist daher bei einer Veratmung deutlich größer als bei einer Vergärung, sodass bei einer Vergärung ein höherer Substratumsatz zur Deckung des Energiebedarfs erforderlich ist.
 

Der Citratzyklus verbindet katabole und anabole Stoffwechselwege: Er dient der vollständigen Oxidation von Pyruvat, der Synthese von GTP bzw. ATP sowie der Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten. Seine Zwischenprodukte liefern zahlreiche Biosynthesevorstufen, umgekehrt werden viele Substrate über Zwischenprodukte des Citratzyklus in den Zentralstoffwechsel eingeschleust, z.B. bestimmte Aminosäuren.
 

Der Citratzyklus findet bei Prokaryoten im Cytoplasma, bei Eukaryoten in der Mitochondrienmatrix statt, die eukaryotischen Enzyme sind zu einem Komplex zusammengefasst.
 

Die Succinat-Dehydrogenase katalysiert die Oxidation von Succinat zu Fumarat, dabei dient enzymgebundenes FAD als Elektronenakzeptor, da die Änderung der Freien Energie für eine Reduktion von NAD+ nicht ausreicht. Als einziges Enzym des Citratzyklus ist die Succinat-Dehydrogenase membrangebunden, sie ist Bestandteil von Komplex II der Atmungskette. Über den Chinonpool speist sie die dem Succinat entzogenen Elektronen direkt in die Elektronentransportkette der Endoxidation ein und verbindet so Citratzyklus und Atmungskette.
 

Anaplerotische Reaktionen dienen der Regeneration von Oxalacetat, dem Akzeptormolekül für Acetyl-CoA, aus Pyruvat oder PEP. Da Intermediate des Citratzyklus als Vorstufen für Biosynthesen abgezogen werden, kann Oxalacetat nicht in ausreichender Menge regeneriert werden, sodass der Citratzyklus zum Erliegen kommen würde. Durch die Bildung von Oxalacetat aus Pyruvat oder PEP mithilfe spezieller Enzyme, z.B. Pyruvat-Carboxylase, PEP-Carboxylase, wird der Oxalacetat-Pool wieder aufgefüllt.
 

Tiere besitzen mit Ausnahme einiger Wirbelloser keinen Glyoxylatzyklus wie Pflanzen, Pilze und viele Prokaryoten. Über den Glyoxylatzyklus wird mithilfe von zwei speziellen Enzymen aus Acetyl-CoA Succinat bzw. Malat synthetisiert, die weiter zu Oxalacetat und über die Gluconeogenese zu Kohlenhydraten umgesetzt werden können. Wegen des fehlenden Glyoxylatzyklus ist in Tieren die Synthese von Kohlenhydraten aus Substraten, die zu Acetyl-CoA abgebaut werden, z.B. Fette und Fettsäuren, nicht möglich. In Pflanzen wird dieser Weg dagegen sehr intensiv genutzt, da die Samen vieler Pflanzen vorwiegend Lipide als Energie- und Kohlenstoffspeicher enthalten.
 

Schlüsselenzyme katalysieren irreversible Reaktionen an Verzweigungspunkten von Stoffwechselwegen. Da die von ihnen katalysierten Reaktionen die Weichen in eine bestimmte Richtung stellen, unterliegen sie der allosterischen Regulation durch Zwischen- oder Endprodukte des Energie- bzw. des Baustoffwechsels. Beispiele sind Phosphofructokinase (Glykolyse), Acetyl-CoA-Carboxylase (Fettsäuresynthese), Rubisco (Calvinzyklus).
 

Eine Elektronentransportkette besteht aus hintereinander geschalteten Oxidoreductasen, die in Richtung des positiveren Redoxpotentials in einer Membran angeordnet sind. Jede Oxidoreductase besteht aus mehreren Untereinheiten mit Coenzymen oder prosthetischen Gruppen, die durch Aufnahme bzw. Abgabe von Elektronen oder Elektronen plus Protonen im Wechsel oxidiert und reduziert werden. Zwischen den einzelnen Oxidoreductasen fungieren kleine mobile Carrier, z.B. Cytochrome oder Chinone, als Elektronenüberträger. Oxidoreductasen, die beim Elektronentransport Protonen über die Membran translozieren (Protonenpumpen), tragen zum Aufbau der protonenmotorischen Kraft bei.
 

In den Redoxreaktionen von Glykolyse und Citratzyklus werden die den Substraten entzogenen Elektronen zunächst auf NAD+ bzw. enzymgebundenes FAD übertragen. Elektronen aus NADH werden über Komplex I, die NADH-Q-Oxidoreductase, in die mitochondriale Atmungskette eingeschleust und an Komplex III, die Hydrochinon-Cytochrom-c-Oxidoreductase, weitergegeben, Elektronen von enzymgebundenem FAD werden über Komplex II, die Succinat-Q-Oxidoreductase, in die Atmungskette eingebracht. Dabei werden pro Elektronenpaar aus NADH insgesamt 10 Protonen über die Membran transloziert, pro Elektronenpaar aus enzymgebundenem FADH2 6 Protonen.
 

Da in Eukaryoten die Glykolyse im Cytoplasma stattfindet, die Atmungskette jedoch in der für NADH undurchlässigen inneren Mitochondrienmembran lokalisiert ist, muss cytosolisches NADH aus der Glykolyse mithilfe spezieller Shuttle-Systeme (Glycerinphosphat-Shuttle, Malat-Aspartat-Shuttle) über die innere Mitochondrienmembran transportiert werden.
 

Zwischen Redoxreaktion und ATP-Synthese besteht eine chemiosmotische Kopplung: Durch den Transport der Elektronen, die den Substraten entzogen wurden, und die gleichzeitige Translokation von Protonen über die Membran werden sowohl eine Potentialdifferenz als auch ein Protonengradient über der Membran aufgebaut. In der so erzeugten protonenmotorischen Kraft ist ein Teil der Freien Energie der Redoxreaktion gespeichert und wird durch den kontrollierten Rückfluss von Protonen durch den Protonenkanal der membrangebundenen ATP-Synthase zur Synthese von ATP genutzt.
 

Entkoppler bewirken einen Zusammenbruch der protonenmotorischen Kraft und damit der ATP-Synthese, indem sie Protonen oder andere einwertige Kationen über die Membran schleusen. Der Elektronentransport wird nicht beeinträchtigt, die gespeicherte Energie wird als Wärme freigesetzt.
 

Die ATP-Synthase besteht aus einem hydrophilen Kopfteil F1 und dem hydrophoben, die Membran durchspannenden Fo-Teil. Beide Teile sind jeweils aus mehreren Untereinheiten zusammengesetzt und über einen zentralen und einen peripheren Stiel miteinander verbunden. Der Fo-Teil stellt den Protonen(Ionen)kanal dar, am F1-Teil findet die ATP-Synthese statt. Das Enzym kann auch umgekehrt arbeiten und die Hydrolyse von ATP zum Aufbau eines Protonen(Ionen)gradienten nutzen.
 

Die ATP-Ausbeute der Endoxidation hängt von folgenden Faktoren ab:

der Redoxpotentialdifferenz zwischen NADH und dem terminalen Elektronenakzeptor,

den Atmungsketten-Komponenten, die die jeweilige Protonen/Elektronen-Stöchiometrie bestimmen,

und bei Eukaryoten den verwendeten Shuttle-Systemen für NADH und Adeninnucleotide.
 

Die in den Mitochondrien gebildete ATP-Menge ist abhängig von der Geschwindigkeit der Atmung, d.h. des O2-Verbrauchs. Die Kontrolle der Atmungsgeschwindigkeit erfolgt über die ADP-Konzentration: Bei erhöhtem Energieverbrauch sinkt die Energieladung und die ADP-Konzentration steigt, sodass mehr Substrat für die ATP-Synthese zur Verfügung steht. Die erhöhte ADP-Konzentration bewirkt eine Steigerung der Atmungsgeschwindigkeit und entsprechend der ATP-Synthese.
 

Lipide werden durch Lipasen in Glycerin und Fettsäuren gespalten. Glycerin wird nach Phosphorylierung in die Glykolyse eingeschleust, die Fettsäuren über die β-Oxidation zu Acetyl-CoA abgebaut.
 

Fettsäuren werden im Cytosol in einer ATP-abhängigen Reaktion mit Coenzym A zu Acyl-CoA aktiviert. Bei Eukaryoten wird die aktivierte Fettsäure anschließend über den Carnitin-Shuttle in die Mitochondrienmatrix transportiert, wo die β-Oxidation stattfindet.
 

Bei der β-Oxidation wiederholt sich eine Abfolge von vier Reaktionsschritten:

Oxidation mit enzymgebundenem FAD als Elektronenakzeptor,

Hydratisierung der entstandenen Doppelbindung,

Oxidation des entstandenen β-Hydroxyacyl-CoA mit NAD als Elektronenakzeptor,

thiolytische Spaltung und nachfolgende Freisetzung von Acetyl-CoA.

Das um zwei Kohlenstoffatome verkürzte Fettsäureacyl-CoA-Molekül tritt in eine neue Reaktionsrunde ein.
 

Die Fettsäurebiosynthese findet im Cytoplasma statt und wird unter ATP-Verbrauch durch die biotinabhängige Carboxylierung von Acetyl-CoA zu Malonyl-CoA eingeleitet.
 

Der in der Eingangsreaktion gebildete Malonylrest wird von Coenzym A auf die Thiolgruppe des Acyl-Carrier-Proteins übertragen, ein Acetylrest aus Acetyl-CoA auf die Thiolgruppe des kondensierenden Enzyms. Während der weiteren Reaktionsfolge bleiben die Zwischenprodukte an eine dieser beiden Thiolgruppen gebunden. Die Decarboxylierung des Malonylrestes liefert die Energie für die Kondensation der beiden Acylreste am Acyl-Carrier-Protein. Der entstandene Acetacetylrest wird anschließend mit NADPH reduziert, dehydratisiert und ein zweites Mal mit NADPH reduziert. Es entsteht ein Butyrylrest, der nach Translokation auf die Thiolgruppe des kondensierenden Enzyms in eine neue Reaktionsrunde eintritt. In jeder Runde wird der Acylrest um zwei Kohlenstoffatome verlängert.
 

In Prokaryoten besteht die Fettsäuresynthase aus sieben eng assoziierten Einzelenzymen, in Eukaryoten sind sie zu einem Multienzymkomplex zusammengefasst.
 

Zentrales Intermediat der Lipidsynthese ist Phosphatidat (Diacylglycerin-3-phosphat, in Archaea Diacylglycerin-1-phosphat). Ausgehend von Phosphatidat werden Triacylglyceride, Glycerophospholipide und Glyceroglykolipide synthetisiert.
 

Ausgangssubstrat der Cholesterin-Biosynthese ist Acetyl-CoA, das sämtliche Kohlenstoffatome des Cholesterins liefert. Da die Synthese einen sauerstoffabhängigen Schritt beinhaltet, entstand Cholesterin erst unter einer aeroben Erdatmosphäre, sodass vor allem eukaryotische Membranen Cholesterin enthalten.
 

Die Fixierung von molekularem Stickstoff (N2) erfordert wegen der sehr stabilen Bindung zwischen den beiden Stickstoffatomen den Nitrogenase-Komplex, den nur bestimmte Prokaryoten besitzen. Das Enzym enthält einen Eisen-Molybdän-Cofaktor und ist sehr sauerstoffempfindlich.
 

Für den Baustoffwechsel wird Stickstoff in Form von Ammonium benötigt. Im Verlauf der assimilatorischen Nitratreduktion wird in Pflanzen und Prokaryoten verfügbares Nitrat durch lösliche Enzyme über Nitrit als Zwischenstufe zu Ammonium reduziert. Die dissimilatorische Nitratreduktion kommt nur bei Prokaryoten vor, sie dient der Energiekonservierung (Nitratatmung), die beteiligten Enzyme sind membrangebunden.
 

Bei hoher Ammonium-Konzentration überträgt die Glutamat-Dehydrogenase unter Bildung von Glutamat Ammonium auf α-Ketoglutarat. Bei niedriger Ammonium-Konzentration überträgt die ATP abhängige Glutamin-Synthetase, die einen deutlich niedrigeren KM-Wert für Ammonium hat, Ammonium unter Bildung von Glutamin auf Glutamat. Die Glutamat-Synthase katalysiert anschließend die Bildung von zwei Glutamat aus Glutamin und α-Ketoglutarat.
 

Die Kohlenstoffskelette der meisten Aminosäuren leiten sich von Zwischenprodukten der Glykolyse, des Citratzyklus oder des Pentosephosphatweges ab. Die Aminogruppen werden in der Regel durch Transaminasen eingeführt, deren prosthetische Gruppe Pyridoxalphosphat ist. Als Amingruppendonor fungiert meist Glutamat.
 

Essentielle Aminosäuren kann ein Organismus nicht selbst synthetisieren, sondern muss sie mit der Nahrung oder über Darmbakterien aufnehmen. Für den Menschen essentiell sind die verzweigten Aminosäuren Valin, Leucin und Isoleucin, die aromatischen Aminosäuren Phenylalanin und Tryptophan sowie Lysin, Methionin, Histidin und Threonin.
 

Glucogene Aminosäuren werden zu Pyruvat oder Zwischenprodukten des Citratzyklus abgebaut, ketogene zu Acetyl-CoA oder Acetacetyl-CoA. Tiere können wegen des fehlenden Glyoxylatzyklus aus ketogenen Aminosäuren keine Kohlenhydrate bilden.
 

Der Harnstoffzyklus findet in der Leber statt. Er besteht aus fünf Reaktionen, von denen zwei in der Mitochondrienmatrix und drei im Cytosol ablaufen. Aufgabe des Harnstoffzyklus ist die Bindung von NH4+, das dann in Form von Arginin für Biosynthesen bereitgestellt wird. Ist der Stickstoffbedarf dieser Biosynthesen abgedeckt, wird überschüssiger Stickstoff als Harnstoff ausgeschieden.
 

Oxygene Photosynthese: zwei hintereinander geschaltete Photosysteme, zentrale Pigmente sind Chlorophylle, zwei Lichtreaktionen, Photosystem I erzeugt Reduktionsäquivalente (NADPH), Photosystem II die protonenmotorische Kraft für die ATP-Synthese; externer Elektronendonor ist H2O, durch dessen photolytische Spaltung molekularer Sauerstoff entsteht.

Anoxygene Photosynthese: ein Photosystem (Reaktionszentrum entweder Typ I oder Typ II), zentrale Pigmente sind Bakteriochlorophylle, eine Lichtreaktion, ein Photosystem erzeugt Reduktionsäquivalente und die protonenmotorische Kraft, verschiedene externe Elektronendonoren, z. B. H2S, S0, S2O32–, H2, Fe2+ oder organische Verbindungen, niemals H2O, daher keine O2-Produktion.
 

Beim revertierten Elektronentransport werden Elektronen unter Energieaufwand „bergauf“ (in Richtung des negativeren Redoxpotentials) gepumpt. Er findet z.B. statt, wenn ein externer Elektronendonor mit einem positiveren Redoxpotential als NAD(P+) genutzt wird oder bei Purpurbakterien und Schwefelfreien Grünen Bakterien, bei deren Typ-II-Reaktionszentrum der erste stabile Elektronenakzeptor ein positiveres Redoxpotential besitzt als NAD(P+).
 

Eukaryoten und viele Prokaryoten fixieren CO2 über den Calvin-Zyklus. CO2-Akzeptor ist Ribulose-1,5-bisphosphat, das Schlüsselenzym ist die Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase (Rubisco). Der Calvin-Zyklus gliedert sich in die Abschnitte Fixierung, Reduktion und Regeneration (des Akzeptormoleküls). Pro Molekül fixiertes CO2 werden drei ATP und zwei NADPH verbraucht, zur Synthese einer Hexose sind sechs Zyklen erforderlich.