Katabolismus bezeichnet den Teil des Stoffwechsels, bei dem komplexe organische Moleküle in einfachere Bestandteile zerlegt werden. Dieser Abbauprozess ist exergonisch, das heißt, er setzt Energie frei, die für zelluläre Prozesse genutzt oder als Wärme abgegeben wird. Im Gegensatz zum Anabolismus, der energieverbrauchende Aufbauprozesse umfasst, ist der Katabolismus primär auf die Gewinnung und Bereitstellung von Energie ausgerichtet. Die freigesetzte Energie wird hauptsächlich in Form von Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert, der universellen Energiewährung der Zelle, oder in Form von Reduktionsäquivalenten wie NADH und FADH2, die später in der Elektronentransportkette zur ATP-Synthese beitragen.

Die zentralen katabolischen Wege umfassen die Aufspaltung von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen. Ein prominentes Beispiel ist die Glykolyse, bei der Glukose in Pyruvat zerlegt wird, wodurch eine kleine Menge ATP direkt und NADH entsteht. Dieses Pyruvat kann unter aeroben Bedingungen weiter in den Citratzyklus eingeschleust werden, wo es vollständig zu Kohlendioxid oxidiert wird und weitere Reduktionsäquivalente generiert. Die Beta-Oxidation ist der katabolische Weg für Fettsäuren, bei dem diese schrittweise in Acetyl-CoA-Einheiten zerlegt werden, die ebenfalls in den Citratzyklus gelangen. Proteine werden durch Proteolyse in Aminosäuren gespalten, die entweder zur Synthese neuer Proteine verwendet oder ebenfalls katabolisch abgebaut werden können, indem ihre Kohlenstoffgerüste in den Stoffwechsel eingeschleust werden.

Die Integration dieser Abbauwege ist entscheidend für die effiziente Energiegewinnung der Zelle. Acetyl-CoA, das Endprodukt des Abbaus von Kohlenhydraten, Fetten und einigen Aminosäuren, ist der zentrale Metabolit, der in den Citratzyklus eintritt. Dort werden die Kohlenstoffatome vollständig oxidiert, wobei CO2 freigesetzt und die Reduktionsäquivalente NADH und FADH2 gebildet werden. Diese Coenzyme übergeben ihre Elektronen an die Elektronentransportkette in den Mitochondrien, wo durch oxidative Phosphorylierung der Großteil des zellulären ATP erzeugt wird. Dieser Prozess ist hochreguliert, um den Energiebedarf der Zelle präzise zu decken.

Ein alltägliches Beispiel für Katabolismus ist die Verdauung von Nahrung. Nach der Aufnahme werden komplexe Nahrungsbestandteile wie Stärke, Triglyceride und Proteine enzymatisch in ihre monomeren Einheiten – Glukose, Fettsäuren und Glycerin, sowie Aminosäuren – zerlegt. Diese kleineren Moleküle werden dann von den Zellen aufgenommen und in den oben genannten katabolischen Wegen weiter abgebaut, um die notwendige Energie für Lebensprozesse wie Muskelkontraktion, Nervenleitung und die Aufrechterhaltung der Körpertemperatur zu liefern. Der Katabolismus ist somit die Grundlage für die Energieversorgung des gesamten Organismus.

Die Regulation des Katabolismus ist komplex und wird durch eine Vielzahl von Hormonen und intrazellulären Signalen gesteuert. Hormone wie Glukagon und Adrenalin fördern den Katabolismus, indem sie beispielsweise den Abbau von Glykogen zu Glukose (Glykogenolyse) oder den Abbau von Fetten (Lipolyse) stimulieren, um den Blutzuckerspiegel aufrechtzuerhalten oder Energie für "Kampf-oder-Flucht"-Reaktionen bereitzustellen. Kortisol, ein Stresshormon, fördert ebenfalls den Katabolismus, insbesondere den Proteinabbau, um Aminosäuren für die Glukoneogenese (Neubildung von Glukose) bereitzustellen. Diese fein abgestimmte Regulation gewährleistet, dass der Körper unter verschiedenen Bedingungen, wie Fasten, körperlicher Anstrengung oder Stress, adäquat mit Energie versorgt wird.

Katabolische Prozesse sind nicht nur auf höhere Organismen beschränkt, sondern finden sich in allen Lebewesen, von Bakterien über Pflanzen bis hin zu Tieren. Mikroorganismen nutzen den Katabolismus, um eine breite Palette von organischen und manchmal auch anorganischen Substraten abzubauen und daraus Energie zu gewinnen, was für biogeochemische Kreisläufe von großer Bedeutung ist. Pflanzen betreiben Katabolismus, um gespeicherte Energie aus Stärke oder Lipiden freizusetzen, insbesondere während Keimung oder in Zeiten ohne Photosynthese. Die Effizienz und Spezifität dieser katabolischen Wege sind entscheidend für das Überleben und die Anpassungsfähigkeit der Organismen an ihre jeweilige Umwelt.

In der Medizin spielt der Katabolismus eine wichtige Rolle bei verschiedenen Krankheitszuständen. Bei chronischen Erkrankungen, Sepsis, schweren Traumata oder lang anhaltendem Fasten kann ein übermäßiger Katabolismus zum Abbau von Muskelmasse und Fettreserven führen, was als Kachexie oder Sarkopenie bekannt ist. Dies beeinträchtigt die Genesung und die Lebensqualität erheblich. Das Verständnis der Mechanismen, die den Katabolismus regulieren, ist daher entscheidend für die Entwicklung therapeutischer Strategien, die darauf abzielen, diesen unerwünschten Gewichtsverlust zu mildern und die Homöostase des Körpers wiederherzustellen. Die Balance zwischen katabolischen und anabolischen Prozessen ist fundamental für die Aufrechterhaltung der Gesundheit.