Stickstoff-Exkretion und Stickstoff-Kreislauf

Sowohl in pflanzlichen wie in tierischen Körpern kommt Stickstoff hauptsächlich in Form von Aminosäuren, Proteinen, Nukleotiden und Nukleinsäuren vor. Die anderen Verbindungen bespreche ich hier nicht. Bei der Stoffaufnahme im Darm, werden diese Stoffe in Form von Aminosäuren und Nukleotiden aufgenommen. Aminosäuren liegen nicht immer im benötigten Verhältnis vor (es kann z.B. sein, dass zu viel Leucin, aber zu wenig Alanin vorhanden ist). Dann müssen die überschüssigen Aminosäuren abgebaut werden. Dabei muss die Aminogruppe -NH₂ beseitigt werden. Das ist chemisch kein Problem, denn sie könnte einfach hydrolytisch abgespalten werden, dann entstünde NH₃. Dieses ist gasförmig, könnte also im Prizip abgeatmet werden wie CO₂. Das geht deshalb nicht, weil NH₃ sofort mit Wasser zu NH₄⁺ und OH^- reagiert. Dadurch würde das Blut alkalischer, was sehr gefährlich ist. Mit anderen Worten, diese Reaktion muss wegen ihrer Giftigkeit vermieden werden.
Um Vergiftungserscheinungen zu vermeiden, wird im gesamten Tierreich die freizusetzende Aminogruppe an einen Träger gebunden. Das ist meistens Glutaminsäure. Durch die Aminierung entsteht das Aminosäureamid Glutamin. Damit ist die Aminogruppe natürlich noch nicht aus dem Körper entfernt. Die Exkretion ist am Einfachsten für die Fische. Sie transportieren nun das Glutamin zu den Kiemen, d.h. im Blut wird NH₃ gebunden zu den Kiemen transportiert und dort wird das NH₃ abgespalten und ins hinausströmende Wasser freigesetzt. Auf diese Weise gelangt also NH₃ ins Wasser.
Dieser Stoff ist aber energiehaltig und reduzierend, ist daher in der Umwelt nicht stabil. Bakterien nutzen das aus und er wird stufenweise entweder zu N₂ oder zu NO₃^- oxidiert. Das N₂ sammelt sich in der Atmosphäre an, das NO₃^- ist die Endoxidationsstufe des Stickstoffs und wäre in der Umwelt stabil, sofern es nicht irgendwie beseitigt wird. Das tun nun die Pflanzen. Sie könnten zwar NH₃ besser nutzen zum Aufbau von Proteinen aber das geht nicht, weil es von den Bakterien "weggefressen" wird. So können die Pflanzen in der Regel nur über NO₃^- an den benötigten Stickstoff kommen. Das aufgenommene NO₃^- wird sofort in den Wurzeln stufenweise zu NH₃ reduziert und als Aminogruppe gebunden. Die Pflanzen müssen also die von den Bakterien extrahierte Energie auf ihre Kosten für die vorzunehmende Reduktion von NO₃^- zu NH₄⁺ aufbringen. Der Stickstoff wird dann im Xylem schon in Form von Aminosäuren oder Purinen und Pyrimidinen (Bausteine der Nukleotide) in die oberen Pflanzenteile transportiert. Pflanzen haben keine Exkretion, schon gar nicht stickstoffhaltiger Stoffe, weil sie diese selbst bestens verwenden können. Muss eine Pflanze einmal ein Protein abbauen, so können die entstehenden Zwischenprodukte in jedem Fall wieder verwertet werden, so dass es nicht zur Exkretion kommt. In der Pflanze verbleibt der Stickstoff also bis sie stirbt.
Wenn die Pflanze stirbt, beginnt ein langwieriger Prozess des Abbaues der verschiedenen Pflanzenteile. Blätter, Wurzeln können vielleicht noch von Pflanzenfressern genutzt werden, die restlichen Teile werden von Bakterien und Pilzen abgebaut. Sie sind die wesentlichen Destruenten der Pflanzen. Die tierischen Pflanzenfresser verwerten natürlich die Proteine und Nukleinsäuren, sie müssen dann ebenfalls wie die Fische z.T. Proteine abbauen, wobei NH₃ anfällt. Dieses NH₃ wird auch bei ihnen an Glutaminsäure gebunden und als Glutamin ins Blut abgegeben. Da sie an Land leben, können sie es aber nicht problemlos ausscheiden. So wird das Glutamin zur Leber transportiert, dort aufgenommen, dann werden aus zwei Molekülen NH₃ und einem Molekül CO₂ Harnstoff in der Leber hergestellt. Dieser Harnstoff wird zur Niere transportiert und dort gelöst in Wasser ausgeschieden. Die Stickstoffexkretion ist also mit einem Wasserverlust verbunden.
In diesem Falle gelangt der Stickstoff also in Form von Harnstoff in die Umwelt. Harnstoff wird von Amphibien und Säugetieren gebildet, d.h. dass er also ins Wasser oder in den Erdboden gelangt. Dieser Stoff ist natürlich sehr energiehaltig. Das bedeutet, dass es wieder Bakterien geben wird, die sich auf ihn stürzen und ihn als Energiequelle nutzen werden. Wegen der weiten Verbreitung von Harnstoff können wohl praktisch alle Bakterien diesen mit Hilfe von Urease abbauen. In Anwesenheit von NH₃ wird die Bildung einer Urease allerdings gehemmt. Dann ist also wieder NH₃ entstanden und der Prozess läuft so wie oben geschildert weiter. Tiere, die in trockeneren Klimaten leben, können sich eine Stickstoffexkretion in Form von Harnstoff nicht leisten, weil sie mit einem zu großen Wasserverlust verbunden ist. Daher scheiden diese Tiere Harnsäure aus (Reptilien, Vögel, Insekten), ein Stoff, der noch komplexer gebaut ist, der aber weitgehend ohne Wasser ausgeschieden werden kann. Auch die Harnsäurezersetzung in der Umwelt läuft dann im Prinzip wie die des Harnstoffes ab.