Biochemie: Bausteine und Eigenschaften der lebenden Materie

Chemie und Biochemie: Komponenten der lebenden Materie

Komponenten der lebenden Materie

• Bioelemente
• Biomoleküle
• Bindungskräfte

Eigenschaften der lebenden Materie

• Komplexität
• Ordnung
• Replikationsfähigkeit

Zellstruktur und Organisation: Prokaryoten und Eukaryoten

1. Die chemischen Bausteine der Materie

Alle Lebewesen bestehen aus den gleichen chemischen Elementen, die die gleichen Arten von Molekülen bilden. Dies spiegelt den gemeinsamen evolutionären Ursprung von Zellen und Organismen wider.

A. Bioelemente

Hauptelemente (Makroelemente)

• Kohlenstoff (C)
• Wasserstoff (H)
• Sauerstoff (O)
• Stickstoff (N)

Mengenelemente (Nebenelemente)

• Schwefel (S)
• Phosphor (P)
• Magnesium (Mg)
• Calcium (Ca)
• Natrium (Na)
• Kalium (K)
• Chlor (Cl)

Spurenelemente (Mikroelemente)

Eisen (Fe), Silizium (Si), Mangan (Mn), Vanadium (V), Kupfer (Cu), Chrom (Cr), Zink (Zn), Kobalt (Co), Fluorid (F), Selen (Se), Jod (I), Molybdän (Mo), Bor (B), Zinn (Sn)

Die Tetraeder-Konfiguration des Kohlenstoffs

Verschiedene Arten von organischen Molekülen besitzen unterschiedliche dreidimensionale Strukturen. Diese räumliche Beschaffenheit ist entscheidend für die biologische Aktivität.

Funktionen ausgewählter Bioelemente

Mengenelemente im Detail

• Schwefel (S): Ist in zwei Aminosäuren (Cystein und Methionin) enthalten, die Bestandteile aller wichtigen Proteine sind, sowie in Stoffen wie Coenzym A.
• Phosphor (P): Ist Bestandteil der Nukleotide, die Nukleinsäuren bilden. Es ist auch Teil von Coenzymen und anderen Molekülen wie Phospholipiden (essenzielle Bestandteile der Zellmembran). Phosphat ist zudem ein mineralischer Bestandteil vieler Lebewesen.
• Magnesium (Mg): Ist in ionischer Form Teil des Chlorophyll-Moleküls und wirkt als Katalysator zusammen mit Enzymen in vielen chemischen Reaktionen des Körpers.
• Calcium (Ca): Ist als Calciumcarbonat Teil von Skelettstrukturen. In ionischer Form ist es an der Muskelkontraktion, der Blutgerinnung und der Übertragung von Nervenimpulsen beteiligt.
• Natrium (Na): Das Kation ist reichlich im extrazellulären Milieu vorhanden und wichtig für die Nervenleitung und Muskelkontraktion.
• Kalium (K): Das Kation ist das häufigste in den Zellen und ebenfalls essenziell für die Nervenleitung und Muskelkontraktion.
• Chlor (Cl): Anion, das zur Aufrechterhaltung des Wasserhaushalts im Blut und in der interstitiellen Flüssigkeit erforderlich ist.

Spurenelemente im Detail

• Eisen (Fe): Ein wesentlicher Bestandteil für die Synthese von Chlorophyll, beteiligt an katalytischen Reaktionen und Teil der Cytochrome in der Zellatmung sowie des Hämoglobins beim Sauerstofftransport.
• Mangan (Mn): Beteiligt an der Photolyse des Wassers während des Prozesses der Photosynthese bei Pflanzen.
• Jod (I): Notwendig für die Synthese von Thyroxin, einem Hormon, das am Stoffwechsel beteiligt ist.
• Kobalt (Co): Bestandteil von Vitamin B12, das für die Hämoglobin-Synthese benötigt wird.
• Silizium (Si): Verleiht Geweben Widerstandsfähigkeit und verhärtet pflanzliches Gewebe, wie z. B. bei Gräsern.
• Chrom (Cr): Beteiligt an der Regulierung des Blutzuckers in Zusammenarbeit mit Insulin.
• Zink (Zn): Wirkt als Katalysator in vielen Reaktionen des Körpers.
• Lithium (Li): Beeinflusst Neurotransmitter und wirkt auf die Zellpermeabilität. In angemessenen Dosen kann es depressive Zustände verhindern.
• Molybdän (Mo): Bestandteil pflanzlicher Enzyme, die bei der Reduktion von Nitrat durch Pflanzen wirken.