Biochemie: Energie, Atome und Moleküle

Zusammenfassung der Biochemie

Energie ist für alle biochemischen Prozesse wichtig. Alle Atome enthalten Energie, und sie gehen chemische Bindungen ein, wodurch wir überleben. Wir beziehen unsere Energie aus der Nahrung, die in chemische Energie umgewandelt wird (diese kann im Gegensatz zu anderen Energieformen wie Licht und Wärme gespeichert werden).

Thermodynamik

• Erstes Gesetz: Energie wird weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur umgewandelt.
• Zweites Gesetz: Bei jeder Energieübertragung geht ein Teil als Wärme verloren.

Atomstruktur

Die Grundeinheit der Materie sind Atome. Sie bestehen aus Protonen (positiv geladen), Elektronen (negativ geladen) und Neutronen (neutral).

• Wenn man die Anzahl der Protonen ändert, erhält man ein anderes Element.
• Wenn man die Anzahl der Neutronen ändert, erhält man Isotope.
• Wenn man die Anzahl der Elektronen ändert, erhält man Ionen.
• Ein positiv geladenes Ion nennt man Kation (Elektronenverlust), ein negativ geladenes Anion (Elektronengewinn).

Chemische Bindungen

Ionische Bindungen

Ionische Bindungen sind Bindungen mit geringerer Energie. Wenn Atome ein Elektron verlieren oder gewinnen, ändern sich ihre Ladungen und sie werden zu Ionen. Ionen mit entgegengesetzter Ladung ziehen sich an. Diese Anziehungskraft nennt man ionische Bindung.

Viele ionische Verbindungen, auch Elektrolyte genannt, dissoziieren in wässriger Lösung in positive und negative Ionen, da ihre Lösungen elektrischen Strom leiten.

• Eine ionische Bindung ist die Anziehungskraft, die entgegengesetzt geladene Ionen zusammenhält.

Im Falle von Natriumchlorid (Kochsalz) geben Natriumatome ein Elektron an Chloratome ab. Dadurch ändern sich ihre Ladungen, und sie ziehen sich gegenseitig an, wodurch Salz entsteht. Alle Salze und Elektrolyte sind in der Lage, elektrischen Strom zu leiten.

Kovalente Bindungen

Kovalente Bindungen sind sehr energiereiche und stabile Bindungen. Hier verliert oder gewinnt keines der Atome ein Elektron. Stattdessen bilden sie ein Molekül, indem sie sich zwei oder drei Elektronenpaare teilen. Je mehr Valenzelektronenpaare geteilt werden, desto größer ist die Energie der Bindung. Im Gegensatz zu ionischen Bindungen können kovalente Bindungen zwischen zwei Atomen der gleichen Art sowie zwischen verschiedenen Elementen gebildet werden.

Es gibt unpolare kovalente Bindungen (Elektronen sind gleichmäßig verteilt) und polare kovalente Bindungen (Elektronen sind ungleich verteilt, da sie stärker zu einem Atom hingezogen werden), z. B. Wasser.

Polare kovalente Bindungen mit Wasserstoffatomen können zur Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen führen, einer dritten Art der chemischen Bindung.

Wasserstoffbrückenbindungen

Wasserstoffbrückenbindungen sind schwach und haben nur etwa 5 % der Stärke einer kovalenten Bindung. Sie können keine Atome verbinden, um Moleküle zu bilden, aber sie können Bindungen zwischen Molekülen oder zwischen verschiedenen Teilen eines einzelnen Moleküls herstellen. Wasserstoffbrückenbindungen verleihen erhebliche Festigkeit und Stabilität und beeinflussen die dreidimensionale Anordnung von Molekülen.

Wasserstoffbrückenbindungen entstehen, weil die Wasserstoffatome eines Wassermoleküls von der partiell negativen Ladung der Sauerstoffatome in einem anderen Wassermolekül angezogen werden.

Der pH-Wert

Der pH-Wert ist ein Schlüsselelement, das den Grad der Funktionalität von Enzymen bestimmt.

Anorganische Verbindungen

Wasser, Säuren, Basen und Salze

Die meisten Chemikalien im Körper liegen als Verbindungen vor, die in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden: anorganische und organische Verbindungen. Im Allgemeinen enthalten anorganische Verbindungen keinen Kohlenstoff und haben eine einfache Struktur. Dazu gehören Wasser und viele Säuren, Basen und Salze. Sie können ionische oder kovalente Bindungen aufweisen. Organische Verbindungen hingegen enthalten immer Kohlenstoff. Einige kohlenstoffhaltige Verbindungen werden als anorganisch eingestuft (z. B. CO und CO₂).

Chemische Zusammensetzung von Lebewesen

Atome bilden Moleküle, Moleküle bilden Zellen

• Bioelemente: primäre (C, H, O, N), sekundäre (S, P, Ca, Na, K, Cl, ...)
• Biomoleküle: organische (Kohlenhydrate, Lipide, Proteine, Nukleinsäuren) und anorganische (Wasser, Mineralien)