Biochemie: Struktur von Wasser, Mineralien und Kohlenhydraten

Struktur und Eigenschaften des Wassers

Wasser zeichnet sich durch einen starken Zusammenhalt zwischen den Molekülen (Kohäsion) und eine hohe Oberflächenspannung aus. Es besitzt eine hohe Verdampfungswärme (Energie, die für den Phasenübergang nötig ist) sowie eine hohe spezifische Wärmekapazität, was es zu einem hervorragenden thermischen Puffer macht. Eine Besonderheit ist die Dichteanomalie: Wasser hat im flüssigen Zustand eine höhere Dichte als im festen Zustand. Zudem ist es ein universelles Lösungsmittel für viele Substanzen und zeigt Kapillareffekte, wodurch es in sehr dünnen Röhren aufsteigen kann.

Biologische Funktionen des Wassers

• Universelles Lösungsmittel: Wasser ist das Medium für die meisten Stoffwechselreaktionen in organischer und anorganischer Materie, da es die Fähigkeit besitzt, Substanzen in Ionen zu dissoziieren.
• Strukturgeber: Die Eigenschaften von Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren hängen direkt von ihren Wechselwirkungen mit Wasser ab.
• Turgordruck: Es verleiht Zellen ohne starre Zellwand (z. B. tierische Zellen oder turgeszente Pflanzenzellen) Volumen und Stabilität.
• Thermoregulation: Wasser fungiert als Absorber für Temperaturänderungen. Beim Schwitzen entzieht das verdampfende Wasser dem Körper Wärme und kühlt ihn so ab.
• Schutzfunktion: Da Eis auf Wasser schwimmt, bildet es eine isolierende Schicht, die das Überleben von Organismen in gefrorenen Seen und Flüssen ermöglicht.

Mineralstoffe und ihre Bedeutung

Mineralien liegen in der Natur als atmosphärische Gase, gelöste Salze oder Feststoffe vor. Sie erfüllen je nach Zustand unterschiedliche biologische Funktionen:

Strukturgebende Mineralien

• Skelettbildung: Phosphate und Carbonate bilden das Innenskelett der Wirbeltiere.
• Zahnschmelz: Besteht primär aus Calciumfluorid.
• Zellwände: Festigung der pflanzlichen Zellstrukturen.
• Otolithen: Calciumcarbonat (CaCO3) im Innenohr einiger Tiere dient der Gleichgewichtswahrnehmung.

Gelöste Ionen und ihre Aufgaben

Gelöste Mineralien wahren den Salzgehalt im inneren Milieu (osmotische Prozesse) und stabilisieren als Pufferlösungen den pH-Wert.

• Na+ und K+: Beteiligt an der Übertragung von Nervenimpulsen.
• Ca2+: Essenziell für die Muskelkontraktion, Blutgerinnung und Herzaktivität.
• Mg2+: Wirkt als Cofaktor für Enzyme bei der Synthese von DNA und RNA.
• Wichtige Anionen: Chlorid (Cl-), Sulfat (SO4 2-), Carbonat (CO3 2-) und Phosphat (PO4 3-).

Einführung in die Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind organische Moleküle aus Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) mit der allgemeinen Formel (CH2O)n. Sie entstehen chemisch durch den Ersatz einer Polyalkoholgruppe durch eine Aldehyd- oder Ketongruppe.

Klassifizierung und Eigenschaften

• Monosaccharide: Einfache Kohlenhydrate (z. B. Glucose), die nicht weiter zerlegt werden können. Sie sind weiß, süß, wasserlöslich und wirken als Reduktionsmittel (Elektronendonatoren).
• Oligosaccharide und Polysaccharide: Komplexe Ketten wie Saccharose oder Stärke.
• Funktionelle Gruppen: Glycerin (CH2OH-CHOH-CH2OH), Ketone (C=O in der Molekülmitte) und Aldehyde (C=O am Molekülende).

Pufferlösungen und pH-Wert-Stabilität

Für normale zelluläre Prozesse ist es notwendig, dass die Konzentration der H-Ionen (pH-Wert) nahezu konstant bleibt (ca. pH 7). Eine Pufferlösung ist eine wässrige Lösung, deren chemische Zusammensetzung spürbare Änderungen des pH-Werts verhindert.

Das Prinzip von Le Chatelier

Ein Puffer besteht meist aus einer schwachen Säure und ihrem entsprechenden Anion, das als Protonendonator oder -akzeptor fungiert, um ein Defizit oder einen Überschuss an H+-Ionen auszugleichen. Ein wichtiges Beispiel ist der Bicarbonat-Puffer (pH 6,3). Nach dem Prinzip von Le Chatelier verschiebt sich das Gleichgewicht bei äußeren Änderungen so, dass der ursprüngliche Zustand gewahrt bleibt: H2CO3 ⇌ H+ + HCO3-.