Biochemie: Wasser, Mineralsalze und Kohlenhydrate

1. Wasser (H₂O)

Vorkommen und Gehalt: Der Wassergehalt nimmt mit dem Alter ab. Die Aufnahme erfolgt entweder direkt durch Nahrung und Trinken (exogen) oder entsteht bei Stoffwechselprozessen aus anderen organischen Molekülen (endogen).

Molekularer Aufbau: Ein Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen (2 H) und einem Sauerstoffatom (1 O), die über kovalente Einfachbindungen verknüpft sind. Obwohl das Molekül nach außen hin elektrisch neutral ist, besitzt Sauerstoff eine höhere Elektronegativität als Wasserstoff. Dies führt zu einer asymmetrischen Ladungsverteilung (partiell negative Ladung am Sauerstoff, partiell positive Ladung am Wasserstoff). Aufgrund dieses polaren Charakters können Wassermoleküle untereinander Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden.

Physikochemische Eigenschaften des Wassers

• Hohe molekulare Kohäsion: Wasser ist nahezu inkompressibel und behält auch unter hohem Druck ein konstantes Volumen.
• Hohe Oberflächenspannung: Entsteht durch die starken Kohäsionskräfte an der Phasengrenze.
• Starke Adhäsionskraft: Wasser haftet gut an Gefäßwänden und kann so in engen Kapillaren entgegen der Schwerkraft aufsteigen (Kapillarität).
• Latente Wärme: Große Energiemengen werden aufgenommen oder abgegeben, um den Aggregatzustand zu wechseln (Schmelzwärme: fest zu flüssig; Verdampfungswärme: flüssig zu gasförmig).
• Hohe spezifische Wärmekapazität: Wasser nimmt erhebliche Wärmemengen auf, ohne dass die Temperatur stark steigt, da viel Energie zum Aufbrechen von Wasserstoffbrücken benötigt wird.
• Hohe Verdampfungswärme: Ermöglicht eine effektive Kühlung bei geringem Wasserverlust (z. B. Schwitzen).
• Dichteanomalie: Flüssiges Wasser ist bei 4 °C dichter als festes Eis. Eis schwimmt, da es ein geordnetes hexagonales Kristallgitter mit größerem Hohlraum bildet.
• Hohe Dielektrizitätskonstante: Verringert die elektrostatische Anziehung zwischen Ionen und begünstigt das Lösen von Salzen und Kristallgittern.
• Geringe Eigendissoziation (Ionisation): Ein sehr kleiner Teil der Moleküle dissoziiert in Ionen (H₃O⁺/H⁺ und OH⁻).

Ionenprodukt und pH-Wert

Das Ionenprodukt des reinen Wassers beschreibt das Konzentrationsprodukt der Ionen bei 25 °C ($K_w = [H^+][OH^-] = 10^{-14}$):

• Neutral: Konzentration von Säure- und Base-Ionen ist identisch ($[H^+] = [OH^-]$).
• Sauer: Hohe Konzentration an Hydronium-Ionen ($[H_3O^+] > [OH^-]$).
• Basisch: Hohe Konzentration an Hydroxid-Ionen ($[OH^-] > [H_3O^+]$).

Biologische Bedeutung und Funktionen

• Hauptlösungsmittel: Dient als biologisches Lösungsmittel für polare Stoffe.
• Stoffwechselfunktion: Beteiligt sich an chemischen Reaktionen, insbesondere an hydrolytischen Spaltungen.
• Strukturfunktion: Verleiht Zellen Volumen und Pflanzen Turgor; verhindert Deformierungen des Zytoplasmas; bildet das Hydroskelett wirbelloser Tiere.
• Mechanische Pufferfunktion: Wirkt als Schmier- und Dämpfungsmittel (z. B. Gelenkflüssigkeit bei Wirbeltieren).
• Transportfunktion: Transportiert Nähr- und Abfallstoffe, ermöglicht das Aufsteigen des Pflanzensafts in den Leitbündeln (Xylem).
• Thermoregulation: Hält Temperaturen konstant und sichert das aquatische Leben in kalten Klimazonen.

2. Mineralsalze

Gelöste Mineralsalze

• Anionen: Chloride ($Cl^-$), Phosphate ($PO_4^{3-}$), Monohydrogenphosphate, Carbonate ($CO_3^{2-}$), Bicarbonate ($HCO_3^-$), Nitrate ($NO_3^-$).
• Kationen: Natrium ($Na^+$), Calcium ($Ca^{2+}$), Magnesium ($Mg^{2+}$), Eisen ($Fe^{2+}$, $Fe^{3+}$), Kalium ($K^+$).

Eigenschaften gelöster Salze: Vollständig wasserlöslich und in freie Ionen dissoziiert.

Funktionen: Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase, Stabilisierung des Salzgehalts, Regulierung enzymatischer Aktivitäten, Einstellung von osmotischem Druck und Zellvolumen, Aufbau elektrochemischer Potenziale sowie Pufferung des pH-Werts.

Ausgefällte (feste) Mineralsalze

Eigenschaften: Unlöslich in Wasser, liegen in festem Zustand vor.

Funktionen: Bildung von Schutz- und Stützstrukturen durch Kristalle aus Calciumcarbonat, Silikaten (z. B. bei Schwämmen) und Phosphaten (Knochengewebe der Wirbeltiere).

3. Kolloidale Systeme und Osmose

Biomoleküle und anorganische Stoffe lebender Systeme bilden kolloidale Phasen:

• Dispersionsmittel: Wasser.
• Disperse Phase: Mineralsalze und organische Makromoleküle.
• Zustandsformen: Gel und Sol.
• Eigenschaften: Tyndall-Effekt (Lichtstreuung in scheinbar transparenten Kolloiden), Brownsche Molekularbewegung (ungeordnete Teilchenbewegung), Sedimentation (Ablagerung unter starker Gravitation oder Zentrifugation), Viskosität (steigt mit der Molekülmasse), Adsorption (Anreicherung an festen Grenzflächen) sowie Dialyse (Trennung von Molekülen anhand ihrer Größe).

Osmotische Vorgänge

Unter Osmose versteht man die gerichtete Diffusion von Wasser durch eine semipermeable Membran entlang eines Konzentrationsgradienten:

• Hypertonisches Milieu: Höhere Konzentration gelöster Stoffe im Außenmedium führt zu Wasserverlust der Zelle, Abnahme des Zellvolumens und Anstieg des internen osmotischen Drucks.
• Hypotonisches Milieu: Geringere Konzentration gelöster Stoffe im Außenmedium führt zu Wassereinstrom, Zunahme des Zellvolumens und Abfall des internen osmotischen Drucks.
• Isotonisches Milieu: Konzentrationen sind ausgeglichen; es findet ein dynamischer Wasseraustausch ohne Netto-Volumenänderung statt.

4. Kohlenhydrate (Glucide)

Kohlenhydrate bestehen aus den Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) mit der allgemeinen Summenformel $C_n(H_2O)_n$ (gelegentlich enthalten sie auch N oder S).

Allgemeine biologische Funktionen

• Strukturfunktion: Bestandteile von Nukleotiden und Membranrezeptoren, pflanzlichen und bakteriellen Zellwänden, Außenskeletten von Arthropoden sowie Bindegeweben.
• Energetische Funktion: Primäre Nährstoffe der Zelle, Stoffwechselzwischenprodukte sowie Speicherformen (z. B. Stärke, Glykogen).
• Weitere Funktionen: Abwehrfunktionen, hormonelle Prozesse und industrielle Nutzung.

Monosaccharide

• Einteilung: Nach funktioneller Gruppe in Aldosen und Ketosen sowie nach der Anzahl der Kohlenstoffatome in Triosen, Tetrosen, Pentosen und Hexosen.
• Eigenschaften: Kristalline Feststoffe, weiße Farbe, gut wasserlöslich, süßer Geschmack und optische Aktivität (rechtsdrehend + / dextrogyn, linksdrehend - / levogyn).
• Isomerie: Konstitutionsisomere (Aldosen vs. Ketosen), Enantiomere (D- und L-Formen), Epimere (Variation an nur einem asymmetrischen C-Atom) sowie Anomere ($\alpha$-trans- und $\beta$-cis-Formen bei Ringen).
• Zyklisierung: Aldopentosen und Hexosen bilden Ringe (Furanosen und Pyranosen) in Sessel- oder Wannen-Konformation.
• Derivate: Zuckerphosphate, Desoxyzucker, Polyalkohole, Zuckersäuren und Aminozucker.

Disaccharide

Verbindung zweier Monosaccharide über eine glykosidische Bindung (monocarbonylisch oder dicarbonylisch):

• Maltose: Malzzucker (monocarbonylisch).
• Lactose: Milchzucker bei Säugetieren (monocarbonylisch).
• Saccharose: Haushaltszucker (dicarbonylisch).
• Cellobiose: Abbauprodukt der Cellulose, kommt in der Natur nicht frei vor.

Eigenschaften: Entsprechen weitgehend den Monosacchariden; reduzierende Eigenschaften besitzen nur Disaccharide mit freier Carbonylgruppe (monocarbonylische Bindung).

Polysaccharide und Heteroside

• Homopolysaccharide: Aus einer einzigen Monosaccharid-Art aufgebaut (Cellulose, Chitin, Stärke, Glykogen). Sie besitzen keinen süßen Geschmack, wirken nicht reduzierend, sind in Wasser unlöslich und bilden Kolloide.
• Heteropolysaccharide: Aus verschiedenen Zuckereinheiten aufgebaut (Hemicellulose, Pektine, Agar-Agar, pflanzliche Gummen, Schleimstoffe/Mucilagine, Peptidoglykane, Glykosaminoglykane).
• Glykolipide: Verbindung aus Zucker und Lipid (z. B. Ganglioside, Cerebroside).
• Glykoproteine: Verbindung aus Zucker und Protein (z. B. Prothrombin, Immunglobuline, diverse Hormone).
• Wirkstoffgruppen: Herzaktive Glykoside (Cardiotonika), Glycyrrhizin, Tannoside, cyanogene Glykoside sowie Anthracen-Derivate.