Bioelemente, Biomoleküle und anorganische Verbindungen

Bioelemente

Chemische Elemente, die Biomoleküle bilden. Die meisten haben eine unvollständige äußere Elektronenhülle, eine niedrige Ordnungszahl und können leicht von lebenden Organismen aufgenommen werden.

Klassifikation von Bioelementen

• Primäre Bioelemente: Diese machen die Mehrheit (99 % der Gesamtmasse) der Lebewesen aus: C, H, O, N, P und S.
• Sekundäre Bioelemente: (Na, K, Ca, Mg und Cl) werden ebenfalls in allen Lebewesen gefunden, jedoch in geringerem Maße.
• Spurenelemente: Sie sind sehr selten und kommen in Anteilen von weniger als 0,1 % vor, sind aber ebenso wichtig. Einige, wie Fe, Cu, Zn, Mn, I (Jod), Ni und Co, sind in den meisten Organismen vorhanden; andere, wie Si, F, Cr, Li, B, Mo und Al, kommen nur in bestimmten Gruppen vor.

Biomoleküle

Auch als unmittelbare Prinzipien bekannt, sind sie die molekularen Komponenten von Lebewesen. Sie können anorganisch (Wasser und Mineralien) oder organisch (Kohlenhydrate, Lipide, Proteine und Nukleinsäuren) sein.

Wasser

Es ist das häufigste Molekül in Lebewesen. Die Menge des vorhandenen Wassers in lebenden Organismen hängt von drei Faktoren ab: der betreffenden Art, dem Alter des Individuums und der Art des Gewebes oder Organs.

Die Verbindung zwischen Sauerstoff und Wasserstoff erfolgt durch kovalente Bindungen, in denen sich jedes Wasserstoffatom ein Elektronenpaar mit dem Sauerstoffatom teilt. Das Wassermolekül hat teilweise elektrische Ladungen, eine dreieckige Geometrie (Wasserstoffatome bilden zum Sauerstoff einen Winkel von 104,5°) und einen Dipol-Charakter.

Die gewinkelte chemische Struktur und die Polarität des Moleküls ermöglichen die Existenz von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen zwei Wassermolekülen sowie zwischen Wassermolekülen und anderen polaren Molekülen (Alkohole, Amine etc.). Aufgrund der Polarität besitzt das Wassermolekül eine große Lösungskraft.

Eigenschaften des Wassers

Die Existenz von Wasserstoffbrücken ist für die folgenden Eigenschaften verantwortlich:

• Flüssiger Zustand bei Raumtemperatur.
• Kompressibilität von flüssigem Wasser.
• Kapillarwirkung.
• Hohe Oberflächenspannung.
• Hohe spezifische Verdampfungswärme.
• Geringere Dichte von Eis gegenüber flüssigem Wasser.

Einige Wassermoleküle durchlaufen einen Prozess der Ionisation, wenn ein Wasserstoffatom von einem Molekül über eine kovalente Bindung an das Sauerstoffatom eines anderen Moleküls gebunden wird. Daraus ergeben sich zwei Ionen: H₃O⁺ und OH⁻.

Biologische Funktionen des Wassers

• Dienen als Medium für biochemische Reaktionen in Lebewesen.
• Wahrung einer angemessenen Temperatur für lebende Organismen.
• Funktion als molekulares Transportvehikel.
• Schmieren von beweglichen Strukturen.
• Beteiligung an Zelldeformationen und zytoplasmatischen Bewegungen.
• Dienen als hydrostatisches Skelett in Pflanzenzellen.
• Mitwirkung im Prozess der Hydrolyse.

Mineralsalze

Dies sind anorganische Verbindungen, die in Wasser löslich oder unlöslich sein können. Im ersten Fall sind die Salze ionisiert, im zweiten liegen sie als Niederschlag vor. Sie spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen biologischen Funktionen:

• Bildung harter Strukturen zur Unterstützung und zum Schutz.
• Beteiligung an der metabolischen und physiologischen Regulation.
• Aufrechterhaltung der entsprechenden osmotischen Konzentrationen, von denen die zelluläre Stabilität und wichtige Funktionen abhängen.
• Beitrag zur Erhaltung des pH-Wertes in biologischen Strukturen, um Veränderungen und Funktionsverluste von Biomolekülen zu vermeiden.

Um pH-Veränderungen in biologischen Flüssigkeiten (intra- und extrazellulär) zu verhindern, wirken Puffersysteme (Puffer), die aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base bestehen, wie der Phosphat-Puffer und der Bikarbonat-Puffer.