Bioelemente und Biomoleküle: Die Grundlagen des Lebens

Bioelemente: Die Bausteine des Lebens

Einige Elemente wie Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O) und Stickstoff (N) eignen sich besonders für die Bildung lebender Moleküle. Diese werden als Bioelemente bezeichnet. Es handelt sich um chemische Elemente oder Atome, welche die Materie der Lebewesen bilden. Nach ihrer Häufigkeit und ihren Funktionen werden sie wie folgt eingestuft:

Primäre Bioelemente

Sie stellen etwa 99 % der Zellmasse dar (C, H, O, N und in geringerem Maße S, P).

• Kohlenstoff (C): Kohlenstoffatome können bis zu vier kovalente Bindungen eingehen. Dies ermöglicht die Verbindung mit verschiedenen funktionellen Gruppen durch starke Bindungen, was zu einer großen Stabilität der Moleküle führt. Die Kohlenstoff-Verbindungen können untereinander Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindungen eingehen, was die Bildung vielfältiger Kohlenwasserstoffketten ermöglicht.
• Silizium (Si): Obwohl Silizium ebenfalls vier kovalente Bindungen eingehen kann, sind seine Verbindungen aufgrund der Größe des Atoms schwächer. Es bildet keine stabilen Doppel- oder Dreifachbindungen und ist daher weniger reaktiv, was Kohlenstoff für das Leben essenzieller macht.

Funktionen der primären Bioelemente

• C, H, N, O: Grundlegende Bestandteile der Moleküle aller Lebewesen.
• Schwefel (S): Bestandteil vieler Proteine.
• Phosphor (P): Bestandteil wichtiger Moleküle wie Phospholipide, Nukleinsäuren und ATP.

Sekundäre Bioelemente

Diese liegen in der Regel in ionischer Form vor.

Funktionen der sekundären Bioelemente

• Na, K, Cl: Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts und Neutralisierung der Ladung von Makromolekülen.
• Calcium (Ca): In ionischer Form an der Muskelkontraktion, Blutgerinnung und Nervenimpulsübertragung beteiligt. In fester Form bildet es Skelettstrukturen.
• Magnesium (Mg): Bestandteil von Chlorophyll und wirkt als Katalysator bei chemischen Reaktionen.

Spurenelemente

Spurenelemente sind chemische Elemente, die katalytische Funktionen im Leben in nur geringen Mengen ausüben, deren Anwesenheit jedoch wichtig ist, um eine einwandfreie Funktion zu gewährleisten. Dazu gehören Fe, Mn, Cu, Zn und I.

Biomoleküle: Organisch und Anorganisch

Die chemischen Elemente der lebenden Materie verbinden sich zu komplexen Molekülen, den Biomolekülen. Diese werden in zwei Gruppen klassifiziert:

• Anorganische Biomoleküle: Sie kommen nicht nur in Lebewesen vor und haben eine einfache chemische Struktur. Beispiele sind Wasser und Mineralsalze.
• Organische Biomoleküle: Diese Moleküle sind einzigartig für die lebende Materie und zeichnen sich durch Kohlenwasserstoffketten aus. Dazu gehören Kohlenhydrate, Lipide, Proteine und Nukleinsäuren.

Eigenschaften organischer Biomoleküle

Alle verfügen über eine spezifische Funktion im Lebewesen, die von ihrer charakteristischen Form und Größe abhängt. Die Mehrheit sind Makromoleküle, die aus Polymeren oder Monomeren bestehen. Die Kohlenwasserstoff-Skelette bestehen aus kovalent an Wasserstoff gebundenem Kohlenstoff. Wenn Wasserstoff durch Sauerstoff oder Stickstoff ersetzt wird, entstehen funktionelle Gruppen.

Das Wasser: Struktur und biologische Funktionen

Wasser ist die grundlegende Komponente aller Lebewesen und für viele ein Lebensraum.

Struktur des Wassers

Ein Wassermolekül wird durch die Verbindung eines Sauerstoffatoms (O) mit zwei Wasserstoffatomen (H) durch kovalente Bindungen gebildet. Diese Bindungen sind nicht linear angeordnet. Das Molekül hat eine neutrale Gesamtladung, ist aber polar. Dies liegt an der höheren Elektronegativität des Sauerstoffs gegenüber dem Wasserstoff. Die Elektronen werden zum Sauerstoff gezogen, wodurch Partialladungen entstehen: negativ am Sauerstoff und positiv an den Wasserstoffatomen. Eine Wasserstoffbrückenbindung ist die Anziehungskraft zwischen einem elektronegativen Atom und einem Wasserstoffatom, das kovalent an ein anderes elektronegatives Atom gebunden ist.

Eigenschaften und biologische Funktionen des Wassers

• Universelles Lösungsmittel: Aufgrund seiner Polarität kann Wasser Wasserstoffbrücken mit Ionen und anderen polaren Gruppen bilden. Daher dient Wasser als Transportmedium für Substanzen und als Medium für Stoffwechselreaktionen.
• Hohe Verdampfungsenthalpie: Es wird viel Energie benötigt, um Wasser vom flüssigen in den gasförmigen Zustand zu überführen, da die Wasserstoffbrücken aufgebrochen werden müssen. Dies ermöglicht eine kühlende Wirkung zur Regulierung der Körpertemperatur.
• Kohäsion und Adhäsion: Wasser hat einen hohen inneren Zusammenhalt (Kohäsion) und eine hohe Adhäsion an Oberflächen mit Ladungen. Diese Eigenschaften sind verantwortlich für die Kapillarität.
• Hohe spezifische Wärmekapazität (Ce): Wasser kann viel Wärme absorbieren, ohne dass sich seine Temperatur merklich erhöht. Es wirkt somit als thermischer Puffer.
• Chemische Reaktivität: Wasser kann in Ionen (H₃O⁺ und OH^-) dissoziieren. In der Biologie ist die Hydrolyse eine wichtige Eigenschaft, bei der molekulare Bindungen durch Wasser aufgebrochen werden.
• Dichteanomalie: Eis ist weniger dicht als flüssiges Wasser, da die Moleküle im Eis weiter auseinanderliegen. Dadurch schwimmt Eis an der Oberfläche und isoliert das darunterliegende flüssige Wasser, was das Leben unter der Eisdecke ermöglicht.

Mineralien in Lebewesen

Mineralien kommen in fester Form oder in Lösung vor:

• Fest: Sie bilden Skelettstrukturen. CaCO₃ findet sich in Schalen von Weichtieren und Krustentieren. Calciumphosphat härtet die Knochen von Wirbeltieren.
• In Lösung: Als Ionen regulieren sie den pH-Wert und das osmotische Gleichgewicht. Sie neutralisieren Ladungen von Makromolekülen und sind an physiologischen Prozessen beteiligt.

Säure-Basen-Gleichgewicht und pH-Wert

Wasser dissoziiert in Hydronium- und Hydroxyl-Ionen. Wenn [H₃O⁺] = [OH^-] = 1,0 x 10^-7 M, ist das Wasser neutral. Eine Säure erhöht die H₃O⁺-Konzentration, eine Base erhöht die OH^--Konzentration.

• pH-Wert: Der negative dekadische Logarithmus der H₃O⁺-Konzentration. pH 7 ist neutral, pH < 7 ist sauer und pH > 7 ist basisch.
• Puffersysteme: Stoffe, die pH-Schwankungen neutralisieren, um die Aktivität von Enzymen stabil zu halten.

Die zelluläre Umgebung

Biochemische Reaktionen finden in verschiedenen Systemen statt:

• Lösungen: Homogene Mischungen aus Lösungsmittel und gelöstem Stoff.
• Kolloidale Dispersionen: Mischungen, in denen Stoffe nicht vollständig gelöst, sondern schwebend verteilt sind. Sie streuen Licht (Tyndall-Effekt). Kolloide können als Sol (flüssig) oder Gel (fester) vorliegen.

Osmose und osmotische Phänomene

Osmose ist der Fluss von Wasser durch eine semipermeable Membran von der weniger konzentrierten zur konzentrierteren Lösung, um die Konzentrationen auszugleichen.

• Isotonisch: Gleiche Konzentration.
• Hypertonisch: Höhere Konzentration außerhalb der Zelle.
• Hypotonisch: Niedrigere Konzentration außerhalb der Zelle.

Reaktionen der Zellen

• Pflanzenzelle: In einem hypertonen Medium verliert die Zelle Wasser und die Membran löst sich von der Wand (Plasmolyse). In einem hypotonen Medium schwillt die Zelle an, platzt aber dank der Zellulosewand nicht (Turgor).
• Tierzelle: In einem hypertonen Medium schrumpft die Zelle und kann sterben. In einem hypotonen Medium tritt so viel Wasser ein, dass die Zelle platzen kann (Lyse).