Bioelemente, Biomoleküle und Zellernährung

Bioelemente und Biomoleküle

Bioelemente sind die chemischen Elemente, die die Materie von Lebewesen bilden. Biomoleküle entstehen, wenn sich Bioelemente verbinden, um die Moleküle der Lebewesen zu bilden.

Wirkung des Wassers

• Große Lösungskraft: Wasser ist ein hervorragendes Lösungsmittel für viele Stoffe, die in ihm gelöst durch den Körper transportiert oder in die Zellen aufgenommen werden.
• Hohe chemische Reaktivität: Wasser stellt die für Hydrolysereaktionen benötigten H+- und OH--Ionen sowie O₂ und H₂ in Oxidations-Reduktionsreaktionen bereit.
• Hohe spezifische Wärme: Wasser nimmt große Mengen an Wärme auf, ohne dass sich die Temperatur signifikant erhöht, und wirkt so als thermischer Puffer in Lebewesen.
• Hohe Verdampfungswärme: Die Verdampfung von flüssigem Wasser verbraucht viel Wärme, wodurch Lebewesen ihre Temperatur durch die Verdunstung von Wasser, z. B. beim Schwitzen, senken können.

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind Moleküle, die aus C, H und O bestehen. Sie erfüllen energetische und strukturelle Funktionen in den Zellen. Man unterscheidet zwischen:

• Einfachzucker oder Monosaccharide: Sie sind die Basiseinheiten der Kohlenhydrate und bestehen aus einem einzigen Zuckermolekül. Beispiele sind Glucose, Fructose, Ribose und Ribulose.
• Disaccharide: Sie bestehen aus zwei Monosacchariden, die durch eine kovalente Bindung, die o-glykosidische Bindung, miteinander verbunden sind. Beispiele sind Maltose, Lactose und Saccharose.
• Polysaccharide: Lange Ketten aus Hunderten oder Tausenden von Monosacchariden, wie Stärke und Cellulose.

Lipide

Lipide bestehen aus C, H, O und P. Man unterscheidet zwischen verseifbaren und unverseifbaren Lipiden.

• Acylglyceride: Moleküle, die aus einem Glycerin und 1, 2 oder 3 Fettsäuren bestehen. Sie dienen als langfristige Energiereserve, Wärmedämmung und Schutz der Organe.
• Phospholipide: Es gibt zwei Arten: Phosphoglyceride und Sphingolipide.
• Andere verseifbare Lipide: Glykolipide, die Kohlenhydrate in ihrer Zusammensetzung enthalten.
• Apolare Lipidwachse: Sie dienen der Abdichtung oder dem Schutz vor Trockenheit.
• Unverseifbare Lipide:
  • Steroide: Sie leiten sich von Steranen ab, wie z. B. Cholesterin.
  • Terpene: Moleküle, die in Pflanzen vorkommen, wie z. B. Carotinoide.

Proteine

Proteine bestehen aus C, H, O, N und manchmal P und S. Es handelt sich um Makromoleküle, die durch die Verbindung von Einheiten, den Aminosäuren, gebildet werden. Proteine haben verschiedene Funktionen: strukturelle Funktion, Transportfunktion, hormonelle Funktion, kontraktile Funktion und Abwehrfunktion.

Nukleinsäuren

Nukleinsäuren sind Moleküle, die aus drei Untereinheiten bestehen: einer Pentose, einer Phosphorsäure und einer Stickstoffbase. Sie enthalten C, H, O, N, P und S. Beispiele sind DNA und RNA.

Endosymbiontentheorie

Die Endosymbiontentheorie ist eine Hypothese über den evolutionären Prozess, der zu eukaryotischen Zellen geführt haben könnte. Sie wurde von Lynn Margulis vorgeschlagen. Sie besagt, dass eine sehr große prokaryotische Zelle andere kleinere prokaryotische Zellen umschloss, anstatt sie zu verdauen. Diese überlebten und entwickelten sich im Laufe der Zeit symbiotisch mit ihr, wodurch nützliche Funktionen entstanden und Mitochondrien und Chloroplasten hervorgebracht wurden.

Viren

Viren sind Proteinstrukturen, die genetisches Material in ihrem Inneren enthalten. Es gibt auch andere nicht-zelluläre Formen wie Viroide und Prionen.

Zellernährung

Die Ernährung umfasst alle Prozesse, durch die Organismen Materie und Energie mit ihrer Umgebung austauschen, um ihre innere Organisation aufrechtzuerhalten und lebenswichtige Funktionen auszuführen. Die Prozesse, die in jeder Zelle ablaufen, lassen sich in drei Phasen einteilen: die Aufnahme von Stoffen in die Zelle, die Nutzung von Stoffen und Energie und die Ausscheidung von Abfallprodukten.

Aufnahme von Stoffen in die Zelle

Nährstoffe gelangen über kontrollierte Transportmechanismen in die Zellen. Lebensmittel oder organische Moleküle werden einer Verdauung unterzogen, um sie in einfache Moleküle zu zerlegen, die intrazellulär oder extrazellulär transportiert werden können.

Nutzung von Stoffen und Energie

Der Zellstoffwechsel umfasst die Synthese und Verdopplung der Zellsubstanz sowie die Energiegewinnung.

Ausscheidung von Abfallprodukten

Nicht verwertete Nährstoffe und Abfallprodukte des Zellstoffwechsels werden ausgeschieden.

Zelltypen nach Ernährungsweise

• Autotrophe Zellen können einfache organische Stoffe aus anorganischen Nährstoffen synthetisieren.
• Heterotrophe Zellen gewinnen einfache organische Stoffe entweder direkt aus der Umgebung oder durch die Aufnahme und Verdauung von Nahrung.

Transport kleiner Moleküle

• Passiver Transport: Erfolgt ohne Energieverbrauch. Je nach den Eigenschaften der transportierten Moleküle unterscheidet man zwischen einfacher Diffusion und erleichterter Diffusion.
• Aktiver Transport: Moleküle oder Ionen bewegen sich gegen ihren Konzentrationsgradienten, d. h. vom Bereich niedrigerer Konzentration zum Bereich höherer Konzentration. Ein Beispiel ist die Natrium-Kalium-Pumpe.