Bioelemente, Wasser und Kohlenhydrate: Grundlagen

Bioelemente und Biomoleküle der lebenden Materie

Bioelemente sind die chemischen Elemente, die lebende Materie darstellen. Sie werden wie folgt eingeteilt:

• Primärelemente (95 %): Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N).
• Sekundärelemente (4,5 %): Phosphor (P), Schwefel (S), Calcium (Ca), Natrium (Na), Kalium (K), Magnesium (Mg), Chlor (Cl).
• Spurenelemente (0,5 %): Mangan (Mn), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Eisen (Fe).

Biomoleküle:

• Anorganische: Wasser und Mineralsalze.
• Organische: Kohlenhydrate, Lipide, Proteine, Nukleinsäuren und Biokatalysatoren (Enzyme, Vitamine und Hormone).

Eigenschaften und biologische Bedeutung des Wassers

Das Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom, die durch einfache kovalente Bindungen verbunden sind. Es ist elektrisch neutral. Wassermoleküle interagieren über Wasserstoffbrückenbindungen. Die Stabilität dieser Brücken nimmt mit steigender Temperatur ab; im Falle von Wasser sind sie bis 100 °C vorhanden.

Physikalische und chemische Eigenschaften

• Hohe Kohäsion: Die molekulare Flüssigkeit ist inkompressibel und behält auch unter Druck ein konstantes Volumen bei.
• Hohe Oberflächenspannung: Die Oberflächenmoleküle erfahren Anziehungskräfte, die einen Oberflächenfilm bilden, der wie eine Membran wirkt.
• Hohe latente Wärme: Wasser kann eine große Wärmemenge absorbieren, um den Aggregatzustand zu ändern.
• Hohe spezifische Wärmekapazität: Es kann viel Wärme aufnehmen, ohne dass sich die Temperatur stark ändert.
• Hohe Verdampfungswärme: Es absorbiert viel Wärme, um die Wasserstoffbrückenbindungen zu brechen.
• Hohe Dielektrizitätskonstante: Wasser wirkt der elektrostatischen Anziehung zwischen positiven und negativen Ionen entgegen.

Biologische Bedeutung

Wasser dient als wichtigstes biologisches Lösungsmittel, erfüllt metabolische Funktionen, hat eine tragende sowie mechanisch-dämpfende Funktion, reguliert die Temperatur, dient als Transportmittel und ermöglicht das Leben im Wasser bei kaltem Wetter.

Mineralsalze und das Phänomen der Osmose

Mineralsalze erfüllen folgende Funktionen:

• Beibehaltung des Salzgehalts im Körper.
• Regulierung der Enzymaktivität: Bestimmte Ionen aktivieren oder hemmen biochemische Reaktionen.
• Regulierung des osmotischen Drucks und Zellvolumens: Medien mit hoher Konzentration sind hypertonisch, solche mit niedriger hypotonisch.
• Stabilisierung kolloidaler Dispersionen: Salze tragen zur Aufrechterhaltung von kolloidalen Partikeln in Suspension bei.
• Erzeugung elektrischer Potentiale.
• Regulierung des pH-Werts: Gepufferte Lösungen (wie Bikarbonat- und Phosphatpuffer) halten den pH-Wert in biologischen Flüssigkeiten stabil.

Die Osmose ist ein Phänomen, bei dem ein Lösungsmittel durch eine halbdurchlässige Membran von einer verdünnten Lösung in eine stärker konzentrierte diffundiert. Wasser diffundiert vom hypotonischen zum hypertonischen Medium, was den osmotischen Druck erhöht.

Struktur und Klassifizierung der Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind chemisch gesehen Aldehyde oder Ketone mit mehreren Hydroxylgruppen. Die einfachsten sind die Monosaccharide. Diese sind weiße, kristalline Feststoffe, wasserlöslich und haben einen süßen Geschmack (Zucker).

• Asymmetrische Kohlenstoffatome: Diese sind mit vier verschiedenen Resten verbunden. Epimere unterscheiden sich in der Position der OH-Gruppe an einem asymmetrischen Kohlenstoff.
• Triosen: Glycerinaldehyd und Dihydroxyaceton treten als Phosphatester in Zellen auf und sind Zwischenprodukte im Glukosestoffwechsel.
• Pentosen: Ribose (Bestandteil von ATP und RNA) und Ribulose (beteiligt an der CO₂-Fixierung).
• Hexosen: Glucose (Traubenzucker, wichtigster Nährstoff, Bestandteil von Stärke, Zellulose und Glykogen), Galactose (Teil der Lactose) und Fructose (Fruchtzucker).

Disaccharide und Polysaccharide

Disaccharide (O-glykosidische Bindung):

• Maltose: Malzzucker, entsteht durch Hydrolyse von Stärke, reduzierend.
• Laktose: Milchzucker, besteht aus Galactose und Glucose, reduzierend.
• Saccharose: Haushaltszucker aus Rohr oder Rübe, besteht aus Glucose und Fructose, nicht reduzierend.
• Cellobiose: Entsteht aus der Hydrolyse von Cellulose, reduzierend.

Polysaccharide: Unlösliche Körnchen im Zytoplasma, die den osmotischen Druck nicht erhöhen.

• Zellulose: Lineares Polymer aus β-D-Glucose, hohe Festigkeit durch intramolekulare und interchenare Wasserstoffbrücken, hydrolysierbar durch Cellulasen.
• Stärke: Besteht aus Amylose und Amylopektin, Reserve in Pflanzen (Wurzeln, Samen), wird durch Amylasen zu Glucose und Maltose abgebaut.
• Glykogen: Reserve-Homopolysaccharid in tierischen Zellen (Leber, Muskeln), wird bei Bedarf schnell zu Glucose hydrolysiert.