Biologische Grundlagen: Funktionen, Bioelemente & Biomoleküle

Funktionen der Lebewesen

• Ernährung: Austausch von Materie und Energie mit der Umwelt.
• Reproduktion: Erzeugung von Nachkommen zur Arterhaltung.
• Reizbarkeit: Reaktion auf Reize aus der Umgebung.

Bioelemente

Alle Lebewesen bestehen aus einer begrenzten Gruppe von chemischen Elementen.

• Haupt-Bioelemente (Makroelemente): C, H, O, N, P, S. Diese bilden spezielle Moleküle und machen etwa 98% des Gewichts aus.
• Spuren-Bioelemente (Mikroelemente): Ca, K, Mg, Cl, I, Cu, Zn, Fe. Einige erreichen weniger als 0,1% des Gewichts, sind aber für lebenswichtige Funktionen unerlässlich.

Biomoleküle

Biomoleküle entstehen durch die Kombination von Bioelement-Atomen untereinander oder mit anderen Atomen durch chemische Bindungen. Sie können mehr oder weniger komplex sein und werden in organische (Lipide, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren, Proteine) und anorganische (Wasser und Mineralsalze) unterteilt.

Anorganische Biomoleküle: Wasser und Mineralsalze

• Wasser

  Wasser (H₂O) besteht aus 2 H-Atomen und 1 O-Atom. Aufgrund der hohen Elektronegativität des Sauerstoffs entsteht eine polare Ladungsverteilung (partielle negative Ladung am O, partielle positive Ladung an den H-Atomen), wodurch das Molekül polar ist. Zwischen Wassermolekülen wirken elektrostatische Anziehungskräfte (Wasserstoffbrückenbindungen), die sie zusammenhalten. Wasser hat eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität, ist das wichtigste biologische Lösungsmittel, erreicht seine maximale Dichte bei 4°C und kann ionisieren.

• Mineralsalze

  • Präzipitierte Salze: Haben eine strukturelle Funktion und dienen der Verfestigung von Knochen oder Schalen.
  • Gelöste Salze: Liegen in ionischer Form vor und können den pH-Wert sowie Regulationsfunktionen beeinflussen. Sie tragen zur Aufrechterhaltung des Flüssigkeitshaushalts durch osmotische Phänomene bei. Osmose ist die Bewegung von Wasser durch eine semipermeable Membran von einem Bereich niedrigerer gelöster Konzentration zu einem Bereich höherer Konzentration. Die Nettobewegung der Teilchen ist gerichtet und erfolgt von der Region höherer Wasserkonzentration (niedrigerer gelöster Konzentration) zur Region niedrigerer Wasserkonzentration (höherer gelöster Konzentration).

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind organische Moleküle, die aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen. Sie sind wasserlöslich und werden nach der Anzahl der Kohlenstoffatome oder der funktionellen Gruppe klassifiziert. Sie dienen primär der Energiespeicherung und -bereitstellung in biologischen Systemen.

Monosaccharide

Monosaccharide bestehen aus einem einzelnen Molekül und können nicht in kleinere Kohlenhydrate hydrolysiert werden. Sie besitzen immer eine Carbonylgruppe an einem ihrer Kohlenstoffatome und Hydroxylgruppen an den übrigen. Sie werden nach der Position der Carbonylgruppe, der Anzahl der Kohlenstoffatome und ihrer Chiralität klassifiziert. Ist die Carbonylgruppe ein Aldehyd, spricht man von einer Aldose; ist sie ein Keton, von einer Ketose. Die kleinsten Monosaccharide haben drei C-Atome (Triosen), gefolgt von Tetrosen (vier), Pentosen (fünf) und Hexosen (sechs). Klassifizierungssysteme werden oft kombiniert, z.B. ist Glucose eine Aldohexose (ein Aldehyd mit sechs C-Atomen), Ribose eine Aldopentose (ein Aldehyd mit fünf C-Atomen) und Fructose eine Ketohexose (ein Keton mit sechs C-Atomen).

Disaccharide

Disaccharide bestehen aus zwei Monosaccharid-Molekülen, die unter Abspaltung eines Wassermoleküls miteinander verbunden sind. Sie entstehen durch die Verknüpfung zweier Monosaccharide, wobei oft ein Wassermolekül abgespalten wird. Die Verknüpfung kann über das anomere Kohlenstoffatom erfolgen (welches die funktionelle Gruppe trägt).

Polysaccharide

Polysaccharide sind verzweigte oder unverzweigte Ketten aus mehr als zehn Monosacchariden. Sie stellen eine wichtige Klasse biologischer Polymere dar. Ihre Funktion im lebenden Organismus ist in der Regel strukturell oder speichernd. Stärke wird in Pflanzen zur Speicherung von Monosacchariden verwendet und liegt in Form von Amylose und Amylopektin (verzweigt) vor. Bei Tieren dient Glykogen anstelle von Stärke als Speichermolekül; es ist strukturell ähnlich, aber dichter verzweigt. Die Eigenschaften von Glykogen ermöglichen einen schnelleren Abbau, was mit dem aktiven Leben und der Fortbewegung von Tieren in Einklang steht. Cellulose und Chitin sind Beispiele für strukturelle Polysaccharide. Cellulose findet sich in den Zellwänden von Pflanzen und anderen Organismen und ist das häufigste organische Molekül auf der Erde. Chitin ist strukturell ähnlich wie Cellulose, enthält aber Stickstoff in seinen Seitenketten, was seine Stärke erhöht. Es ist in den Exoskeletten von Arthropoden und in den Zellwänden vieler Pilze zu finden.

Lipide

Lipide sind eine heterogene Gruppe organischer Moleküle, die hauptsächlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff sowie weniger Sauerstoff bestehen, aber auch Phosphor, Schwefel und Stickstoff enthalten können. Ihr Hauptmerkmal ist ihre Hydrophobie und Unlöslichkeit in Wasser, während sie in organischen Lösungsmitteln wie Benzol, Alkohol und Chloroform löslich sind.

Fette (Triglyceride)

Werden durch die Veresterung eines Trialkohols (Glycerin) mit ein bis drei Fettsäuren gebildet. Die kovalenten Bindungen können gesättigt sein (häufig in tierischen Fetten, fest bei Raumtemperatur) oder ungesättigt (häufig in pflanzlichen Fetten, flüssig bei Raumtemperatur).

Wachse

Bestehen aus einem langkettigen Monoalkohol, der über eine Esterbindung mit einer Fettsäure verknüpft ist. Sie dienen oft als Schutzschicht.

Phospholipide

Bestehen aus einem Alkoholmolekül, das ein unpolares (hydrophobes) Ende und ein polares (hydrophiles) Ende besitzt. Sie bilden die Grundlage der Zellmembranen, indem sie sich zu Lipiddoppelschichten anordnen, bei denen die polaren Köpfe nach außen und die unpolaren Schwänze nach innen zeigen.

Steroide

Sind Derivate von Kohlenwasserstoffen mit mehreren Ringen und sind vollständig wasserunlöslich (z.B. Cholesterin, Vitamin D und Sexualhormone).

Funktionen von Lipiden

• Energiereserve für Tiere
• Schutzschichtfunktion
• Strukturelle Basis für Zellmembranen
• Regulation von Lebensprozessen

Proteine

Proteine sind Makromoleküle, die aus linearen Ketten von Aminosäuren bestehen. Sie spielen eine entscheidende Rolle in lebenden Organismen und sind äußerst vielseitige Biomoleküle. Sie erfüllen eine Vielzahl von Funktionen, darunter:

• Strukturelle Funktion (z.B. Kollagen und Keratin)
• Regulatorische Funktion (z.B. Insulin und Wachstumshormone)
• Transportfunktion (z.B. Hämoglobin)
• Abwehrfunktion (z.B. Antikörper)
• Enzymatische Funktion (als Biokatalysatoren)
• Kontraktile Funktion (z.B. Aktin und Myosin)

Primärstruktur

Die Primärstruktur wird durch die spezifische Sequenz der Aminosäuren in der Polypeptidkette bestimmt, d.h. die Anzahl und Reihenfolge, in der sie miteinander verbunden sind.

Sekundärstruktur

Die Sekundärstruktur beschreibt die lokale Faltung der Polypeptidkette, die durch die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Atomen der Peptidbindungen stabilisiert wird.

• Alpha-Helix

  In dieser Struktur ist die Polypeptidkette spiralförmig um sich selbst gewunden. Diese Struktur wird durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen der NH-Gruppe einer Peptidbindung und der C=O-Gruppe der vierten folgenden Aminosäure stabilisiert.

• Beta-Faltblatt

  Wenn die Hauptkette maximal gestreckt wird, um eine räumliche Konfiguration anzunehmen, spricht man von einer Beta-Struktur.

• Beta-Schleifen (Beta-Turns)

  Sequenzen der Polypeptidkette, die Alpha- oder Beta-Strukturen verbinden, werden oft durch sogenannte Beta-Schleifen gebildet. Dies sind kurze Sequenzen mit einer charakteristischen Form, die eine scharfe 180-Grad-Kurve in der Hauptkette eines Polypeptids erzeugen.

• Kollagen-Helix

  Eine besondere Art der Sekundärstruktur, charakteristisch für das Kollagenprotein in Sehnen und Bindegewebe. Es handelt sich um eine besonders starre Struktur.

• Beta-Faltblatt (detailliert)

  Einige Regionen des Proteins nehmen eine Zick-Zack-Struktur an und sind durch intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden. Alle beteiligten Peptidbindungen in diesen Querverbindungen verleihen der Struktur eine größere Stabilität. Das Beta-Faltblatt ist eine einfache Form, die aus zwei oder mehr parallelen (in gleicher Richtung verlaufenden) oder antiparallelen (in entgegengesetzte Richtungen verlaufenden) Polypeptidketten gebildet wird. Diese sind eng durch Wasserstoffbrückenbindungen und Wechselwirkungen zwischen den Seitenketten der Aminosäuren verbunden. Diese Anordnung hat eine lamellare Struktur, ähnlich einem Akkordeon.

Tertiärstruktur

Die Tertiärstruktur beschreibt die dreidimensionale Faltung der gesamten Polypeptidkette im Raum. Es ist die Anordnung der Proteindomänen. Die Tertiärstruktur ist so geformt, dass unpolare Aminosäuren tendenziell nach innen und polare Aminosäuren nach außen gerichtet sind.

Quartärstruktur

Die Quartärstruktur entsteht durch die Assoziation mehrerer Polypeptidketten (Untereinheiten), die zusammen einen funktionellen Komplex (Multimer) bilden. Dieser Multimer besitzt Eigenschaften, die sich von denen seiner einzelnen Monomerkomponenten unterscheiden. Diese Untereinheiten assoziieren durch nicht-kovalente Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen, hydrophobe Wechselwirkungen oder Salzbrücken. Im Falle eines Proteins aus zwei Monomeren spricht man von einem Dimer, das ein Homodimer sein kann (wenn die Monomere identisch sind) oder ein Heterodimer (wenn sie unterschiedlich sind). Neben nicht-kovalenten Bindungen können auch kovalente Disulfidbrücken zwischen Cysteinresten in verschiedenen Ketten vorhanden sein.

Enzymproteine

Enzymproteine sind biologische Katalysatoren, die die Geschwindigkeit metabolischer Reaktionen erhöhen.

• Hydrolasen

  Eine Gruppe von Enzymen, die den Bruch kovalenter Bindungen durch die Addition eines Wassermoleküls (Hydrolyse) katalysieren.

• Eigenschaften von Enzymen

  • Spezifität: Ein Enzym wirkt nur auf ein bestimmtes Substrat und katalysiert nur eine Art von Reaktion.
  • Effizienz: Ein einzelnes Enzymmolekül kann die Umwandlung vieler Substratmoleküle pro Minute katalysieren.