Eigenschaften und biologische Funktionen von Wasser

Eigenschaften des Wassers

• Wassertemperatur in flüssiger Umgebung: 0 °C bis 100 °C.
• Großer Zusammenhalt zwischen den Molekülen: Verantwortlich für die Kapillarität.
• Hohe Oberflächenspannung: Die Oberfläche bricht an der Küste.
• Hohe Verdampfungswärme: Es wird viel Energie benötigt, um flüssiges Wasser in gasförmiges Wasser umzuwandeln, aufgrund der großen Anzahl von Wasserstoffbrücken.
• Gutes Lösungsmittel: Für ionische und polare Substanzen (dank seiner Polarität).
• Hohe spezifische Wärme: Kann Wärme speichern.

Erklärung einiger Begriffe

• Verdampfungsenergie: Die Energiemenge, die benötigt wird, um eine Flüssigkeit in ein Gas umzuwandeln. Diese Wärme ist durch Wasserstoffbrücken hoch.
• Spezifische Wärme: Die Wärmemenge, die ein Gramm einer Substanz benötigt, um seine Temperatur um eine Einheit zu erhöhen. Die spezifische Wärme von Wasser ist aufgrund von Wasserstoffbrücken hoch.

Biologische Funktionen des Wassers

• Universelles Lösungsmittel für organische und anorganische Moleküle in Lebewesen. Wasser löst ionische Moleküle wie Na+ und Cl-.
• Medium für die meisten Stoffwechselreaktionen, dank seiner Fähigkeit, sich in H+- und OH--Ionen zu dissoziieren (H₂O -> H+ + OH-).
• Viele Eigenschaften von Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren hängen von ihren Wechselwirkungen mit Wasser ab.
• Transportmittel für Substanzen (Nährstoffe und Abfallprodukte).
• Verleiht Volumen und Steifigkeit in Zellen, denen eine Membran fehlt (besonders in Pflanzen).
• Wirkt als "Stoßdämpfer", reguliert die Körpertemperatur und gleicht starke Temperaturschwankungen in der Umwelt aus.
• Eis schwimmt auf Wasser und bildet eine thermo-isolierende Schicht, die das Leben unter Wasser ermöglicht.

Mineralien

Mineralsalze haben unterschiedliche biologische Funktionen, je nachdem, ob sie ausgefällt (strukturelle oder erhaltende Funktion) oder gelöst sind.

Funktionen von Mineralien

• Bildung des inneren Skeletts von Wirbeltieren.
• Bildung des Zahnschmelzes.
• Bildung der Zellwand von Pflanzenzellen.
• Bestandteil der Otolithen des Innenohrs einiger Tiere.
• Gelöste Mineralsalze halten den Salzgehalt der inneren Umgebung aufrecht.

Kohlenhydrate

Organische Moleküle, die aus C, H und O bestehen, auch bekannt als Kohlenhydrate. Ihre empirische Formel ist (CH₂O)n. Sie sind definiert als Moleküle, die entstehen, wenn ein Polyalkohol eine funktionelle Gruppe durch eine Aldehyd- oder Ketongruppe ersetzt.

Kategorisierung von Kohlenhydraten

Kohlenhydrate sind die am häufigsten vorkommenden organischen Moleküle in der Natur. Sie werden wie folgt kategorisiert:

1. Monosaccharide (Osen):
   • Nach der funktionellen Gruppe: Aldosen oder Ketosen.
   • Nach der Anzahl der Kohlenstoffatome: Triosen, Tetrosen, Pentosen, Hexosen, Heptosen.
2. Oside:
   • Disaccharide
   • Polysaccharide (Holoside und Heteroside)

Monosaccharide (Osen)

Sind die einfachsten Kohlenhydrate, die nicht durch Hydrolyse in andere Kohlenhydrate zerlegt werden können. Monosaccharide sind die Monomere, aus denen die restlichen Kohlenhydrate aufgebaut sind.

Eigenschaften

• Fest, weiß und süß.
• Löslich in Wasser, aber unlöslich in unpolaren Lösungsmitteln.
• Reduktionskraft: Können Elektronen an andere Moleküle abgeben.

Nomenklatur

Verwendung eigener Namen mit der Endung -ose (Glucose, Fructose...).

• Aldosen: Monosaccharide mit einer Aldehyd-funktionellen Gruppe.
• Ketosen: Monosaccharide mit einer Keton-funktionellen Gruppe. Die einfachsten sind die Triosen.

Pufferlösungen

Zelluläre Prozesse erfordern in der Regel eine nahezu konstante Wasserstoffionenkonzentration (pH-Wert) nahe der Neutralität (pH 7). Chemische Reaktionen im Inneren von Lebewesen können saure und basische Produkte freisetzen, die den pH-Wert verändern.

Eine Puffer- oder Pufferlösung ist eine wässrige Lösung mit einer geeigneten chemischen Zusammensetzung, um spürbare Veränderungen des pH-Wertes zu verhindern. In einer Pufferlösung gibt es immer eine schwache Säure und ihre konjugierte Base, die als Spender oder Empfänger von Protonen (H+) fungieren und so einen Überschuss oder Mangel an Protonen im Medium ausgleichen.

Beispiel: Kohlensäure-Bicarbonat-Puffer (H₂CO₃ ⇌ HCO₃⁻ + H⁺). Dieser Puffer hat einen pH-Wert von 6,3 und wirkt extrazellulär. Wenn die Konzentration von Wasserstoffionen ansteigt, verschiebt sich das Gleichgewicht nach dem Prinzip von Le Chatelier in Richtung der Bildung von H₂CO₃, wodurch überschüssige Protonen entfernt werden.

Le Chatelier's Prinzip: Wenn sich die Faktoren ändern, die ein Gleichgewicht beeinflussen, verschiebt sich das Gleichgewicht, um der Änderung entgegenzuwirken.