Grundlagen der Biochemie: Biomoleküle, Wasser und pH-Regulation

Biomoleküle: Bausteine des Lebens

Biomoleküle sind die grundlegenden chemischen Verbindungen, aus denen Lebewesen aufgebaut sind und die deren Funktionen ermöglichen. Sie lassen sich grob in anorganische und organische Moleküle unterteilen.

Anorganische Moleküle

• Wasser (H₂O): Das wichtigste Lösungsmittel und Reaktionsmedium.
• Sauerstoff (O₂): Essentiell für die Zellatmung.
• Kohlendioxid (CO₂): Wichtig für Photosynthese und pH-Regulation.

Organische Biomoleküle (Makromoleküle)

Die Hauptklassen der organischen Makromoleküle sind:

• Proteine
• Nukleinsäuren
• Kohlenhydrate
• Lipide

Aufbau und Funktion von Makromolekülen

• Polysaccharide (Kohlenhydrate):

  Funktionieren als strukturelle Komponenten (z.B. Zellulose) oder als Energiespeicher (z.B. Glykogen). Sie sind Polymere aus vielen Monosaccharid-Einheiten.

• Nukleinsäuren (DNA & RNA):

  Bestehen aus nur vier verschiedenen Nukleotid-Einheiten. Ihre Hauptfunktionen umfassen die Speicherung, Übertragung und Expression genetischer Informationen.

• Proteine:

  Sind Polymere, die aus einer Kombination von bis zu 20 verschiedenen Aminosäuren (aa) aufgebaut sind. Sie erfüllen vielfältige Funktionen im Körper, darunter:

  • Katalytische Funktionen (Enzyme)
  • Strukturfunktionen (z.B. Kollagen)
  • Transportfunktionen (z.B. Hämoglobin)
  • Hormonelle Funktionen (z.B. Insulin)
  • Immunfunktionen (Antikörper)
  • Rezeptorfunktionen (Signalerkennung)
• Lipide:

  Polymerisieren nicht im klassischen Sinne, sondern bilden oft Aggregate. Sie sind entscheidend für strukturelle Aufgaben (z.B. Zellmembranen) und funktionale Prozesse (z.B. Energiespeicherung, Signalmoleküle).

Charakteristika der lebenden Materie

Lebewesen sind komplexe chemische Partikel, die aus molekularen Interaktionen in einer wässrigen Flüssigkeit entstehen. Durch diese Interaktionen erwerben sie neue physikochemische Eigenschaften, die zu wichtigen Lebensphänomenen führen.

Wesentliche Merkmale des Lebens sind:

• Komplexität und Ordnung: Hochorganisierte Strukturen.
• Stoff- und Energieaustausch mit der Umgebung: Offene Systeme.
• Replikation: Die Fähigkeit zur Selbstreproduktion.

Wasser in biologischen Prozessen

Wasser ist die essentielle Flüssigkeit, die die Mobilität von Partikeln und deren molekulare Wechselwirkungen ermöglicht, welche für alle Stoffwechselprozesse unerlässlich sind.

Struktur und Eigenschaften von Wasser

• Wasser als Lösungsmittel:

  Wasser ist aufgrund seiner polaren Natur und seiner Neigung zur Bildung von Wasserstoffbrücken das universelle Lösungsmittel in intra- und extrazellulären Medien.

• Ionisation von Wasser:

  Wasser kann in H⁺ und OH^- Ionen dissoziieren, was für den pH-Wert von Bedeutung ist.

• Pufferlösungen:

  Systeme, die den pH-Wert stabil halten.

Hydrophobe Moleküle

Relativ unlöslich in Wasser sind aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe oder deren Derivate, die keine Wasserstoffbrücken bilden können.

Ungefähre Körperzusammensetzung (%)

Die menschliche Körperzusammensetzung variiert, aber typische Werte sind:

• Wasser: 60%
• Lipide: 20%
• Proteine: 14%
• Mineralstoffe: 5,5%
• Nukleinsäuren: >1%
• Kohlenhydrate: 1%

Ionische Gleichgewichte und pH-Regulation

Praktisch alle chemischen Reaktionen im Körper finden in einem wässrigen Medium statt, in dem das Verhalten der Partikel stark von ihrem molekularen Ionisationszustand abhängt.

Daher ist es entscheidend, folgende Konzepte zu verstehen:

• Säure-Basen-Gleichgewicht
• Wasserionisation
• Bedeutung von Pufferlösungen

Pufferlösungen

Pufferlösungen sind Systeme, die den physiologischen pH-Wert aufrechterhalten. Sie bestehen typischerweise aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base.

Wichtige physiologische Puffer

• Bicarbonat-Puffer (H₂CO₃ / HCO₃^-):

  Hält den pH-Wert der extrazellulären Flüssigkeit (insbesondere des Blutes) nahe 7,4.

• Phosphat-Puffer (H₂PO₄^- / HPO₄^2-):

  Mit einem pKa von 6,86 ist er besonders wichtig für die Aufrechterhaltung des intrazellulären pH-Wertes.

• Protein-Puffer:

  Proteine wirken aufgrund ihrer Aminosäureseitenketten (mit pKa-Werten nahe 7) als wichtige Puffer im Blut und in den Zellen.

• Ammonium-Puffer (NH₄⁺ / NH₃):

  Spielt eine Rolle bei der pH-Regulation im Urin.