Grundlagen der Biochemie, Biophysik und Wasserhaushalt

Biochemie und Biophysik: Grundlagen des Lebens

Biochemie und Biophysik: Die Wissenschaft, die sich mit der grundlegenden Chemie des Lebens befasst. Gegenstand der Biochemie ist die chemische Zusammensetzung von Lebewesen, die Beziehungen zwischen chemischen Verbindungen, deren Transformationen, Regulierung sowie die Auswirkungen dieser Veränderungen auf die Physiologie der Organismen.

Bioelemente und Biomoleküle

Es werden verschiedene Bioelemente und Biomoleküle unterschieden: primäre, sekundäre und Spurenelemente (Trace). Die Bioelemente verbinden sich, um organische Moleküle oder Biomoleküle des Lebens zu bilden, welche die grundlegenden Einheiten in Zellen darstellen und verschiedene Funktionen erfüllen. Organische Moleküle können als Moleküle definiert werden, die Kohlenstoff enthalten; hierbei geht es speziell um organische Moleküle, die in lebenden Organismen vorkommen. Von den verschiedenen Molekülen, die in einem lebenden System gefunden werden können, macht Wasser zwischen 50 und 95 % aus; zudem sind weitere Elemente enthalten.

Allgemeines Konzept des Stoffwechsels

Die Summe der chemischen Reaktionen, die im Zellstoffwechsel stattfinden, bildet das allgemeine Konzept des Stoffwechsels. Metabolische Reaktionen verlaufen in Reihe, als Wege oder Pfade, wobei das Produkt einer Reaktion zum Substrat der nächsten wird und jede eine bestimmte Funktion in der Zelle erfüllt. Zudem finden diese Reaktionen in bestimmten Kompartimenten der Zelle statt, und es erfolgt eine Kontrolle über diese Vorgänge. Jeder Schritt in einem Stoffwechselweg wird durch ein spezielles Enzym gesteuert.

Das Konzept der Homöostase

Das gesamte Konzept der Homöostase umfasst alle abgestimmten physiologischen Prozesse, durch die der Körper einen Gleichgewichtszustand (Steady-State) gegenüber inneren oder äußeren Veränderungen aufrechterhält. Die Wahrung der Stabilität, also die Homöostase, ist sehr wichtig, da sie die Ausführung aller Stoffwechselvorgänge des Organismus ermöglicht. Es gibt zwei Wege, die Homöostase zu erhalten: Reaktionen auf Veränderungen, die vorausgesagt werden können, und Reaktionen auf Veränderungen, die nicht vorhersehbar oder unerwartet sind.

Struktur und Eigenschaften des Wassers

Struktur des Wassers: Wasser ist die häufigste Flüssigkeit auf der Erdoberfläche und der Hauptbestandteil des Gewichts aller Lebewesen; es besitzt eine Reihe bemerkenswerter Eigenschaften. Wasser bildet eine elektrische Dipol-Struktur. Die Bedeutung dieses Biomoleküls liegt darin, dass fast alle biochemischen Reaktionen im Körper unter wässrigen Bedingungen stattfinden.

Physikalisch-chemische Eigenschaften des Wassers

• Wasser ist in einem Temperaturbereich von 0–100 °C flüssig.
• Wasser weist seine maximale Dichte bei 4 °C auf.
• Wasser hat eine hohe Dielektrizitätskonstante.
• Wasser ist ein Dipol.
• Wasser hat eine hohe spezifische Wärmekapazität (1 cal / °C × g = Wärme, die benötigt wird, um die Temperatur von 1 g Wasser um 1 °C zu erhöhen).
• Wasser hat eine sehr hohe Verdampfungswärme (Wärmemenge, die benötigt wird, um ein Gramm Wasser zu verdampfen: 0,536 cal/g).
• Wasser zeichnet sich durch eine hohe Oberflächenspannung aus.
• Wasser verhält sich als schwacher Elektrolyt (Dissoziationsreaktion von Wasser).

Osmotischer Druck: Konzept und biologische Bedeutung

In einer Lösung gibt es zwei Komponenten: den gelösten Stoff und das Lösungsmittel. Das Lösen einer Substanz in einem Lösungsmittel zur Bildung einer Lösung führt dazu, dass sich bestimmte Eigenschaften des Lösungsmittels ändern. Der osmotische Druck oder Tonus der Lösung ist von großer Bedeutung, da der extrazelluläre Raum die gleichen Werte wie die intrazelluläre Umgebung aufweisen sollte (Isotonie). So gibt es keine Netto-Wasserbewegung in eine der beiden Richtungen, welche das Überleben der Zelle gefährden könnte.

Verteilung von Wasser und Wasserhaushalt

Das Volumen der Flüssigkeit in jedem Raum hängt von der Menge der osmotisch wirksamen Substanzen ab. Es wird durch Erhöhung oder Verringerung dieses Gehalts reguliert. Die Aufrechterhaltung dieser wässrigen Volumina (Wasserhaushalt) ist für den Organismus notwendig, damit er seine lebenswichtigen Funktionen voll entfalten kann.