Grundlagen der Biochemie: Osmose, Puffer und Kohlenhydrate

Osmose: Grundlagen und Typen

Osmose tritt auf, wenn zwei Lösungen unterschiedlicher Ionenkonzentrationen durch eine semipermeable Membran getrennt sind. Diese Membran lässt Wasser (das Lösungsmittel) passieren, jedoch keine oder nur schwer Ionen oder andere gelöste Stoffe. Es gibt drei Typen von Lösungen in Bezug auf die Osmose:

• Isotonisch
• Hypertonisch
• Hypotonisch

Puffersysteme: pH-Stabilität in biologischen Systemen

In geschlossenen Systemen ist es entscheidend, dass sich der pH-Wert von Flüssigkeiten nicht abrupt ändert. Puffersysteme verhindern diese Schwankungen. Ihre Funktion basiert auf den Eigenschaften schwacher Säuren (ac. debiles), die nicht vollständig dissoziieren. In einem bestimmten pH-Bereich fungieren sie abwechselnd als Protonen-Donor oder Protonen-Akzeptor und halten den pH-Wert konstant innerhalb bestimmter Grenzen.

Bestimmte Salze und die entsprechenden Säuren gleichen den pH-Wert aus. Beispiel: Das HCO₃⁻/H₂CO₃ (Bikarbonat-Puffer)-System gleicht den pH-Wert der extrazellulären Umgebung aus.

Die kolloidale Natur biologischer Systeme

In lebenden Organismen fungiert Wasser als Lösungsmittel (die Dispergierphase) für die einzelnen Moleküle der gelösten Substanz (die dispergierte Phase).

Klassifikation nach Partikelgröße

• Wenn die Durchmesser der dispergierten Moleküle kleiner als 10⁻⁷ cm sind, handelt es sich um echte Lösungen (Mischungen).
• Wenn die Durchmesser zwischen 10⁻⁷ cm und 2 x 10⁻⁵ cm liegen, spricht man von einer heterogenen Mischung, den kolloidalen Dispersionen (z. B. Proteine).

Wenn Molekülaggregate für das Dispergiermittel unsichtbar sind, wird die kolloidale Dispersion als Emulsion bezeichnet. Abhängig von der Konzentration der Partikel unterscheidet man zwischen Sol und Gel.

Kohlenhydrate (Saccharide)

Kohlenhydrate sind Polyhydroxyaldehyde oder Polyhydroxyketone und deren Derivate, sowie Stoffe, die durch Kondensation entstehen.

Eigenschaften von Kohlenhydraten

Physikalische Eigenschaften

Sie sind weiße, lösliche Feststoffe, da sie Wasserstoffbrückenbindungen (H-Brücken) mit Wasser eingehen können.

Chemische Eigenschaften

Die Präsenz der Carbonylgruppe macht sie zu reduzierenden Substanzen. Sie bilden interne Halbacetal-Bindungen (Cyclisierung) und Glykosidbindungen. Sie können auch mit Phosphorsäure verestern (Phosphorylierung).

Isomerie bei Monosacchariden

Die Isomerie ist ein wichtiges Merkmal von Monosacchariden. Typen:

1. Funktionsisomerie (Isomerie der Funktion).
2. Stereoisomerie: Die Atome haben aufgrund asymmetrischer Kohlenstoffe (die an vier verschiedene Radikale gebunden sind) eine unterschiedliche räumliche Anordnung.
3. Stereoisomere: Die Anzahl der asymmetrischen Kohlenstoffe bestimmt die optische Aktivität der Monosaccharide in Lösung. Nicht alle D/L-Stereoisomere sind optisch aktiv.
4. Anomere: Offene, lineare Strukturen existieren in Lösungen nicht. Es tritt eine Cyclisierung der Moleküle auf, indem die Aldehyd- oder Ketongruppe mit einer Hydroxylgruppe reagiert. Dies geschieht nur, wenn das Molekül mehr als fünf Kohlenstoffatome besitzt, um stabile Ringe zu bilden. Diese kovalente Bindung wird als Halbacetal-Bindung bezeichnet.

Klassifikation der Kohlenhydrate

1. Osasen (Monosaccharide): Sind die einfachen Zucker.
2. Oside (Komplexe Kohlenhydrate): Leiten sich von Monosacchariden ab.
   • Holoside: Bestehen nur aus Monosacchariden.
     • Oligosaccharide: Gebildet durch die Vereinigung weniger Monosaccharid-Moleküle (z. B. Disaccharide).
     • Polysaccharide: Gebildet durch die Vereinigung vieler Monosaccharid-Moleküle.
       • Homopolysaccharide: Bestehen aus nur einer Art von Monosaccharid.
       • Heteropolysaccharide: Bestehen aus mehr als einer Art von Monosaccharid.
   • Heteroside: Gebildet aus Kohlenhydraten und anderen Komponenten unterschiedlicher Zusammensetzung (Nicht-Zucker-Teil).

Disaccharide

Disaccharide entstehen durch die Vereinigung von zwei Monosaccharid-Molekülen unter Bildung einer kovalenten O-glykosidischen Bindung und dem Verlust eines Wassermoleküls (H₂O). Die Bindung erfolgt zwischen der OH-Gruppe des ersten Monosaccharids und der OH-Gruppe des zweiten Monosaccharids.

Beispiele: Saccharose, Maltose, Laktose, Cellobiose.

Polysaccharide

Polysaccharide sind Kohlenhydrate mit hohem Molekulargewicht, die meist wasserunlöslich sind und durch die Polymerisation von Monosacchariden entstehen.

Homopolysaccharide

Sie werden durch die Verknüpfung nur einer Art von Monosaccharid gebildet.

Stärke

Stärke ist ein Reserve-Polysaccharid, das in Amyloplasten gespeichert wird und eine effektive Möglichkeit zur Speicherung von Glukose-Energie darstellt. Stärke wird durch Hydrolyse (z. B. in Knollen) gewonnen. Spezielle Enzyme (Amylasen) spalten die Stärke in Fragmente, die Dextrine genannt werden, und schließlich in Glukose.

Stärke besteht aus zwei Komponenten, die Polymere der Alpha-D-Glukose sind:

• Amylose: Lineare Ketten, die durch α-1,4-glykosidische Bindungen verbunden sind und eine helikale Struktur bilden. Amylose ist wasserlöslich.
• Amylopektin: Besteht ebenfalls aus linearen Ketten, die durch α-1,4-Bindungen verbunden sind, aber zusätzlich α-1,6-Verzweigungen aufweisen. Amylopektin ist wasserunlöslich.

Glykogen

Glykogen hat eine ähnliche Struktur wie Amylopektin, ist aber noch stärker verzweigt.

Cellulose

Cellulose ist ein lineares Polymer (keine helikale Struktur).

Chitin

Chitin ist ein Polymer aus N-Acetyl-Glucosamin mit β-1,4-Bindungen. Es ist ein Hauptbestandteil des Exoskeletts von Insekten.