Grundlagen der Biologie: Bioelemente und Biomoleküle

Funktionen der Lebewesen

• Ernährung: Austausch von Materie und Energie mit der Außenwelt.
• Reproduktion: Erzeugung von Nachkommen zur Erhaltung der Art.
• Interaktion: Reaktion auf Reize aus der Umwelt.

Bioelemente

Alle Lebewesen bestehen aus einer begrenzten Gruppe chemischer Elemente.

• Primärelemente (C, H, N, P, S): Diese machen 98 % des Körpergewichts aus und dienen dem Aufbau von Molekülen mit speziellen Eigenschaften.
• Sekundärelemente (Ca, K, Mg, Cl, I, Cu, Zn): Einige erreichen nicht einmal 0,1 % (Spurenelemente wie Fe), sind jedoch für den Organismus unverzichtbar.

Biomoleküle

Biomoleküle entstehen durch die Kombination von Bioelementen mittels chemischer Bindungen. Sie können unterschiedlich komplex sein:

• Organisch: Lipide, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren und Proteine.
• Anorganisch: Wasser und Mineralsalze.

Anorganische Biomoleküle: Wasser und Mineralien

Wasser (H₂O): Besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Aufgrund der hohen Elektronegativität des Sauerstoffs entsteht ein Dipol (negativer Pol am O, positiver Pol am H), weshalb Wasser als polares Molekül gilt. Die Moleküle halten durch elektrostatische Anziehung (Wasserstoffbrückenbindungen) zusammen.

• Besitzt eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität.
• Ist das wichtigste biologische Lösungsmittel.
• Erreicht bei 4 °C seine maximale Dichte und kann ionisieren.

Mineralsalze:

• Präzipitierte Salze: Haben strukturelle Funktionen, wie den Aufbau von Knochen oder Schalen.
• Gelöste Salze: Liegen in ionischer Form vor. Sie regulieren den pH-Wert und tragen durch osmotische Erscheinungen zum Flüssigkeitshaushalt bei (Wasser wandert durch eine semipermeable Membran von Gebieten geringer Konzentration zu Gebieten höherer Konzentration).

Kohlenhydrate (Saccharide)

Dies sind ternäre Verbindungen aus C, H und O. Chemisch gesehen handelt es sich um Aldehyde, Ketone oder mehrwertige Alkohole.

• Monosaccharide: Einzelne Moleküle mit 3 bis 7 C-Atomen (Aldosen oder Ketosen).
• Disaccharide: Verbindung zweier Monosaccharide unter Abspaltung eines Wassermoleküls (H₂O).
• Polysaccharide: Entstehen durch die Verbindung vieler Monosaccharid-Moleküle.

Funktionen: Brennstoff für Zellen (Energiequelle), Energiespeicherung und strukturelle Bauteile.

Lipide

Verbindungen aus C, H und O. Sie sind unpolar oder schwach polar, daher wasserunlöslich, aber löslich in organischen Lösungsmitteln. Man unterscheidet gesättigte (keine Doppelbindungen) und ungesättigte Lipide.

• Fette: Verbindung von Glycerin mit ein bis drei Fettsäuren (Esterbindungen). Gesättigte Fette sind meist tierisch und bei Raumtemperatur fest; ungesättigte Fette sind meist pflanzlich und flüssig.
• Wachse: Bestehen aus einem langkettigen Monoalkohol und einer Fettsäure; sie dienen dem Schutz.
• Phospholipide: Besitzen ein hydrophobes (unpolares) Ende und einen hydrophilen (polaren) Kopf. Sie bilden die Lipiddoppelschicht und damit die Basis der Zellmembranen.
• Steroide: Bestehen aus Kohlenwasserstoffringen und sind völlig wasserunlöslich (z. B. Cholesterin, Vitamin D und Sexualhormone).

Funktionen: Energiereserve, Schutzschicht, strukturelle Basis der Zellmembranen und Regulation von Lebensvorgängen.

Proteine

Organische Biomoleküle aus C, H, O, N und S. Es sind Polymere aus Aminosäuren, die durch Peptidbindungen verknüpft sind. Aminosäuren sind amphotere Substanzen (sie können als Säure oder Base reagieren).

Funktionen der Proteine:

• Struktur: Kollagenfasern sorgen für Widerstandskraft.
• Transport: Hämoglobin transportiert Sauerstoff; andere Proteine transportieren Cholesterin.
• Regulation: Hormone wie Insulin regulieren den Blutzuckerspiegel.
• Kontraktilität: Aktin- und Myosinfilamente ermöglichen die Muskelkontraktion.
• Abwehr: Antikörper neutralisieren fremde Substanzen.
• Katalyse: Enzyme beschleunigen Stoffwechselreaktionen.

Enzyme: Biologische Katalysatoren

Enzyme erhöhen die Geschwindigkeit metabolischer Reaktionen.

• Hydrolasen: Spalten kovalente Bindungen durch die Aufnahme eines Wassermoleküls (Hydrolyse).
• Eigenschaften: Spezifität (wirken nur auf bestimmte Substrate) und Effizienz (katalysieren viele Umwandlungen pro Minute).

Nukleinsäuren

Polymere aus Nukleotiden (C, H, N, P), die durch Phosphodiesterbindungen verknüpft sind. Stickstoffbasen sind zyklische organische Verbindungen:

• Pyrimidinbasen: Bestehen aus einem Ring (Cytosin, Thymin, Uracil).
• Purinbasen: Bestehen aus zwei Ringen (Adenin, Guanin).

DNA (Desoxyribonukleinsäure)

Enthält die Basen Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin. Sie befindet sich im Zellkern (Chromosomen) sowie in Mitochondrien und Chloroplasten. Struktur: Antiparallele Doppelhelix.

• Die Stickstoffbasen liegen im Inneren, während Pentose und Phosphat das äußere Skelett bilden.
• Stabilisierung durch Wasserstoffbrückenbindungen (A=T und C≡G).
• Funktion: Träger der Erbinformation. Die Sequenz der Basen codiert die genetische Information, die bei der Zellteilung vererbt wird.

RNA (Ribonukleinsäure)

Enthält die Basen Adenin, Uracil, Cytosin und Guanin.

• mRNA (Messenger-RNA): Kopiert die DNA-Information und bringt sie zu den Ribosomen.
• rRNA (Ribosomale RNA): Ist Bestandteil der Ribosomen.
• tRNA (Transfer-RNA): Transportiert Aminosäuren zu den Ribosomen für den Aufbau der Proteinketten.