Grundlagen der Biologie und Chemie

Biowissenschaften: Fachgebiete

• Genetik: Biologische Vererbung und Variation.
• Zytologie: Struktur und Funktion von Zellen.
• Histologie: Gewebestruktur.
• Botanik: Pflanzen und Photosynthese (auch bei einigen Bakterien).
• Zoologie: Tiere in ihrer Entwicklung und Interaktion mit der Umwelt.
• Anatomie: Makroskopische Strukturen des Körpers lebender Organismen (z.B. Organe, Organsysteme).
• Embryologie: Entwicklung von Organismen vom Zygote bis zum adulten Stadium.
• Biochemie: Chemische Eigenschaften von Zellen.
• Ökologie: Beziehungen zwischen Lebewesen und ihrer Umwelt.
• Taxonomie: Klassifizierung von Lebewesen.
• Paläontologie: Untersuchung von Fossilien.

Grundlagen der Chemie

Atome und ihre Bestandteile

Atome sind die grundlegenden Bausteine der Materie. Sie bestehen aus einem zentralen Atomkern, der folgende Bestandteile enthält:

• Protonen: Positiv geladen.
• Neutronen: Ungeladen (neutral).
• Elektronen: Negativ geladen.

Die Ordnungszahl ist die Anzahl der Protonen im Kern.

Ein Isotop ist eine von mehreren Formen eines Elements, dessen Kern die gleiche Anzahl von Protonen, aber eine andere Anzahl von Neutronen enthält.

Ein Element ist eine Substanz, die durch chemische Prozesse nicht in einen anderen Stoff zerlegt oder umgewandelt werden kann.

Chemische Bindungen

Chemische Bindungen sind Anziehungskräfte, die Atome in einem Molekül zusammenhalten.

• Ionenbindung: Eine Bindung, bei der Atome Elektronen verlieren oder gewinnen, um ein Ladungsgleichgewicht zwischen Protonen und Elektronen zu erreichen.
• Kovalente Bindung: Eine Bindung, bei der Atome Elektronen miteinander teilen.

Biomoleküle

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind Moleküle, die aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen. Alle sind wasserlöslich und umfassen Zucker wie Stärke.

• Ein Zucker = Monosaccharid
• Zwei Zucker = Disaccharid

Beispiele: Glucose, Fructose, Saccharose. Diese enthalten viel Energie.

Lipide

Lipide enthalten viel Kohlenstoff und Wasserstoff und sind in Wasser unlöslich. Ihre Moleküle speichern Energie.

Sie werden unterteilt in:

1. Öle, Fette und Wachse
2. Phospholipide
3. Steroide

Proteine

Proteine sind Ketten aus Aminosäuren, die aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel bestehen. Polypeptide sind lange Ketten von Aminosäuren.

Beispiele: Keratin, Seide und Hämoglobin.

Nukleinsäuren

Nukleinsäuren werden aus Nukleotiden gebildet, die Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Phosphor enthalten. Alle Nukleotide haben einen Fünf-Kohlenstoff-Zucker, ein Phosphat und eine Stickstoffbasis.

Beispiele: DNA und RNA (Basenpaare: Adenin-Thymin (AT) und Cytosin-Guanin (CG)).

Merkmale von Lebewesen

• Lebewesen bestehen aus Zellen, die eine komplexe und organisierte Struktur haben.
• Lebewesen reagieren auf Stimuli in ihrer Umgebung.
• Lebewesen erhalten ihre komplexe Struktur und ihr inneres Milieu aktiv aufrecht (Homöostase).
• Lebewesen gewinnen und nutzen Materialien und Energie aus der Umwelt (Stoffwechsel).
• Lebewesen wachsen.
• Lebewesen reproduzieren sich.
• Lebewesen entwickeln sich.

Eigenschaften von Wasser

Wasser ist eine polare Substanz. Polare Substanzen wie Aminosäuren sind wasserlöslich, während unpolare Substanzen wie Öl, Gas oder CO2 dies nicht sind.

Die Polarität von Wasser ist auf Wasserstoffbrückenbindungen zurückzuführen. Dies sind schwache Bindungen, bei denen die Region eines Wasserstoffatoms positiv geladen ist.

Die Polarität von Wasser und die Wasserstoffbrückenbindungen ermöglichen es, dass Wasser in drei physikalischen Zuständen existiert.

Spezifische Eigenschaften

• Kohäsion: Die Tendenz von Molekülen, aneinander zu haften. Im Wasser ist sie stärker als in anderen Flüssigkeiten und wird durch Wasserstoffbrückenbindungen verursacht.
• Oberflächenspannung: Ein Maß dafür, wie schwer es ist, die Oberfläche einer Flüssigkeit zu durchbrechen. Sie ist eng mit der Kohäsion verbunden. Die Wasserstoffbrückenbindungen verleihen Wasser eine hohe Spannung und lassen es sich verhalten, als ob eine unsichtbare Folie die Oberfläche bedeckt.
• Pufferfunktion: Wasser kann den pH-Wert regulieren. Beispiele sind H2CO3 (Kohlensäure, die H+-Ionen abgibt und den pH-Wert senkt) und HCO3- (Bicarbonat, das H+-Ionen aufnimmt).
• Temperaturwechselbeständigkeit: Wasser hat eine hohe Beständigkeit gegenüber Temperaturänderungen aufgrund der Wasserstoffbrückenbindungen. Dank dieser Eigenschaft trägt Wasser auf dem Planeten zur Mäßigung der Temperatur und zur Erhaltung des Lebens bei.

Wärme und Temperatur

• Wärme: Energie, die mit der Bewegung von Atomen und Molekülen im Wasser verbunden ist.
• Temperatur: Bezieht sich auf die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle, nicht auf die gesamte Wärmemenge im Wasser.