Grundlagen der Materie, Bioelemente und Zellbiologie

Materie und Atomaufbau

Materie ist die Menge an Masse, die einen Raum einnimmt. Das Atom ist der kleinste, unteilbare Bestandteil der Materie und besteht aus drei subatomaren Teilchen:

• Protonen (p+): Subatomare Teilchen mit positiver Ladung.
• Neutronen (n): Subatomare Teilchen mit neutraler Ladung.
• Elektronen (e-): Subatomare Teilchen mit negativer Ladung.

Grundlegende Konzepte

• Isotope: Atome, die eine größere Anzahl von Neutronen enthalten. Dies kann zu atomarer Radioaktivität führen.
• Ordnungszahl (Atomnummer): Die Anzahl der Protonen in einem Element.
• Atomgewicht: Die Summe der Protonen und Neutronen.

Bioelemente

Primäre Bioelemente (Bioelemente 1. Ordnung)

Diese Elemente machen zusammen etwa 99,3% der Körpermasse aus:

• Kohlenstoff (C): 18%
• Sauerstoff (O): 18%
• Wasserstoff (H): 10%
• Stickstoff (N): 3%

Rolle der primären Bioelemente

• Kohlenstoff: Ermöglicht die Bildung wichtiger Makromoleküle (Zucker, Fette, Proteine, Nukleinsäuren).
• Sauerstoff: Essentiell für alle Körper. Wird von Pflanzen durch Photosynthese erzeugt und ist Bestandteil des Wassermoleküls.
• Wasserstoff: Beteiligt an der funktionalen Transportkette von Nährstoffen.
• Stickstoff: Wichtig für die Stickstofffixierung aus der Atmosphäre und die Umwandlung in Nitrite und Nitrate.

Sekundäre Bioelemente (Bioelemente 2. Ordnung)

Schwefel (S), Kalzium (Ca), Phosphor (P), Magnesium (Mg), Kalium (K), Chlorid (Cl), Natrium (Na).

Funktionen der sekundären Bioelemente

• Schwefel: Hilft dem Körper, Vitamine zu speichern und zu metabolisieren.
• Kalzium: Unterstützt die Mineralisierung von Knochen und Zähnen.
• Phosphor: Ist an Fettmoleküle gebunden, die es ermöglichen, andere Stoffe aufzunehmen.
• Magnesium: Verleiht Pflanzen die grüne Färbung und ist verantwortlich für den Prozess der Photosynthese.
• Kalium: Unterstützt den Prozess der Nervenimpulse.
• Chlorid und Natrium: Beteiligt am Prozess der Anspannung und Entspannung der Muskeln.

Moleküle und Biomoleküle

Moleküle bestehen aus zwei oder mehr Elementen, die durch chemische Bindungen verbunden sind. Sie werden in zwei Hauptgruppen eingeteilt:

1. Anorganische Moleküle: Sind überall zu finden.

Wasser – Das universelle Lösungsmittel

Wasser kann anorganische Stoffe (wie Salze und Mineralien) und organische Stoffe (wie Zucker) lösen.

2. Organische Moleküle (Biomoleküle): Moleküle, deren Funktion den Stoffwechsel unterstützt.

Kohlenhydrate (Zucker)

• Monosaccharide: Bestehen aus einer einzigen Kohlenhydrateinheit.
• Disaccharide: Bestehen aus zwei Kohlenhydrateinheiten, die durch eine glykosidische Bindung verbunden sind.
• Polysaccharide: Bestehen aus zwei oder mehr organischen Molekülen.

Wichtige Polysaccharide

• Stärke: Alle Zuckerarten, die in Pflanzenzellen vorkommen.
• Glykogen: Ein Zucker, der von Tieren produziert wird und als Energiespeicher dient (Energiereserve).
• Chitin: Eine Zuckerart, die von Insekten zur Bildung ihres Skeletts (Schalenbauweise) hergestellt wird.

Lipide (Fette)

Lipide werden klassifiziert in:

1. Fettsäuren
2. Triacylglyceride
3. Phospholipide: Moleküle, die eine Phosphorgruppe besitzen. Sie sind in den Zellmembranen zu finden.

Spezielle Lipide: Steroide

Steroide sind ringförmige Moleküle, die der Zelle strukturelle Form verleihen.

• Cholesterin: Verleiht der Zelle Stabilität (Rigidität).
• Testosteron: Das männliche Sexualhormon.

Nukleinsäuren

Nukleinsäuren sind organische Moleküle, die aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Sie transportieren das genetische Material aller Körper und transformieren es in zelluläre Proteine.

Anmerkung: Hämoglobin ist für den Sauerstofftransport im Blut zuständig (Hämoglobin ist ein Protein).

Hintergrund der Zelltheorie

1. Marcello Malpighi (Italienischer Physiologe/Arzt): Entdeckte die Funktion und Form der roten Blutkörperchen.
2. Robert Hooke: Entwickelte ein Mikroskop zur Beobachtung der Zellwand und gilt als der Erste, der eine Zelle beobachtete.
3. Robert Brown: Entdeckte den Zellkern.
4. Johannes Purkinje: Beschrieb die Zelle als eine wässrige, zähflüssige Substanz (Protoplasma).