Grundlagen der Molekularbiologie: Biomoleküle

Molekulare Grundlagen der Vererbung

Kohlenstoff (C)

Die Mehrheit der primären Bestandteile von Organismen besteht aus Kohlenstoffatomen. Kohlenstoff bildet fast 18 % der lebenden Materie. Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten, werden als organische Verbindungen bezeichnet. In der Natur ist Kohlenstoff oft mit Wasserstoff (H), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O) assoziiert. Kohlenstoff hat die Wertigkeit 4.

Organische Verbindungen sind in Zellen und Geweben zu finden, beeinflussen den Stoffwechsel und dienen als Energiequelle in biologischen Prozessen. Kohlenstoff hat zwei Hauptgründe für die Bildung einer Vielzahl von Verbindungen:

• Die Fähigkeit, stabile Ketten zu bilden, da die durch Einfachbindungen verbundenen Atome sehr stark sind.
• Die Fähigkeit, Mehrfachbindungen einzugehen.

Polymere und Makromoleküle

Polymere oder Makromoleküle bestehen aus Struktureinheiten (Monomeren), die sich in einem vorgegebenen Muster wiederholen. Sie besitzen ein hohes Molekulargewicht (typischerweise über 10.000 amu) und bestehen aus Tausenden von Atomen, weshalb sie Makromoleküle genannt werden.

Biopolymere

Biopolymere sind Polymere, die in der Natur vorkommen (z. B. Holz, Latex, Baumwolle). Zu den wichtigsten Biopolymeren zählen Polysaccharide, Proteine und Nukleinsäuren. Biopolymere (mit Ausnahme der Kohlenhydrate) bestehen oft aus Monomeren mit ungleicher Struktur.

Der Mensch hat synthetische Polymere geschaffen, die sich jedoch strukturell von Biopolymeren unterscheiden. Sie weisen oft nur eine oder zwei wiederkehrende Monomereinheiten entlang der Kette auf. Tausende von organischen Verbindungen, aus denen Lebewesen bestehen, setzen sich aus mindestens 40 kleinen und einfachen Monomeren zusammen.

Kohlenhydrate (Saccharide)

Kohlenhydrate werden so genannt, weil die meisten von ihnen die allgemeine Formel (CH₂O)_n haben. Sie sind auch als Glykoside oder Zucker bekannt. Die kleinsten Kohlenhydrate besitzen 3 bis 7 C-Atome und werden als Monosaccharide bezeichnet.

Die wichtigsten Monosaccharide sind die Hexosen (Glucose und Fructose) und die Pentosen (Ribose und Desoxyribose). Die Vereinigung zweier Monosaccharide bildet ein Disaccharid durch glykosidische Bindungen (z. B. Saccharose oder Rohrzucker). Wenn mehr als zwei Monosaccharide verbunden sind, spricht man von Polysacchariden.

Wichtige Polysaccharide auf Glucosebasis

Glucose ist das Monomer in den drei wichtigsten Polysacchariden: Cellulose, Stärke und Glykogen.

1. Cellulose

Cellulose ist ein lineares Kettenpolymer, das aus bis zu 3.000 Glucose-Einheiten besteht. Sie ist der Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand und die am weitesten verbreitete organische Verbindung in Holz und Baumwolle.

2. Stärke

Stärke kommt in zwei Formen vor:

• Amylose: Kleinere, unverzweigte Moleküle, bestehend aus 60 bis 300 Glucose-Einheiten.
• Amylopektin: Verzweigtes Molekül, bestehend aus 300 bis über 5.000 Glucose-Einheiten.

3. Glykogen

Glykogen ist ein makromolekulares, stark verzweigtes Polymer, das aus Glucose-Einheiten besteht. Es speichert Energie in Tieren und reichert sich in Organen wie der Leber und den Muskeln an.

Funktionen der Kohlenhydrate

Kohlenhydrate liefern Energie für Zellen. Sie erfüllen auch strukturelle Funktionen, beispielsweise in Pflanzen und Insekten.

Hinweis zur Verdaulichkeit

Der Mensch besitzt keine Enzyme, um Chitin und Cellulose (unlösliche Polysaccharide) abzubauen. Er besitzt jedoch Enzyme, die Stärke (lösliches Polysaccharid) abbauen können.

Proteine

Bakterien besitzen etwa 3.000 Proteine, während der Mensch etwa 30.000 Proteine hat. Proteine sind Makromoleküle, die aus Monomereinheiten, den Aminosäuren, aufgebaut sind.

Aminosäuren besitzen eine Carboxylgruppe (–COOH) und eine Aminogruppe (–NH₂), die an dasselbe Kohlenstoffatom gebunden sind. Um Proteine zu bilden, müssen die Aminosäuren miteinander verbunden werden. Von allen existierenden Aminosäuren sind nur 20 Teil des Proteinsyntheseprozesses. Von diesen 20 sind nur 10 für den Menschen essenziell, da sie nicht selbst synthetisiert werden können und über die Nahrung aufgenommen werden müssen.

Klassifizierung der Aminosäuren (Mensch)

Nicht-essenzielle Aminosäuren:

• Alanin, Asparagin, Asparaginsäure, Cystein, Glutaminsäure, Glutamin, Glycin, Prolin, Serin, Tyrosin.

Essenzielle Aminosäuren:

• Arginin, Histidin, Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan, Valin.