Molekulare Grundlagen des Lebens: Bioelemente, Biomoleküle und die Bedeutung von Wasser
Molekulare Ebene: Chemische Bestandteile des Lebens
1.1. Chemische Zusammensetzung des Lebens
Bioelemente: Essenzielle Bausteine
Bioelemente sind alle Elemente, die in mehr oder weniger proportionaler Form in lebender Materie vorkommen. Man unterscheidet:
- Primäre Bioelemente: C, H, O, N, P, S. Sie machen den Großteil der lebenden Materie aus.
- Sekundäre Bioelemente: Werden in kleineren Mengen benötigt, sind aber für den Zellstoffwechsel unerlässlich. Dazu gehören Mg, Ca, K, Na, Cl.
- Oligoelemente: Werden in sehr geringen Mengen benötigt. Ihr Fehlen kann zu schweren Krankheiten oder sogar zum Tod führen. Beispiele sind Fe, I, Co, Li.
Biomoleküle: Die Bausteine des Lebens
Biomoleküle sind die Moleküle, die Teil der lebenden Materie sind. Sie werden in zwei Hauptgruppen unterteilt:
- Anorganische Moleküle: Wasser und Mineralsalze. Diese kommen sowohl in lebender als auch in unbelebter Materie vor.
- Organische Moleküle: Kohlenhydrate, Lipide, Proteine und Nukleinsäuren (Nucleinsäuren). Diese sind nur in lebender Materie zu finden.
Mineralsalze und ihre Funktionen
Allgemeine Funktionen von Mineralsalzen
Mineralsalze sind anorganische Moleküle, die sich in Lebewesen leicht auflösen oder dissoziieren können. Man unterscheidet:
- Dissoziierte Salze: In wässriger Lösung liegen sie als Kationen (z.B. Na$^+$, K$^+$, Fe$^{2+}$) oder Anionen (z.B. Cl$^-$, HCO$_3^-$) vor.
Allgemeine Funktionen:
- Sie erhalten den Salzgehalt und sorgen dafür, dass die intra- und extrazellulären Medien isotonisch sind.
- Sie halten den pH-Wert der Medien innerhalb des optimalen Bereichs (durch Puffersysteme).
- Sie erzeugen elektrische Gradienten und Membranpotenziale, die für die Nervenreizleitung unerlässlich sind.
Spezifische Funktionen (Beispiele):
- Na$^+$, K$^+$: Beteiligt an der Übertragung von Nervenimpulsen.
- Ca$^{2+}$: Wichtig für die Blutgerinnung.
- Mg$^{2+}$: Bestandteil des Chlorophylls und Kofaktor in vielen Enzymen, die an der Zellatmung und der Replikation der DNA beteiligt sind.
- Fe$^{2+}$, Fe$^{3+}$: Bestandteile von Hämoglobin und Myoglobin, verantwortlich für den Sauerstofftransport im Blut und in den Muskeln.
Präzipitierte (Feste) Salze
Salze in fester Form dienen dem Aufbau von Strukturen und dem Schutz.
- Beispiele: Calciumphosphat und Calciumcarbonat bilden die Struktur von Knochen. Calciumfluorid verleiht dem Zahnschmelz Härte.
Wasser und seine biologische Bedeutung
Die zentrale Rolle des Wassers
Wasser ist die mengenmäßig größte Komponente lebender Organismen. Es macht etwa 75% der Masse aus, wobei dieser Anteil je nach Organ, Alter und Art des Organismus variiert. Die Eigenschaften lebender Zellen sind direkt auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Wassermoleküls zurückzuführen.
Wichtige Eigenschaften des Wassers
- Lösungsmittelwirkung (Universelles Lösungsmittel): Dies ist die wichtigste Eigenschaft für das Leben. Sie beruht auf der Fähigkeit des Wassers, Wasserstoffbrückenbindungen (H-Brücken) mit anderen polaren Substanzen zu bilden. Diese Eigenschaft ist verantwortlich für:
- Die Umgebung, in der die meisten Stoffwechselreaktionen stattfinden.
- Den Transport von Nährstoffen und die Ausscheidung von Abfallprodukten durch wässrige Transportsysteme, in denen diese Substanzen zuvor gelöst werden.
- Hohe Kohäsionskraft: H-Brücken halten die Wassermoleküle fest zusammen und bilden eine kompakte Struktur. Dies verhindert, dass Wasser leicht komprimiert werden kann, und ermöglicht es ihm, als hydrostatisches Skelett bei einigen Tieren zu fungieren.
- Hohe Adhäsionskraft: Dies bezieht sich auf die H-Brücken, die zwischen Wassermolekülen und anderen polaren Molekülen gebildet werden. Zusammen mit der Kohäsion ist dies verantwortlich für das Phänomen der Kapillarität.
- Hohe spezifische Wärmekapazität: Wasser kann große Mengen an Wärme aufnehmen, wobei seine Temperatur nur geringfügig ansteigt, und umgekehrt Wärme abgeben. Dies hilft, Temperaturschwankungen in Organismen zu puffern.
- Hohe Wärmeleitfähigkeit: Wasser leitet Wärme gut.
- Hohe Verdampfungswärme: Um von flüssig zu gasförmig überzugehen, müssen die H-Brücken zerstört werden, was die Aufnahme von Energie aus der Umgebung erfordert. Dies führt zu einer starken Abkühlung der Oberfläche (z.B. Schwitzen).