Wasser, Mineralsalze, Lipide, Proteine & Nukleinsäuren – Eigenschaften und Funktionen

Wasser: Eigenschaften und Bedeutung

Wasser ist das häufigste Molekül in Lebewesen und macht im Allgemeinen etwa 75 Gew.-% aus. Chemisch ist es ein Molekül, das aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen besteht. Durch seine Elektronegativität entsteht im Molekül ein negativer Bereich beim Sauerstoff und ein positiver Bereich bei den Wasserstoffatomen. Diese Eigenschaft wird als polar oder bipolar bezeichnet, wodurch Wasser mit anderen Molekülen durch elektrostatische Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen wechselwirkt.

Wichtige Eigenschaften von Wasser

1. Universelles Lösungsmittel: Wasser löst polare Moleküle aufgrund seiner hydrophilen Eigenschaften, während unpolare Moleküle in der Regel nicht gelöst werden (hydrophob).
2. Hohe spezifische Wärmekapazität: Es werden etwa 1 Kalorie pro Gramm benötigt, um die Temperatur von Wasser um 1 °C zu erhöhen. Dadurch ändern sich Temperaturen in aquatischen Lebensräumen weniger stark und thermische Schocks werden reduziert.
3. Hohe Verdampfungswärme: Die Verdampfungswärme beträgt etwa 540 Kalorien pro Gramm bei 100 °C, weshalb Verdampfung eine effektive Kühlfunktion hat.
4. Hohe Oberflächenspannung: Wasser verhält sich an der Oberfläche wie ein elastischer Film; dadurch können beispielsweise Wasserläufer auf der Wasseroberfläche laufen, ohne zu sinken.
5. Stofftransport: In Lebewesen ist Wasser Teil des inneren Milieus und transportiert Nährstoffe und Abfallstoffe; es ist ein Hauptbestandteil des Blutes.
6. Schmier- und Stoßdämpfer: Wasser reduziert die Reibung der harten Teile des Skeletts in Gelenken (z. B. Synovialflüssigkeit im Knie) und wirkt stoßdämpfend für Organe und Gewebe.
7. Dichteanomalie: Im Gegensatz zu vielen anderen Stoffen ist Wasser in festem Zustand (Eis) weniger dicht als in flüssigem Zustand, so dass Eis auf Wasser schwimmt.

Mineralsalze: Ionen und Osmose

Mineralsalze bestehen aus gelösten Ionen wie Cl−, Na+, K+ und Ca2+. Sie sind an der Regulation des Wasserhaushalts der Zelle beteiligt und stehen im Zusammenhang mit der Osmose. Osmose ist der Durchgang eines Lösungsmittels durch eine semipermeable Membran von einem Bereich mit niedrigerer Konzentration gelöster Stoffe zu einem Bereich mit höherer Konzentration gelöster Stoffe.

Wenn eine Zelle in einem Medium mit niedriger Ionenkonzentration (hypotonisch) liegt, strömt Wasser in die Zelle, um die Konzentrationen auszugleichen, und die Zelle vergrößert sich (Turgor). In einem Medium mit höherer Ionenkonzentration (hypertonisch) verlässt Wasser die Zelle, und sie schrumpft (Plasmolyse).

Lipide: Typen und Funktionen

Lipide bestehen vorwiegend aus Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O). Sie sind eine Gruppe von Biomolekülen, die in Wasser unlöslich, aber in organischen Lösungsmitteln löslich sind. Zu ihren Hauptfunktionen gehören Energiespeicherung und strukturelle Aufgaben.

Wichtige Lipidtypen:

• Fette (Triglyceride): Entstehen durch die Verknüpfung von Glycerin mit drei Fettsäuren. Aufgrund ihrer geringen Dichte und hohen Energiedichte dienen sie als Energiespeicher.
• Phospholipide: Amphipathische Moleküle mit einem hydrophilen Kopf und hydrophoben Schwänzen; sie sind Hauptbestandteil biologischer Membranen.
• Isoprenoide: Dazu gehören z. B. die fettlöslichen Vitamine A, D, E und K sowie andere Terpenoidverbindungen.

Proteine: Aufbau und Funktionen

Proteine sind Makromoleküle, die durch die Polymerisation kleinerer Moleküle, der Aminosäuren, gebildet werden. Jede Aminosäure besteht aus einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe, einem Wasserstoffatom und einer variablen Seitenkette (R-Gruppe), die am gleichen Kohlenstoffatom (alpha-Kohlenstoff) gebunden sind. Die Aminosäuren sind durch Peptidbindungen miteinander verknüpft.

Ein Merkmal der Proteine ist ihre Spezifität: Jede Art besitzt charakteristische Proteine, oft sogar individuelle Varianten innerhalb derselben Art. Dies erklärt unter anderem Abstoßungsreaktionen bei Bluttransfusionen oder Transplantationen. Die Funktion eines Proteins hängt von seiner dreidimensionalen Struktur ab (tertiäre Struktur) und gegebenenfalls von seiner Quartärstruktur, wenn mehrere Polypeptidketten zusammenspielen.

Funktionen von Proteinen (Auswahl):

• Transport (z. B. Sauerstofftransport durch Hämoglobin, Bindung von Eisen)
• Immunabwehr (Antikörper)
• Blutgerinnung
• Regulation von Muskelkontraktion und -entspannung
• Katalyse (Enzyme)
• Toxische Proteine (z. B. Schlangengifte wie Kobravenom)

Nukleinsäuren: DNA und RNA

Nukleinsäuren bestehen aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Phosphor (C, H, O, N, P). Es gibt zwei Haupttypen: DNA und RNA. Beide bestehen aus wiederholten Einheiten, den Nukleotiden, die zu langen Ketten verknüpft sind. Ein Nukleotid setzt sich aus drei Teilen zusammen: einem Zucker, einer Phosphorsäure und einer stickstoffhaltigen Base.

In der DNA ist der Zucker Desoxyribose, in der RNA ist es Ribose. Die Hauptfunktion der Nukleinsäuren ist die Speicherung und Übertragung der genetischen Information sowie die Bereitstellung der Vorlage für die Proteinbiosynthese.