Wasser, Mineralsalze, Osmose & Osmoregulation: Biologische Grundlagen

Wasser: Das Fundament des Lebens

Wasser ist das am häufigsten vorkommende Molekül in lebender Materie. Die Wassermenge in Organismen variiert zwischen 20 % und 85 % und nimmt mit dem Alter ab. Es besteht aus zwei Wasserstoffatomen (H) und einem Sauerstoffatom (O), die kovalent in einem Winkel von 104,5° gebunden sind. Obwohl es elektrisch neutral ist, haben seine Atome unterschiedliche Elektronegativitätswerte, was ihm einen polaren Charakter verleiht. Dadurch kann es andere Moleküle durch Wasserstoffbrückenbindungen an sich binden.

Eigenschaften des Wassers

• Hohe Dielektrizitätskonstante: Wasser kann die elektrostatische Anziehung zwischen Ionen (positiv und negativ) stark reduzieren.
• Geringer Ionisationsgrad: Flüssiges Wasser enthält nur eine geringe Menge ionisierter Moleküle.
• Hohe Kohäsionskraft: Die Anziehungskraft, die Wassermoleküle untereinander bindet.
• Hohe Oberflächenspannung: Eine Kraft auf der Wasseroberfläche, die es ermöglicht, sich wie eine elastische, gespannte Haut zu verhalten.
• Hohe Adhäsionskraft: Die Anziehungskraft, die Wassermoleküle an den Wänden kleiner Kanäle bindet und so den Aufstieg gegen die Schwerkraft ermöglicht (Kapillarität).
• Hohe spezifische Wärmekapazität: Die Energiemenge, die benötigt wird, um die Temperatur von 1 Gramm Wasser um 1 Grad Celsius zu erhöhen, bedingt durch die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen.
• Hohe Verdampfungswärme: Die Wärmeenergie, die bei der Umwandlung von flüssigem in gasförmiges Wasser absorbiert wird.
• Anomalie der Dichte: Die Dichte von Wasser nimmt unter 4 °C ab (Eis schwimmt).

Funktionen des Wassers im Organismus

Die Funktionen des Wassers sind eng mit seinen einzigartigen Eigenschaften verbunden. Die wichtigsten Funktionen sind:

• Es dient als Transportmittel und Lösungsmittel für viele Stoffe, sowohl Nährstoffe als auch Abfallprodukte.
• Es ist an den meisten Stoffwechselreaktionen beteiligt.
• Es ist ein wichtiger Temperaturregulator.
• Es verleiht Geweben Flexibilität und Elastizität und fungiert als Schmiermittel und Stoßdämpfer, insbesondere in Gelenken.
• Es trägt zur Regulierung der inneren Körpertemperatur von Lebewesen bei.
• Es ermöglicht das Leben unter der gefrorenen Oberfläche von Seen und Meeren, da Eis oben schwimmt.
• Es nimmt an verschiedenen chemischen Reaktionen teil.
• Es verteilt Stoffe im Körper (Transportfunktion).

Mineralsalze: Essenzielle anorganische Verbindungen

Mineralsalze sind anorganische Moleküle, die in allen Lebewesen vorkommen. Sie können entweder gelöst oder ausgefällt vorliegen und sind oft mit organischen Molekülen verbunden.

Gelöste Mineralsalze

Diese Salze sind in Wasser löslich und spielen eine entscheidende Rolle bei:

• Der Auslösung osmotischer Phänomene.
• Der Regulierung des pH-Gleichgewichts.
• Der Generierung und Erhaltung des elektrischen Potenzials.
• Der Stabilisierung des Salzgehalts des Körpers und kolloidaler Dispersionen.
• Der Beeinflussung der Enzymaktivität.

Beispiele:

• Anionen: Chlorid (Cl^-), Phosphate, Nitrate (NO₃^-)
• Kationen: Natrium (Na⁺), Kalzium (Ca²⁺), Kalium (K⁺), Magnesium (Mg²⁺)

Ausgefällte Mineralsalze

Diese Salze liegen im festen Zustand vor und sind nicht wasserlöslich. Sie bilden oft strukturelle oder schützende Einrichtungen wie Skelette. In Organismen sind sie reich an:

• Silikaten
• Carbonaten (z.B. Calciumcarbonat, CaCO₃)
• Phosphaten (z.B. Calciumphosphat, Ca₃(PO₄)₂)

Osmose: Der passive Wassertransport durch Membranen

Osmose ist ein physikalisch-chemisches Phänomen, das den passiven Transport von Wasser (Lösungsmittel) durch eine semipermeable Membran beschreibt. Diese Membran ist für das Lösungsmittel durchlässig, jedoch nicht für die gelösten Stoffe. Es handelt sich um eine Form der einfachen Diffusion durch die Membran, die keine zusätzliche Energie erfordert. Osmose ist ein fundamentales biologisches Phänomen, das für die Zellphysiologie aller Lebewesen von entscheidender Bedeutung ist.

Die semipermeable Membran

Eine semipermeable Membran (auch halbdurchlässige Membran genannt) besitzt Poren von molekularer Größe. Diese Poren sind so winzig, dass sie nur kleine Moleküle passieren lassen, größere Moleküle jedoch nicht. Beispielsweise können Wassermoleküle, die klein sind, die Membran passieren, während größere Zuckermoleküle zurückgehalten werden.

Osmoregulation: Aufrechterhaltung des Wasserhaushalts

Osmoregulation ist der aktive Prozess der Regulierung des osmotischen Drucks im inneren Milieu eines Organismus. Ihr Ziel ist es, die Homöostase der Körperflüssigkeiten aufrechtzuerhalten und zu verhindern, dass der interne Zustand zu stark verdünnt oder konzentriert wird. Der osmotische Druck ist dabei ein Maß für die Tendenz von Wasser, sich durch Osmose von einer Lösung in eine andere zu bewegen.

Mechanismen der Osmoregulation

Osmoregulation umfasst die Regulierung des Wasser- und Salzhaushalts im Körper. Diese lebenswichtige Funktion wird durch verschiedene Mechanismen und Organe ausgeführt, wobei insbesondere die Nieren und das Herz-Kreislauf-System eine zentrale Rolle spielen.

Bedeutung für Stoffwechsel und Zellfunktion

Metabolische Reaktionen, die für das Leben unerlässlich sind, erfordern ein präzises Gleichgewicht von Wasser und gelösten Stoffen. Osmose beeinflusst immer zwei Lösungen, die durch eine Membran getrennt sind und sich in ihrer Gesamtkonzentration an gelösten Stoffen unterscheiden. Es kommt zu einer Nettobewegung von Wasser von der hypotonen (geringere Konzentration) zur hypertonen (höhere Konzentration) Lösung, bis die Konzentrationen der gelösten Stoffe auf beiden Seiten der Membran ausgeglichen sind.