© 2020 by Elsevier GmbH

Bitte nutzen Sie das untenstehende Formular um uns Kritik, Fragen oder Anregungen zukommen zu lassen.

Willkommen

Mehr Informationen

B978-3-437-26803-8.00002-6

10.1016/B978-3-437-26803-8.00002-6

978-3-437-26803-8

Abb. 2.1

Der Aufbau eines AtomaufbauAtoms. Oben mit eher realitätstreuen Proportionen, unten mit stark vergrößertem Kern, sodass Protonen und Neutronen erkennbar sind. Weiter sind schematisch zwei Elektronenschalen dargestellt.

Abb. 2.2

Symbol, Ordnungszahl, Massenzahl und ElektronegativitätElektronegativitätElektronegativität am Beispiel der vier „Schlüsselelemente“.

Abb. 2.3

Auszug aus dem Periodensystem der Elemente. Waagerecht nebeneinanderstehende Elemente bilden jeweils ein Periode, senkrecht untereinanderstehende eine Gruppe. Entsprechend der neueren Konvention sind die Gruppen in arabischen Ziffern nummeriert (in Klammern die ältere Nummerierung).

Die vier „Schlüsselelemente“ des Lebens sind rosa, die sieben Mengenelemente violett, die Spurenelemente braun, fragliche Spurenelemente hellbraun und einige toxische (giftige) Elemente gelb unterlegt.

Abb. 2.4

AufbauElektronenschale:Aufbau der Elektronenschalen bei einigen wichtigen Elementen. Die Elektronen sind zur Vereinfachung jeweils paarweise abgebildet.

Abb. 2.5

Ionenbindung am Beispiel des Na+Cl. Natrium gibt sein Außenelektron an Chlor ab. Dadurch erreichen beide die Edelgaskonfiguration.

Abb. 2.6

Links NaCl-NaCl-KristallgitterKristallgitter, rechts wässrige NaCl-NaCl-Lösung, wässrigeLösung. Die Ionen sind nun frei beweglich und wandern im elektrischen Feld zur Kathode (Minuspol) bzw. Anode (Pluspol).

Abb. 2.7

Kovalente Bindungen. Links kovalente Bindung von zwei Chloratomen zum Chlormolekül, rechts kovalente Bindungen von Wasserstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffatomen zu den jeweiligen Molekülen. Die so entstandenen Moleküle sind stabiler als die unverknüpften Atome.

Abb. 2.8

Zusammensetzung trockener Luft. Normaltemperierte Raumluft, normaltemperierteRaumluft enthält außerdem 1–2 % Wasserdampf, Ozon und Staub.

Abb. 2.9

Methan (MethanmolekülCH4). Ein Kohlenstoffatom ist mit vier Wasserstoffatomen durch kovalente Bindung verknüpft.

Abb. 2.10

Fünf WassermoleküleWassermoleküle und die sie verbindenden Wasserstoffbrücken.

Abb. 2.11

pH-Werte bekannter Flüssigkeiten.

Abb. 2.12

Kohlensäure und Bikarbonat als lebenswichtiges PuffersystemePuffersystem.

Abb. 2.13

Die Bildung des Zweifachzuckers (DisaccharidsDisaccharide:Bildung) Saccharose aus den Monosacchariden Glukose und Fruktose. Einer gängigen Schreibweise folgend sind die C-Atome an den Eckpunkten des Rings nicht ausgeschrieben, wohl aber hiervon abweichende Atome wie die O-Atome.

Abb. 2.14

Zusammenfassende Darstellung der vier Phasen der Energiegewinnung:PhasenEnergiegewinnung aus Glukose. GTP (Guanosintriphospat (GTP)Guanosintriphospat) ist wie ATP ein energiereiches Phosphat.

Abb. 2.15

Glukoneogenese. Verschiedene Ausgangsstoffe (Lakat, Glyzerin, Aminosäuren) können an unterschiedlichen Stellen in die Glukoneogenese eintreten. Aus Fettsäuren kann im menschlichen Körper hingegen keine Glukose gebildet werden, weil Acetyl-CoA nicht in Pyruvat überführt werden kann.

Abb. 2.16

PalmitinsäurePalmitinsäureÖlsäureÖlsäureLinolensäureLinolensäureLinks Verknüpfung einer FettsäureFettsäuren:Verknüpfung mit GlyzerinGlyzerin unter Abspaltung von H2O (Kondensationsreaktion). Rechts Triglyzeridbildung – alle drei Bindungsstellen des Glyzerins sind mit einer Fettsäure verknüpft.

Abb. 2.17

FettsäurenFettsäuren:Emulsion in Wasser. Die Fettsäuremoleküle richten ihre hydrophoben Enden zum Fetttropfen hin. An der Wasseroberfläche weisen die hydrophoben Enden vom Wasser weg.

Abb. 2.18

Das auf dem Sterangerüst basierende Cholesterin und zwei Abkömmlinge, die Hormone ÖstrogeneÖstrogen und TestosteronTestosteron.

Abb. 2.19

GlycinCysteinAlaninPinzipieller Aufbau einer Aminosäuren:AufbauAminosäure (links oben) und drei Beispiele. Sie unterscheiden sich nur im variablen Rest (R).

Abb. 2.20

Die Peptidbindung zur Verkettung von AminosäurenAminosäuren:Peptidbindung.

Abb. 2.21

Proteinstruktur.

Abb. 2.22

Enzymvermittelte Spaltung eines Substrat, enzymvermittelte SpaltungSubstrats (von einem Enzym umgesetzter Stoff) mit beteiligtem Coenzym. Die neu gebildeten Moleküle (Reaktionsprodukte) entfernen sich dann von der Enzymoberfläche, das unveränderte Enzym kann neue Substratmoleküle binden. Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit des Enzyms ist das aktive Zentrum. Hier ist die Polypeptidkette des Enzyms so gefaltet, dass das Substrat genau hineinpasst.

Abb. 2.23

Aufbau der DNADesoxyribonukleinsäure (DNS):Aufbau. Zuckermoleküle (Z) und Phosphatgruppen (P) sind abwechselnd aneinander geheftet und bilden zwei Stränge. Von den Zuckermolekülen aus bilden Basenpaare über Wasserstoffbrückenbindungen die „Sprossen“ der „Strickleiter“.

Abb. 2.24

ATPAdenosintriphosphat (ATP):Phosphatgruppen besteht aus Adenosin (Adenin plus Ribose) und drei Phosphatgruppen. ADP besitzt nur zwei Phosphatgruppen.

Abb. 2.25

OxidationsreaktionOxidationsreaktion bei der Umwandlung von Laktat zu Pyruvat.

Die chemischen Elemente des menschlichen Körpers.SchwefelPhosphorNatriumNatriumKalziumKalziumKaliumKaliumChlorSchlüsselelementeSchlüsselelementeSchlüsselelementeSchlüsselelementeSchlüsselelementeMengenelementeMengenelementeSpurenelementeSpurenelemente

Tab. 2.1
Chemisches Element (Symbol) Anteil am Körpergewicht Biologische Funktion
Ca. 96% „Schlüsselelemente“
Sauerstoff (O) 65,0 % Bestandteil von Wasser und vielen organischen Molekülen
Kohlenstoff (C) 18,5 % Bestandteil jedes organischen Moleküls
Wasserstoff (H)  9,5 % Bestandteil von Wasser und organischen Molekülen; als Ion (H+) ist es für die Säureeigenschaft einer Lösung verantwortlich
Stickstoff (N)  3,2 % Bestandteil vieler organischer Moleküle, z. B. aller Proteine und Nukleinsäuren
Ca. 3% Mengenelemente
Kalzium (Ca)  1,5 % Bestandteil von Knochen und Zähnen; beteiligt an der Freisetzung von Neurotransmittern sowie der elektromechanischen Koppelung bei Muskelkontraktionen
Phosphor (P)  1,0 % Bestandteil vieler Biomoleküle wie Nukleinsäuren, ATP und zyklischem AMP;
Bestandteil von Knochen und Zähnen
Kalium (K)  0,4 % Erforderlich zur Weiterleitung von Nervenimpulsen und für Muskelkontraktionen
Schwefel (S)  0,3 % Bestandteil vieler Proteine, besonders der kontraktilen Filamente des Muskels
Natrium (Na)  0,2 % Notwendig zur Weiterleitung von Nervenimpulsen sowie für Muskelkontraktionen;
Hauption des Extrazellulärraums, wesentlich für die Aufrechterhaltung der Wasserbilanz
Chlor (Cl)  0,2 % Wesentlich für die Aufrechterhaltung der Wasserbilanz
Magnesium (Mg)  0,1 % Bestandteil vieler Enzyme
Ca. 1% Spurenelemente
Chrom (Cr)
Eisen (Fe)
Fluor (F)
Jod (J)
Kobalt (Co)
Kupfer (Cu)
Mangan (Mn)
Molybdän (Mo)
Selen (Se)
Zink (Zn)
Alle jeweils weniger als 0,1 % Tab. 17.6 Weiter gibt es fragliche Spurenelemente – sie sind im Körper nachweisbar und werden mit der Nahrung zugeführt, aber der tägliche Bedarf sowie irgendwelche Mangelerscheinungen sind nicht bekannt. Zu ihnen zählen:
  • Arsen (As)

  • Nickel (Ni)

  • Silizium (Si)

  • Vanadium (V)

  • Zinn (Sn)

Übersicht über einige PolysaccharidePolysaccharide:Übersicht. Unterschiede bestehen in der Art der Grundbausteine, der Art der Verknüpfung und der Größe des entstehenden Moleküls.ZelluloseZellulosePektinInulin

Tab. 2.2
Polysaccharid Vorkommen und Bedeutung
Glykogen Tierische Speicherform der Glukose
Stärke (genau: 80% Amylopektin, 20% Amylose) Pflanzliche, vom Menschen verwertbare Speicherform der Glukose
Zellulose Vom Menschen nicht verwertbare Gerüstsubstanz von Pflanzen; sog. Ballaststoff (17.9.10)
Inulin Wasserlösliches, pflanzliches Kohlenhydrat, das nicht vom Menschen, aber von einigen Darmbakterien verwertet werden kann (17.9.10)
Pektin Pflanzliche Gerüstsubstanz mit hoher Wasserbindungsfähigkeit; sog. Ballaststoff (17.9.10)

Chemie und Biochemie

Lernzielübersicht

Die chemischen Elemente

  • Alle Materie besteht aus Atomen.

  • Bei chemischen Elementen sind alle Atome gleich.

  • Im menschlichen Organismus am häufigsten sind Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff.

Der Aufbau der Atome

  • Atome haben einen Kern mit Protonen (positiv) und Neutronen (neutral) sowie eine Hülle aus Elektronen (negativ).

  • Die verschiedenen Elemente unterscheiden sich durch die Anzahl der Protonen und damit die Ordnungszahl.

Das Periodensystem der Elemente

  • Im Periodensystem der Elemente sind diese waagerecht nach Ordnungszahlen und senkrecht nach chemischen Verhalten sortiert.

  • Vereinfacht wird der Atomkern von mehreren Elektronenschalen umgeben. In die erste Schale passen maximal zwei Elektronen, bei den Hauptgruppenelementen in die äußerste Schale acht. Bei Erreichen dieser Maximalzahl sind Atome besonders stabil (Edelgaskonfiguration).

Die chemischen Bindungen

  • Bei der Ionenbindung gibt ein Bindungspartner Elektronen ab und der andere nimmt sie auf, sodass beide die Edelgaskonfiguration erreichen.

  • Bei der kovalenten Bindung benutzen die Partner Elektronenpaare gemeinsam.

  • Wasserstoffbrücken sind schwache Bindungen zwischen „Mini-Ladungen“.

Die chemischen Reaktionen

  • Chemische Reaktionen bestehen aus dem Knüpfen oder Lösen von chemischen Bindungen.

  • Bei katabolen Reaktionen werden aus größeren Einheiten kleinere, meist wird Energie frei. Anabole Reaktionen bauen Substanz auf und verbrauchen Energie (also Adenosintriphosphat, ATP).

Die chemischen Verbindungen

  • Anorganische Verbindungen enthalten in aller Regel keinen Kohlenstoff.

  • Organische Verbindungen bestehen v. a. aus Kohlen- und Wasserstoffatomen.

Die anorganischen Verbindungen

  • Das Wasser aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen dient u. a. als Lösungsmittel und Reaktionspartner.

  • Säuren können Wasserstoff-Ionen (H+) abgeben, Basen aufnehmen. Der pH-Wert von 0 bis 14 gibt die Menge der H+-Ionen in einer Lösung an; pH 7 = neutral, pH < 7 = sauer, pH > 7 = basisch.

  • Puffer wie etwa der Kohlensäure-Bikarbonat-Puffer gleichen Überschuss (Azidose) oder Mangel (Alkalose) an H+ aus.

Die organischen Verbindungen

  • Hauptenergieträger für den Menschen sind Kohlenhydrate. Glukose wird für die ATP-Synthese über Glykolyse, Zitratzyklus und Atmungskette restlos abgebaut.

  • Fette speichern doppelt so viel Energie wie Kohlenhydrate. Neutralfette (Triglyzeride) dienen v. a. zur Energiegewinnung, Cholesterin u. a. zum Aufbau von Zellmembranen und Hormonen.

  • Proteine (Eiweiße) sind für Struktur und Stoffwechsel unabdingbar. Sie bestehen aus großen Ketten von Aminosäuren.

  • Nukleinsäuren bestehen aus organischen Basen, Zuckermolekülen und Phosphatgruppen: Die Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist Träger der genetischen Information, die Ribonukleinsäuren (RNA) „übersetzen“ diese in Proteine.

  • Das Nukleotid ATP ist der Energiespeicher der Zelle.

Die Oxidation und Reduktion

  • Oxidation (Elektronenabgabe) und Reduktion (Elektronenaufnahme) sind stets aneinander gekoppelt (Redoxreaktion).

Die chemischen Elemente

ElementeChemieAlle Gegenstände und Lebewesen bestehen aus Materie, also etwas, das Raum beansprucht und Masse besitzt. Materie kann in festem, flüssigem oder gasförmigem Aggregatzustand vorliegen.
Alle Materie ist aus winzig kleinen, chemisch nicht weiter teilbaren Bausteinen zusammengesetzt, AtomAtomden Atomen.
Kommt nur eine Art von Atomen in einer Substanz vor, so spricht man von einem chemischen Element, das durch ein chemisches Symbol (Elementsymbol) abgekürzt werden kann. Das chemische Symbol leitet sich meist vom lateinischen Namen des Elements ab.
Im menschlichen Organismus findet man 26 verschiedene chemische Elemente (Tab. 2.1).
Allein vier „Schlüsselelemente“ bilden ungefähr 96 % der Körpermasse: Sauerstoff (Sauerstoff (O)chemisches Kohlenstoff (C)Symbol O), Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) Wasserstoff (H)Wasserstoff (H)Stickstoff (N)und Stickstoff (N).
Die sieben Mengenelemente (17.9.9) Kalzium (Ca), Phosphor (P), Kalium (K), Schwefel (S), Natrium (Na), Chlor (Cl) und MagnesiumMagnesiumMagnesium (Mg) bilden noch einmal etwa 3 % der Körpermasse.
Ungefähr 1 % bilden die Spurenelemente (17.9.9), die nur in geringsten Mengen – eben Spuren – anzutreffen sind. Mengen- und Spurenelemente werden als Mineralstoffe zusammengefasst.

Der Aufbau der Atome

Jedes Element ist wie erwähnt aus einer großen Anzahl gleichartiger Einzelbausteine aufgebaut, den Atomen. So enthält beispielsweise reine Kohle ausschließlich Kohlenstoffatome oder ein Tank voll Sauerstoff nur Sauerstoffatome.
Jedes Atom besteht aus zwei Hauptteilen: dem Kern im Zentrum und der Elektronenhülle am Rand (Abb. 2.1).
Der Kern enthält die elektrisch positiv geladenen ProtonenProtonen sowie – außer beim Wasserstoffatom – die elektrisch neutralen NeutronenNeutronen. Da jedes Proton eine positive Ladung trägt, ist der Kern insgesamt positiv geladen. Protonen und Neutronen werden als NukleonenNukleonen zusammengefasst (nucleus = Kern).
Elektronen sind negativ geladene Partikel, die den Kern umkreisen und die Elektronenhülle des Atoms bilden. Die Anzahl der negativ geladenen ElektronenElektronen entspricht immer der der positiv geladenen Protonen, sodass sich ihre Ladungen ausgleichen und das Atom als Ganzes nach außen elektrisch neutral ist.
Die Atome verschiedener Elemente
Die Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich durch die Anzahl der Protonen im Kern und, da jedes Atom nach außen elektrisch neutral ist, damit auch die Gesamtzahl der Elektronen in der ElektronenhülleElektronenhülle.
Die Anzahl der Protonen eines Atoms bzw. Elements wird als Ordnungszahl bezeichnet, die Summe der Protonen und Neutronen als Massenzahl (die Masse der Elektronen kann vernachlässigt werden, da sie minimal ist). So hat der Stickstoff (N) die OrdnungszahlOrdnungszahl 7 und die MassenzahlMassenzahl 14, da sich neben den sieben Protonen auch sieben Neutronen im Kern befinden (Abb. 2.2).
Die Isotope
IsotopManchmal sind nicht alle Atome eines Elements genau gleich: Isotope haben die gleiche Zahl von Protonen und Elektronen, aber eine unterschiedliche Zahl von Neutronen. Der Körper kann die Isotope eines Elements nicht unterscheiden, sie werden im Stoffwechsel auf die gleiche Weise verarbeitet.

Medizin

Insbesondere bei Elementen hoher Ordnungszahl gibt es instabileIsotop:radioaktives radioaktive Isotope, die von selbst unter Freisetzung energiereicher Strahlung zerfallen. Sie werden in der Nuklearmedizin diagnostisch (z. B. Szintigrafie) oder therapeutisch (z. B. Radiojodtherapie) genutzt.

Das Periodensystem der Elemente

Die Elemente werden üblicherweise im PeriodensystemPeriodensystem der Elemente:PeriodensystemElemente dargestellt. Dabei werden sie nach zwei Kriterien angeordnet (Abb. 2.3):
  • Waagerecht nach steigender Ordnungszahl in sieben Perioden

  • Senkrecht nach chemischer Ähnlichkeit in 18 Gruppen. Dabei werden acht Hauptgruppen und zehn Nebengruppen (eingeschoben nach der zweiten Hauptgruppe) unterschieden.

Das Schalenmodell der Elektronenhülle
Es gibt verschiedene Atommodelle, also Vorstellungen vom Aufbau der Atome und damit auch der Elektronenhülle. Eines davon ist das Schalenmodell. Elektronenhülle:SchalenmodellSchalenmodell
Ein den Atomkern umkreisendes Elektron bewegt sich nicht auf einer einfachen Bahn, sondern nimmt einen größeren Raum ein. Wie groß dieser Raum ist, hängt von der Energie des Elektrons ab. Modellhaft stellt man sich diesen Raum als Elektronenschale vor. Elektronen mit gleicher Energie bewegen sich somit in der gleichen Elektronenschale (Abb. 2.4)Elektronenschale.
Die Atome bzw. Elemente der ersten Periode (Wasserstoff und Helium) besitzen nur eine Elektronenschale, in der zweiten Periode kommt außen eine weitere, größere Schale hinzu. In der dritten Periode schließt sich abermals eine Schale an usw. Die äußerste Schale darf bei Hauptgruppenelementen immer nur acht Elektronen enthalten, anschließend wird eine weitere Schale aufgefüllt. Diese Regel hat eine Ausnahme: Die erste Schale ist bereits mit zwei Elektronen vollständig besetzt.
Die Alkali- und Erdalkalimetalle
MetalleDie Ordnung im Periodensystem der Elemente rührt daher, dass sich Elemente mit gleicher Elektronenzahl in der äußersten Elektronenschale stark ähneln: Alle Elemente der ersten Hauptgruppe besitzen auf ihrer äußersten Elektronenschale ein Elektron. Es sind lauter weiche Metalle, die AlkalimetalleAlkalimetalle mit den Hauptvertretern Natrium und Kalium.
Die Elemente der zweiten Hauptgruppe besitzen in ihrer äußersten Elektronenschale zwei Elektronen. Die wichtigsten Vertreter Erdalkalimetalledieser Erdalkalimetalle sind das Magnesium und das Kalzium, sie sind deutlich härter als die Alkalimetalle.
Die Elemente der dritten Hauptgruppe besitzen jeweils drei Elektronen auf ihrer äußersten Schale usw.
Die Halogene und Edelgase
Die Elemente der siebten Hauptgruppe haben sieben Elektronen auf ihrer äußersten Schale. Sie heißen HalogeneHalogene oder SalzbildnerSalzbildner, weil sie sich leicht mit Metallen zu Salzen (2.4.1) umsetzen lassen. Zu ihnen zählen z. B. das Chlor und das Fluor.
EdelgaseDie Elemente der achten Hauptgruppe, die Edelgase (z. B. Neon), besitzen in ihrer äußersten Elektronenschale acht Elektronen. Ausnahme ist das Helium mit nur einer Schale und zwei Elektronen. Eine solche voll besetzte äußerste Schale stellt einen extrem stabilen und damit besonders reaktionsträgen Zustand dar, die EdelgaskonfigurationEdelgaskonfigurationEdelgaskonfiguration. Deshalb gehen die Edelgase praktisch keine chemische Reaktion ein und spielen im Stoffwechsel des Körpers keine Rolle.
Die Valenzelektronen
ValenzelektronAuch die übrigen Elemente versuchen, den stabilen Elektronenzustand der Edelgase zu erreichen, und zwar umso stärker, je näher sie dieser Edelgaskonfiguration bereits sind.
Dies gelingt ihnen, indem sie von anderen Atomen Elektronen aufnehmen oder abgeben oder Elektronen gemeinsam mit anderen Atomen benützt werden.
Die Anzahl der Elektronen auf der äußeren Schale bzw. die Zahl der Elektronen, die zum Erreichen der Edelgaskonfiguration fehlt, hat somit bei allen chemischen Prozessen eine enorme Bedeutung. Diese Außenelektronen heißen auch Valenzelektronen.
Die Elektronegativität
Elemente wie Fluor oder Sauerstoff, die im Periodensystem rechts stehen, sind sehr bestrebt, Elektronen aufzunehmen. Sie üben eine große Anziehungskraft auf fremde Elektronen aus, um sie auf ihre äußerste Elektronenschale herüberzuziehen. Ein Maß für die Anziehungskraft eines Elements auf Fremdelektronen ist die Elektronegativität (je höher die Elektronegativität, desto größer diese Anziehungskraft). Die höchste Elektronegativität (4,0) hat FluorFluor.
Nimmt ein Stoff Elektronen auf, sagt der Chemiker, er wird reduziert – gibt er Elektronen ab, wird er oxidiert (2.9).

Die chemischen Bindungen

Chemische BindungWie erläutert, ist jedes Atom ab der zweiten Periode bestrebt, seine äußerste Elektronenschale voll zu besetzen. Dies kann im Wesentlichen durch Elektronenaufnahme, Elektronenabgabe und gemeinsames Benutzen geschehen. Alle drei führen zu einer Bindung von Atomen aneinander.
Welche Form der chemischen Bindung eingegangen wird, bestimmen die zwischen den Atomen wirkenden Bindungskräfte.
Im Folgenden sind einige Formen der chemischen Bindung:chemischeBindung beschrieben.

Die Ionenbindung

Natrium steht in der ersten Hauptgruppe und hat demgemäß ein Elektron auf seiner äußersten Elektronenschale. Chlor steht in der siebten Hauptgruppe und hat entsprechend sieben Elektronen auf seiner äußersten Schale. Reagieren diese beiden nun miteinander, so erfolgt wegen der starken Anziehungskraft des Chloratoms auf weitere Elektronen ein Elektronenübergang: Das Außenelektron des Natriums wird vom Chloratom „eingefangen“. Dadurch haben beide Partner die Edelgaskonfiguration erreicht.
Natrium tritt hier als Elektronenspender, Chlor als Elektronenempfänger auf:
  • Das Chlor besitzt nun 18 Elektronen, jedoch nur 17 Protonen im Kern (Ordnungszahl 17). Damit ist ein elektrisch negativ geladenes Partikel entstanden. Man schreibt Cl

  • Das Natrium hingegen hat ein Elektron verloren und somit nur noch zehn Elektronen. Dem stehen elf Protonen im Kern (Ordnungszahl 11) gegenüber, sodass ein Partikel mit positiver Ladung entstanden ist, das Na+.

Allgemein werden elektrisch geladene Partikel als IonenIonen bezeichnet. Positiv geladene Ionen (wie das Na+-Ion) nennt man KationenKationen, negativ geladene (wie das Cl-Ion) AnionenAnionen. Die Bindung, die durch die elektrische Anziehung der gegensätzlich geladenen Ionen entsteht, heißt IonenbindungIonenbindungIonenbindung.
Verbinden sich gegensätzlich geladene Ionen durch Ionenbindung miteinander, entsteht ein Salz. Salze sind also durch Ionenbindung zustandekommende Ionenverbindungen.
Das Kochsalz
Die bekannteste Ionenverbindung ist das im Volksmund als „Salz“ bezeichnete KochsalzKochsalz aus Na+- und Cl-Ionen (NaCl Abb. 2.5). Seine Ionen bilden, wie die meisten SalzeSalze, ein dreidimensionales Salze:KristallgitterKristallgitter (Abb. 2.6), wobei jedes Natrium-Ion von sechs Chlorid-Ionen und jedes Chlorid-Ion von sechs Natrium-Ionen umgeben ist. Dieser Gitterverband ist insgesamt elektrisch neutral, und die Ionen sind nicht beweglich, da sie im Gitterverband festgehalten werden.
Löst man Salzkristalle in Wasser, so dringen Wassermoleküle in das Kristallgitter ein und lösen es auf. Die Ionen liegen nun frei beweglich in einer wässrigen Lösung vor (Abb. 2.6) – man spricht von einer ElektrolytlösungElektrolytlösung.

Die kovalente Bindung

Zwischen Atomen des gleichen Elementes oder Elementen mit nur geringem Unterschied in der Elektronegativität (2.3) wie z. B. Wasserstoff und Kohlenstoff sind Elektronenübergänge nicht möglich. Sie gehen eine andere Bindung:kovalenteBindung:kovalenteBindung ein, die kovalente Bindung (ElektronenpaarbindungElektronenpaarbindung, AtombindungAtombindungAtombindung Abb. 2.7). Die kovalente Bindung kommt im menschlichen Organismus wesentlich häufiger vor als die Ionenbindung.
Durch kovalente Bindungen entstehen Moleküle: Ein MolekülMolekül besteht aus mindestens zwei Atomen, die durch kovalente Bindungen aneinandergekoppelt sind.
Bei einer kovalenten Bindung rücken die Atome so eng zusammen, dass sie jeweils ein Elektron gemeinsam benutzen. Auf diese Weise entsteht ein Elektronenpaar. Auch hierdurch entsteht ein stabiler Zustand. Bei der kovalenten Bindung zweier Chloratome beispielsweise besitzt jedes der beteiligten Chloratome nun acht Elektronen auf seiner äußersten Schale. Das Teilchen Cl–Cl oder Cl2 heißt Chlormolekül (Abb. 2.7).
Die Doppel- und Dreifachbindung
Die Bildung des Sauerstoffmoleküls (O2) verläuft in gleicher Weise: Sauerstoff steht in der sechsten Hauptgruppe, hat also sechs Elektronen auf seiner äußersten Schale. Zur stabilen Edelgaskonfiguration fehlen jedem Sauerstoffatom zwei Elektronen. Deshalb werden von jedem Sauerstoffatom nicht nur ein, sondern zwei Elektronen gemeinsam benutzt. Da nun zwei Elektronenpaare von beiden Partnern gemeinsam benutzt werden, spricht man von einer DoppelbindungDoppelbindung (O=O). Bei der Bildung des Stickstoffmoleküls (N2) wird sogar eine DreifachbindungDreifachbindung (drei gemeinsame Elektronenpaare Abb. 2.7) ausgebildet.
Die so entstandenen Moleküle sind stabiler als die unverknüpften Atome (Radikaleauch Radikale genannt). Radikale können den Organismus schädigen, indem sie mit lebenswichtigen Molekülen reagieren und deren Eigenschaften verändern. Radikale, insbesondere SauerstoffradikaleSauerstoffradikale, werden auch mit der Entstehung einiger Erkrankungen wie etwa der ArterioskleroseArteriosklerose (15.1.2) und dem Alterungsprozess (15.1.2) in Zusammenhang gebracht.
Das Wasserstoffmolekül
Beim Wasserstoff ist die äußerste Elektronenschale mit der ersten Elektronenschale identisch. Diese kann aber statt acht nur zwei Elektronen aufnehmen, d. h., Wasserstoff erreicht die stabile Edelgaskonfiguration bereits mit zwei Elektronen auf seiner Elektronenschale.
Da der Wasserstoff nur aus einem Proton und einem Elektron besteht, ist zur Bildung des Wasserstoffmoleküls (H–H oder H2) die Ausbildung eines gemeinsam benützten Elektronenpaares zwischen zwei Wasserstoffatomen erforderlich und ausreichend (Abb. 2.7).
Die Moleküle der Luft
LuftzusammensetzungLuft ist ein Gasgemisch aus etwa 78 % Stickstoff und fast 21 % Sauerstoff. Dabei liegen beide fast ausschließlich in der stabilen Molekülform (O2 bzw. N2) vor (Abb. 2.8).
Die chemischen Verbindungen
Kovalente BindungKovalente Bindungen existieren nicht nur zwischen zwei gleichen Atomen eines Elements, sondern können zwischen unterschiedlichen (und beliebig vielen) Atomen eingegangen werden. Beim Methanmolekül z. B. treten vier Wasserstoffatome mit einem Kohlenstoffatom in Kontakt, wobei vier kovalente Bindungen ausgebildet werden.
Derartige Substanzen, die aus Atomen verschiedener Elemente in festem Verhältnis zueinander bestehen, nennt man chemische Verbindungen (Abb. 2.9)Verbindung:chemische. Sie werden durch chemische Formeln dargestellt (z. B. CH4 für Methan).
Die polare kovalente Bindung
Bei Kovalente Bindung:polarekovalenten Bindung:polare kovalenteBindungen zwischen Atomen mit deutlich unterschiedlicher Elektronegativität zieht das Atom mit der höheren Elektronegativität die gemeinsam benutzten Elektronen ein Stück weit zu sich herüber.
Das entstehende Molekül ist zwar nach außen hin elektrisch neutral. Innerhalb des Moleküls sind die Ladungen aber nicht symmetrisch verteilt. Vielmehr hat das Molekül an einem Ende eine positive und am anderen eine negative „Schlagseite“. So sind etwa beim Wassermolekül die beiden Wasserstoffatome leicht positiv und das Sauerstoffmolekül leicht negativ geladen. Man bezeichnet dies als polare (polarisierte) Atombindung.

Weitere Bindungsformen

Von den weiteren Bindungsformen sind v. a. die WasserstoffbrückenbindungWasserstoffbrückenWasserstoffbrücken von Bedeutung für den Organismus. Sie sind zwar keine echten Bindungen, werden aber trotzdem oft als Wasserstoffbrückenbindungen bezeichnet (Abb. 2.10).
Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an. Dies gilt auch für die „Mini-Ladungen“ bei polaren Atombindungen. Die leicht positive Ladung des Wasserstoffatoms und die leicht negative Ladung z. B. des Sauerstoffatoms ziehen sich an. Diese Kräfte sind zwar mit 5–10 % der Stärke einer kovalenten Bindung gering, halten aber aufgrund ihrer Vielzahl die Moleküle doch stark zusammen.
Wasserstoffbrücken bilden sich nicht nur zwischen Molekülen aus, sondern auch innerhalb großer Moleküle und tragen dadurch z. B. zur Stabilisierung von Eiweißen bei (2.8.3).

Die chemischen Reaktionen

Chemische ReaktionBei chemischen Reaktionen geschieht nichts anderes als das Knüpfen von neuen Bindungen zwischen Atomen oder gerade das Gegenteil, nämlich das Aufbrechen von bestehenden chemischen Bindungen. Chemische Reaktion:chemischeReaktionen finden in jeder menschlichen Zelle ständig und in großem Ausmaß statt. Nur mit ihrer Hilfe kann der Organismus seine vielfältigen Funktionen erfüllen, vom Sehen und Bewegen bis zum Aufbau neuer Strukturen beim Wachstum.

Merke

Bei einer chemischen Reaktion geht nichts verloren, d. h., die Gesamtzahl der Atome bleibt gleich. Die Atome werden nur umgruppiert, wobei durch die geänderte Verknüpfung der Atome neue Moleküle mit neuen Eigenschaften entstehen.

Die anabolen Reaktionen
Anabole ReaktionVerbinden sich mehrere Atome, Ionen oder Moleküle zu einer größeren Einheit, so bezeichnet man dies Reaktion:anaboleals anabole Reaktion. Diese Stoffvereinigung heißt auch (chemische) Synthese.
Ein einfaches Beispiel Ammoniaksyntheseist die Ammoniaksynthese (NH3) aus einem Molekül Stickstoff (N2) und drei Molekülen Wasserstoff (H2):
N2+3H22NH3
Weitaus komplizierter ist z. B. die Proteinsynthese, der Aufbau der Körpereiweiße: Sie sind Riesenmoleküle (Makromoleküle), die durch die Verbindung zahlreicher kleinerer Moleküle entstanden sind.
Die katabolen Reaktionen
Katabole Reaktionen sind das Gegenteil von anabolen Reaktion:kataboleReaktionen: Größere Einheiten werden in kleinere zerlegt. Diese Stoffzerlegung heißt auch (chemische) Analyse. Beispielsweise kann Ammoniak unter geeigneten Bedingungen wieder zerlegt werden:
2NH3N2+3H2
Im Organismus spielen katabole Reaktionen z. B. bei der Verdauung eine große Rolle, weil die meist riesigen Nährstoffmoleküle (Fette, Eiweiße und Kohlenhydrate) erst nach der Spaltung in kleine Bruchstücke von der Darmschleimhaut ins Blut überführt werden können.
Die Energiebereitstellung durch ATP
Anabole Reaktionen sind üblicherweise an die Zufuhr von Energie gebunden, die vom „Zellakku“ ATP (Adenosintriphosphat (ATP):EnergiebereitstellungAdenosintriphosphat 2.8.5) bereitgestellt wird.
Im Gegensatz dazu wird bei katabolen Reaktionen in aller Regel Energie frei, die üblicherweise zur Regeneration des verbrauchten ATP verwendet wird. Der Wirkungsgrad dieser Energieumwandlung in Adenosintriphosphat (ATP):EnergiebereitstellungATP ist jedoch nicht 100-prozentig, sodass als Nebenprodukt zusätzlich Wärme anfällt.

Merke

Die Wachstumsvorgänge des Körpers vollziehen sich im Wesentlichen über anabole Reaktionen und benötigen deshalb Energie. Diese Energie stammt aus dem Abbau von Nährstoffmolekülen, also aus katabolen Reaktionen, bei denen Energie freigesetzt wird.

Die chemischen Verbindungen

Zwei Anorganische VerbindungHauptklassen chemischer Verbindungen werden differenziert: die anorganischen und die organischen Verbindungen. Beide sind für den Menschen lebensnotwendig.
Die anorganischen Verbindungen
Anorganische Verbindungen zeichnen sich dadurch aus, dass in ihnen gewöhnlich kein Kohlenstoff enthalten ist. Zu ihnen gehören viele Salze, Säuren, Laugen, Wasser und als Ausnahme die Kohlenstoffverbindungen Kohlendioxid (CO2) und -monoxid (CO).
Die organischen Verbindungen
Organische VerbindungOrganische VerbindungUnter organischen Verbindungen versteht man solche Verbindungen, die hauptsächlich aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen bestehen und überwiegend durch kovalente Bindungen zusammengehalten werden (2.4.2). Alle Schlüsselmoleküle des Lebens wie Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße und unsere Erbsubstanz, die Nukleinsäuren (2.8.4), gehören zu den organischen Verbindungen.

Die anorganischen Verbindungen

Das Wasser

Die Zellen unseres Körpers bestehen zu rund 60 % aus WasserWasser (intrazelluläres Wasser). Die Flüssigkeit, welche die Zellen umgibt (extrazelluläres Wasser), enthält sogar zu über 90 % Wasser. Folglich spielen sich im Organismus alle chemischen Reaktionen und damit alle Lebensvorgänge in einem wässrigen Milieu ab.
Das Wasser chemisch gesehen
Das Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen, die über kovalente Bindungen in leicht abgewinkelter Stellung zusammengehalten werden. Zwischen den Wassermolekülen bilden sich zahlreiche Wasserstoffbrücken aus (Abb. 2.10).
Die Funktionen des Wassers im Organismus
WasserWasser:im Organismus ist ein ausgezeichnetes Lösungsmittel. Lebenswichtige Substanzen wie Sauerstoff- oder Nährstoffmoleküle können über das extrazelluläre Wasser alle Zellen erreichen und von diesen verwertet werden. Umgekehrt können Stoffwechselprodukte abtransportiert werden und z. B. über die Nieren den Organismus verlassen. Bei chemischen Reaktionen ermöglicht das Wasser den beteiligten Molekülen die Annäherung aneinander. Wasser ist zudem selbst Reaktionspartner bei vielen chemischen Reaktionen.
Daneben ist Wasser z. B. ein Hauptbestandteil von Schleimen und dient dadurch als Schmiermittel. Außerdem nimmt Wasser Wärme nur langsam auf und gibt sie ebenso langsam ab – es isoliert.

Merke

Die Stoffmenge in mol

StoffmengeMolIn der Medizin basieren Stoffmengen- und Konzentrationsangaben meist auf dem Mol (Zeichen mol). Die Stoffmenge 1 mol bedeutet, dass die Anzahl der Teilchen in dieser Menge gleich der Anzahl der Kohlenstoffatome in 12 g Kohlenstoff mit dem Isotop 12C ist. Dies sind unvorstellbare 6,023 × 1023 Teilchen! Ein Mol einer beliebigen Substanz (egal ob Zucker, Salzsäure oder Wasser) enthält somit immer 6,023 × 1023 Teilchen (z. B. Atome, Moleküle).
Die Umrechnung von Mol in Gramm läuft aber nicht über die Kalkulation mit solch riesigen Zahlen, sondern viel einfacher über das Periodensystem der Elemente. Hier ist bei jedem Element seine durchschnittliche (relative) AtommasseAtommasse verzeichnet, also wie viel schwerer ein Atom des betreffenden Elements ist im Vergleich zu einem Zwölftel eines 12C-Atoms. Diese Zahl ist oft keine ganze Zahl, weil viele Elemente mehrere unterschiedlich schwere Isotope haben. Beispielsweise ist im Periodensystem dem elementaren Wasserstoff die durchschnittliche relative AtommasseAtommasse:relative 1,008 zugeordnet. Versieht man diese Zahl mit der Einheit g (Gramm), so erhält man diejenige Wasserstoffmasse, die einem Mol entspricht: 1 mol H entspricht 1,008 g H.
Dasselbe gilt für Moleküle. Hier werden die einzelnen Atommassen der aneinandergebundenen Atome addiert: Wasser etwa besteht aus H2O-Molekülen. 1 mol H2O (H Atommasse 1,008; O Atommasse 15,999) entspricht also 2 × 1,008 g + 15,999 g = 18,015 g.

Die Konzentration gelöster Stoffe

Konzentration, LösungenIn den Körperflüssigkeiten liegen die meisten Stoffe in gelöster Form vor. Unter der Lösungen:KonzentrationKonzentration einer Lösung versteht man in der Medizin meist den Volumen- bzw. Massenanteil eines Stoffes in einem Liter Lösung (ml/l, g/l). Die Einheit ml/l ist somit Volumenkonzentrationeine Volumenkonzentration, die Einheit g/l eine Massenkonzentration. MassenkonzentrationDiese Konzentrationsangaben können auch mit Bruchteilen des Liters bzw. Gramms bezeichnet werden, z. B. g/dl, mg/dl, μg/l.
Entsprechend ihrer Stoffmenge in mol gibt man die Konzentration auch in Mol/Liter (mol/l = mmol/ml) Molaritätan (Molarität). Zur Herstellung einer 1-molaren Lösung gibt man die Stoffmenge 1 mol in ein Gefäß und füllt dieses mit dem Lösungsmittel zu einem Gesamtvolumen von 1 Liter auf. Eine ganz ähnliche Konzentrationsangabe ist Molalitätdie Molalität: Hier wird die Stoffmenge in mol bezogen auf die Masse des Lösungsmittels (mol/kg).

Die Säuren und Basen

Werden Salze wie z. B. das Kochsalz (2.4.1) in Wasser gelöst, unterliegen sie einem Zerfall, das heißt, die im Kristallgitter gebundenen Ionen lösen sich voneinander und liegen nun frei beweglich vor.
Ähnliches passiert SäurenSäurenmit Säuren BasenBasenund Basen, wenn sie in Wasser gelöst werden:
  • Beim Chlorwasserstoff (HCl) z. B. werden H+-Ionen (Wasserstoff-Ionen) frei; das Wasser wird sauer, es entsteht Salzsäure

  • Beim Natriumhydroxid (NaOH) werden dagegen Hydroxid-Ionen (OH) frei, welche H+-Ionen aufnehmen können; das Wasser wird basisch und es entsteht Natronlauge (Laugen Laugensind wässrige basische Lösungen).

Dieser Vorgang wird Dissoziationallgemein Dissoziation genannt.

Merke

Als Säuren bezeichnet man (nach Brönsted) chemische Verbindungen, die H+-Ionen abgeben können (z. B. HCl), als Basen solche, die H+-Ionen aufnehmen können (z. B. KOH).

Je mehr H+-Ionen sich in einer Lösung befinden, desto saurer (azider) ist diese Lösung. Je weniger H+-Ionen sich darin befinden, desto basischer (alkalischer) ist die Lösung.
Der SäuregradSäuregrad wird auch Aziditätals Azidität bezeichnet, die basische Eigenschaft einer Lösung auch Alkalitätals Alkalität (BasizitätBasizität).

Der pH-Wert

Azidität oder Alkalität einer Lösung lassen sich laborchemisch messen, wobei aber die H+- und OH-Konzentrationen sehr gering sind. Deshalb wurde als Maßeinheit der pH-Wert festgelegt, der als negativer dekadischer Logarithmus der H+-Ionen-Konzentration definiert ist:pH-WertpH-Wert
  • Neutrale Lösungen (z. B. reines Wasser) haben einen pH-Wert von 7,0. Die Konzentration der H+-Ionen (und auch der OH-Ionen) beträgt hier 10–7 mol/l

  • Saure Lösungen haben mehr H+-Ionen als OH-Ionen und somit einen pH-Wert < 7

  • Alkalische Lösungen haben weniger H+-Ionen als OH-Ionen und einen pH-Wert > 7.

Je kleiner also der pH-Wert einer Flüssigkeit ist, desto saurer ist sie (Abb. 2.11).

Die Puffer

PufferPufferDie pH-Werte in verschiedenen Körperflüssigkeiten sind sehr unterschiedlich, der pH-Wert der meisten Körperflüssigkeiten wird aber konstant gehalten. Dafür sorgen u. a. die Puffer. Das sind Substanzen, die überschüssige H+-Ionen auffangen oder bei Mangel wieder abgeben. Sie puffern („federn“) also pH-Schwankungen ab.
Die Puffer alleine reichen allerdings nicht zur Konstanthaltung des pH. Es sind auch Regulationsprozesse (1.1.3) beteiligt. So können die Nieren – allerdings wesentlich langsamer – die Ausscheidung sowohl von H+ als auch HCO3 regulieren.
Das Kohlensäure-Bikarbonat-System
Ein wichtiges Puffersystem im menschlichen Körper ist das Kohlensäure-Bikarbonat-Kohlensäure-Bikarbonat-SystemSystem (Abb. 2.12). Wie jedes Puffersystem besteht es aus einer Säure und der dazugehörigen Base:
  • H2CO3 (Kohlensäure = Puffersäure)

  • HCO3 (Bikarbonat = Pufferbase)

Bei AzidoseSäureüberladung (Azidose) nimmt die Pufferbase (HCO3) H+-Ionen auf und es entsteht die Puffersäure (H2CO3). Diese dissoziiert in H2O und CO2, wobei CO2 rasch über die Lunge abgeatmet wird. Auf diese Weise werden „saure Valenzen“ aus dem Körper entfernt.
Bei AlkaloseBasenüberladung (Alkalose) dagegen kann die Abgabe von CO2 in begrenztem Maße durch verminderte Atmung gedrosselt werden. Die vermehrt zurückgehaltene Puffersäure H2CO3 gibt H+ ab, welche die überschüssigen OH aufnehmen und zu Wasser (H2O) neutralisieren.
Solche Puffersysteme, die im Austausch mit ihrer Umgebung stehen, heißen offene Puffersysteme. Sie puffern besser als geschlossene Puffersysteme ohne diese Möglichkeit.
Weitere Puffersysteme
Neben dem Kohlensäure-Bikarbonat-Puffer tragen v. a. zwei weitere Puffer zur Aufrechterhaltung des pH-Wertes bei:
  • ProteinpufferProteinpuffer. Zu diesem gehören das Hämoglobin (12.2.2) in den Erythrozyten sowie die Plasmaproteine

  • PhosphatpufferPhosphatpuffer. Seine Pufferkomponenten sind anorganische Phosphate.

Die organischen Verbindungen

Die Kohlenhydrate

Kohlenhydrate Verbindung:organischespielen für das Leben auf der Erde eine zentrale Rolle. Sie werden von den grünen Pflanzen im Rahmen der PhotosynthesePhotosynthese aus Kohlendioxid und Wasser mithilfe von Sonnenlicht in gigantischen Mengen gebildet. Die Sonnenenergie wird hierbei als chemische Energie in den Kohlenhydraten gespeichert und ist in dieser Form für jedes Lebewesen nutzbar.
KohlenhydrateKohlenhydrate sind aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff zusammengesetzt. Da formal in vielen Kohlenhydraten auf ein Kohlenstoffatom jeweils ein Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatome kommen, nahm man ursprünglich an, dass Kohlenhydrate Wasserverbindungen (Hydrate) des Kohlenstoffs seien – daher der Name.
Im menschlichen Organismus spielen die Kohlenhydrate als schnell verfügbare Energiequelle die größte Rolle. Darüber hinaus kommen sie z. B. in Zellmembranen vor.
Entsprechend ihrer Größe werden die Kohlenhydrate in vier verschiedene Gruppen eingeteilt: Mono-, Di-, Oligo- und Polysaccharide.
Die Monosaccharide
MonosaccharideMonosaccharide oder Einfachzucker (mono = eins, SaccharideSaccharide = ZuckerZucker) sind einfache ZuckermoleküleZuckermoleküle. Monosaccharide mit fünf oder sechs Kohlenstoffatomen schließen sich in wässrigem Milieu überwiegend zum Ring, sodass ihr Kohlenstoffgerüst ein Fünf- oder Sechseck bildet (Abb. 2.13).
Der wichtigste EinfachzuckerEinfachzucker im menschlichen Organismus ist die GlukoseGlukoseGlukoseGlukose (Traubenzucker, TraubenzuckerDextroseDextrose). Sie besteht aus sechs C-Atomen, zwölf H-Atomen und sechs O-Atomen und wird deshalb mit C6H12O6 abgekürzt. Glukose kann von den meisten Zellen zur Energiegewinnung herangezogen werden.
Andere sehr häufige Monosaccharide mit sechs C-Atomen sind die FruktoseFruktose (FruchtzuckerFruchtzucker, LävuloseLävulose) und die GalaktoseGalaktose (SchleimzuckerSchleimzucker).
RiboseRiboseRiboseRibose und DesoxyriboseDesoxyriboseDesoxyribose, zwei Monosaccharide mit fünf C-Atomen, sind Bestandteile der Nukleinsäuren (2.8.4).

Merke

Glukose ist der Hauptenergieträger des menschlichen Körpers.

Die Disaccharide
Reagieren zwei DisaccharideMonosaccharide miteinander, so entsteht ein ZweifachzuckerZweifachzuckerZweifachzucker (Disaccharid, di = zwei).
SaccharoseSaccharose (Rohr- oder RübenzuckerRohr- oder Rübenzucker) beispielsweise wird aus Glukose und Fruktose gebildet, LaktoseLaktose (MilchzuckerMilchzucker) aus Glukose und Galaktose, MaltoseMaltose (MalzzuckerMalzzucker) aus zwei Glukosemolekülen.
Beim Aufbau eines Zweifachzuckers wird ein Wassermolekül abgespalten (Abb. 2.13). Solche Verknüpfungsreaktionen, bei denen Wassermoleküle frei werden, nennt man KondensationsreaktionKondensationsreaktionKondensationsreaktionen.
Disaccharide können wieder in Monosaccharide gespalten werden. Dabei wird im Gegenzug ein Wassermolekül verbraucht.
Die Oligosaccharide
Ketten aus 3–10 Monosacchariden heißen OligosaccharideOligosaccharide (oligos = wenig).
Im menschlichen Körper kommen Oligosaccharide in erster Linie in oder auf Zellmembranen, gebunden an Fette (Lipide 2.8.2) oder Proteine (Eiweiße 2.8.3), vor. Auf den Erythrozyten beispielweise sind Oligosaccharide die Träger der AB0-Blutgruppen (12.2.7).
Die Polysaccharide
Manche Disaccharide können durch Verknüpfung mit weiteren Einfachzuckern zu PolysaccharidePolysacchariden (VielfachzuckerVielfachzuckerVielfachzuckern, poly = viele, Tab. 2.2) reagieren, wobei riesige Makromoleküle entstehen. HomoglykaneHomoglykane bestehen nur aus einer Zuckerart (z. B. Glykogen), HeteroglykaneHeteroglykane aus mehreren (z. B. Heparin).
Ein Beispiel ist die Stärke: Sie ist die pflanzliche Speicherform der durch Photosynthese aufgebauten Glukose. Kartoffeln, Weizen und Mais enthalten sehr viel StärkeStärke. Nimmt der Mensch eine stärkehaltige Mahlzeit zu sich, so wird die Stärke im Verdauungstrakt wieder zerlegt.
Auch die Zellulose, ein weiteres pflanzliches Kohlenhydrat, ist nur aus Glukosemolekülen zusammengesetzt. Da diese aber anders verknüpft sind als in der Stärke, kann der Mensch die Zellulose im Darm nicht aufspalten.
Tierische und auch menschliche Speicherform der Glukose ist das Glykogen.
Die Energiegewinnung aus Kohlenhydraten
Energiegewinnung:KohlenhydrateKohlenhydrate:EnergiegewinnungDurch die Verdauung werden die Poly- und Disaccharide in die Monosaccharide Glukose, Fruktose und Galaktose gespalten (17.7.2, 17.9.4). Nach Aufnahme im Dünndarm gelangen diese direkt zur Leber, wo Fruktose und Galaktose ebenfalls in Glukose umgewandelt werden. Die Leber ist das einzige Organ, das hierfür die nötigen Enzyme besitzt. Der weitere Stoffwechselweg entspricht dann dem der Glukose.
Die Glukose wird von den meisten Zellen des menschlichen Körpers als Rohstoff zur Energiegewinnung bevorzugt. Wird Energie benötigt, so wird die Glukose in den Zellen oxidiert („verbrannt“). Die gewonnene Energie wird in kleinen Bausteinen, dem Adenosintriphosphat (ATP)Adenosintriphosphat (ATP)Adenosintriphosphat (ATP)zwischengelagert“ (2.8.5).
Der Verbrennungsvorgang, auch ZellatmungZellatmung oder innere Atmung genannt, erfolgt vereinfacht in vier Schritten (Abb. 2.14):
  • 1.

    GlykolyseGlykolyse. Aus einem Molekül Glukose entstehen im Zytoplasma der Zelle (3.1) zwei Moleküle Pyruvat (BrenztraubensäureBrenztraubensäureBrenztraubensäure) und zwei Moleküle ATP. Hierzu wird kein Sauerstoff benötigt

  • 2.

    Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-Coenzym A. Bei Vorhandensein von Sauerstoff wird PyruvatPyruvatPyruvat in die Mitochondrien („Zellkraftwerke“ 3.3.6) eingeschleust und reagiert dort mit Coenzym A zu Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA). Außerdem wird das Coenzym NAD+ (Nikotinamid-Adenin-Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD)Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD)Dinukleotid, 2.9) reduziert, d. h., es nimmt Elektronen auf

  • 3.

    Zitratzyklus. Es folgt im Mitochondrium eine Serie von Reaktionen, die als Zitratzyklus zusammengefasst werden. Im ZitratzyklusZitratzyklus werden sowohl energiereiche Phosphate (aus denen direkt ATP gewonnen werden kann) als auch weitere reduzierte Coenzyme gebildet, die in der Atmungskette verwertet werden

  • 4.

    AtmungsketteAtmungsketteAtmungskette (ElektronentransportketteElektronentransportkette). Die Atmungskette in den Mitochondrien führt nun die in den beiden vorherigen Reaktionsketten an die Coenzyme gebundenen Elektronen dem Sauerstoff zu. Dabei entstehen Wasser und viel Energie, die zur Regeneration von ATP verwendet wird.

Das Glykogen
Ist genügend Glukose in den Zellen vorhanden bzw. der Energiebedarf gering, so kann die Glukose in Leber sowie Skelettmuskulatur in Form von GlykogenGlykogenGlykogen gespeichert werden. Glykogen ist ein Polysaccharid und chemisch nahe mit der pflanzlichen Speicherform der Glukose, der Stärke, verwandt. Die Aufnahme von Glukose in die Zelle sowie ihre Überführung in Glykogen wird durch das Hormon Insulin (17.9.4) gefördert.
Der Erwachsene kann insgesamt etwa 300–500 g GlykogenspeicherungGlykogen speichern. Hieraus ist ein Energiegewinn von etwa 1.200 bis 2.000 kcal möglich, was bei einem Erwachsenen nicht einmal einen Tag reicht. Im Vergleich zu den großen Fettspeichern des Organismus ist der Glukosevorrat somit klein.
Werden trotz voller Glykogenspeicher weiter Kohlenhydrate aufgenommen, so werden diese in Fett umgewandelt.
Die Glukoneogenese
Bei der Glukoneogenese (Abb. 2.15) wird Glukose aus Nicht-Kohlenhydrat-Vorstufen neu gebildet. GlukoneogeneseSie findet zu etwa 90 % in der Leber und zu etwa 10 % in der Nierenrinde statt.
Ziel ist es, auch bei fehlender Nahrungszufuhr und leeren Glykogenspeichern die lebensnotwendige Glukose bereitzustellen: Der Körper baut Fette und Proteine (Eiweiße) ab und gewinnt dann in verschiedenen Umbauschritten Glukose daraus. Man kann die Glukoneogenese auch als Umkehrvorgang der Glykolyse (Abb. 2.14) bezeichnen. Dabei müssen aber drei Schritte der Glykolyse (unter Energieverbrauch) umgangen werden, da sie nur in Richtung der Glykolyse ablaufen.

Die Fette und fettähnlichen Stoffe

Neben der Glukose sind es v. a. die Fette, die von den Zellen zur Energiegewinnung:FetteEnergiegewinnung herangezogen werden. FetteFetteFette:s.a. Lipide enthalten mehr als doppelt so viel Energiegehalt, FetteEnergie wie die Kohlenhydrate (9,3 statt 4,1 kcal/g, entsprechend 37 bzw. 17 kJ/g, 17.9.6). Diese Energie kann allerdings nicht so leicht freigesetzt werden wie bei den Kohlenhydraten, da die Fettsäuren schwer abbaubar sind.
Fette sind außerdem z. B. als Bestandteil von Zellmembranen und als Ausgangsstoffe für die Bildung einiger Hormone unverzichtbar. Fette können bei Zimmertemperatur fest oder flüssig sein. Bei Zimmertemperatur flüssige Fette heißen auch Öle.
Die Neutralfette (Triglyzeride)
Die größte Gruppe der natürlich vorkommenden Fette sind Gemische von TriglyzerideTriglyzerideTriglyzeriden (NeutralfetteNeutralfetten). Jedes Triglyzerid ist aus einem Glyzerin- und drei Fettsäuremolekülen zusammengesetzt. Dies können drei gleiche Fettsäuren sein oder auch drei verschiedene (Abb. 2.16).
Fettsäuren sind lange Kohlenwasserstoffketten mit meist 16 oder 18 C-Atomen. Sie können mit der Nahrung aufgenommen oder vom menschlichen Organismus selbst hergestellt werden. Je nachdem, ob das Kohlenstoffgerüst der Fettsäuren Doppelbindungen enthält, unterscheidet man: Fettsäuren
  • Gesättigte Fettsäuren, die nur Einfachbindungen enthalten (Beispiel Palmitinsäure, StearinsäureStearinsäure)

  • Einfach ungesättigte Fettsäuren mit einer Doppelbindung (Beispiel Ölsäure)

  • Mehrfach ungesättigte Fettsäuren mit zwei oder mehr Doppelbindungen (Beispiel Linolensäure, ArachidonsäureArachidonsäure).

Bei gesättigten Fettsäuren ist die Kohlenstoffkette an den Einfachbindungen frei drehbar. Bei ungesättigten Fettsäuren ist dies an den Doppelbindungen nicht mehr der Fall. Je nach Stellung der Wasserstoffatome (bzw. der restlichen Kohlenstoffkette) werden Cis-FettsäurenCis- und Trans-FettsäurenTrans-Fettsäuren unterschieden (Merkhilfe: cis klingt wie zusammen = auf der gleichen Seite). Im menschlichen Organismus überwiegen die Cis-Fettsäuren bei Weitem.
Die essenziellen Fettsäuren
LinolsäureLinolsäure und Linolensäure enthalten Doppelbindungen, die der menschliche Organismus aufgrund ihrer Position (weit weg vom Glyzerinmolekül) nicht selbst einfügen kann. Solche FettsäurenFettsäuren:essenzielle, die mit der Nahrung zugeführt werden müssen, heißen essenzielle Essenzielle FettsäurenFettsäuren. Sie sind für den Menschen als Ausgangsstoffe für die Synthese mehrerer körpereigener Substanzen lebenswichtig.
Die Fett- und Wasserlöslichkeit
WasserlöslichkeitFettlöslichkeitFettsäuren vereinigen zwei unterschiedliche chemische Eigenschaften:
  • Der lange „Schwanz“ aus CH-Gruppen ist apolar. Die Ladungen sind (fast) symmetrisch verteilt. Deshalb werden keine Wasserstoffbrücken (2.7.1) ausgebildet, sodass dieser Molekülteil ausgesprochen gut fettlöslich bzw. schlecht wasserlöslich ist. Man nennt dies Lipophillipophil (fettfreundlich) bzw. Hydrophobhydrophob (wasserfeindlich)

  • Der kleine „Kopf“ (die Carboxylgruppe 2.8.3) der Fettsäure ist dagegen polar und kann somit Wasserstoffbrücken ausbilden. Er ist gut wasserlöslich (Hydrophilhydrophil) bzw. schlecht fettlöslich (Lipophoblipophob).

Gibt man nun Fettsäuren in Wasser, so bilden sie an der Wasseroberfläche einen dünnen Film, indem sich die Köpfe zum Wasser hin und die Fettsäureschwänze von ihm weg orientieren. Im Wasserinnern bilden sich „Kugeln“ (MizellenMizellen), wobei die hydrophoben Fettsäureschwänze ins Innere der Kugeln zeigen. Aufgrund dieser gegensätzlichen Eigenschaften sind Fettsäuren in der Lage, lipophile Substanzen in Wasser zu emulgieren, d. h. ganz fein zu verteilen (Abb. 2.17), und so zu transportieren.
Die Funktion der Triglyzeride
Triglyzeride sind nach den Kohlenhydraten der zweitwichtigste Rohstoff zur Energieerzeugung.
Bei Energiemangel werden Triglyzeride in Glyzerin und Fettsäuren gespalten (LipolyseLipolyse). Die Fettsäuren werden dann in den Mitochondrien durch die <03B2>-Oxidationβ-Oxidation schrittweise verkürzt und die entstehenden reduzierten Coenzyme und Acetyl-CoA zur Energiegewinnung verwertet (Abb. 2.14). Übersteigt der Acetyl-CoA-Anfall die Kapazität des Zitratzyklus, so werden Ketonkörper daraus gebildet (2.8.3).
Ist genug Energie vorhanden, werden Triglyzeride v. a. im Fettgewebe als Energiereserve für „Notzeiten“ gespeichert. Wie erwähnt kann auch ein Zuviel an Energie aus Kohlenhydraten oder Eiweißen in Form von Triglyzeriden gespeichert werden. Den Triglyzeridaufbau bezeichnet man als LipogeneseLipogenese.
Andere Lipide
Zu den Lipide:s.a. FetteLipideLipiden (Fette und fettähnliche Stoffe) gehören nicht nur die Triglyzeride, sondern noch weitere Stoffe mit folgenden Eigenschaften:
  • Schlechte Löslichkeit in Wasser

  • Gute Löslichkeit in unpolaren Lösungsmitteln wie Chloroform oder Ether.

Die beiden wichtigsten Vertreter dieser Gruppe sind das Cholesterin und die Phospholipide.
Das Cholesterin
Das Cholesterin (Abb. 2.18) ist eine für den Organismus wichtige Substanz, die vom Körper selbst hergestellt und über tierische Nahrungsmittel aufgenommen werden kann. In Pflanzen kommt es nicht vor.
CholesterinCholesterin ist ein:
  • Wichtiger Bestandteil der Zellmembranen (3.2)

  • Vorläufer von Steroidhormonen wie etwa Östrogen und Testosteron (Tab. 11.1)

  • Vorläufer von Gallensäuren (17.6.4).

Gemeinsamer Bestandteil dieser Substanzen ist das aus vier Ringen zusammengesetzte SterangerüstSterangerüst (Abb. 2.18).

Medizin

Idealerweise sollte ein Gleichgewicht zwischen dem aufgenommenen bzw. selbst produzierten Cholesterin sowie dem ausgeschiedenen und verarbeiteten Cholesterin bestehen. Funktioniert diese Regulation nicht, steigt die CholesterinkonzentrationCholesterinkonzentration im Blut und damit die Gefahr einer Arteriosklerose:CholesterinkonzentrationArteriosklerose (15.1.2). Diese erhöht das Risiko, an einem Herzinfarkt oder Schlaganfall zu erkranken.

Die Phospholipide
PhospholipidePhospholipidePhospholipide sind ähnlich aufgebaut wie die Neutralfette (Triglyzeride), wobei jedoch nur zwei Fettsäuren mit dem Glyzerin verknüpft sind. Die dritte Bindungsstelle ist über eine Phosphatgruppe meist mit einem stickstoffhaltigen Alkohol verknüpft.
Der bekannteste Vertreter der Phospholipide ist das LezithinLezithin. Ihre größte Bedeutung besitzen die Phospholipide im Organismus als Bestandteile der Zellmembranen (Abb. 3.2).

Die Proteine (Eiweiße)

Proteine (EiweißeEiweißeEiweiße) ProteineProteineProteinesind sowohl für die Struktur als auch für die Funktion des Menschen von überragender Bedeutung: Proteine sind entscheidende Bestandteile fast aller Organe und somit ganz maßgeblich für die Gestalt eines Menschen. Proteine der Zellmembranen kontrollieren die Passage von Stoffen in die Zelle und aus der Zelle heraus, Proteine in den Muskeln ermöglichen die Beweglichkeit des Menschen.
Die Aminosäuren
ProteineProteine:Zusammensetzung sind aus Aminosäuren zusammengesetzt. Alle AminosäurenAminosäuren sind prinzipiell gleich aufgebaut. Sie besitzen ein zentrales Kohlenstoffatom, das mit vier verschiedenen Gruppen bzw. Atomen verbunden ist:
  • Einer COOH-Gruppe (CarboxylgruppeCarboxylgruppe)

  • Einer NH2-Gruppe (AminogruppeAminogruppe)

  • Einem Wasserstoffatom

  • Dem variablen Rest R (Abb. 2.19) – durch ihn unterscheiden sich die verschiedenen Aminosäuren.

Merke

20 Aminosäuren kommen in menschlichen Proteinen vor. Sie heißen Proteinogene Aminosäurenproteinogene Aminosäuren:proteinogeneAminosäuren. Davon sind acht essenzielle Aminosäuren, d. h., sie können vom Körper nicht aus anderen Molekülen synthetisiert werden und müssen über die Nahrung aufgenommen werden. Dies sind IsoleucinIsoleucin, LeucinLeucin, LysinLysin, MethioninMethionin, PhenylalaninPhenylalanin, ThreoninThreonin, TryptophanTryptophanTryptophan und ValinValin. Für Säuglinge sind zusätzlich ArgininArginin und HistidinHistidin essenziell.

Dagegen können die zehn nicht-essenziellen Aminosäuren vom Körper selbst hergestellt werden: Alanin, Asparagin, Aspartat, Cystein, Glutamin, Glutamat, Glycin, Prolin, Serin, Tyrosin.

Darüber hinaus gibt es im Körper weitere Aminosäuren, die aber nicht Bestandteil von Proteinen sind. Zu diesen nicht-proteinogenen Aminosäuren zählt z. B. der Überträgerstoff GABA (Gamma-Aminobuttersäure (GABA)Gamma-Aminobuttersäure, 9.3.2).
Die Verkettung der Aminosäuren
Werden zwei AminosäurenAminosäuren:Verkettung unter Wasserabspaltung miteinander verknüpft, entsteht ein Dipeptid. Die Bindung:PeptideBindung heißt entsprechend Peptidbindung (Abb. 2.20)Peptidbindung. Jedes Peptid besitzt an seinem einen freien Ende eine COOH-Gruppe und am anderen eine NH2-Gruppe, an denen weitere Aminosäuren in gleicher Weise angelagert werden können.
Wird so an ein DipeptideDipeptid eine dritte Aminosäure angelagert, entsteht ein Tripeptid. Bis zu einer Länge von zehn Aminosäuren spricht man von OligopeptideOligopeptiden, bei mehr als zehn Aminosäuren von Polypeptiden (poly = viele). PolypeptidePolypeptide aus über 100 Aminosäuren mit einer bestimmten räumlichen Struktur heißen Proteine. Die Übergänge sind allerdings fließend ohne genaue „Grenzen“ für die Aminosäurenzahl.
Die meisten menschlichen Proteine bestehen aus 100–500 Aminosäuren. Da einerseits 20 verschiedene Aminosäuren für den Aufbau von Proteinen verwendet werden und andererseits die Reihenfolge der einzelnen Aminosäuren veränderlich ist, ergibt sich eine riesige Zahl unterschiedlicher Proteine.
Die Ebenen der Proteinstruktur
Bei den Proteinen werden vier Strukturebenen differenziert:
  • ProteinstrukturDie Aminosäurefolge eines Proteins wird auch als PrimärstrukturPrimärstruktur bezeichnet

  • Aufgrund von Wasserstoffbrücken nimmt die Aminosäurekette dann eine bestimmte räumliche Form an, sie windet sich z. B. spiralig zur Helix oder ähnelt einem Faltblatt. Diese Anordnung heißt SekundärstrukturSekundärstruktur. Ein Protein kann in verschiedenen Abschnitten unterschiedliche Sekundärstrukturen zeigen

  • Für die Funktionsfähigkeit des Proteins, z. B. als Enzym, ist entscheidend, dass sich die Aminosäurekette außerdem zu einem dreidimensionalen Gebilde formiert. Diese vollständige dreidimensionale Struktur der gesamten Aminosäurekette heißt TertiärstrukturTertiärstruktur. Man kann sich eine solche Struktur z. B. wie ein Wollknäuel vorstellen

  • Häufig lagern sich mehrere Aminosäureketten bzw. Proteine zu einem noch größeren Komplex zusammen – eine QuartärstrukturQuartärstruktur bildet sich aus (Abb. 2.21).

Medizin

Geht die dreidimensionale Struktur eines Proteins z. B. durch Hitzeeinwirkung verloren (Eiweißdenaturierung), Eiweißdenaturierungkann es seine biologische Funktion nicht mehr erfüllen. Auf diese Weise können im Rahmen der Desinfektion und Sterilisation Bakterien- und Virusproteine durch Hitze unschädlich gemacht werden.

Der Protein- und Aminosäurenstoffwechsel
Proteine:StoffwechselWährend der Verdauung werden Proteine (Eiweiße) in ihre Bausteine, die Aminosäuren, zerlegt, welche über die Pfortader zunächst zur Leber gelangen. Auch im Körper werden ständig Proteine abgebaut (ProteinkatabolismusProteinkatabolismus) und Aminosäuren freigesetzt. Die frei gewordenen Aminosäuren werden je nach Bedarf des Organismus unterschiedlich umgesetzt:
  • Zum Ersten können die frei gewordenen Aminosäuren:StoffwechselAminosäuren zum Aufbau körpereigener Eiweiße Proteinanabolismusdienen (Proteinanabolismus), etwa bei Wachstumsvorgängen

  • Hierzu können einige Aminosäuren in andere Aminosäuren umgewandelt werden, je nachdem, welche Aminosäuren gerade knapp sind. Nur die essenziellen Aminosäuren müssen über die Nahrung aufgenommen werden

  • Aus Glukogene AminosäurenAminosäuren:glukogeneglukogenen Aminosäuren kann im Rahmen der Glukoneogenese (2.8.1) Glukose hergestellt werden. Die Abbauprodukte Ketogene AminosäurenAminosäuren:ketogeneketogener Aminosäuren hingegen können zur Bildung von Ketonkörpern (17.9.6, 18.4.2) oder Fettsäuren (2.8.2) verwendet werden. Bei einem Teil der Aminosäuren ist beides möglich. Unter dem Begriff KetonkörperKetonkörper werden – etwas ungenau – die Substanzen Aceton, Acetessigsäure und Betahydroxybuttersäure zusammengefasst (Letztere enthält nicht die Ketogruppe C=O!), die z. B. beim Fasten vermehrt entstehen. Ketonkörper können im Hungerzustand in Gehirn und Muskeln zur Energiegewinnung verwendet werden. Im Übermaß führen sie Ketoazidosezur Ketoazidose

  • Manche Aminosäuren können zu Acetyl-CoA abgebaut und nach Einschleusen in den Zitratzyklus (2.8.1) direkt zur Energiegewinnung herangezogen werden. Dieser Stoffwechselweg ist jedoch eher die Ausnahme

  • Aus einigen Aminosäuren können durch Decarboxylierung:AminosäurenDecarboxylierung (CO2-Abspaltung) Biogene Aminebiogene Amine gebildet werden, etwa der Neurotransmitter SerotoninSerotonin aus Tryptophan.

Die Enzyme
EnzymeChemische Reaktionen werden im Reagenzglas durch Wärmezufuhr erheblich beschleunigt, ja oft erst möglich. Nun ist der menschliche Organismus auf schnelle und fein gesteuerte chemische Reaktionen angewiesen, ohne diese über Wärmezufuhr steuern zu können – der Körper erträgt keine großen Temperaturschwankungen. Der Stoffwechsel katalysiert deshalb bestimmte Reaktionen, d. h., er beschleunigt sie um das Tausend- bis Hunderttausendfache durch den Einsatz von (lebenswichtigen) Hilfsstoffen, den Enzymen (Biokatalysatoren).
Die meisten Enzyme benötigen für ihre Funktion einen zusätzlichen „Helfer“, CoenzymeCoenzymeden man Coenzym nennt. Dies ist deshalb erforderlich, weil das Enzym selbst an der chemischen Reaktion nicht teilnimmt, sondern lediglich die beteiligten Partner in geeigneter Weise zusammenbringt. So ist es nur das Coenzym, das bei der Enzymreaktion verändert wird, indem es entweder vom Substrat abgespaltene Elektronen bzw. Atome aufnimmt oder diese dem Substrat entsprechend zur Verfügung stellt (Abb. 2.22).
Coenzyme sind meist sehr kompliziert aufgebaute organische Moleküle und im Gegensatz zu den Enzymen grundsätzlich keine Proteine. Coenzyme leiten sich häufig von Vitaminen (17.9.8) ab.

Die Nukleinsäuren

NukleinsäurenProteine sind für Struktur und Funktion des menschlichen Organismus lebenswichtig. Art und Reihenfolge der Aminosäuren müssen daher für jedes einzelne Protein im Erbgut (genetisch) exakt festgelegt sein. In den Nukleinsäuren sind genau diese Informationen verschlüsselt.

Merke

Man unterscheidet zwei Formen von Desoxyribonukleinsäure (DNS)Nukleinsäuren: Die DNA (DNA (Desoxyribonukleinsäure)Desoxyribonukleinsäure, DNS, engl. acid = Säure) und Ribonukleinsäure (RNA)die RNA (RNA (Ribonukleinsäure)Ribonukleinsäure, RNA).

Der Aufbau der DNA
Die Desoxyribonukleinsäure (DNS):AufbauDNA kann in ihrem Aufbau mit einer Strickleiter verglichen werden (Abb. 2.23):
  • Die seitlichen Stränge bestehen aus sich abwechselnden Zuckermolekülen und Phosphatgruppen. Das Zuckermolekül ist immer Desoxyribose. Jedes Zuckermolekül ist mit einer Phosphatgruppe und jede Phosphatgruppe wiederum mit einem Zuckermolekül fest verknüpft. Die Richtung der beiden Stränge ist übrigens gegenläufig

  • Die „Sprossen“ dieser Strickleiter gehen jeweils von den Zuckermolekülen aus und werden von je zwei stickstoffhaltigen Basen gebildet, und zwar entweder aus Adenin (A) und ThyminThyminThymin (T) oder aus GuaninGuaninGuanin (G) und CytosinCytosinCytosin (C). Die Basenpaarung, DNABasenpaarung zwischen den beiden Basen erfolgt über Wasserstoffbrückenbindungen (2.4.3).

Größe und chemische Struktur der Basen schreiben vor, dass ein AdeninAdeninAdeninAdenin immer mit einem gegenüberliegenden Thymin und ein Guanin immer mit einem gegenüberliegenden Cytosin gepaart ist. Andere Kombinationen sind nicht möglich. Deshalb bestimmt die Basenreihenfolge (Basensequenz, DNABasensequenz) des einen Stranges immer auch die des anderen. Beide Stränge sind einander komplementär, vergleichbar mit dem Negativ und dem Positiv einer Fotografie.
Nukleosid, Nukleotid und Gen
Die Kombination einer dieser Basen mit einem Zuckermolekül heißt Nukleosid (z. B. AdenosinAdenosinAdenosin, GuanosinGuanosin). Werden an ein NukleosidNukleosid ein, zwei oder drei Phosphatgruppen gehängt, entsteht ein Nukleotid (Nukleosinmonophosphat, -diphosphat, -triphosphat Abb. 2.24).
Da in der DNA nur vier verschiedene Basen vorkommen, gibt es in ihr auch nur vier verschiedene NukleotidNukleotide. Die beiden Stränge der DNA sind nun aus gut 6,5 Milliarden solcher Nukleotide zusammengesetzt – oder anders ausgedrückt, die „Strickleiter“ hat ca. 3,3 Milliarden „Sprossen“.
Die DNA ist in Informations- oder Erbeinheiten gegliedert, die als Gene bezeichnet werden. Der Mensch hat ca. 20.000 sehr unterschiedlich große Gene – von unter 200 bis ca. 2,5 Millionen Basenpaaren (mehr zu Gen und Protein 3.6).
Der Aufbau der RNA
Ribonukleinsäure (RNA):AufbauDie zweite Art von Nukleinsäuren ist die RNA. Im Gegensatz zur DNA:
  • Ist die RNA nur einsträngig

  • Findet man in der RNA als Zucker die Ribose

  • Ist die Base Thymin in der RNA durch UracilUracil ersetzt.

Es gibt mehrere Arten von RNA, die Teilaufgaben im Rahmen der Proteinsynthese erfüllen (3.6).

Das Adenosintriphosphat (ATP)

Nukleotide stellen auch im Energiehaushalt in Form von ATP (Adenosintriphosphat, Abb. 2.24) eine der Schlüsselsubstanzen dar. Eine Zelle kann nur (über)leben, wenn genügend ATP in der Zelle vorhanden ist. Leben ist an die Anwesenheit von Energie und damit von ATP gebunden – man findet es deshalb in allen Organismen der Erde.
Hauptaufgabe des ATP ist es, Energie zwischenzuspeichern und im Bedarfsfall wieder abzugeben; das ATP ist also gewissermaßen ein Zell-„Akku“.
ATP besteht aus der Base Adenin, dem Zuckermolekül Ribose und drei Phosphatgruppen.
Die Bindungen zwischen den Phosphatgruppen sind sehr energiereich: Wird die dritte Phosphatgruppe unter Mithilfe von Wasser (hydrolytische Reaktion) abgespalten, so wird Energie verfügbar, welche von der Zelle für energieverbrauchende Vorgänge verwendet wird.
Anschließend muss das entstehende Adenosindiphosphat (ADP)Adenosindiphosphat (ADP)Adenosindiphosphat (ADP)Adenosindiphosphat (ADP) wieder zu ATP regeneriert werden, wozu Energie verbraucht wird. Diese Energie stammt aus der „Verbrennung“ energiereicher Nährstoffmoleküle (v. a. Glukose) unter Verbrauch von Sauerstoff in der Zelle.

Die Oxidation und Reduktion

Ursprünglich bezeichnete Oxidation (Oxidationsreaktion) die Reaktion eines Stoffes mit Sauerstoff zu einem Oxid. Beispiel ist die Reaktion von Magnesium und Sauerstoff zu Magnesiumoxid (2 Mg + O2 ↔ 2 MgO).
Heute wird der Begriff weiter gefasst: Von einer OxidationOxidation spricht man, wenn ein Molekül Elektronen abgibt. Im Organismus erfolgt dies oft über die Abgabe von Wasserstoffatomen (also von jeweils einem Elektron und einem Proton). Oxidationen sind nur möglich, wenn die abgegebenen Elektronen von einem anderen Stoff – in einer praktisch umgekehrten Reaktion – wieder aufgenommen werden. Diese Elektronenaufnahme heißt Reduktion (ReduktionReduktionsreaktion). Im Organismus geschieht dies ebenfalls oft über die Aufnahme von Wasserstoffatomen.

Merke

Oxidations- und Reduktionsreaktionen sind untrennbar miteinander verbunden – man spricht von Redox-ReaktionRedoxreaktion. Wann immer eine Substanz oxidiert wird, wird eine andere reduziert. Beispiel ist die Umwandlung von LaktatLaktat (MilchsäureMilchsäure) in Pyruvat (Brenztraubensäure, Abb. 2.25).

Im Stoffwechsel spielen die Coenzyme eine bedeutende Rolle als Überträger von Elektronen bzw. Wasserstoffatomen. Meist besteht ihre Funktion darin, vom Substrat Protonen und Elektronen entgegenzunehmen oder diese bei Bedarf wieder abzugeben.
Ein wichtiges Coenzym ist z. B. das NAD+ (Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid), das sich von dem Vitamin Niazin (17.9.8) ableitet. Es kann in einer Reduktionsreaktion ein Proton und zwei Elektronen aufnehmen (NAD+ + 2 H+ + 2 Elektronen ↔ NADH + H+). Ähnlich funktioniert Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD)das FAD (Flavin-Adenin-Dinukleotid).
Oxidationsreaktionen sind gewöhnlich Energie freisetzende Reaktionen. Die Hauptmenge an Energie entsteht, wenn die Coenzyme ihre aufgenommenen Elektronen auf Sauerstoff übertragen. Diese Energie wird dazu verwendet, aus ADP und Phosphat wieder ATP zu bilden.

Wiederholungsfragen

  • 1.

    Welche vier Elemente bezeichnet man als Schlüsselelemente des Organismus? (2.1)

  • 2.

    Wie unterscheiden sich Ordnungs- und Massenzahl eines Atoms? (2.2)

  • 3.

    Nach welchen Prinzipien sind die Elemente im Periodensystem eingeordnet? (2.3)

  • 4.

    Was ist die Edelgaskonfiguration? (2.3)

  • 5.

    Was ist eine Ionenbindung? (2.4.1)

  • 6.

    Was ist eine kovalente Bindung? (2.4.2)

  • 7.

    Woraus ist die Luft zusammengesetzt? (2.4.2)

  • 8.

    Woher nimmt der Körper die für anabole Reaktionen benötigte Energie? (2.5)

  • 9.

    Was sind anorganische Verbindungen? (2.6)

  • 10.

    Wie sind Säuren und Basen definiert? (2.7.2)

  • 11.

    Welchen pH-Wert haben neutrale Lösungen wie z. B. chemisch reines Wasser? (2.7.3)

  • 12.

    Wie werden Kohlenhydrate gebildet, was sind die Grundmerkmale der einzelnen Gruppen? (2.8.1)

  • 13.

    Wie kann der Mensch Glukose speichern? (2.8.1)

  • 14.

    Was versteht man unter der Glukoneogenese? (2.8.1)

  • 15.

    Wie sind Triglyzeride aufgebaut, welche Funktion haben sie? (2.8.2)

  • 16.

    Wie heißen die Bausteine der Proteine? (2.8.3)

  • 17.

    Durch welche Begriffe wird die Proteinstruktur beschrieben? (2.8.3)

  • 18.

    Wie können Proteine im Körper verstoffwechselt werden (mindestens zwei Möglichkeiten)? (2.8.3)

  • 19.

    Welche wichtigen Eigenschaften zeichnen die Enzyme aus? (2.8.3)

  • 20.

    Welche Nukleinsäuren gibt es im menschlichen Organismus, und wie sind sie aufgebaut? (2.8.4)

  • 21.

    Wie speichert die Zelle Energie, die sie für Stoffwechselvorgänge benötigt? (2.8.5)

  • 22.

    Was ist Oxidation, was Reduktion? (2.9)

Holen Sie sich die neue Medizinwelten-App!

Schließen