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B978-3-437-46202-3.00002-0

10.1016/B978-3-437-46202-3.00002-0

978-3-437-46202-3

Abb. 2.1

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Aufbau eines Atoms. Oben mit eher realitätstreuen Proportionen (tatsächlich müsste der Abstand zwischen Atomkern und Elektronenhülle noch viel größer sein) und unten mit stark vergrößertem Kern, sodass Protonen und Neutronen erkennbar sind. Weiterhin sind schematisch zwei Elektronenschalen mit den sich darin bewegenden Elektronen dargestellt.

Abb. 2.2

[L190]

Atomsymbol, Ordnungszahl und Massenzahl am Beispiel der vier „Schlüsselelemente“

Abb. 2.3

[L190]

Fünf Wassermoleküle und die sie verbindenden Wasserstoffbrücken

Abb. 2.4

[L190]

pH-Werte bekannter Flüssigkeiten

Abb. 2.5

[L190]

Das Kohlensäure-Bikarbonat-System als lebenswichtiges Puffersystem

Abb. 2.6

[L190]

Herstellen einer 1-molaren Lösung: Zur Herstellung einer 1-molaren Lösung wird die Stoffmenge 1 mol in ein Gefäß gegeben. Dann wird dieses mit dem Lösungsmittel zu einem Gesamtvolumen von 1 Liter aufgefüllt.

Abb. 2.7

[L190]

Vereinfachte Darstellung der Glykolyse. Aus einem Glukosemolekül entstehen zwei Moleküle Pyruvat. Dabei werden zwei ATP-Moleküle regeneriert. Das Pyruvat tritt im Regelfall anschließend in den Zitratzyklus ein (Abb. 2.8).

Abb. 2.8

[L190]

Entstehung des Acetyl-Coenzym A und Einschleusung der Acetylgruppe in den Zitratzyklus. Die im Zitratzyklus entstehenden reduzierten Coenzyme NADH und FADH2 speichern Energie, die erst im letzten Abschnitt der Energiegewinnung, der Atmungskette, zur Regenerierung von ATP verwendet wird.

Abb. 2.9

[L190]

Zusammenfassende Darstellung der vier Phasen der Energiegewinnung aus Glukose

Die chemischen Elemente des menschlichen Körpers

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 jeden 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; vermittelt die Synthese und Freisetzung von Neurotransmittern. Elektromechanische Kopplung: an allen Muskelkontraktionen beteiligt.
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 und für Muskelkontraktionen; Hauption des Extrazellularraums, das wesentlich zur Aufrechterhaltung der Wasserbilanz benötigt wird
Chlor (Cl) 0,2 % Wie Natrium wesentlich an der Aufrechterhaltung der Wasserbilanz zwischen den Zellen verantwortlich
Magnesium (Mg) 0,1 % Bestandteil vieler Enzyme
Ca. 1 % Spurenelemente Chrom (Cr) Alle jeweils weniger als 0,1 %
Biologische Funktionen und Mangelerscheinungen Tab. 15.3
Außerdem gibt es fragliche Spurenelemente – sie sind im Körper nachweisbar, aber der tägliche Bedarf sowie irgendwelche Mangelerscheinungen sind nicht bekannt. Zu ihnen zählen:
  • Silicium (Si)

  • Zinn (Sn)

  • Vanadium (V)

  • Nickel (Ni)

  • Arsen (As)

Iod (J)
Eisen (Fe)
Kobalt (Co)
Kupfer (Cu)
Fluor (F)
Mangan (Mn)
Molybdän (Mo)
Selen (Se)
Zink (Zn)

Notwendiges aus Chemie und Biochemie

Frank Flake

Inhaltsübersicht

Chemische Elemente

  • Alle lebenden und toten Gegenstände bestehen aus Materie.

  • Im menschlichen Organismus finden sich mindestens 26 verschiedene chemische Elemente. Schlüsselelemente sind:

    • Sauerstoff (chemisches Symbol: O)

    • Kohlenstoff (C)

    • Wasserstoff (H)

    • Stickstoff (N)

Aufbau der Atome

  • Atome sind die Grundeinheiten der Materie.

Chemische Reaktionen

  • Nur mithilfe von chemischen Reaktionen ist es möglich, dass der Organismus wachsen kann und neue Gewebe gebildet werden.

  • Wenn sich ein oder mehrere Atome, Ionen oder Moleküle zu einer größeren Einheit verbinden, so bezeichnet man dies ganz allgemein als anabole Reaktion.

  • Bei katabolen Reaktionen werden keine neuen chemischen Bindungen geknüpft, sondern bereits bestehende gelöst.

  • Alle Wachstumsvorgänge des Körpers vollziehen sich im Wesentlichen über anabole Reaktionen und benötigen daher Energie.

Chemische Verbindungen als Grundlage aller Lebensprozesse

  • Mit wenigen Ausnahmen werden heute als organische Verbindungen solche Verbindungen bezeichnet, die hauptsächlich aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen bestehen.

Anorganische Verbindungen

  • Wasser besteht aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen, die über kovalente Bindungen zusammengehalten werden.

  • Das wichtigste Puffersystem des menschlichen Körpers ist das Kohlensäure-Bikarbonat-System (auch Hydrogenkarbonat).

Organische Verbindungen

  • Unter dem Begriff Glykolyse werden zahlreiche enzymatische Reaktionen zusammengefasst, bei denen ein Molekül Glukose letztlich in zwei Moleküle Pyruvat gespalten wird.

  • Der Zitratzyklus ist die anschließende Serie enzymatisch gesteuerter Reaktionen, die in den Mitochondrien stattfinden.

  • Ist der menschliche Organismus ausreichend mit Glukose versorgt, kann er Glukose in die Speicherform Glykogen überführen.

  • Eine Zelle kann nur leben oder überleben, wenn genügend ATP in der Zelle vorhanden ist.

Schlüsselrolle von Enzymen und Coenzymen

  • Das Leben jeder einzelnen Zelle des menschlichen Körpers ist untrennbar mit unzähligen chemischen Reaktionen verbunden, die ständig in ihr ablaufen.

  • Chemisch gesehen gehören fast alle bisher bekannten Enzyme zu den Proteinen.

  • Von einer Oxidation spricht man, wenn ein Molekül Elektronen abgibt.

Jeder biologische Organismus – und sei er so klein wie ein Bakterium – kann sich nur am Leben halten, wenn er Stoffe aufnimmt und verwertet. Der Mensch mit seinem hoch entwickelten StoffwechselStoffwechsel (MetabolismusMetabolismus) macht hierbei keine Ausnahme. Zu den für den Menschen lebensnotwendigen Substanzen gehören Wasser und die darin gelösten Salze, ferner die Nährstoffe Fette, Eiweiße und Kohlenhydrate; aber auch andere Substanzen wie z. B. Vitamine und Spurenelemente sind lebensnotwendig.

Chemische Elemente

Alle lebenden und toten Gegenstände bestehen aus MaterieElemente, chemischeMaterie, also etwas, das Raum beansprucht und eine Masse besitzt. Materie kann in flüssigem, festem oder gasförmigem Zustand vorliegen. Alle Formen der Materie bestehen aus chemischen Elementen. Diese Elemente zeichnen sich dadurch aus, dass sie durch gewöhnliche chemische Reaktionen nicht weiter in andere Stoffe zerlegt werden können. Gegenwärtig kennt die Wissenschaft 118 verschiedene chemische Elemente, die üblicherweise in Form von chemischen Symbolen abgekürzt werden.
Im menschlichen Organismus finden sich mindestens 26 verschiedene chemische Elemente (Tab. 2.1). Die wichtigsten, sozusagen die „Schlüsselelemente“, sind:
  • SauerstoffSauerstoff (chemisches Symbol: O)

  • KohlenstoffKohlenstoff (C)

  • WasserstoffWasserstoff (H)

  • StickstoffStickstoff (N)

Allein diese vier Elemente bilden ungefähr 96 % der Körpermasse. Eine Gruppe von weiteren sieben Elementen – KalziumKalzium (Ca), PhosphorPhosphor (P), KaliumKalium (K), SchwefelSchwefel (S), NatriumNatrium (Na), ChlorChlor (Cl) und MagnesiumMagnesium (Mg) – umfassen noch einmal etwa 3 % der Körpermasse. Sie werden zusammen oft als MengenelementeMengenelemente bezeichnet (Kap. 15.5). Das verbleibende Prozent nehmen die Spurenelemente Spurenelementeein, die nur „in Spuren“ im menschlichen Organismus anzutreffen sind. Mengen- und Spurenelemente werden als MineralstoffeMineralstoffe zusammengefasst.

Aufbau der Atome

Jedes Element ist aus einer großen Anzahl gleichartiger Einzelbausteine aufgebaut, den Atomen.
AtomAtome sind die Grundeinheiten der Materie. So enthält z. B. reine Kohle ausschließlich Kohlenstoffatome oder ein Tank voll Sauerstoff ausschließlich Sauerstoffatome.
Jedes Atom besteht grundsätzlich 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 normalen Wasserstoffatom – elektrisch neutrale Partikel, die NeutronenNeutronen genannt werden. Da jedes Proton eine positive Ladung trägt, ist der Kern insgesamt positiv geladen.
ElektronenElektronen sind negativ geladene Partikel, die den Kern umkreisen und zusammen die Elektronenhülle des Atoms bilden. Die Anzahl der negativ geladenen Elektronen entspricht immer der der positiv geladenen Protonen, sodass sich ihre Ladungen ausgleichen und das Atom als Ganzes nach außen elektrisch neutral ist.
Was unterscheidet die Atome eines Elements von den Atomen eines anderen?
Die Antwort lautet: die Anzahl der Protonen im Kern und, da jedes Atom nach außen elektrisch neutral ist, damit auch die unterschiedliche Gesamtzahl der Elektronen in der Elektronenhülle. Die Anzahl der Protonen eines Atoms bzw. Elements wird als OrdnungszahlOrdnungszahl bezeichnet, die Summe der Protonen und Neutronen als MassenzahlMassenzahl (die Masse der Elektronen kann hierbei vernachlässigt werden, da sie über tausendmal kleiner ist als die der Protonen und Neutronen). Beispielsweise hat Stickstoff (N) die Ordnungszahl 7 und die Massenzahl 14, da sich neben den sieben Protonen auch sieben Neutronen im Kern befinden (Abb. 2.2).

Chemische Reaktionen

Bei chemischen Reaktionen geschieht im Grunde nichts anderes als das Knüpfen von neuen Bindungen zwischen Atomen oder gerade das Gegenteil, nämlich das Aufbrechen von bestehenden chemischen Bindungen. Solche Reaktionen finden in jeder menschlichen Zelle ständig und in großem Ausmaß statt. Nur mithilfe von chemischen Reaktionen ist es möglich, dass der Organismus wachsen kann und neue Gewebe gebildet werden. Aber auch alle Körperfunktionen, z. B. das Zusammenziehen (Kontraktion) eines Muskels oder die Seh- und Hörfähigkeit, erfordern den ständigen Ablauf vielfältiger chemischer Reaktionen.Reaktionchemischechemische Reaktion
Bei einer chemischen Reaktion geht nichts verloren, d. h., die Gesamtzahl der Atome bleibt dieselbe. Es ändert sich nur die Verknüpfung zwischen den Atomen, wobei neue Moleküle mit neuen Eigenschaften entstehen.

Anabole Reaktionen

Wenn sich ein oder mehrere Atome, Ionen oder Moleküle zu einer größeren Einheit verbinden, so bezeichnet man dies ganz allgemein als anabole ReaktionanaboleReaktion. Ein einfaches Beispiel hierfür ist die Bildung des Ammoniaks (NH3) aus einem Molekül Stickstoff (N2) und drei Molekülen Wasserstoff (H2):
N 2 + 3 H 2 2 NH 3
Bei einer anabolen Reaktion findet also die SyntheseSynthese (Neubildung) einer neuen Verbindung bzw. eines neuen Moleküls statt. Ein Beispiel für eine solche anabole Reaktion im menschlichen Organismus ist der Aufbau der Körpereiweiße: Sie sind Riesenmoleküle (Makromoleküle), die durch die Verknüpfung zahlreicher kleinerer Moleküle entstanden sind.

Katabole Reaktionen

Katabole Reaktionen sind das Gegenteil von anabolen Reaktionen. Hierbei werden keine neuen chemischen Bindungen geknüpft, sondern bereits bestehende gelöst. Als einfaches Beispiel hierfür dient hier ebenfalls die beschriebene Ammoniak-Synthesereaktion, die tatsächlich unter geeigneten Bedingungen in umgekehrter Richtung verläuft:Reaktionkatabole
2 NH 3 N 2 + 3 H 2
Im menschlichen Organismus spielen katabole Reaktionen insbesondere bei der Verdauung eine große Rolle, weil die meist riesigen Nährstoffmoleküle (Fette, Eiweiße und Kohlenhydrate) erst nach der Spaltung in kleine Bruchstücke durch die Darmschleimhaut in das Blut überführt werden können.

Chemische Reaktionen und Energie

Unter chemischer Energie wird die Energie verstanden, die bei der Bildung einer chemischen Bindung oder deren Aufbrechen entweder verbraucht oder freigesetzt wird. Zur Neubildung (Synthese) einer chemischen Bindung wird gewöhnlich Energie benötigt, beim Aufbrechen einer chemischen Bindung wird gewöhnlich Energie frei. Da bei anabolen Reaktionen neue Bindungen geknüpft werden müssen, wird hierbei in der Regel Energie verbraucht, bei katabolen Reaktionen werden chemische Bindungen aufgebrochen und deshalb wird Energie freigesetzt.Energiechemische
Alle Wachstumsvorgänge des Körpers vollziehen sich im Wesentlichen über anabole Reaktionen und benötigen daher Energie. Diese Energie stammt aus dem Abbau von Nährstoffmolekülen, also aus katabolen Reaktionen, bei denen Energie freigesetzt wird.

Chemische Verbindungen als Grundlage aller Lebensprozesse

Die meisten chemischen Elemente liegen im Organismus nicht als Atome, sondern als chemische VerbindungchemischeVerbindungen vor, die in zwei Hauptklassen eingeteilt werden können:
  • Organische Verbindungen

  • Anorganische Verbindungen

Unter organischen Verbindungen Verbindungorganischewurden ursprünglich alle Chemikalien des Pflanzen- und Tierreichs verstanden, wobei angenommen wurde, dass zu ihrer Bildung eine besondere „Lebenskraft“ notwendig sei. Diese Theorie fiel jedoch im Jahre 1828 in sich zusammen, als der Chemiker Friedrich Wöhler eine klassische organische Substanz (Harnstoff) aus einer anorganischen Vorstufe im Reagenzglas herstellte.
Mit wenigen Ausnahmen werden heute als organische Verbindungen solche bezeichnet, die hauptsächlich aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen bestehen und überwiegend durch kovalente Bindungen zusammengehalten werden. Alle Schlüsselmoleküle des Lebens wie Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße und unsere Erbsubstanz, die Nukleinsäuren, gehören zur Gruppe dieser organischen Verbindungen.
Anorganische Verbindungen dagegen Verbindunganorganischezeichnen sich dadurch aus, dass in ihnen gewöhnlich kein Kohlenstoff enthalten ist. Zu den anorganischen Verbindungen gehören viele Salze, Säuren, Laugen, Wasser und als Ausnahme auch die Kohlenstoffverbindungen Kohlendioxid (CO2) und -monoxid (CO).

Merke

Sowohl organische als auch anorganische Verbindungen sind lebensnotwendig für die Funktionen des Stoffwechsels.

Anorganische Verbindungen

Wasser

Alle chemischen Reaktionen und damit alle Lebensvorgänge im Organismus spielen sich in einem wässrigen Milieu ab (Kap. 3.4). Wasser ist dabei ein ausgezeichnetes Lösungsmittel. Lebenswichtige Substanzen wie Sauerstoff- oder Nährstoffmoleküle können über das extrazelluläre Wasser alle Zellen erreichen und von diesen verwertet werden. Andererseits können Stoffwechselabfallprodukte wie das Kohlendioxid auf umgekehrtem Wege abtransportiert werden und schließlich über die Lunge den Organismus verlassen. Bei chemischen Reaktionen ermöglicht das Wasser den beteiligten Molekülen überhaupt erst die Annäherung aneinander.WasserVerbindunganorganische
Wasser chemisch gesehen
Wasser besteht aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen, die über kovalente Bindungen zusammengehalten werden (Abb. 2.3). Sauerstoff besitzt jedoch eine wesentlich größere Elektronegativität als Wasserstoff. Dies führt dazu, dass die gemeinsam genutzten Bindungselektronen vom Sauerstoff stärker angezogen werden als vom Wasserstoff. Eine derartige Bindung wird als polare Atombindung bezeichnet. Ursache ist die Asymmetrie der Ladungsverteilung am Wassermolekül: Die beiden Wasserstoffatome sind geringgradig positiv geladen, auf der anderen Seite ist das Sauerstoffatom geringgradig doppelt negativ geladen.
Das Wassermolekül stellt damit einen DipolDipol dar, der nach außen hin zwar insgesamt elektrisch neutral ist, aber am Sauerstoffende eine negative und an den Wasserstoffenden eine positive „Schlagseite“ hat. Durch seine Polarität kann das Wasser sowohl als Lösungsmittel wirken als auch an chemischen Reaktionen teilnehmen. Bei der Verdauung beispielsweise hilft das Wasser, die großen Nährstoffmoleküle auseinanderzubrechen (HydrolyseHydrolyse); andererseits nimmt es auch an anabolen Reaktionen teil (z. B. der Synthese von Hormonen).
Wasserstoffbrücken
Die stark polarisierten Dipole üben auf die Nachbarmoleküle Kräfte aus, die als Wasserstoffbrücken bezeichnet werden (Abb. 2.3). Im Vergleich zu einer Ionenbindung sind diese Kräfte zwar klein (5–10 % der Stärke einer Ionenbindung), durch die zahlreich ausgebildeten Brücken zwischen allen sich gegenüberstehenden Wassermolekülen werden die Moleküle aber trotzdem stark zusammengehalten.Wasserstoffbrücken
Wasserstoffbrücken kommen nicht nur zwischen Wassermolekülen vor, sondern auch zwischen polarisierten Atomen innerhalb von Molekülen. Aufgrund ihrer großen Zahl tragen Wasserstoffbrücken z. B. wesentlich zur Stabilisierung von Eiweiß- und Nukleinsäuremolekülen bei.
Funktionen des Wassers im Organismus
Neben seinen Aufgaben als Lösungsmittel und vielfältiger Reaktionspartner hat das Wasser noch weitere Funktionen im Organismus:
  • Wasser isoliert – es nimmt Wärme nur langsam auf und gibt sie nur langsam wieder ab.

  • Wasser ist ein Hauptbestandteil von Schleimstoffen und dient dadurch als Schmiermittel.

Säuren und Basen

Wenn Salze wie z. B. Kochsalz in Wasser gelöst werden, unterliegen sie einem Zerfall, d. h., die im Kristallgitter gebundenen Ionen lösen sich voneinander und liegen nun frei beweglich vor.SäureBase
Ein ganz ähnliches Schicksal erleiden anorganische Säuren und 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.

Dieser Vorgang wird allgemein als DissoziationDissoziation bezeichnet.

Merke

Säure und Lauge

Als Säure werden nach Brönsted chemische Substanzen bezeichnet, die H+-Ionen abgeben können, als Basen (Laugen) solche, die H+-Ionen aufnehmen können.
Säuren nach dieser Definition sind etwa HCl oder NH4+, Basen z. B. OH, Cl oder NH3.
Je mehr H+-Ionen sich in einer Lösung befinden, umso saurer (azider) ist diese Lösung. Je weniger H+-Ionen darin enthalten sind, umso basischer (alkalischer) ist die Lösung. Der Säuregrad wird auch als AziditätAzidität bezeichnet, die basische Eigenschaft einer Lösung auch als AlkalitätAlkalität.

pH-Wert

Azidität und Alkalität einer Lösung hängen direkt ab von der Konzentration der H+- bzw. OH-Ionen. Ist diese Konzentration gleich, so ist die Lösung weder sauer noch basisch, sondern neutral (Abb. 2.4).pH-Wert
Neutral ist z. B. reines Wasser: Die Konzentration der Ionen – in den folgenden Beispielen durch eckige Klammern [ ] dargestellt – beträgt am sog. Neutralpunkt:
  • [H+] = 0,0000001 mol/l = 10–7 mol/l

  • [OH] = 0,0000001 mol/l = 10–7 mol/l

Wie unschwer zu sehen ist, sind die Ionenkonzentrationen an H+ und OH sehr gering. Deshalb ist aus praktischen Erwägungen der sog. pH-Wert eingeführt worden, der als negativer dekadischer Logarithmus der H+-Ionenkonzentration definiert ist.
Wie sich ein negativer dekadischer Logarithmus berechnet, ist nicht ganz einfach zu verstehen. Ganz entscheidend aber hängt dieser Wert von der Zahl der Nullen hinter dem Komma ab:
  • [H+] = 0,01 mol/l = 10–2 mol/l → pH = 2 (sauer, z. B. Magensaft)

  • [H+] = 0,0000001 mol/l = 10–7 mol/l → pH = 7 (neutral, reines Wasser)

  • [H+] = 0,00000004 mol/l = 10–7,4 mol/l → pH = 7,4 (schwach basisch, Blutplasma)

  • [H+] = 0,00000001 mol/l = 10–8 mol/l → pH = 8 (basisch, Dünndarmsekret)

Ist die H+-Konzentration einer Lösung größer als 10–7 mol/l, d. h., wird sie saurer, so wird der pH-Wert kleiner als 7. Ist die Wasserstoffionenkonzentration einer Lösung kleiner als 10–7 mol/l, so wird der pH-Wert größer als 7 (Abb. 2.4). Je kleiner also der pH-Wert einer Flüssigkeit ist, desto saurer ist sie.
H+-Ionen und OH-Ionen stehen in einem gesetzmäßigen Verhältnis zueinander: Ist die H+-Konzentration hoch, so ist die OH- Konzentration immer entsprechend gering und umgekehrt.

Puffer

Obwohl die pH-Werte in unterschiedlichen Körperflüssigkeiten sehr unterschiedlich sein können, wird der pH-Wert innerhalb einer bestimmten Körperflüssigkeit konstant gehalten. Dafür sorgen die sog. Puffer. Das sind Substanzen, die überschüssige H+-Ionen auffangen oder bei basischem Milieu wieder abgeben. Sie puffern also pH-Schwankungen ab.Puffer
Kohlensäure-Bikarbonat-Puffer
Das wichtigste Puffersystem des menschlichen Körpers ist das Kohlensäure-Bikarbonat-System (auch Hydrogenkarbonat; Abb. 2.5). Dieses System besteht wie alle Puffer aus einer Säure (H2CO3) und der dazugehörigen Base (HCO3).Kohlensäure-Bikarbonat-Puffer
Wenn der Körper mit Säure (also H+-Ionen) belastet wird (AzidoseAzidose), dann werden diese Ionen von HCO3 abgefangen und bilden H2CO3. Dieses steht wiederum in einem Gleichgewicht zu CO2 und H2O. Das CO2 und damit die „sauren Valenzen“ werden über die Lunge abgeatmet. Außerdem können die H+-Ionen, allerdings wesentlich langsamer, über die Niere ausgeschieden werden.
Wenn nun ein Mangel an H+-Ionen bzw. ein Überwiegen von OH-Ionen vorliegt (AlkaloseAlkalose), dann kann die Abatmung von CO2 vermindert werden. Die vermehrt zurückgehaltene Kohlensäure gibt H+-Ionen ab, die sich mit OH zu H2O verbinden. Außerdem kann die Niere durch verminderte H+-Sekretion und verstärkte Abgabe von HCO3 der Alkalose entgegenwirken.
Weitere Puffersysteme
Neben dem Kohlensäure-Bikarbonat-Puffer tragen zwei weitere Puffersysteme zur Aufrechterhaltung des pH-Werts bei:
  • Proteinpuffer:Proteinpuffer Zu diesem gehören das Hämoglobin (Kap. 11.2) in den Erythrozyten sowie die Plasmaproteine.

  • Phosphatpuffer:Phosphatpuffer Seine Pufferkomponenten sind anorganische Phosphate.

Stoffmenge in mol
In der Medizin basieren Stoffmengen- und Konzentrationsangaben meist auf dem mol. Die Stoffmenge 1 mol bedeutet, dass die Anzahl der Teilchen in dieser Menge gleich der Anzahl der Wasserstoffatome in einem Gramm Wasserstoff ist. Dies klingt zunächst kompliziert, noch dazu, wenn man weiß, dass die Anzahl der Wasserstoffatome in einem Gramm Wasserstoff 6,023 × 1023 beträgt: Ein mol einer beliebigen Substanz enthält demnach die unvorstellbare Zahl von 6,023 × 1023 Teilchen. Diese Anzahl an Molekülen ist in einem mol Zucker, in einem mol Salzsäure oder in einem mol Wasser enthalten. Die Umrechnung von mol in Gramm läuft aus verständlichen Gründen nicht über die Kalkulation mit solchen riesigen Zahlen, sondern viel einfacher über das Periodensystem der Elemente.Stoffmengemol
Konzentration gelöster Stoffe
In den KonzentrationKörperflüssigkeiten liegen die meisten Stoffe in gelöster Form vor. Entsprechend ihrer Stoffmenge in mol wird deshalb auch die Konzentration einer Lösung in mol/Liter (mol/l) angegeben (Abb. 2.6). Beträgt die Konzentration eines Stoffes 1 mol/l, so spricht man von einer 1-molaren Lösung.

Organische Verbindungen

Energiegewinnung aus Glukose

Als „Brennstoff“ für die Verbindungorganischelebensnotwendige Energiegewinnung bevorzugen die meisten menschlichen Zellen GlukoseGlukose. Die Hauptschritte der Energiegewinnung werden deshalb anhand des Glukoseabbaus dargestellt. Der Abbau der Glukose lässt sich in vier Schritte unterteilen:
  • 1.

    GlykolyseGlykolyse – Energieerzeugung ohne Sauerstoff: Unter Glykolyse werden zahlreiche enzymatische Reaktionen zusammengefasst, bei denen ein Molekül Glukose letztlich in zwei Moleküle PyruvatPyruvat (Brenztraubensäure,Brenztraubensäure Abb. 2.7) gespalten wird. Die direkte Energieausbeute dieser Reaktionsfolge ist gering: Pro gespaltenem Glukosemolekül werden zwei Moleküle ATP regeneriert. Andererseits hat die im Zytoplasma stattfindende Glykolyse den Vorteil, dass die Zellen auch bei Sauerstoffmangel weiter Energie erzeugen können.

Merke

Laktatazidose

Unter Sauerstoffmangel können insbesondere Skelettmuskelzellen Pyruvat nicht weiterverwerten; es wird zu LaktatLaktat (Milchsäure,Milchsäure Abb. 2.9) umgewandelt und gelangt über den Kreislauf in die Leber. Interessanterweise können aber die Herzmuskelzellen bei schwerer Arbeit einen Teil ihres Energiebedarfs aus Laktat decken.
Bei fortgesetzter unphysiologischer Belastung (z. B. ein Langstreckenlauf des Untrainierten) mit Sauerstoffmangel der stark beanspruchten Skelettmuskulatur kann der Laktatanfall jedoch so groß werden, dass die Pufferkapazität des Blutes überschritten wird und der Blut-pH empfindlich abfällt. Dieser Zustand wird LaktatazidoseLaktatazidoseLaktatazidose genannt. Manche Gelehrte sprechen lieber von Laktazidose (statt Laktatazidose), weil Laktat lediglich ein Bestandteil der Milchsäure ist; soll heißen, die Azidose kommt nicht vom Laktat, sondern von der Milchsäure.
  • 2.

    Acetyl-Coenzym Acetyl-Coenzym AA – das zentrale Molekül des Energiestoffwechsels: Steht genügend Sauerstoff zur Verfügung, so tritt das Endprodukt der Glykolyse, das Pyruvat, in das Mitochondrium ein und verbindet sich mit Coenzym Coenzym AA, kurz CoA-SH, unter Abspaltung von CO2 zum Acetyl-Coenzym A (kurz Acetyl-CoA; Abb. 2.8). Hierbei fällt zwar nicht direkt ATP an, aber das reduzierte NADH (NAD = Nikotinamid-Adenin-Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid, NADDinukleotid) kann später in der Atmungskette energiebringend verwertet werden. Acetyl-Coenzym A ist ein zentrales Molekül des gesamten Energiestoffwechsels, weil nicht nur der oxidative Abbau der Glukose zu Acetyl-CoA führt, sondern auch der Fettsäureabbau sowie der Abbau einiger Aminosäuren.

  • 3.

    Zitratzyklus:Zitratzyklus Der Zitratzyklus ist die nächste Serie enzymatisch gesteuerter Reaktionen, die in den Mitochondrien stattfinden (Abb. 2.8). Pro eingeschleustem Acetyl-CoA entsteht ein energiereiches Phosphat (Guanosintriphosphat, kurz Guanosintriphosphat, GTPGTP), das direkt ein ADP zu ATP überführen kann. Des Weiteren fallen als reduzierte Coenzyme NADHNADH und FADH2FADH2 (Flavin-Adenin-Dinukleotid, FADFAD = Flavin-Adenin-Dinukleotid) an, die wiederum erst in der Atmungskette verwertet werden (Details zu Oxidation und Reduktion Kap. 2.7.2).

Merke

Zitratzyklus

Der Zitratzyklus hat jedoch nicht nur Bedeutung für den Glukoseabbau. Vielmehr münden zahlreiche katabole Stoffwechselwege indirekt oder direkt in den Zitratzyklus. Gleichzeitig liefert der Zitratzyklus Ausgangstoffe für viele anabole Stoffwechselreaktionen. Er wird also mit Fug und Recht als „Drehscheibe“ des Stoffwechsels bezeichnet.
  • 4.

    Atmungskette:Atmungskette In den oben beschriebenen Phasen des Glukoseabbaus werden durch Reduktionsreaktionen Elektronen an die Coenzyme gebunden. Die Atmungskette (ElektronentransportketteElektronentransportkette) führt nun diese Elektronen dem Sauerstoff zu. Dabei entstehen Wasser und eine große Menge von Energie, die zur Regeneration von ATP verwendet wird.

Die „Regeneration des ATP“ besteht darin, dass ADP mit einem Phosphat verbunden, d. h. phosphoryliert wird. Atmungskette und Phosphorylierung von ATP sind also unmittelbar verknüpft, weswegen auch von oxidativer Phosphorylierung, oxidativePhosphorylierung gesprochen wird.
Im Verlauf der Atmungskette werden die Elektronen von NADH und FADH2 übrigens nicht auf einen Schlag auf den Sauerstoff übertragen, sondern von den beteiligten Enzymen und Coenzymen schrittweise „weitergereicht“. Entsprechend entstehen schrittweise die 32 ATP-Moleküle.
Alle vier Phasen der Energiegewinnung aus Glukose, nämlich Glykolyse, Überführung von Pyruvat in Acetyl-CoA, Zitratzyklus und Atmungskette, sind in Abb. 2.9 noch einmal zusammenfassend dargestellt.
Glykogen
Ist der menschliche Organismus ausreichend mit Glukose versorgt, kann er sie in die Speicherform Glykogen überführen. Menschliches Glykogen und pflanzliche Stärke sind ganz ähnlich aufgebaut und bestehen ausschließlich aus aneinandergeketteten Glukosemolekülen.Glykogen
Glykogen wird vorwiegend in der Leber und der Skelettmuskulatur gespeichert. Insgesamt kann der Erwachsene etwa 400 g Glykogen (entsprechend ca. 2 000 kcal) speichern, davon etwa 150 g in der Leber und 250 g in der Muskulatur. Werden trotzdem weitere Kohlenhydrate aufgenommen (z. B. durch ständigen Verzehr von Süßigkeiten), so wird diese überschüssige Glukose in Fett umgewandelt und im Leber- und Fettgewebe gespeichert. Der entsprechende Mensch wird also dick und die Leber verfettet.
Ganzheitsmedizin: Der Marathonläufer
Dem Sportler dienen die durch Glykogen eingelagerten Kohlenhydrate als Hauptenergiequelle für seine Leistungen. Durch Ausdauertraining lassen sich die Glykogendepots im Muskel auf das Zwei- bis Dreifache steigern. Der Körper kann sich mithilfe dieses „Tricks“ entsprechend länger mit der hochwertigen Energie der Kohlenhydrate versorgen. Sind die Glykogenspeicher aufgebraucht, greift der Körper auf seine „eisernen Reserven“ zurück und beginnt mit dem Abbau von Fetten. Gut trainierte Marathonläufer merken den Unterschied, wenn sich ihr Stoffwechsel auf die Verbrennung von Fetten umstellt: Sie erreichen ihren sog. „toten Punkt“ – meist nach 35 km – und müssen plötzlich trotz gleich bleibenden Tempos ihre Atemtätigkeit steigern. Der Grund: Die Verbrennung von Fetten zur Energiegewinnung erfordert mehr Sauerstoff. Übrigens: Der Körper benötigt rund 48 Stunden, um die entleerten Glykogenspeicher wieder aufzufüllen. In den ersten zehn Stunden läuft dieser Vorgang besonders schnell ab; ein Sportler sollte deshalb schon bald nach einem Marathonlauf eine kohlenhydratreiche Mahlzeit zu sich zu nehmen.
Glukoneogenese
Gehirn und Erythrozyten können nur Glukose zur Energiegewinnung verwerten. Außerdem ist Glukose die einzige Substanz, die bei Sauerstoffmangel von der Skelettmuskulatur zur Energiegewinnung herangezogen werden kann. Die Glukoneogenese, d. h. die Neubildung von Glukose aus Nicht-Kohlenhydrat-Vorstufen (genauer: aus bestimmten Aminosäuren, Glyzerin oder Laktat), sichert ausreichende Glukosespiegel auch bei fehlender Nahrungszufuhr und leeren Glykogenspeichern.Glukoneogenese

Adenosintriphosphat (ATP)

Nukleotide sind nicht nur an der Erbsubstanz beteiligt, auch im Energiehaushalt stellen sie eine der Schlüsselsubstanzen dar: das ATP (Adenosintriphosphat, ATPAdenosintriphosphat).
Eine Zelle kann nur leben oder überleben, wenn genügend ATP in der Zelle vorhanden ist. Leben ist an die Anwesenheit von Energie und damit von ATP gebunden – es findet sich deshalb nicht nur in menschlichen Zellen, sondern in allen Organismen der Erde. Hauptaufgabe des ATP ist es, Energie zwischenzuspeichern und im Bedarfsfall wieder abzugeben; das ATP hat also gewissermaßen die Funktion eines „Akkus“ der Zelle. ATP besteht aus der stickstoffhaltigen Base Adenin, dem Zuckermolekül Ribose und drei Phosphatgruppen. Die Bindungen zwischen den Phosphatgruppen sind sehr energiereich: Wird die dritte Phosphatgruppe unter Verbrauch von Wasser (Hydrolyse) enzymatisch abgespalten, so wird Energie verfügbar, die von der Zelle für energieverbrauchende Vorgänge verwendet wird.
Anschließend muss das entstehende Adenosindiphosphat, ADPAdenosindiphosphat (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.

Schlüsselrolle von Enzymen und Coenzymen

Das Leben jeder einzelnen Zelle des menschlichen Körpers ist untrennbar mit unzähligen chemischen Reaktionen verbunden, die ständig in ihr ablaufen.
Dabei werden bei Reaktionanaboleanabolen Reaktionen (Kap. 2.3) kleinere Moleküle zu größeren Einheiten verbunden, indem neue Bindungen geknüpft werden. Solche Reaktionen sind üblicherweise an die Zufuhr von Energie gebunden, die vom „Zellakku“ ATP bereitgestellt wird. Im Gegensatz dazu werden bei katabolen Reaktionen Reaktionkatabolebestehende Bindungen gespalten, wobei Energie frei wird, die üblicherweise zur Regeneration des verbrauchten ATP verwendet wird. Der Wirkungsgrad dieser Energieumwandlung in ATP ist jedoch nicht 100-prozentig, sodass als Nebenprodukt zusätzlich Wärme anfällt.
Maßgeblichen Anteil besitzen anabole Reaktionen am Baustoffwechsel, da sie dem Aufbau neuer Strukturen dienen. Ihm steht der Betriebsstoffwechsel gegenüber, der vor allem über katabole Reaktionen bewerkstelligt wird.
Entscheidend für das Funktionieren des Stoffwechsels sind die organischen Kohlenstoffverbindungen, die jedoch nur sehr träge untereinander reagieren. Deshalb gibt es in jeder Zelle Instrumente, die praktisch jede chemische Reaktionskette beschleunigen, nämlich die erwähnten Enzyme (BiokatalysatorBiokatalysatoren).

Enzyme und Coenzyme

Chemisch gesehen gehören fast alle bisher bekannten Enzyme zu den Proteinen. Die Stoffe, die von einem Enzym umgesetzt werden, werden SubstratEnzymCoenzymSubstrate genannt. Im Verlauf der Enzymreaktion wird das Substrat chemisch verändert, indem entweder neue Bindungen geknüpft oder bestehende Bindungen gespalten werden. So entstehen ein bzw. mehrere ProduktProdukte.
Für die Wirksamkeit des Enzyms ist sein aktives aktives ZentrumZentrum verantwortlich. Dieses entsteht durch eine besondere Faltung der Polypeptidkette, aus der das Enzym aufgebaut ist. Hierdurch bildet sich an der Oberfläche des Enzyms eine Struktur, die genau mit dem Substrat zusammenpasst. So wie ein Schlüssel nur in ein ganz bestimmtes Schloss passt, so passt auch das Substrat nur in das entsprechende aktive Zentrum „seines“ Enzyms.
Damit Enzyme ihre Funktion ausüben können, sind die meisten von ihnen jedoch auf einen zusätzlichen „Helfer“ angewiesen, der Coenzym genannt wird. Dies ist deshalb erforderlich, weil das Enzym selbst an der chemischen Reaktion nicht teilnimmt, sondern nur 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 zur Verfügung stellt.
Coenzyme sind meist sehr kompliziert aufgebaute organische Moleküle und im Gegensatz zu den Enzymen grundsätzlich keine Proteine. Coenzyme leiten sich häufig von VitaminVitaminen ab.
Faktoren, die enzymatische Reaktionen beeinflussen
Viele Enzyme arbeiten nicht nur mit Coenzymen, sondern auch mit bestimmten Ionen wie Mg2+, Fe2+ oder Zn2+ – Magnesium, Eisen und Zink – zusammen. Fehlen die entsprechenden Ionen, so ist die Enzymfunktion gestört.
Des Weiteren spielt die Körpertemperatur für die Enzymfunktion eine große Rolle: Mit steigender Körpertemperatur steigt auch die Substratumsatzrate eines Enzyms steil an. Bei hohen Temperaturen, z. B. Fieber über 41 °C, wird das Enzym jedoch geschädigt und seine Eiweißstruktur bricht zusammen. Dann fällt die Umsatzrate fast bis auf Null ab.
Die Enzymfunktion ist ferner vom pH-Wert (Kap. 2.5.3) abhängig. Für die meisten intrazellulären Enzyme ist ein pH-Wert von 7,2 optimal. Extrazellulär arbeitende Enzyme, z. B. die eiweißspaltenden Pepsine des Magens, besitzen jedoch meist ein stark hiervon abweichendes pH-Optimum.

Oxidation und Reduktion

Die Funktionsweise von Enzymen und Coenzymen soll im Folgenden exemplarisch an zwei im Stoffwechsel besonders häufig vorkommenden Reaktionsformen erklärt werden,
  • der Oxidationsreaktion (kurz Oxidation) und der

  • Reduktionsreaktion (kurz Reduktion).

Von einer Oxidation Oxidationspricht man, wenn ein Molekül Elektronen abgibt. Meist erfolgt dies über die Abgabe von Wasserstoffatomen (also von jeweils einem Elektron und einem Proton).
Die Oxidation ist nur möglich, wenn die abgegebenen Elektronen von einem anderen Stoff – in einer praktisch umgekehrten Reaktion – wieder aufgenommen werden. Eine solche Elektronenaufnahme heißt Reduktion. ReduktionMeist geschieht die Reduktion über die Aufnahme von Wasserstoffatomen (also von jeweils einem Elektron und einem Proton).
Im Falle der oben beschriebenen Oxidationsreaktion findet gleichzeitig die Reduktion des beteiligten Coenzyms, des NAD+, nach folgender Gleichung statt:
NAD + + 2 H + + 2 Elektronen NADH + H +
NAD+ (Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid) ist ein kompliziert aufgebautes Coenzym und leitet sich von dem Vitamin Nikotinsäure ab. Es spielt im Stoffwechsel die bedeutendste Rolle als Überträger von Elektronen bzw. Wasserstoffatomen. Im Falle obiger Oxidationsreaktion (Laktat zu Pyruvat) wird das Coenzym von NAD+ zum NADH + H+ reduziert. Netto nimmt das NAD+ nicht beide abgegebenen Wasserstoffatome, sondern nur ein Proton und zwei Elektronen auf.
Unter geeigneten Voraussetzungen kann die Reaktion auch in entgegengesetzter Richtung verlaufen: Dann wird das Pyruvat reduziert, nimmt also Elektronen bzw. Wasserstoffatome auf, und das NADH wird oxidiert, gibt also zwei Elektronen und ein Proton ab. Immer dann, wenn eine Reaktion in beide Richtungen möglich ist, wird dies in der Reaktionsgleichung durch einen Doppelpfeil symbolisiert.
Egal in welche Richtung die Reaktion verläuft, sie ist in jedem Fall an ein spezifisches Enzym, im obigen Beispiel die LDH (Laktatdehydrogenase), gebunden. Ohne dieses Enzym verläuft die Reaktion zu langsam und es wird kein nennenswerter Substratumsatz erzielt. Die Bedeutung des Enzyms wird dadurch symbolisiert, dass dessen Name auf den Reaktionspfeil bzw. Doppelpfeil gestellt wird.

Wiederholungsfragen

  • 1.

    Nennen Sie die 4 chemischen Schlüsselelemente. (Kap. 2.1)

  • 2.

    Wie lautet die chemische Bezeichnung von Kalzium? (Kap. 2.1)

  • 3.

    Aus welchen zwei Teilen besteht ein Atomkern? (Kap. 2.2)

  • 4.

    Was versteht man unter einer katabolen Reaktion? (Kap. 2.3.2)

  • 5.

    Welche zwei Hauptklassen unterteilt man bei den chemischen Verbindungen? (Kap. 2.4)

  • 6.

    Nennen Sie verschiedene Funktionen von Wasser in unserem Organismus. (Kap. 2.5.1)

  • 7.

    Was versteht man unter einem pH-Wert und welcher Wert wird als normal bezeichnet? (Kap. 2.5.3)

  • 8.

    Was ist der Unterschied zwischen einer Alkalose und einer Azidose? (Kap. 2.5.4)

  • 9.

    In welcher Form speichert der Körper Glukose und wofür benötigt er sie? (Kap. 2.6.1)

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