Biochemie

Biochemie – Grundlagen

Biomoleküle bilden die Grundlage der Biochemie. Das sind chemische Verbindungen, die in Organismen vorkommen. Sie bestehen überwiegend aus:

• Kohlenstoff (C) und
• Wasserstoff (H),

die mit den folgenden Elementen verbunden sind:

• Sauerstoff (O),
• Stickstoff (N),
• Schwefel (S) oder
• Phosphor (P).

Die vier größten Gruppen der Biomoleküle sind die Kohlenhydrate, Proteine, Lipide und Nukleinsäuren.

Kohlenhydrate aus Sicht der Biochemie

Monosaccharide bestehen dabei aus einem einzelnen Zuckermolekül, Disaccharide aus zwei Zuckermolekülen, während Polysaccharide aus Ketten von Zuckermolekülen aufgebaut sind. Verknüpft sind die einzelnen Zuckermoleküle der Disaccharide, sowie der Polysaccharide durch eine glykosidische Bindung.

Kohlenhydrate dienen Organismen sowohl als Energielieferanten als auch zur Energiespeicherung. Außerdem sind Monosaccharide unter anderem wichtige Bausteine für weitere Moleküle, etwa der DNA.

Proteine - Die Bausteine des Lebens

Sie erfüllen im Organismus unterschiedliche Aufgaben. So bestehen die meisten Enzyme und Giftstoffe von Tieren aus Proteinen. Zudem spielen Proteine eine Rolle bei der Immunabwehr.

Aminosäuren

Aminosäuren sind organische Verbindungen (beinhalten also Kohlenwasserstoffketten), die sowohl eine Carboxyl- (-COOH) als auch eine Aminogruppe (-NH₂) besitzen. Dabei gibt es 20 verschiedene Aminosäuren, aus denen Proteine aufgebaut sein können. Man nennt diese daher auch proteinogene Aminosäuren.

Zwei Aminosäuren sind in Proteinen über eine sogenannte Peptidbindung verknüpft. Bei dieser reagiert die Carboxylgruppe einer Aminosäure mit der Aminogruppe der anderen Aminosäure. Dabei wird ein Wassermolekül abgespalten, weshalb auch von einer Kondensationsreaktion die Rede ist. Proteine bestehen aus mindestens 100, bis hin zu mehreren 1000 Aminosäuren.

Lipide aus Sicht der Biochemie

Lipide werden umgangssprachlich auch oft als Fette bezeichnet, wobei Fette nur eine spezielle Gruppe der Lipide darstellen. In Organismen sind Lipide:

• wichtiger Bestandteil von Zellmembranen,
• Energiespeicher,
• und Signalmoleküle.

Fette

Fette sind Moleküle, die aus einem Glycerin-Molekül bestehen, an dem drei Fettsäuren binden. Die Fettsäuren sind über Esterbindungen an das Alkohol-Molekül geknüpft. Fettsäuren sind lange Kohlenwasserstoffketten, an deren Ende eine Carboxylgruppe (-COOH) hängt. Sie können sowohl gesättigt sein, also keine CC-Doppelbindungen besitzen, als auch ungesättigt, also mindestens eine CC-Doppelbindung haben.

Nukleinsäuren - biochemische Informationsträger

Nukleinsäuren sind ebenfalls Makromoleküle und bilden die letzte große Gruppe der Biomoleküle.

Verschiedene Nukleotide sind über Bindungen zwischen der Phosphatgruppe des einen und dem Zuckermolekül des anderen Moleküls verknüpft.

Nukleinsäuren dienen dem Organismus als:

• Informationsspeicher,
• Signalüberträger und
• Biokatalysatoren.

Biochemie – Beispiele von Biomolekülen

Nachdem Du nun die vier großen Gruppen der Biomoleküle kennengelernt hast, folgend zwei sehr bekannte Beispiele von Biomolekülen, die für Menschen lebensnotwendig sind:

• das Hämoglobin und
• die DNA.

Hämoglobin - der rote Blutfarbstoff

Das Hämoglobin ist ein Bestandteil der roten Blutkörperchen von Wirbeltieren und sorgt unter anderem für die rote Farbe des Blutes. Es ist aus vier Einheiten aufgebaut. Eine Einheit besteht dabei aus einer Polypeptidkette, auch Globulin genannt, und einer eisenhaltigen Gruppe, die als Häm bezeichnet wird.

Durch eine Bindung an das Eisen-Ion des Häms, sowie eine Wasserstoffbrücke zwischen dem Sauerstoffmolekül und dem Histidin-Rest des Globulins, kann das Hämoglobin Sauerstoff binden und über den Blutkreislauf ins Gewebe Deines Körpers transportieren. Da ein Hämoglobin-Molekül vier Häm-Gruppen besitzt, kann es auch gleichzeitig vier Sauerstoffmoleküle binden.

DNA - der Träger der Erbinformationen

Ein weiteres sehr bekanntes Biomolekül ist die DNA. Wusstest Du, dass die DNA (deoxyribonucleic acid) im Deutschen eigentlich DNS (Desoxyribonukleinsäure) heißt? Trotzdem wird auch im Deutschen häufig der englische Ausdruck verwendet.

Die DNA wird auch als Doppelhelix bezeichnet, da sie aus zwei Strängen besteht, die gegenläufig zueinander angeordnet und verdrillt sind. Dabei sind die beiden gegenüberliegenden Basen über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verknüpft.

Biochemie – Stoffwechselprozesse

Wie schon erwähnt beschäftigt sich die Biochemie neben dem Aufbau von Biomolekülen und Lebewesen auch mit Stoffwechselprozessen. Als Stoffwechselprozesse werden chemische Reaktionen in Organismen bezeichnet, die Stoffe umwandeln. Stoffwechselprozesse sind neben der Energiegewinnung auch für das Bilden von Bestandteilen eines Lebewesens zuständig.

Citratzyklus

Der Citratzyklus, auch Zitronensäurezyklus genannt, ist ein Zyklus, der aus acht biochemischen Reaktionen besteht. Dabei wird jede Reaktion durch ein Enzym katalysiert. Durch den Citratzyklus wird Energie in Form von GTP (Guanosintriphosphat) erzeugt. Zudem werden Stoffe wie Kohlenhydrate, Fette und Proteine abgebaut. Der Citratzyklus findet unter aeroben Bedingungen, also in einer sauerstoffreichen Umgebung, statt.

Der Citratzyklus hat eine große Bedeutung für Lebewesen, da er wichtige Elektronen liefert, die für deren Zellatmung (Energiegewinnung in Form von ATP) benötigt werden. Die Energiegewinnung durch die Zellatmung ist für Organismen überlebensnotwendig.

Milchsäuregärung

Auch die Milchsäuregärung dient dem Organismus zur Gewinnung von Energie. Während der Citratzyklus unter aeroben Bedingungen stattfindet, läuft die Milchsäuregärung ohne Sauerstoff (anaerob) ab.

Ein Glucose-Molekül wird bei der Milchsäure zu zwei Pyruvat-Molekülen (Benzentraubensäure) umgewandelt, die wiederum zu zwei Lactat-Molekülen reagieren. Zusätzlich entstehen zwei ATP-Moleküle (Adenosintriphosphat), die Lebewesen als Energielieferanten dienen. Die Gesamtgleichung der Milchsäuregärung lautet somit:

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6+2\mathrm{ADP}+2\mathrm{Phosphat}\to 2{\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6{\mathrm{O}}_3+2\mathrm{ATP}$

Photosynthese

Die Photosynthese ist, wie Du sicherlich weißt, für die Energiegewinnung von Pflanzen verantwortlich. Dabei wird aus Wasser (H₂O) und Kohlenstoffdioxid (CO₂) unter Einfluss von Lichtenergie (Sonnenlicht) Glucose (C₆H₁₂O₆) und Sauerstoff (O₂) gebildet. Die entstandene Glucose dient den Pflanzen als Energieträger, während der Sauerstoff ein "Abfallprodukt" ist.

${\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\stackrel{\mathrm{Sonnenlicht}}{\to }{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6$