Dein Körper besteht hauptsächlich aus Wasser, Eiweißen, Fetten und Mineralstoffen. Doch hast Du Dich schon einmal gefragt, woraus diese Substanzen bestehen? Wie alles, das Du kennst, bestehen auch Wasser, Eiweiße, Fette und Mineralstoffe auf kleinster Ebene betrachtet aus einer Vielzahl von Atomen. Ein Teilgebiet der Chemie, die sogenannte Biochemie, befasst sich unter anderem mit dem Aufbau von Biomolekülen, wie Proteinen (= Eiweiße) und Lipiden (= Fette).
Biochemie – Definition
Früher wurde die Biochemie auch als physiologische Chemie bezeichnet. Dieser Begriff stammt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie "die Chemie des Lebens".
Die Biochemie beschäftigt sich mit biochemischen Prozessen in Lebewesen, auf molekularer Ebene. Dabei überschneiden sich Gebiete der Chemie, der Biologie und der Medizin.
Die Biochemie spielt in der modernen Chemie eine große Rolle. Themen der Biochemie sind unter anderem:
- der molekulare Aufbau von Biomolekülen und Lebewesen,
- der Stoffwechsel und die damit verbundenen biochemischen Reaktionen.
Biochemie – Grundlagen
Biomoleküle bilden die Grundlage der Biochemie. Das sind chemische Verbindungen, die in Organismen vorkommen. Sie bestehen überwiegend aus:
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
Kohlenhydrate, auch Saccharide genannt, bestehen aus Zuckermolekülen. Je nachdem, aus wie vielen Zuckermolekülen ein Kohlenhydrat aufgebaut ist, unterscheidest Du zwischen Mono-, Di- und Polysacchariden.
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.
Bei glykosidischen Bindungen reagiert die OH-Gruppe des anomeren Kohlenstoffatoms eines Kohlenhydrats mit einer chemischen Gruppe eines weiteren Moleküls unter Abspaltung eines Wassermoleküls. Dies kann sowohl eine weitere OH-Gruppe, als auch eine Aminogruppe sein.
Als anomeres Kohlenstoffatom wird das Kohlenstoffatom eines Zuckers bezeichnet, das durch die Kreisbildung des Zuckers zum Stereozentrum wird. Durch die glykosidische Bindung können etwa zwei Zuckermoleküle miteinander verknüpft werden, aber auch ein Zuckermolekül mit einer Base oder einer Aminosäure.
Kohlenhydrate dienen Organismen sowohl als Energielieferanten als auch zur Energiespeicherung. Außerdem sind Monosaccharide unter anderem wichtige Bausteine für weitere Moleküle, etwa der DNA.
Inwiefern Kohlenhydrate als Energielieferanten für Organismen dienen, erfährst Du später in dieser Erklärung im Abschnitt über den Citratzyklus. Möchtest Du zudem noch mehr über Saccharide, ihren Nachweis und die Isomerie von Sacchariden lernen, dann schaue Dir unbedingt den passenden Artikel zum Thema an.
Proteine - Die Bausteine des Lebens
Die zweite große Gruppe der Biomoleküle sind die Proteine. Proteine sind Makromoleküle, die aus Aminosäureketten aufgebaut sind. Umgangssprachlich werden Proteine auch als Eiweiße bezeichnet.
Makromoleküle sind riesige Moleküle, die aus vielen Einheiten aufgebaut sind. Zu den Makromolekülen gehören unter anderem Biomoleküle wie die Proteine, Nukleinsäuren, oder Kohlenhydrate, aber auch Kunststoffe.
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.
Enzyme sind in der Regel Proteine, die chemische Reaktionen in Organismen katalysieren. Daher werden Enzyme auch als Biokatalysatoren bezeichnet. Sie steuern die meisten biochemischen Reaktionen in Organismen und haben somit eine wichtige Stellung in der Biochemie.
Enzyme setzen die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion herab, wodurch diese beschleunigt wird. Je niedriger die Aktivierungsenergie einer Reaktion ist, desto wahrscheinlicher ist sie. Diese erhöhte Wahrscheinlichkeit führt wiederum dazu, dass sie insgesamt schneller abläuft.
In der Erklärung zum Thema Enzyme kannst Du mehr über die Funktionsweise und den Aufbau von Enzymen lernen.
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.
Die Proteine, die Dein Körper bildet, bestehen sogar aus 21 proteinogenen Aminosäuren. Neben den üblichen 20 besitzen Menschen nämlich eine weitere proteinogene Aminosäure: Selenocystein.
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
Unter Lipiden versteht man Naturstoffe, die sich schlecht oder gar nicht in Wasser oder anderen polaren Lösungsmitteln lösen lassen. Dafür lösen sich Lipide gut in lipophilen (= fettliebenden) Lösungsmitteln.
Unter der Polarität von Verbindungen versteht man eine Ladungsverschiebung innerhalb eines Moleküls. Somit sind polare Stoffe Moleküle, die eine permanente Ladungsverschiebung innerhalb des Moleküls besitzen. Unpolare Stoffe dagegen besitzen keine permanente Ladungsverschiebung innerhalb des Moleküls. Polare Stoffe lassen sich gut in polaren Lösungsmitteln lösen, während unpolare Stoffe gut in unpolaren Lösungsmitteln löslich sind.
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.
Bei der Veresterung reagiert die OH-Gruppe eines Alkohols mit der Carboxylgruppe (-COOH-Gruppe) einer Carbonsäure unter Abspaltung eines Wassermoleküls.
Wenn Du mehr über Lipide oder Fette lernen willst, findest Du ausführlichere Erläuterungen in den dazugehörigen Erklärungen.
Nukleinsäuren - biochemische Informationsträger
Nukleinsäuren sind ebenfalls Makromoleküle und bilden die letzte große Gruppe der Biomoleküle.
Nukleinsäuren bestehen auf molekularer Ebene aus vielen Nukleotiden, die miteinander verknüpft sind. Ein Nukleotid besteht dabei immer aus drei Bausteinen:
- einer Phosphatgruppe,
- einem Zucker und
- einer Nukleinbase.
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.
Hämoglobin kann nicht nur Sauerstoff in Deine Zellen transportieren, sondern auch Kohlenstoffdioxid aus den Zellen aufnehmen und zur Lunge zurückbringen. Dort kann dieser abgegeben und ausgeatmet werden.
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 enthält die Erbinformationen von Lebewesen und ist der bekannteste Vertreter der Nukleinsäuren. DNA-Nukleotide sind aus dem Einfachzucker Desoxyribose, einer Phosphatgruppe und einer der vier verschiedenen DNA-Basen Adenin, Thymin, Guanin oder Cytosin aufgebaut.
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.
Weitere Informationen zum Thema DNA findest Du in der dazugehörigen Erklärung.
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:
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.
Wenn Du mehr über den Ablauf der drei Stoffwechselprozesse erfahren möchtest, dann schaue Dir auf jeden Fall die ausführlichen Erklärungen zum Citratzyklus, zur Milchsäuregärung und zur Photosynthese an.
Biochemie – Das Wichtigste
- Die Biochemie ist ein Teilgebiet der Chemie und beschäftigt sich mit den biochemischen Prozessen in Lebewesen, auf molekularer Ebene.
- So untersucht sie unter anderem den molekularen Aufbau von Biomolekülen und Lebewesen, sowie den Stoffwechsel und die damit verbundenen biochemischen Reaktionen.
- Biomoleküle sind chemische Verbindungen, die in Organismen vorkommen. Die vier größten Gruppen der Biomoleküle sind die Kohlenhydrate, Proteine, Lipide und Nukleinsäuren.
- Zu den biochemischen Stoffwechselprozessen gehören unter anderem der Citratzyklus, die Milchsäuregärung und die Photosynthese.
Nachweise
- Chemie.de: Biochemie. (25.07.2022)
- biorama.s3-website-eu-west-1.amazonaws.com: Biochemische Grundlagen. (25.07.2022)
- Chemie.de: Biomolekül. (25.07.2022)
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