Der chemische Aufbau einer Zelle
Lebendes Gewebe und ein Klumpen Erde enthalten dieselben Arten von Elementen (Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff …), aber lebendes Gewebe enthält viel mehr Kohlenstoff und Wasserstoff. Um die Kohlenstoffverbindungen zu finden, machen wir eine einfache Analyse:
- Zerreibe lebendes Gewebe mit Trichloressigsäure (Cl₃CCOOH) zu einem Brei.
- Filtere ihn durch ein Tuch oder Watte.
- Die Flüssigkeit, die durchläuft, ist der säurelösliche Anteil (Filtrat): kleine Moleküle wie Aminosäuren, Zucker, Nukleotide.
- Was zurückbleibt, ist der säureunlösliche Anteil (Rückstand): Proteine, Nukleinsäuren, Polysaccharide und Lipide.
Beim Verbrennen (Veraschen) des Gewebes verschwinden alle Kohlenstoffverbindungen; die Asche enthält anorganische Elemente (Ca, Mg) und Verbindungen wie Sulfat und Phosphat.
Mikromoleküle haben eine Molekülmasse von 18–800 Da und liegen im löslichen Anteil. Makromoleküle (Biomakromoleküle) haben mehr als 10 000 Da: Proteine, Nukleinsäuren und Polysaccharide. Lipide haben weniger als 800 Da, landen aber im unlöslichen Anteil, weil beim Zerreiben zerbrochene Membranen unlösliche Bläschen bilden.
Eine typische Zelle nach Gewicht: Wasser 70–90 %, Proteine 10–15 %, Nukleinsäuren 5–7 %, Kohlenhydrate 3 %, Lipide 2 %, Ionen 1 %.
Proteine: Ketten aus Aminosäuren
Eine Aminosäure hat ein zentrales Kohlenstoffatom (α-Kohlenstoff) mit vier Gruppen: Wasserstoff, eine Aminogruppe (–NH₂), eine Carboxylgruppe (–COOH) und einen veränderlichen Rest R. Der Rest R bestimmt die Aminosäure: R = H ist Glycin, R = CH₃ ist Alanin, R = CH₂OH ist Serin. Nach ihren Amino- und Carboxylgruppen sind sie sauer (Glutaminsäure), basisch (Lysin) oder neutral (Valin); manche sind aromatisch (Tyrosin, Phenylalanin, Tryptophan). In Lösung trägt die Aminosäure bei einem bestimmten pH-Wert sowohl + als auch – Ladungen: ein Zwitterion.
Aminosäuren verbinden sich durch Peptidbindungen (–CO–NH–) unter Abgabe von Wasser zu Polypeptiden. Ein Protein ist ein Heteropolymer aus bis zu 20 Arten von Aminosäuren. Essenzielle Aminosäuren müssen mit der Nahrung kommen; nicht essenzielle stellt der Körper selbst her.
Vier Strukturebenen
- Primärstruktur: die Reihenfolge der Aminosäuren, vom N-terminalen (ersten) bis zum C-terminalen (letzten) Ende.
- Sekundärstruktur: Teile der Kette winden sich zu einer rechtsgängigen Helix (oder bilden Faltblätter).
- Tertiärstruktur: Die Kette faltet sich wie ein Wollknäuel – die 3D-Form, die für die Arbeit nötig ist.
- Quartärstruktur: Zwei oder mehr Ketten fügen sich zusammen. Menschliches Hämoglobin = 2 α- + 2 β-Untereinheiten.
Aufgaben: Kollagen (häufigstes Protein bei Tieren) und RuBisCO (häufigstes Protein der Biosphäre); Trypsin (Enzym), Insulin (Hormon), Antikörper (Abwehr), GLUT-4 (bringt Glucose in die Zellen), Rezeptoren (nehmen Geruch, Geschmack und Hormone wahr).
Kohlenhydrate (Polysaccharide)
Zucker bestehen aus C, H und O. Glucose und Ribose sind Monosaccharide. Zwei davon verbinden sich durch eine glykosidische Bindung zu einem Disaccharid (Saccharose, Lactose, Maltose). Lange Ketten sind Polysaccharide; sie liegen im säureunlöslichen Anteil.
- Stärke – Nahrungsspeicher der Pflanzen; ihre Windungen (Helices) schließen Iod ein und färben sich blau.
- Cellulose – ein Homopolymer aus Glucose in pflanzlichen Zellwänden (Baumwolle, Papier); keine Helices, daher keine Blaufärbung mit Iod.
- Glykogen – Nahrungsspeicher der Tiere, stark verzweigt.
- Inulin – ein Polymer aus Fructose.
- Chitin – ein komplexes Polysaccharid aus Aminozuckern (wie Glucosamin) in den Außenskeletten von Insekten und in Pilzwänden.
In einer Polysaccharidkette ist das rechte Ende das reduzierende Ende und das linke Ende das nicht reduzierende Ende.
Lipide
Lipide lösen sich nicht in Wasser. Eine Fettsäure ist eine Carboxylgruppe, die an eine Kohlenstoffkette (Rest R) gebunden ist; Palmitinsäure hat 16 Kohlenstoffatome einschließlich des Carboxyl-Kohlenstoffs, Arachidonsäure 20. Ohne Doppelbindung ist sie gesättigt; mit einer oder mehreren ist sie ungesättigt. Glycerin (Trihydroxypropan) trägt bis zu drei Fettsäuren: Mono-, Di- und Triglyceride (Fette und Öle – Öle schmelzen bei niedrigerer Temperatur, z. B. Sesamöl). Phospholipide wie Lecithin haben eine Phosphatgruppe und bilden Zellmembranen. Nervengewebe enthält noch komplexere Lipide. Lipide sind streng genommen weder Makromoleküle noch Polymere.
Nukleinsäuren
Ein Nukleotid hat drei Teile: eine stickstoffhaltige Base, einen Pentose-Zucker und ein Phosphat. Nur Base + Zucker = Nukleosid (Adenosin, Guanosin, Thymidin, Uridin, Cytidin).
- Purine (zwei Ringe): Adenin, Guanin. Pyrimidine (ein Ring): Cytosin, Thymin, Uracil.
- DNA: Zucker Desoxyribose, Basen A, G, C, T; Doppelhelix – A paart sich mit T über 2 Wasserstoffbrücken, G mit C über 3.
- RNA: Zucker Ribose, Basen A, G, C, U; meist einzelsträngig.
In einer Nukleinsäure verbindet das Phosphat den 3′-Kohlenstoff eines Zuckers mit dem 5′-Kohlenstoff des nächsten: eine Phosphodiesterbindung. Das Watson-Crick-Modell (B-DNA): Die beiden Stränge laufen antiparallel, eine volle Windung hat 10 Basenpaare, der Abstand pro Basenpaar beträgt 0.34 nm, und eine Windung ist 3.4 nm lang.
Enzyme: Arten, Eigenschaften und Wirkung
Enzyme sind biologische Katalysatoren – fast alle sind Proteine; ein paar Nukleinsäuren wirken ebenfalls wie Enzyme und heißen Ribozyme. Sie beschleunigen Reaktionen und gehen unverändert daraus hervor.
Wie sie wirken
Jedes Enzym hat ein aktives Zentrum, eine Tasche, in die das Substrat passt. E + S → ES (Enzym-Substrat-Komplex) → EP → E + P. Um eine Reaktion zu starten, braucht man Energie – die Aktivierungsenergie. Das Enzym senkt sie, sodass die Reaktion viel schneller abläuft. Beispiel: Carboanhydrase lässt CO₂ + H₂O → H₂CO₃ etwa 10 Millionen Mal schneller ablaufen (etwa 600 000 Moleküle pro Sekunde statt etwa 200 pro Stunde).
Faktoren, die die Enzymaktivität beeinflussen
- Temperatur und pH-Wert: Jedes Enzym hat ein Optimum. Niedrige Temperatur hält es eine Zeit lang inaktiv; hohe Temperatur denaturiert es (zerstört die Form).
- Substratkonzentration: Die Geschwindigkeit steigt und flacht dann bei Vmax ab, wenn alle aktiven Zentren besetzt sind. Km = Substratkonzentration bei halber Vmax.
- Hemmstoffe: Ein kompetitiver Hemmstoff sieht dem Substrat ähnlich und blockiert das aktive Zentrum – z. B. blockiert Malonat die Succinat-Dehydrogenase. Solche Hemmstoffe nutzt man, um Bakterien zu bekämpfen.
Sechs Klassen
- Oxidoreduktasen/Dehydrogenasen – übertragen H oder Elektronen zwischen zwei Substraten.
- Transferasen – übertragen eine Gruppe (nicht H) zwischen Substraten.
- Hydrolasen – spalten Ester-, Ether-, Peptid-, glykosidische, C–C- oder P–N-Bindungen mithilfe von Wasser.
- Lyasen – entfernen Gruppen ohne Wasser und hinterlassen Doppelbindungen.
- Isomerasen – wandeln ein Isomer in ein anderes um.
- Ligasen – verbinden zwei Verbindungen (z. B. C–O-, C–S-, C–N-, P–O-Bindungen).
Kofaktoren
Der Proteinteil heißt Apoenzym. Viele brauchen einen Helfer, der kein Protein ist: eine prosthetische Gruppe (fest gebunden, z. B. Häm in Peroxidase und Katalase), ein Coenzym (locker gebunden, oft aus Vitaminen, z. B. enthalten NAD und NADP Niacin) oder ein Metallion (z. B. Zink für Carboxypeptidase). Entfernt man den Kofaktor, hört das Enzym auf zu arbeiten.
Probier es aus: ein Enzym bei der Arbeit
Kaue ein kleines Stück Brot oder gekochten Reis zwei Minuten lang, ohne zu schlucken – es beginnt süß zu schmecken, weil die Amylase im Speichel Stärke in Zucker spaltet. Teste nun die Wirkung von Hitze: Gib einen Tropfen Iod auf eine Scheibe rohe Kartoffel (blauschwarz = Stärke). Schneide dann eine rohe und eine gekochte Kartoffel auf und gib auf beide einen Tropfen Wasserstoffperoxid (aus der Apotheke) – die rohe schäumt, weil ihr Enzym Katalase arbeitet; die gekochte schäumt kaum, weil die Hitze das Enzym denaturiert hat. Vergleiche das mit Schritt 6 der 3D-Ansicht.
Wichtige Formeln und Definitionen
- Säurelöslicher Anteil: Mikromoleküle (18–800 Da); säureunlöslicher Anteil: Proteine, Nukleinsäuren, Polysaccharide (> 10 000 Da) + Lipide
- Aminosäure: α-Kohlenstoff + H + –NH₂ + –COOH + Rest R
- Peptidbindung: –CO–NH–; glykosidische Bindung (Zucker); Esterbindung (Fette); Phosphodiesterbindung (Nukleinsäuren)
- Proteinstruktur: primär → sekundär → tertiär → quartär
- Nukleotid = Base + Pentose-Zucker + Phosphat; Nukleosid = Base + Zucker
- E + S ⇌ ES → EP → E + P
- Enzymklassen: Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, Lyasen, Isomerasen, Ligasen
- Holoenzym = Apoenzym + Kofaktor (prosthetische Gruppe / Coenzym / Metallion)
Gelöste Beispiele
1. Lebergewebe wird in Trichloressigsäure zerrieben und gefiltert. In welchem Anteil findest du (a) Glucose, (b) DNA, (c) Phospholipide?
(a) Glucose ist klein → Filtrat (säurelöslicher Anteil). (b) DNA ist ein Makromolekül → Rückstand (säureunlöslich). (c) Phospholipide sind klein, aber zerbrochene Membranen bilden Bläschen, daher bleiben auch sie im säureunlöslichen Anteil.
2. Ein DNA-Abschnitt hat 20 Basenpaare. Wie viele volle Windungen der Doppelhelix sind das, und wie lang ist er?
Eine Windung = 10 bp, also 20 ÷ 10 = 2 Windungen. Länge = 20 × 0.34 nm = 6.8 nm.
3. Ein DNA-Molekül hat 30 % Adenin. Berechne den Anteil an Guanin.
A = T, also T = 30 %. A + T = 60 %, also G + C = 40 %. G = C, also G = 20 %.
4. Nenne die Ebene der Proteinstruktur: (a) die Reihenfolge der Aminosäuren, (b) die 4 Ketten im Hämoglobin, (c) die Helix.
(a) Primärstruktur, (b) Quartärstruktur, (c) Sekundärstruktur.
5. Ein Enzym verbindet zwei DNA-Stücke durch eine P–O-Bindung. Zu welcher Klasse gehört es?
Es verbindet zwei Moleküle durch eine neue Bindung → Ligase (DNA-Ligase).
6. Ein Enzym hat Vmax = 100 Einheiten. Bei welcher Geschwindigkeit ist die Substratkonzentration gleich Km?
Km ist die Substratkonzentration, bei der die Geschwindigkeit halb so groß wie Vmax ist: 100 ÷ 2 = 50 Einheiten.
Häufige Fehler
- Lipide für Makromoleküle halten. Sie haben weniger als 800 Da; sie landen nur im säureunlöslichen Anteil, weil Membranen Bläschen bilden.
- Glauben, dass niedrige Temperatur Enzyme denaturiert. Kälte macht sie nur eine Zeit lang inaktiv; hohe Temperatur zerstört die Form.
- Nukleosid und Nukleotid verwechseln: Ein Nukleosid hat kein Phosphat; Nukleotid = Nukleosid + Phosphat.
- Sagen, Cellulose färbe sich mit Iod blau. Nur Stärke tut das, weil ihre Helices Iod einschließen; Cellulose hat keine Helices.