21.3: Chemie der Zelle

Die Zelle besteht chemisch aus Wasser, organischen Molekülen und anorganischen Ionen.

Wasser

Die Polarität des Wassermoleküls und die daraus resultierende Wasserstoffbrückenbindung macht Wasser zu einem einzigartigen Stoff mit besonderen Eigenschaften, die eng mit den Prozessen des Lebens verbunden sind. Das Leben hat sich ursprünglich in einer wässrigen Umgebung entwickelt, und der größte Teil der zellulären Chemie und des Stoffwechsels eines Organismus findet im wässrigen Inhalt des Zytoplasmas der Zelle statt. Besondere Eigenschaften von Wasser sind seine hohe Wärmekapazität und Verdampfungswärme, seine Fähigkeit, polare Moleküle aufzulösen, seine kohäsiven und adhäsiven Eigenschaften und seine Dissoziation in Ionen, die zur Basis des pH-Werts führt. Das Verständnis dieser Eigenschaften des Wassers hilft, seine Bedeutung für die Erhaltung des Lebens zu verdeutlichen.

Eine der wichtigen Eigenschaften von Wasser ist, dass es ein polares Molekül ist: Der Wasserstoff und der Sauerstoff in den Wassermolekülen (H₂O) bilden polare kovalente Bindungen. Während es keine Nettoladung für ein Wassermolekül gibt, erzeugt die Polarität von Wasser eine leicht positive Ladung für Wasserstoff und eine leicht negative Ladung für Sauerstoff, was zu den Anziehungseigenschaften von Wasser beiträgt. Wasser erzeugt Ladungen, weil Sauerstoff elektronegativer ist als Wasserstoff, was es wahrscheinlicher macht, dass sich ein gemeinsames Elektron in der Nähe des Sauerstoffkerns befindet als der Wasserstoffkern, wodurch die partielle negative Ladung in der Nähe des Sauerstoffs erzeugt wird.

Aufgrund der Polarität des Wassers zieht jedes Wassermolekül aufgrund der entgegengesetzten Ladungen zwischen den Wassermolekülen andere Wassermoleküle an und bildet Wasserstoffbrückenbindungen. Wasser zieht auch andere polare Moleküle und Ionen an oder wird von ihnen angezogen. Eine polare Substanz, die leicht mit Wasser interagiert oder sich in Wasser auflöst, ist hydrophil. Im Gegensatz dazu interagieren unpolare Moleküle wie Öle und Fette nicht gut mit Wasser. Diese unpolaren Verbindungen sind hydrophob.

Organische Moleküle

Proteine, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren und Lipide sind die vier Hauptklassen biologischer Makromoleküle – große Moleküle, die für das Leben notwendig sind und aus kleineren organischen Molekülen aufgebaut sind. Makromoleküle bestehen aus einzelnen Einheiten, die Wissenschaftler Monomere nennen und die durch kovalente Bindungen zu größeren Polymeren verbunden sind. Das Polymer ist mehr als die Summe seiner Teile: Es erhält neue Eigenschaften und führt zu einem osmotischen Druck, der viel niedriger ist als der seiner Bestandteile. Dies ist ein wichtiger Vorteil bei der Aufrechterhaltung zellulärer osmotischer Bedingungen. Ein Monomer verbindet sich mit einem anderen Monomer unter Freisetzung von Wassermolekülen, was zur Bildung einer kovalenten Bindung führt. Wissenschaftler nennen das Dehydratisierungs- oder Kondensationsreaktionen. Wenn Polymere in kleinere Einheiten (Monomere) zerfallen, verwenden sie für jede Bindung, die durch diese Reaktionen gebrochen wird, ein Wassermolekül. Solche Reaktionen sind Hydrolysereaktionen. Dehydratisierungs- und Hydrolysereaktionen sind für alle Makromoleküle ähnlich, aber jede Monomer- und Polymerreaktion ist spezifisch für ihre Klasse. Dehydratisierungsreaktionen erfordern in der Regel eine Investition von Energie für die Bildung neuer Bindungen, während Hydrolysereaktionen in der Regel Energie freisetzen, indem Bindungen aufgebrochen werden.

Kohlenhydrate Kohlenhydrate sind eine Gruppe von Makromolekülen, die eine lebenswichtige Energiequelle für die Zelle darstellen und Pflanzenzellen, Pilze und alle Gliederfüßer, zu denen Hummer, Krabben, Garnelen, Insekten und Spinnen gehören, strukturell unterstützen. Kohlenhydrate können in Monosaccharide, Disaccharide und Polysaccharide eingeteilt werden. Die Glukosespeicherung in Form von Polymeren wie Stärke oder Glykogen macht es für den Stoffwechsel etwas weniger zugänglich; Dies verhindert jedoch, dass es aus der Zelle austritt oder einen hohen osmotischen Druck erzeugt, der dazu führen könnte, dass die Zelle übermäßiges Wasser aufnimmt.

Proteine Proteine sind eine Klasse von Makromolekülen, die eine Vielzahl von Funktionen für die Zelle erfüllen. Sie helfen beim Stoffwechsel, indem sie als Enzyme, Träger oder Hormone wirken und die Struktur unterstützen. Die Bausteine von Proteinen sind Aminosäuren.

Lipide Lipide sind eine Klasse von Makromolekülen, die von Natur aus unpolar und hydrophob sind. Zu den Haupttypen gehören Fette und Öle, Wachse, Phospholipide und Steroide. Fette sind eine gespeicherte Energieform und werden auch als Triacylglycerole oder Triglyceride bezeichnet. Cholesterin ist eine Art Steroid und ein wichtiger Bestandteil der Plasmamembran, wo es hilft, die flüssige Natur der Membran zu erhalten.

Nukleinsäuren Nukleinsäuren sind Moleküle, die aus Nukleotiden bestehen, die zelluläre Aktivitäten wie Zellteilung und Proteinsynthese steuern. Es gibt zwei Arten von Nukleinsäuren: DNA und RNA. Die DNA trägt den genetischen Bauplan der Zelle und gibt ihn von den Eltern an die Nachkommen weiter. RNA ist an der Proteinsynthese und deren Regulation beteiligt.

Anorganische Ionen

Anorganische Ionen machen weniger als 1 % der Zellmasse aus, sind aber entscheidend für die Zellfunktion. Zu denen, die in einer Zelle vorkommen, gehören Natrium, Kalium, Magnesium, Kalzium, Phosphat und Chlorid.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Biologie 2e, Einheit 1: Die Chemie des Lebens.