Michael Kühl

Grundlagen der allgemeinen Chemie

Lange Zeit war man der Ansicht, das es sich bei den Atomen (atomos gr. unteilbar) um die kleinsten unteilbaren Bausteine der Materie handelt. Heute wissen wir, das es wesentlich kleinere Teilchen gibt, aus denen die Atome aufgebaut sind. Zur Beschreibung dieses Teils des Mikrokosmos’ wurden im Laufe der Geschichte eine Vielzahl von Modellen entworfen, die es ermoglichten, experimentelle Beobachtungen hinreichend gut zu verstehen. Eine wesentliche Erkenntnis stellte dabei die Tatsache dar, das den Elementarteilchen, aus denen ein Atom aufgebaut ist, sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften zukommen. Dies bedeutet, das man zu ihrer Beschreibung sowohl Teilchen- als auch Wellenvorstellungen nutzen kann. In diesem Abschnitt werden die wesentlichen Grundlagen des Atombaus sowohl auf der Ebene des Teilchen- als auch des wellenmechanischen Modells erlautert. Da sich der Atombau der Elemente gleichzeitig im Periodensystem der Elemente (PSE) widerspiegelt, sollen diese Zusammenhange an gleicher Stelle dargestellt werden.

Purin- und Pyrimidinstoffwechsel

In vorangegangenen Kapiteln war des ofteren von Verbindungen die Rede, mit deren Struktur und Stoffwechsel wir uns nicht naher auseinandergesetzt haben. Gemeint sind Molekule wie ATP, NAD+, FADH oder auch S-Adenosylmethionin. Als gemeinsamer Bestandteil dieser Stoffe fallt ein stickstoffhaltiges Ringmolekul ins Auge. Es handelt sich dabei um Adenin das als Strukturderivat des Purins zu den Purinbasen gezahlt wird. Purin selbst kommt in der Natur nicht in freier Form vor, wahrend Adenin u. a. aus Teeblattern und Zuckerrubensaft isoliert werden kann. An die Seite des Adenins mus man noch das Guanin stellen, will man die biochemisch wichtigsten Purine aufzahlen. Guanin dessen Name sich auf seine Existenz in Vogelexkrementen (Guano) grundet, ist uns bereits bei der Besprechung des Citratzyklus’ in Form seines Nukleotids GTP begegnet. Bei Betrachtung der Nukleotide UTP oder CTP stost man auf eine weitere Gruppe aromatischer Molekule, zu deren Ringatomen neben Kohlenstoff ebenfalls der Stickstoff zahlt. Im Gegensatz zu den Purinen, deren molekulare Architektur im Grunde durch einen Sechs- und einen Funfring bestimmt wird, weisen sie lediglich einen heterozyklischen Sechsring auf. Der Begriff Heterozyklus (heteros gr. verschieden) hebt die Existenz von Nicht-Kohlenstoffatomen in aromatischen Ringsystemen hervor, wobei es sich hier ebenso wie bei den Purinen um Stickstoffatome handelt. Die monozyklischen Stickstoffringe, die z. B. Bestandteil des UTPs und CTPs sind, werden als Pyrimidine bezeichnet. Zu ihnen zahlen die Basen Uracil, Cytosin und Thymin, die sich unschwer von der Muttersubstanz Pyrimidin ableiten lassen.

Niere, Mineralstoffe und Spurenelemente

Die Mineralstoffe unterscheiden sich in einem Punkt deutlich von den Stoffklassen, die wir bisher besprochen haben (wie Proteine, Fette). Sie imponieren nicht als Makromolekule und sind nach Aufbau und Struktur eher dem Reich der Anorganischen Chemie zuzuordnen. Es handelt sich um Ionen, wobei Metalle das Kontingent der Kationen stellen, wahrend die Anionen auf die Salze verschiedener Sauren zuruckzufuhren sind (beispielsweise Hydrogencarbonat, Dihydrogenphosphat oder Chlorid). Die Mineralien unterliegen in der Regel auch nicht den umfangreichen enzymatischen Prozessen, wie wir es von den Biomolekulen her gewohnt sind. Zumeist bleiben sie chemisch unverandert (z. B. Na+, K+, C1−), auch wenn es davon Ausnahmen gibt (Carboanhydratase und das Hydrogencarbonat oder Fe2+ und die Ferrochelatase). Es ist daher besser, im Zusammenhang mit den Mineralien von einem Mineralhaushalt und nicht von einem Stoffwechsel zu sprechen.

Prinzipien der Signaltransduktion

Alle Zellen multizellularer Lebewesen tauschen wahrend der embryonalen Entwicklung, aber auch innerhalb des adulten Organismus standig Informationen aus. Durch diesen „Datenaustausch“ konnen Zellen das Verhalten andere Zellen beeinflusen und auf diese Weise den gesamten Organismus den physiologischen Rahmenbedingung anpassen. Welche Molekule ubernehmen diesen Informationsaustausch? Hier sind im wesentlichen drei Familien von Molekulen zu nennen: n n ndie Hormone n n ndie Neurotransmitter n n ndie Wachstumsfaktoren

Nukleinsäuren und Molekulare Genetik

In vorangegangenen Kapiteln war des ofteren von Verbindungen die Rede, mit deren Struktur und Stoffwechsel wir uns nicht naher auseinandergesetzt haben. Gemeint sind Molekule wie ATP, NAD+, FADH oder auch S-Adenosylmethionin. Als gemeinsamer Bestandteil dieser Stoffe fallt ein stickstoffhaltiges Ringmolekul ins Auge. Es handelt sich dabei um Adenin, das als Strukturderivat des Purins zu den Purinbasen gezahlt wird. Purin selbst kommt in der Natur nicht in freier Form vor, wahrend Adenin u. a. aus Teeblattern und Zuckerrubensaft isoliert werden kann. An die Seite des Adenins mus man noch das Guanin stellen, will man die biochemisch wichtigsten Purine aufzahlen. Guanin, dessen Name sich auf seine Existenz in Vogelexkrementen (Guano) grundet, ist uns bereits bei der Besprechung des Citratzyklus’ in Form seines Nukleotids GTP begegnet.

Enzyme und Coenzyme

Enzyme (zyme gr. Sauerteig; alter Begriff: Fermente) sind Biokatalysatoren. Ein Katalysator (katalysis gr. Auflosung) ist ein Stoff, dessen Anwesenheit die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhoht. Obwohl Katalysatoren wahrend der eigentlichen Reaktion durchaus chemisch verandert werden, gehen sie letztlich wieder unverandert aus der chemischen Reaktion hervor, d. h. sie werden nicht „verbraucht“. Nach Ablauf einer Katalyse konnen sie erneut in weitere eintreten und die nachste chemische Reaktion beschleunigen. Es ist wichtig zu betonen, das jeder Katalysator nur die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflust, nicht jedoch die Lage ihres Gleichgewichtes (siehe dazu Kapitel 1).

Nerv und Muskel

Ein unmittelbar erkennbarer Unterschied zwischen Nervensystem und hormonellem System liegt in der unterschiedlichen Art der Informationsubermittlung. Wahrend die Hormone von den zugehorigen endokrinen Drusen in das Blut abgegeben werden, der Korper sich also des Kreislaufs als Nachrichtenubertrager bedient, werden die Informationen im Nervensystem in Form schneller, elektrischer Impulse weitergeleitet. Nur an Ubergangen zwischen Nervenzellen werden chemische Botenstoffe, die sogenannten Neurotransmitter, fur die Weitergabe einer Nachricht herangezogen. Dies macht zugleich deutlich, warum das Hormon-gegenuber dem Nervensystem relativ trage ist. Die extrem hohe Komplexitat des Nervensystems (2 · 1010 menschliche Nervenzellen) steht bisher einem umfassenden Verstandnis neuronaler Vorgange und Schaltkreise entgegen. Wir wollen uns daher auf die einzelnen Bausteine des Ganzen und ihre Verknupfungsstellen, Nervenzellen und Synapsen, beschranken.

Immunologie — eine Einführung

Der menschliche Organismus befindet sich in einer standigen Auseinandersetzung mit Krankheitserregern seiner Umwelt. Immunis, ein lateinisches Wort, bedeutet „frei von“, und die Leistung des Immunsystems besteht darin, den eigenen Korper von Krankheitserregern frei zu halten. Dazu bedient sich das Abwehrsystem zweier, eng zusammenarbeitender funktioneller Unterbereiche. Hierbei handelt es sich zum einen um die unspezifische, zum anderen um die spezifische Abwehr. Richtet sich die unspezifische Abwehr ohne Rucksicht auf individuelle Unterschiede gegen alles Fremde, so ist die spezifische Abwehr sozusagen auf die individuellen Eigenschaften eines infektiosen Agens’ zugeschnitten. Je ein Beispiel moge dies erlautern: Die Haut als Bestandteil der unspezifischen Abwehr bildet fur eine Vielzahl von Erregern und Giften eine wirksame Barriere, ohne das dieses „Abwehrorgan“ zwischen den einzelnen Pathogenen zu unterscheiden vermag. Unterschiedslos prallen potentielle Eindringlinge an ihr ab, ohne das das Organ zu „individuellen“ Antworten in der Lage ware.

Citratzyklus und Atmungskette

Der Citratzyklus stellt eine zentrale Drehscheibe des Stoffwechsels dar. Hier treffen sich die Stoffwechselwege der Kohlenhydrate, Fette und Aminosauren wie in einem Kreisverkehr, von dem dann viele „Strasen des Stoffwechsels“ abzweigen. Seinen Namen erhielt der Zyklus, weil eines der teilnehmenden Molekule, das Citrat, sozusagen das Tor zu diesem biochemischen Kreisverkehr darstellt.

Aminosäuren, Peptide und Proteine

Chemisch betrachtet sind Aminosauren α-Aminocarbonsauren, also organische Sauren mit einer Carboxylgruppe -COOH, die zusatzlich noch uber eine Aminogruppe -NH2 verfugen. Der griechische Buchstabe α bezeichnet dasjenige C-Atom, an das die Sauregruppe -COOH gebunden ist. Anders als bei den uns bereits bekannten Carbonsauren finden wir an diesem α-C-Atom bei Aminosauren eine weitere funktionelle Gruppe, die Aminogruppe -NH2. Am α-C-Atom einer jeden Aminosaure sind also die beiden sie definierenden Gruppen gebunden, so das sich folgende allgemeine Formeldarstellung bei physiologischem pH-Wert ergibt.