Biochemie (CHE-Bio) — Chemie · Matura-Zusammenfassung

Kohlenhydrate: Mono-, Di- und Polysaccharide#

~4 Min LesezeitStandardCHE-Bio-9.1

Kohlenhydrate sind die häufigsten Biomoleküle der Erde - von Traubenzucker über Stärke bis zur Cellulose im Holz. Ihr Name stammt von der Summenformel

\ce{(CH2O)_{n}}

, die wie „Kohlenstoff plus Wasser" aussieht. Sie dienen als schnell verfügbarer Energieträger, als Speicher und als Strukturmaterial der Zellen.

Die kleinsten Bausteine sind die Monosaccharide (Einfachzucker). Glucose (Traubenzucker) ist eine Aldohexose (

\ce{C6H12O6}

) und der zentrale Brennstoff der Zelle; Fructose (Fruchtzucker) ist eine Ketohexose mit gleicher Summenformel; die Pentosen Ribose und Desoxyribose bilden das Rückgrat von RNA und DNA.

In wässriger Lösung liegen die Hexosen nicht als offene Kette vor, sondern überwiegend als Ring (zyklisches Halbacetal): Eine OH-Gruppe greift die Carbonylgruppe an. Dabei entsteht am neuen, anomeren C-Atom entweder die alpha-Form (OH nach unten) oder die beta-Form (OH nach oben); beide gehen in Lösung über die Mutarotation ineinander über. Dieser kleine Unterschied wird gleich entscheidend.

Zwei Monosaccharide verbinden sich unter Wasserabspaltung über eine glykosidische Bindung zu einem Disaccharid. Saccharose (Haushaltszucker) besteht aus Glucose und Fructose und ist nicht reduzierend (keine freie Aldehydgruppe mehr); Maltose (Malzzucker) aus zwei Glucose-Einheiten, Lactose (Milchzucker) aus Glucose und Galactose.

Hunderte bis tausende Glucose-Einheiten ergeben Polysaccharide. Stärke (pflanzlicher Speicher) und Glykogen (tierischer Speicher in Leber und Muskel) sind alpha-1,4- bzw. alpha-1,6-verknüpft; Cellulose (Pflanzenstruktur) besteht dagegen aus beta-1,4-verknüpfter Glucose. Stärke und Cellulose haben damit dieselben Bausteine, aber eine andere Verknüpfung - mit großer Folge.

Genau diese Verknüpfung entscheidet über die Verdaulichkeit: Der Mensch besitzt Amylase für die alpha-Bindungen der Stärke, aber keine Cellulase für die beta-Bindungen - Cellulose bleibt unverdaulicher Ballaststoff. Reduzierende Zucker mit freier Aldehydgruppe (Glucose, Maltose) weist man mit der Fehling- oder Tollens-Probe nach; Saccharose reagiert nicht (siehe Thema „Nachweisreaktionen").

Vokabeln

→ Kartei

MonosaccharidEinfachzucker, der nicht weiter hydrolysierbar ist, etwa Glucose oder Fructose.
glycosidische BindungVerknüpfung zweier Zuckerbausteine unter Wasseraustritt; benannt nach den beteiligten C-Atomen.
AnomerDie beiden Ringformen, die sich nur in der Stellung der OH-Gruppe am ersten Kohlenstoffatom unterscheiden.
reduzierender ZuckerZucker mit freier Aldehyd- oder Ketogruppe; er gibt eine positive Fehling-Probe.
PolysaccharidVielfachzucker aus Hunderten bis Tausenden Monomeren, etwa Stärke, Glykogen oder Cellulose.
Haworth-SchreibweiseEbene Ringdarstellung eines Zuckers, in der die OH-Gruppen ober- oder unterhalb der Ringebene stehen.

Summenformel Glucose (und alle Hexosen)

\ce{C6H12O6}

Sechs Kohlenstoffatome, zwölf Wasserstoffatome, sechs Sauerstoffatome. Die Formel legt den Stoff NICHT fest: Fructose, Galactose und Mannose besitzen dieselbe Summenformel und unterscheiden sich nur in der räumlichen Anordnung der OH-Gruppen.

Bildung von Polysacchariden durch Kondensation

n\,\ce{C6H12O6 -> (C6H10O5)_n + n H2O}

$n$ ist die Zahl der verknüpften Zuckerbausteine. Je glycosidischer Bindung wird ein Wassermolekül abgespalten - deshalb trägt die Wiederholeinheit im Polymer nur noch $\ce{C6H10O5}$ statt $\ce{C6H12O6}$ .

Musterbeispiel

Reduzierende Zucker erkennen

Beurteile, ob (a) Glucose, (b) Saccharose und (c) Maltose reduzierende Zucker sind, und gib das Ergebnis der Fehling-Probe an.

Kriterium
Reduzierend ist ein Zucker, wenn ein freies (halbacetalisches) anomeres C-Atom vorliegt, das in der offenen Form eine reduzierende Aldehydgruppe trägt.
(a) Glucose
Freies anomeres C (Halbacetal) - reduzierend, Fehling positiv (ziegelrotes $\ce{Cu2O}$ ).
(b) Saccharose
Beide anomeren C-Atome sind in der glykosidischen Bindung verknüpft - keine freie Aldehydgruppe, nicht reduzierend, Fehling negativ (bleibt blau).
(c) Maltose
Nur ein anomeres C ist verknüpft, das andere bleibt frei - reduzierend, Fehling positiv.

Ergebnis: Glucose und Maltose sind reduzierend (Fehling positiv), Saccharose nicht. Entscheidend ist, ob ein freies anomeres C-Atom (Halbacetal) vorliegt - Querverweis: Thema „Aldehyde und Ketone".

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
Glucose ist die Energie-Währung der Zelle - aus ihr werden Stärke, Glykogen und Cellulose gebaut.
2
Alpha versus Beta: ein winziger Geometrieunterschied am anomeren C entscheidet, ob wir den Stoff verdauen können.
3
Reduzierender Zucker = freie CHO-Gruppe = Fehling positiv. Saccharose täuscht uns: keine freie Aldehydgruppe -> nicht reduzierend.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank6 Punkte

Aufgabenstellung

Erläutere, warum Menschen Stärke verdauen können, Cellulose dagegen nicht, obwohl beide aus Glucose-Einheiten bestehen.

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Typische Fehler

α- und β-Anomer werden verwechselt. Beim α-Anomer zeigt die OH-Gruppe am C1 in der Haworth-Schreibweise nach unten, beim β-Anomer nach oben.
Saccharose gilt als reduzierender Zucker. Beide anomeren Zentren sind in der glycosidischen Bindung gebunden - keine freie Carbonylgruppe, keine Fehling-Reaktion.
Stärke und Cellulose werden für chemisch verschiedene Stoffe gehalten. Beide bestehen aus Glucose; nur die Verknüpfung unterscheidet sich (α-1,4 gegen β-1,4).
Fructose gilt als nicht reduzierend, weil sie ein Keton ist. Im Alkalischen lagert sie sich zur Aldose um und reagiert mit Fehling dennoch positiv.
Die Summenformel $\ce{C6H12O6}$ wird als Beweis für Glucose genommen. Fructose, Galactose und Mannose haben dieselbe Formel und unterscheiden sich nur räumlich.

Aktive Wiederholung

Vergleiche Stärke und Cellulose hinsichtlich Aufbau, Eigenschaften und biologischer Funktion.

Passende Aufgaben üben50 Fragen zum Thema

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Quellen: OpenStax Chemistry 2e Kap. 20.5 Biological Macromolecules (OpenStax)

Lipide, Triglyceride, Phospholipide und Membranen#

~4 Min LesezeitStandardCHE-Bio-9.1

Lipide sind durch eine gemeinsame Eigenschaft definiert, nicht durch eine gemeinsame Struktur: Sie sind hydrophob, also wasserunlöslich und fettlöslich. Zu ihnen zählen Fette und Öle, Wachse, die Phospholipide der Membranen und die Steroide. Diese Wasserunlöslichkeit macht sie zu idealen Energiespeichern und Barrierebausteinen.

Die wichtigste Gruppe sind die Triglyceride - Triester aus Glycerin und drei Fettsäuren (). Sie sind die kompakteste Energiespeicherform des Körpers: Pro Gramm liefern Fette mehr als doppelt so viel Energie wie Kohlenhydrate, weil ihre Kohlenstoffatome stark reduziert (wasserstoffreich) vorliegen.

Seifenmolekül - Mizellenbildung

Abb. 1Hydrophiler Kopf (COO- Na+), hydrophober Schwanz; Mizellen schließen Fett im wassrigen Milieu ein.

Abb. 1 ↓

Fettsäuren sind langkettige Carbonsäuren; man unterscheidet gesättigte (nur Einfachbindungen, etwa Stearin- und Palmitinsäure) von ungesättigten (mit C=C-Doppelbindungen, einfach z. B. Ölsäure, mehrfach z. B. Linolsäure). Mehrfach ungesättigte Fettsäuren sind essenziell - der Körper kann sie nicht selbst herstellen.

Der Sättigungsgrad bestimmt den Aggregatzustand: Jede cis-Doppelbindung knickt die Fettsäurekette, sodass die Moleküle sich schlechter packen und die Van-der-Waals-Kräfte sinken. Deshalb sind gesättigte Fette (Butter, Talg) bei Raumtemperatur fest, ungesättigte Öle (Olivenöl) flüssig. Die Iodzahl misst die Zahl der Doppelbindungen.

Beim industriellen Härten (Hydrierung) flüssiger Öle entstehen als Nebenprodukt trans-Fettsäuren mit gestreckter Kette. Sie verhalten sich physiologisch wie gesättigte Fette und gelten als besonders ungünstig, weil sie das „schlechte" LDL-Cholesterin erhöhen und das „gute" HDL senken.

Ersetzt man im Triglycerid eine Fettsäure durch eine phosphathaltige, polare Gruppe, entsteht ein Phospholipid mit hydrophilem Kopf und zwei hydrophoben Schwänzen. In Wasser ordnen sich diese Moleküle von selbst zu einer Doppelschicht (Köpfe außen, Schwänze innen) - der Grundbaustein jeder Zellmembran (Fluid-Mosaic-Modell).

Eine eigene Lipidklasse sind die Steroide mit ihrem charakteristischen Vier-Ring-Gerüst. Cholesterin stabilisiert die Fließfähigkeit der Membran und ist Ausgangsstoff für Gallensäuren und die Steroidhormone (Testosteron, Östrogen, Cortisol). Es ist also keineswegs nur schädlich, sondern lebensnotwendig - schädlich wird erst ein Überschuss im Blut.

Vokabeln

→ Kartei

TriglyceridDreifachester aus Glycerin und drei Fettsäuren; der chemische Bauplan von Fetten und Ölen.
gesättigte FettsäureFettsäure ohne C=C-Doppelbindung; die gestreckte Kette packt dicht und ergibt höhere Schmelzpunkte.
IodzahlGramm Iod, die 100 g Fett addieren; Maß für den Gehalt an Doppelbindungen.
PhospholipidLipid mit polarem Phosphatkopf und zwei unpolaren Fettsäureschwänzen; Baustein der Membran.
LipiddoppelschichtZwei gegeneinander gerichtete Phospholipidlagen; Grundstruktur jeder Biomembran.
Flüssig-Mosaik-ModellModell der Membran als bewegliche Lipidschicht mit eingelagerten, seitlich verschiebbaren Proteinen.

Verseifung eines Triglycerids

\ce{C3H5(OOCR)3 + 3 NaOH -> C3H5(OH)3 + 3 R-COO^- Na+}

$\ce{C3H5(OOCR)3}$ ist das Triglycerid mit dem Glycerinrest und drei Fettsäureresten $\ce{R}$ . Die Lauge spaltet alle drei Esterbindungen; zurück bleiben Glycerin $\ce{C3H5(OH)3}$ und drei Fettsäuresalze - die Seife.

Musterbeispiel

Verseifungszahl als Maß für die mittlere Molmasse

Berechne, welche Masse an $\ce{KOH}$ nötig ist, um $100\,\text{g}$ eines Triglycerids mit der mittleren Molmasse $M = 850\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}}$ vollständig zu verseifen (Verseifungszahl = mg KOH pro g Fett).

Stoffmenge des Fettes
$n(\text{Fett}) = \dfrac{m}{M} = \dfrac{100\,\text{g}}{850\,\text{g/mol}} = 0{,}1176\,\text{mol}$ .
$n = \dfrac{m}{M}$
KOH-Bedarf aus der Stöchiometrie
Jedes Triglycerid trägt drei Esterbindungen, also $3$ mol $\ce{KOH}$ pro mol Fett: $n(\ce{KOH}) = 3 \cdot 0{,}1176 = 0{,}3529\,\text{mol}$ .
$\ce{C3H5(OOCR)3 + 3 KOH -> C3H5(OH)3 + 3 R-COOK}$
Masse KOH
$m(\ce{KOH}) = n \cdot M = 0{,}3529\,\text{mol} \cdot 56{,}1\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} = 19{,}8\,\text{g}$ .

Ergebnis: Es werden rund $19{,}8\,\text{g KOH}$ pro $100\,\text{g}$ Fett benötigt; das entspricht einer Verseifungszahl von etwa $198$ . Kleine Molmasse (kurze Fettsäuren) bedeutet hohe Verseifungszahl - der Kennwert erlaubt Rückschluss auf die mittlere Kettenlänge. Verknüpfung mit dem Thema "Stöchiometrie".

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
Lipide sind die "hydrophoben" Biomoleküle - Energiespeicher, Membranen, Hormone in einem.
2
Jeder cis-Doppelbindung in einer Fettsäure knickt die Kette und senkt den Schmelzpunkt.
3
Phospholipide bilden in Wasser automatisch Doppelschichten - die Basis aller Zellmembranen.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Vergleiche Butter und Olivenöl hinsichtlich Aufbau, physikalischen Eigenschaften und gesundheitlicher Bewertung.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Fette und Öle werden als verschiedene Stoffklassen geführt. Beide sind Triglyceride; sie unterscheiden sich nur im Sättigungsgrad der Fettsäuren.
Cholesterin wird pauschal als schädlich dargestellt, obwohl es lebensnotwendig ist; entscheidend ist die Verteilung auf die Transportlipoproteine.
Phospholipide werden mit Triglyceriden gleichgesetzt. Beim Phospholipid ist eine Fettsäure durch eine Phosphatgruppe ersetzt - erst das macht es amphiphil.
Die Membran gilt als starre Wand. Nach dem Flüssig-Mosaik-Modell sind Lipide und Proteine in der Schicht seitlich beweglich.
Die Iodzahl wird als Maß für die Kettenlänge gedeutet. Sie misst ausschließlich die Zahl der Doppelbindungen.

Aktive Wiederholung

Erläutere den Aufbau einer Phospholipid-Doppelschicht und ihre Bedeutung für Zellmembranen.

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Quellen: OpenStax Chemistry 2e Kap. 20.5 Lipids (OpenStax)

Proteine, Strukturen und Enzymkatalyse#

~4 Min LesezeitVertiefungCHE-Bio-9.1CHE-Bio-9.2

Proteine sind die Arbeitspferde der Zelle: Sie wirken als Enzyme, Transporter, Antikörper, Hormone und Strukturbausteine. Chemisch sind sie Polymere (Polypeptide) aus den 20 proteinogenen Aminosäuren, die über Peptidbindungen verknüpft sind (). Ihre Funktion folgt dabei direkt aus ihrer dreidimensionalen Gestalt.

Aminosäure - Grundgerüst und Zwitterion

Abb. 2Zentrales C-Atom mit Aminogruppe, Carboxylgruppe, H und Rest R; bei physiologischem pH als Zwitterion.

Abb. 2 ↓

Diese Gestalt baut sich in vier Ebenen auf: Die Primärstruktur ist die Reihenfolge der Aminosäuren (durch Peptidbindungen festgelegt). Die Sekundärstruktur (alpha-Helix, beta-Faltblatt) entsteht durch Wasserstoffbrücken im Rückgrat. Die Tertiärstruktur ist die gesamte 3D-Faltung einer Kette (über Disulfidbrücken, Salzbrücken, hydrophobe Wechselwirkungen), die Quartärstruktur die Zusammenlagerung mehrerer Ketten (etwa die vier Untereinheiten des Hämoglobins).

Wird diese Faltung durch Hitze, extreme pH-Werte, Schwermetalle oder Lösungsmittel zerstört, spricht man von Denaturierung: Das Protein verliert seine räumliche Struktur und damit seine Funktion, während die Primärstruktur (Sequenz) erhalten bleibt. Das gerinnende Eiklar beim Braten ist das Alltagsbeispiel - und der Grund, warum hohes Fieber lebensgefährlich ist.

Die wichtigsten Proteine sind die Enzyme - Biokatalysatoren, die Reaktionen um viele Größenordnungen beschleunigen, indem sie die Aktivierungsenergie senken. Sie sind hochspezifisch: Jedes Enzym katalysiert meist nur eine bestimmte Reaktion mit einem bestimmten Substrat und geht dabei unverändert hervor - es wird nicht verbraucht.

Diese Spezifität erklärt das Schlüssel-Schloss-Prinzip: Das Substrat passt genau in das aktive Zentrum des Enzyms. Im moderneren Induced-Fit-Modell ist das aktive Zentrum flexibel und schmiegt sich beim Binden an das Substrat an, was die Reaktion zusätzlich begünstigt. Anschließend werden die Produkte freigesetzt und das Enzym steht wieder bereit.

Die Enzymaktivität hängt stark von den Bedingungen ab: Sie hat ein Temperatur-Optimum (beim Menschen ca. 37 °C, darüber Denaturierung) und ein pH-Optimum (Pepsin im Magen bei pH 2, Trypsin im Darm bei pH 8). Mit steigender Substratkonzentration nähert sich die Geschwindigkeit dem Maximalwert

v_{\text{max}}

(Michaelis-Menten); Inhibitoren bremsen entweder kompetitiv (am aktiven Zentrum) oder nicht-kompetitiv (an anderer Stelle).

Vokabeln

→ Kartei

PrimärstrukturReihenfolge der Aminosäuren in der Polypeptidkette, verknüpft über Peptidbindungen.
SekundärstrukturRegelmäßige lokale Faltung (α-Helix, β-Faltblatt), stabilisiert durch Wasserstoffbrücken des Rückgrats.
TertiärstrukturRäumliche Gesamtgestalt einer Kette; getragen von Disulfidbrücken, Salzbrücken und dem hydrophoben Effekt.
DenaturierungVerlust der räumlichen Struktur durch Hitze, pH oder Schwermetalle; die Primärstruktur bleibt erhalten.
aktives ZentrumBereich des Enzyms, in dem das Substrat gebunden und umgesetzt wird.
Michaelis-KonstanteSubstratkonzentration bei halbmaximaler Geschwindigkeit; kleiner Wert bedeutet hohe Substrataffinität.

Michaelis-Menten-Gleichung

v = \dfrac{v_{\text{max}}[S]}{K_{M}+[S]}

$v$ ist die Reaktionsgeschwindigkeit, $v_{\text{max}}$ die Höchstgeschwindigkeit bei vollständig abgesättigtem Enzym, $[S]$ die Substratkonzentration in mol/L und $K_{M}$ die Michaelis-Konstante - jene Substratkonzentration, bei der $v=\tfrac{1}{2}v_{\text{max}}$ gilt. Ein kleiner $K_{M}$ bedeutet hohe Substrataffinität.

Lineweaver-Burk (doppelt-reziproke Linearisierung)

\dfrac{1}{v} = \dfrac{K_{M}}{v_{\text{max}}}\cdot\dfrac{1}{[S]} + \dfrac{1}{v_{\text{max}}}

Aufgetragen wird $1/v$ gegen $1/[S]$ ; die Gerade hat die Steigung $K_{M}/v_{\text{max}}$ und den Ordinatenabschnitt $1/v_{\text{max}}$ , die Abszisse wird bei $-1/K_{M}$ geschnitten. Die Linearisierung macht $K_{M}$ und $v_{\text{max}}$ grafisch ablesbar - sie gewichtet allerdings kleine Messwerte stark.

Musterbeispiel

Reaktionsgeschwindigkeit mit Michaelis-Menten berechnen

Ein Enzym hat $v_{\text{max}}=100\,\mu\text{mol}/(\text{L}\cdot\text{min})$ und $K_{M}=2{,}0\,\text{mmol/L}$ . Berechne $v$ bei einer Substratkonzentration von $[S]=6{,}0\,\text{mmol/L}$ und bei $[S]=K_{M}$ .

Einsetzen
$v=\dfrac{v_{\text{max}}[S]}{K_{M}+[S]}=\dfrac{100\cdot 6{,}0}{2{,}0+6{,}0}=\dfrac{600}{8{,}0}=75\,\mu\text{mol}/(\text{L}\cdot\text{min})$ .
Anteil von vmax
Das sind $75\,\%$ von $v_{\text{max}}$ - die Sättigung nähert sich, weil $[S]=3\,K_{M}$ .
Sonderfall [S]=KM
$v=\dfrac{v_{\text{max}}\,K_{M}}{K_{M}+K_{M}}=\dfrac{v_{\text{max}}}{2}=50\,\mu\text{mol}/(\text{L}\cdot\text{min})$ - genau die Definition von $K_{M}$ (halbmaximale Geschwindigkeit).

Ergebnis: Bei $[S]=6{,}0\,\text{mmol/L}$ ist $v=75\,\mu\text{mol}/(\text{L}\cdot\text{min})$ ; bei $[S]=K_{M}$ gerade $v_{\text{max}}/2$ . Ein kleiner $K_{M}$ bedeutet hohe Substrataffinität. Im Lineweaver-Burk-Diagramm liefert der $y$ -Achsenabschnitt $1/v_{\text{max}}$ , die Steigung $K_{M}/v_{\text{max}}$ - so lassen sich beide Konstanten aus einer Geraden ablesen.

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
Proteine sind die Arbeitsmaschinen der Zelle - Strukturproteine, Transporter, Enzyme, Antikörper.
2
Vier Strukturebenen: Sequenz, lokale Faltung, Globalstruktur, Untereinheiten.
3
Enzyme arbeiten wie hochspezialisierte Werkzeuge - jede Substratform passt nur in das eigene Schloss.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank6 Punkte

Aufgabenstellung

Erläutere am Beispiel Katalase die Wirkungsweise eines Enzyms. Welche Faktoren beeinflussen die Aktivität?

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Die Primärstruktur wird als räumliche Struktur missverstanden. Sie ist nur die Reihenfolge der Aminosäuren - allerdings jene, aus der sich alles Weitere ergibt.
Denaturierung wird mit Hydrolyse verwechselt. Beim Kochen eines Eis werden keine Peptidbindungen gespalten, nur die Faltung zerstört.
Enzyme gelten als verbraucht. Als Katalysatoren gehen sie unverändert aus der Reaktion hervor und arbeiten tausendfach weiter.
Die hyperbolische Michaelis-Menten-Kurve wird mit einer sigmoiden verwechselt. S-förmig verlaufen nur kooperative Enzyme wie das Hämoglobin.
Enzyme werden als Reaktionsauslöser beschrieben. Sie beschleunigen nur eine ohnehin freiwillige Reaktion - eine endergone Reaktion macht kein Enzym spontan.

Aktive Wiederholung

Erläutere die vier Strukturebenen eines Proteins am Beispiel Hämoglobin.

Passende Aufgaben üben50 Fragen zum Thema

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: OpenStax Chemistry 2e Kap. 20.5 Proteins and Enzymes (OpenStax)

Nukleinsäuren, DNA-Doppelhelix und genetische Information#

~4 Min LesezeitStandardCHE-Bio-9.3

Nukleinsäuren speichern und übertragen die Erbinformation - DNA als langfristiges Archiv, RNA als Arbeitskopie. Beide sind Polymere aus Nukleotiden, und jedes Nukleotid setzt sich aus drei Teilen zusammen: einer organischen Base, einem Zucker (Pentose) und einer Phosphatgruppe.

Der Zucker unterscheidet die beiden Typen: Desoxyribose in der DNA, Ribose in der RNA. Es gibt fünf Basen - die Purine Adenin (A) und Guanin (G) sowie die Pyrimidine Cytosin (C), Thymin (T, nur DNA) und Uracil (U, nur RNA). Über das Zucker-Phosphat-Rückgrat werden die Nukleotide zu langen Strängen verknüpft.

Die DNA besteht aus zwei solchen Strängen, die sich antiparallel zu einer Doppelhelix umeinander winden (Watson und Crick, 1953; ). Zusammengehalten werden sie durch Wasserstoffbrücken zwischen komplementären Basen: Adenin paart mit Thymin (zwei H-Brücken), Guanin mit Cytosin (drei H-Brücken). Diese feste Paarungsregel ist der Schlüssel zur Vervielfältigung.

DNA-Doppelhelix - Schema

Abb. 3Zwei antiparallele Zucker-Phosphat-Stränge mit Basenpaarungen A-T und G-C über Wasserstoffbrücken.

Abb. 3 ↓

Bei der Replikation werden die beiden Stränge getrennt, und jeder dient als Vorlage für einen neuen, komplementären Tochterstrang (DNA-Polymerase). Das Ergebnis ist semikonservativ: Jede Tochter-DNA enthält einen alten und einen neuen Strang. So wird die Erbinformation bei jeder Zellteilung exakt verdoppelt.

Die in der Basensequenz gespeicherte Information wird in zwei Schritten in Proteine übersetzt (Zentraldogma DNA → RNA → Protein): Bei der Transkription schreibt die RNA-Polymerase einen DNA-Abschnitt in mRNA um; bei der Translation liest das Ribosom die mRNA ab, und tRNA-Moleküle bringen die passenden Aminosäuren heran.

Den Bauplan liefert der genetische Code: Je drei aufeinanderfolgende Basen (ein Codon) codieren eine Aminosäure. Aus 4 Basen ergeben sich

4^{3}=64

Codons für nur 20 Aminosäuren - der Code ist also degeneriert (mehrere Codons je Aminosäure). Das Startcodon ist AUG, die drei Stoppcodons (UAA, UAG, UGA) beenden die Synthese.

Vokabeln

→ Kartei

NucleotidBaustein der Nukleinsäuren aus Zucker, Phosphatgruppe und organischer Base.
DoppelhelixZwei gegenläufig umeinander gewundene Nucleotidstränge, verbunden über Basenpaare.
komplementärZueinander passend: Adenin zu Thymin (bzw. Uracil), Guanin zu Cytosin.
semikonservativReplikationsmodus, bei dem jedes Tochtermolekül einen alten und einen neuen Strang enthält.
CodonDreiergruppe von Basen der mRNA, die eine Aminosäure oder ein Stoppsignal festlegt.
degenerierter CodeMehrere Codons codieren dieselbe Aminosäure; die Zuordnung Codon zu Aminosäure bleibt dennoch eindeutig.

Watson-Crick-Basenpaarung in DNA

\ce{A=T},\;\ce{G\equiv C}

Adenin paart mit Thymin über ZWEI Wasserstoffbrücken, Guanin mit Cytosin über DREI. Deshalb schmelzen GC-reiche Abschnitte erst bei höherer Temperatur. In der RNA tritt Uracil an die Stelle des Thymins.

Musterbeispiel

Komplementärstrang und mRNA bestimmen

Gegeben ist der DNA-Matrizenstrang $3'$ -TAC GTA CCG- $5'$ . Bestimme (a) den komplementären DNA-Strang und (b) die daraus transkribierte mRNA.

Basenpaarung anwenden
Es gilt A-T und G-C. Antiparallel zum Matrizenstrang $3'$ -TAC GTA CCG- $5'$ ergibt sich der komplementäre Strang.
(a) Komplementärer DNA-Strang
$5'$ -ATG CAT GGC- $3'$ (T→A, A→T, C→G, G→C ...).
(b) mRNA-Transkription
Die RNA-Polymerase liest die Matrize ab und setzt Uracil statt Thymin ein: mRNA $5'$ -AUG CAU GGC- $3'$ .
Codons deuten
AUG ist das Startcodon (Methionin), CAU codiert Histidin, GGC Glycin.

Ergebnis: (a) $5'$ -ATG CAT GGC- $3'$ ; (b) mRNA $5'$ -AUG CAU GGC- $3'$ codiert Met-His-Gly. Die komplementäre Basenpaarung ist die Grundlage von Replikation und Transkription.

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
DNA ist die Bibliothek des Lebens - in jedem Zellkern liegen über 2 Meter Doppelhelix.
DNA-Doppelhelix - Schema
Abb.Zwei antiparallele Zucker-Phosphat-Stränge mit Basenpaarungen A-T und G-C über Wasserstoffbrücken.
2
Vier Buchstaben A, T, G, C reichen, um die gesamte genetische Information aller Lebewesen zu kodieren.
3
Replikation, Transkription, Translation - die drei Worte beschreiben den gesamten Informationsfluss.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank6 Punkte

Aufgabenstellung

Beschreibe Aufbau und Replikation der DNA und erläutere, wie die genetische Information gespeichert und weitergegeben wird.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Thymin wird in die RNA gesetzt. Die RNA verwendet Uracil; Thymin kommt nur in der DNA vor.
Die Replikation wird auf beiden Strängen als diskontinuierlich beschrieben. Nur der Folgestrang entsteht in Okazaki-Fragmenten, der Leitstrang durchgehend.
Codons werden mit zwei oder vier Basen gezählt. Bei zwei Basen ergäben sich nur 16 Kombinationen - zu wenig für 20 Aminosäuren.
Die Basenpaarung wird als kovalente Bindung beschrieben. Es sind Wasserstoffbrücken - genau deshalb lassen sich die Stränge zur Ablesung trennen.
Degeneriert wird als „ungenau" verstanden. Der Code ist eindeutig in der Leserichtung Codon → Aminosäure; nur umgekehrt ist er mehrdeutig.

Aktive Wiederholung

Schreibe den DNA-Sense-Strang für das Peptid Met-Ala-Gly auf (Met = AUG, Ala = GCU, Gly = GGA).

Passende Aufgaben üben50 Fragen zum Thema

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: OpenStax Chemistry 2e Kap. 20.5 Nucleic Acids (OpenStax)

Metabolismus-Übersicht: Glykolyse, Citrat-Zyklus, Atmungskette#

~5 Min LesezeitVertiefungCHE-Bio-9.2

Lebewesen gewinnen Energie, indem sie energiereiche Nährstoffe kontrolliert „verbrennen". Die Gesamtbilanz der Zellatmung gleicht der Verbrennung von Glucose,

\ce{C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O}

(

\Delta G^{\circ}\approx -2870

kJ/mol), läuft aber in vielen kleinen Schritten ab, damit die Energie nach und nach als ATP gespeichert werden kann ().

Energiestoffwechsel der Glucose - Überblick

Abb. 4Glykolyse zerlegt Glucose zu Pyruvat; aerob folgt der Abbau über Acetyl-CoA, Citratzyklus und Atmungskette zu rund 30 ATP, anaerob entsteht Lactat.

Abb. 4 ↓

Am Anfang steht in jeder Zelle die Glykolyse im Zytoplasma: Glucose (6 C) wird über zehn Schritte zu zwei Molekülen Pyruvat (3 C) abgebaut. Netto entstehen 2 ATP und 2 NADH. Dieser Schritt benötigt keinen Sauerstoff - er ist evolutionär uralt und allen Lebewesen gemeinsam.

Steht kein Sauerstoff zur Verfügung, muss das in der Glykolyse verbrauchte

\ce{NAD+}

regeneriert werden: Im Muskel wird Pyruvat zu Lactat reduziert (Milchsäuregärung), in Hefen zu Ethanol und

\ce{CO2}

(alkoholische Gärung). Beide Gärungen liefern nur die 2 ATP der Glykolyse - schnell, aber ineffizient.

Mit Sauerstoff geht es weit ergiebiger weiter: Pyruvat wird in den Mitochondrien zu Acetyl-CoA umgesetzt und in den Citratzyklus eingespeist (). Dieser liefert pro Glucose 6 NADH, 2

\ce{FADH2}

und 2 GTP und setzt das restliche

\ce{CO2}

frei.

Die eigentliche ATP-Ausbeute kommt aus der Atmungskette an der inneren Mitochondrienmembran: NADH und

\ce{FADH2}

geben ihre Elektronen schrittweise an Sauerstoff ab; die frei werdende Energie pumpt Protonen über die Membran und baut einen Gradienten auf. Durch die ATP-Synthase zurückströmende Protonen treiben die ATP-Bildung an (chemiosmotisches Prinzip, Mitchell 1961).

Insgesamt liefert der aerobe Abbau rund 30-32 ATP pro Glucose - etwa fünfzehnmal mehr als die Gärung. Das gespeicherte ATP (Adenosintriphosphat) ist die universelle Energiewährung: Seine Hydrolyse zu ADP setzt rund 30,5 kJ/mol frei und treibt alle energiebedürftigen Zellprozesse an (vertieft im Abschnitt „ATP, Cofaktoren und Energiekopplung"). Die Photosynthese ist die Gegenreaktion, die Glucose wieder aufbaut.

Vokabeln

→ Kartei

GlykolyseAbbau der Glucose zu zwei Pyruvat im Zytoplasma; liefert netto 2 ATP und 2 NADH.
GärungAnaerobe Regeneration von $\ce{NAD+}$ durch Reduktion des Pyruvats zu Lactat oder Ethanol.
CitratzyklusRingförmiger Abbauweg in der Mitochondrienmatrix; liefert Reduktionsäquivalente und $\ce{CO2}$.
AtmungsketteElektronentransportkette der inneren Mitochondrienmembran; sie baut den Protonengradienten auf.
oxidative PhosphorylierungATP-Bildung durch die ATP-Synthase, angetrieben vom Protonengradienten.
SubstratkettenphosphorylierungDirekte ATP-Bildung durch Übertragung einer Phosphatgruppe von einem Substrat auf ADP.

Gesamtbilanz Zellatmung

\ce{C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O}\;\;\Delta G^{\circ}\approx -2870\,\text{kJ/mol}

Ein Mol Glucose wird mit sechs Mol Sauerstoff vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert. $\Delta G^{\circ}$ ist die freie Standardreaktionsenthalpie - der stark negative Wert zeigt, wie viel Energie insgesamt zur Verfügung steht; die Zelle schöpft davon rund 40 % als ATP ab, der Rest wird zu Wärme.

Photosynthese (Gegenreaktion)

\ce{6 CO2 + 6 H2O ->[h\nu] C6H12O6 + 6 O2}

Die Bilanzgleichung ist das Spiegelbild der Zellatmung. Die nötige Energie liefert das Sonnenlicht, das in den Chloroplasten absorbiert wird; der freigesetzte Sauerstoff stammt aus dem Wasser, nicht aus dem $\ce{CO2}$ .

ATP-Hydrolyse

\text{ATP} + \text{H2O} \rightleftharpoons \text{ADP} + \text{P}_{i};\;\Delta G\approx -30{,}5\,\text{kJ/mol}

$\ce{P_i}$ steht für anorganisches Phosphat. $\Delta G^{\circ\prime}$ ist der biochemische Standardwert bei pH 7; unter den tatsächlichen Bedingungen in der Zelle liegt der Betrag noch deutlich höher, weil ATP dort weit über seiner Gleichgewichtskonzentration gehalten wird.

Musterbeispiel

ATP-Ausbeute aerob und anaerob vergleichen

Eine Muskelzelle setzt 5,0 mol Glucose um. Vergleiche die maximale ATP-Ausbeute bei (a) vollständiger aerober Atmung (ca. 30 ATP je Glucose) und (b) Milchsäuregärung (2 ATP je Glucose).

(a) aerob
$5{,}0\,\text{mol} \cdot 30 = 150\,\text{mol ATP}$ .
(b) anaerob
$5{,}0\,\text{mol} \cdot 2 = 10\,\text{mol ATP}$ .
Verhältnis
$150 : 10 = 15$ - die aerobe Atmung liefert rund 15-mal mehr ATP.

Ergebnis: Aerob ca. 150 mol ATP, anaerob nur 10 mol. Bei intensiver Muskelarbeit reicht die Sauerstoffversorgung nicht aus, sodass kurzfristig die schnelle, aber ineffiziente Lactat-Gärung einspringt; das Lactat wird später in der Leber wieder verwertet (Sauerstoffschuld).

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
Atmung ist die kontrollierte Verbrennung von Glucose - aber nicht zu schnell, damit ATP gespeichert werden kann.
2
Glykolyse ist der gemeinsame Anfang aller Lebensformen - sehr alt, evolutionär konserviert.
3
ATP ist die kleine Münze der Zelle - jede chemische Arbeit wird damit bezahlt.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank6 Punkte

Aufgabenstellung

Erläutere die Bedeutung der Glykolyse für den menschlichen Stoffwechsel und vergleiche aerobe und anaerobe Endprodukte.

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Typische Fehler

Die Glykolyse wird als aerober Vorgang bezeichnet. Sie läuft ohne Sauerstoff ab - erst die Folgeschritte brauchen ihn.
Glykolyse und Citratzyklus werden vermischt. Die Glykolyse endet beim Pyruvat; der Zyklus beginnt erst beim Acetyl-CoA.
Die ATP-Bildung wird auf die Substratkettenphosphorylierung beschränkt. Der Löwenanteil stammt aus der oxidativen Phosphorylierung an der Atmungskette.
Die Gärung gilt als sinnlos, weil sie wenig liefert. Ihr Zweck ist die Regeneration von $\ce{NAD+}$ , ohne die auch die Glykolyse stehen bliebe.
Sauerstoff wird als Energielieferant beschrieben. Er ist der letzte Elektronenakzeptor am Ende der Atmungskette.

Aktive Wiederholung

Vergleiche die ATP-Ausbeute der aeroben Atmung und der Milchsäuregärung. Warum läuft im Muskel bei Belastung Lactat-Gärung?

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: OpenStax Chemistry 2e Kap. 20.6 Metabolism (OpenStax)

ATP, Cofaktoren und Energiekopplung#

~5 Min LesezeitVertiefungCHE-Bio-9.2

Warum baut die Zelle Glucose nicht in einem Schritt ab? Weil sie die freiwerdende Energie sonst als Wärme verlöre. Stattdessen wird sie in Portionen zwischengespeichert - in Adenosintriphosphat. ATP ist deshalb keine Batterie, sondern eine Währung: Es wird ständig gebildet und ebenso ständig ausgegeben. Ein Mensch setzt an einem ruhigen Tag etwa sein eigenes Körpergewicht an ATP um, obwohl im Körper zu jedem Zeitpunkt nur wenige Gramm davon vorhanden sind.

Chemisch ist ATP ein Nucleotid: Adenin, Ribose und drei aufeinanderfolgende Phosphatgruppen. Die beiden äußeren Bindungen sind energiereich, weil die dicht benachbarten negativen Ladungen einander abstoßen und die entstehenden Produkte durch Mesomerie und Hydratation stabilisiert werden. Die Abspaltung der endständigen Gruppe liefert unter zellulären Bedingungen rund

-30{,}5

kJ/mol:

\ce{ATP + H2O -> ADP + P_i}

. Der oft gehörte Ausdruck „energiereiche Bindung" ist dabei irreführend - Energie steckt nicht in der Bindung, sondern wird bei der Reaktion insgesamt frei.

Der eigentliche Trick heißt Energiekopplung. Eine endergone Reaktion, etwa der Aufbau eines Makromoleküls oder der Transport eines Ions gegen sein Gefälle, läuft von selbst nicht ab. Wird sie jedoch mit der ATP-Hydrolyse zu einer gemeinsamen Reaktionsfolge verknüpft, addieren sich die freien Enthalpien, und die Gesamtbilanz wird negativ. Entscheidend ist, dass die Kopplung über ein gemeinsames Zwischenprodukt läuft: Das Phosphat wird zuerst auf das Substrat übertragen, das dadurch reaktionsfähig wird. Ohne dieses phosphorylierte Zwischenprodukt gäbe es keine Kopplung, sondern nur zwei Reaktionen nebeneinander.

Neben ATP arbeiten Redox-Cofaktoren als Elektronenfähren.

\ce{NAD+}

nimmt zwei Elektronen und ein Proton auf und wird zu NADH; FAD nimmt zwei Elektronen und zwei Protonen auf und wird zu

\ce{FADH2}

. Beide sammeln die bei Glykolyse, oxidativer Decarboxylierung und Citratzyklus anfallenden Reduktionsäquivalente ein und liefern sie an der Atmungskette ab. Dort werden sie reoxidiert, und die schrittweise freiwerdende Energie pumpt Protonen über die innere Mitochondrienmembran - der aufgebaute Gradient treibt die ATP-Synthase an. Weil FADH₂ weiter hinten in die Kette einspeist, liefert es weniger ATP als NADH.

Coenzym A ist die dritte tragende Hilfssubstanz. Es überträgt Acetylgruppen als Acetyl-CoA und bildet damit die Drehscheibe des Stoffwechsels: Der Abbau von Kohlenhydraten, Fettsäuren und den meisten Aminosäuren mündet in dieselbe Verbindung, die dann in den Citratzyklus eintritt. Genau darin liegt die Erklärung dafür, dass überschüssige Kohlenhydrate als Fett gespeichert werden können - der Weg über Acetyl-CoA ist gemeinsam. Der umgekehrte Weg ist beim Menschen dagegen versperrt, weil die oxidative Decarboxylierung des Pyruvats nicht umkehrbar ist.

Für die Bewertung sind zwei Begriffspaare sauber zu trennen. Exergon und endergon beziehen sich auf die freie Enthalpie

\Delta G

und entscheiden über die Freiwilligkeit; exotherm und endotherm beziehen sich allein auf

\Delta H

. Eine Reaktion kann endotherm und dennoch freiwillig sein, wenn der Entropieterm überwiegt - das Lösen von Ammoniumnitrat in Wasser ist der Standardfall. In der Bioenergetik wird außerdem mit

\Delta G^{\circ\prime}

gerechnet, also mit dem Standardwert bei pH 7 statt bei der sonst üblichen Einheitskonzentration an Oxoniumionen; wer das nicht dazusagt, verwendet Zahlen ohne Bezugssystem.

Vokabeln

→ Kartei

ATPAdenosintriphosphat; universeller Energieüberträger der Zelle aus Adenin, Ribose und drei Phosphatgruppen.
exergonReaktion mit $\Delta G<0$; sie läuft freiwillig ab.
endergonReaktion mit $\Delta G>0$; sie braucht eine gekoppelte Energiequelle.
EnergiekopplungVerknüpfung einer endergonen mit einer exergonen Reaktion über ein gemeinsames Zwischenprodukt.
ReduktionsäquivalentVon NADH oder $\ce{FADH2}$ getragene Elektronen samt Protonen, die zur Atmungskette transportiert werden.
Acetyl-CoAAktivierte Essigsäure am Coenzym A; gemeinsame Schnittstelle von Kohlenhydrat-, Fett- und Aminosäureabbau.

ATP-Hydrolyse (exergon)

\ce{ATP + H2O -> ADP + P_i}, \quad \Delta G^{\circ\prime} \approx -30{,}5\,\text{kJ/mol}

$\ce{P_i}$ steht für anorganisches Phosphat. $\Delta G^{\circ\prime}$ ist der biochemische Standardwert bei pH 7; unter den tatsächlichen Bedingungen in der Zelle ist der Betrag noch deutlich größer, weil ATP dort weit über seiner Gleichgewichtskonzentration gehalten wird.

Musterbeispiel

Energiekopplung quantitativ

Eine Reaktion A -> B hat $\Delta G^{\circ\prime} = +13{,}8$ kJ/mol. Beurteile, ob die Kopplung mit ATP-Hydrolyse ( $-30{,}5$ kJ/mol) die Reaktion antreibt.

Einzelbilanz
A -> B mit $+13{,}8$ kJ/mol ist endergon und läuft allein nicht freiwillig ab.
Kopplung addieren
Gekoppelt mit ATP-Hydrolyse: $\Delta G_{\text{ges}} = +13{,}8 + (-30{,}5) = -16{,}7\,\text{kJ/mol}$ .
Bewertung
Die Gesamtbilanz ist negativ -> der gekoppelte Prozess ist exergon und läuft freiwillig.

Ergebnis: $\Delta G_{\text{ges}} = -16{,}7$ kJ/mol < 0 -> die ATP-Hydrolyse treibt die Reaktion an. Querverweis: Abschnitt "Metabolismus-Übersicht" (Glykolyse, Citrat-Zyklus, Atmungskette).

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank3 Punkte

Aufgabenstellung

Erkläre, warum ATP als „Energiewährung" und nicht als „Energiespeicher" der Zelle bezeichnet wird, und nenne die langfristigen Energiespeicher des Körpers.

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Typische Fehler

ATP wird als Langzeitspeicher wie Fett oder Glykogen dargestellt. Der Vorrat reicht nur für Sekunden; ATP wird laufend nachgebildet.
Exergon und exotherm werden gleichgesetzt. Maßgeblich für die Freiwilligkeit ist $\Delta G$ , nicht $\Delta H$ allein.
$\ce{NAD+}$ und NADH werden vertauscht. $\ce{NAD+}$ ist die oxidierte, aufnahmebereite Form, NADH die reduzierte, beladene.
Die Energiekopplung wird ohne Gesamtbilanz erklärt. Erst die Summe der freien Enthalpien beider Teilreaktionen entscheidet.
Die Rede von der „energiereichen Bindung" wird wörtlich genommen. Frei wird die Energie bei der Reaktion insgesamt, nicht beim Brechen der Bindung.

Aktive Wiederholung

Erkläre am Beispiel einer endergonen Biosynthese, wie die Kopplung mit der ATP-Hydrolyse die Reaktion ermöglicht, und beurteile die Bezeichnung "Energiewährung".

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: OpenStax Biology 2e, Kap. 6 "Metabolism" (OpenStax)