Anorganische Biomoleküle: Eigenschaften, Funktionen, Klassifizierung und Beispiele

Die anorganischen Biomoleküle bilden eine große Gruppe molekularer Konfigurationen, die in Lebewesen vorhanden sind. Per Definition besteht die Grundstruktur anorganischer Moleküle nicht aus einem Kohlenstoffgerüst oder gebundenen Kohlenstoffatomen.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass die anorganischen Verbindungen vollständig kohlenstofffrei sein müssen, um in diese große Kategorie aufgenommen zu werden, sondern dass der Kohlenstoff nicht das Haupt- und häufigste Atom des Moleküls sein darf. Die anorganischen Verbindungen, die zu Lebewesen gehören, sind hauptsächlich Wasser und eine Reihe fester Mineralien oder in Lösung.

Wasser - das am häufigsten vorkommende anorganische Biomolekül in Organismen - weist eine Reihe von Eigenschaften auf, die es zu einem wesentlichen Element für das Leben machen, wie z andere

Ionen und Gase hingegen beschränken sich auf ganz bestimmte Funktionen in organischen Wesen, wie z. B. Nervenimpulse, Blutgerinnung, osmotische Regulation. Darüber hinaus sind sie wichtige Kofaktoren bestimmter Enzyme.

Eigenschaften

Das charakteristische Merkmal der anorganischen Moleküle in lebender Materie ist das Fehlen von Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen.

Diese Biomoleküle sind relativ klein und enthalten Wasser, Gase und eine Reihe von Anionen und Kationen, die aktiv am Stoffwechsel beteiligt sind.

Einteilung und Funktionen

Das relevanteste anorganische Molekül in lebender Materie ist zweifellos Wasser. Darüber hinaus sind weitere anorganische Bestandteile enthalten, die in Gase, Anionen und Kationen eingeteilt sind.

In Gasen haben wir Sauerstoff, Kohlendioxid und Stickstoff. In Anionen sind unter anderem Chloride, Phosphate, Carbonate. Und in den Kationen sind Natrium, Kalium, Ammonium, Kalzium, Magnesium und andere positive Ionen.

Als nächstes beschreiben wir jede dieser Gruppen mit ihren herausragenden Eigenschaften und ihrer Funktion innerhalb von Lebewesen.

-Wasser

Wasser ist die am häufigsten vorkommende anorganische Komponente in Lebewesen. Es ist allgemein bekannt, dass sich das Leben in einem wässrigen Medium entwickelt. Obwohl es Organismen gibt, die nicht in einem Gewässer leben, besteht die innere Umgebung dieser Individuen hauptsächlich aus Wasser. Lebewesen sind zwischen 60% und 90% Wasser.

Die Zusammensetzung des Wassers im selben Organismus kann je nach Art der untersuchten Zelle variieren. Beispielsweise hat eine Zelle in einem Knochen durchschnittlich 20% Wasser, während eine Gehirnzelle leicht 85% erreichen kann.

Wasser ist so wichtig, weil die überwiegende Mehrheit der biochemischen Reaktionen, die den Stoffwechsel des Menschen ausmachen, in einem wässrigen Medium stattfindet.

Beispielsweise beginnt die Photosynthese mit dem Abbau von Wasserkomponenten durch Einwirkung von Lichtenergie. Zellatmung führt zur Produktion von Wasser durch Spaltung der Glucosemoleküle, um eine Energieextraktion zu erreichen.

Andere weniger bekannte Stoffwechselwege beinhalten auch die Produktion von Wasser. Die Synthese von Aminosäuren hat Wasser als Produkt.

Eigenschaften von Wasser

Wasser hat eine Reihe von Eigenschaften, die es zu einem unersetzlichen Element auf dem Planeten Erde machen und das wunderbare Ereignis des Lebens ermöglichen. Unter diesen Eigenschaften haben wir:

Wasser als Lösungsmittel: Strukturell besteht Wasser aus zwei Wasserstoffatomen, die an ein Sauerstoffatom gebunden sind und ihre Elektronen über eine polare kovalente Bindung teilen. Somit hat dieses Molekül geladene Enden, eine positive und eine negative.

Dank dieser Konformation heißt die Substanz polar. Auf diese Weise kann Wasser Substanzen mit der gleichen polaren Tendenz auflösen, da die positiven Anteile die Negative des aufzulösenden Moleküls anziehen und umgekehrt. Die Moleküle, die Wasser auflöst, werden als hydrophil bezeichnet.

Denken Sie daran, dass wir in der Chemie die Regel haben, dass "das Gleiche das Gleiche auflöst". Dies bedeutet, dass sich die polaren Substanzen ausschließlich in anderen Substanzen lösen, die ebenfalls polar sind.

Beispielsweise gelingt es ionischen Verbindungen wie Kohlenhydraten und Chloriden, Aminosäuren, Gasen und anderen Verbindungen mit Hydroxylgruppen, sich leicht in Wasser aufzulösen.

Dielektrizitätskonstante: Die hohe Dielektrizitätskonstante der Vitalflüssigkeit trägt auch dazu bei, anorganische Salze in ihrem Kern aufzulösen. Die Dielektrizitätskonstante ist der Faktor, um den zwei gegenüber dem Vakuum entgegengesetzte Ladungen getrennt werden.

Spezifische Wärme des Wassers: Die Abfederung heftiger Temperaturänderungen ist ein wesentliches Merkmal für die Entwicklung des Lebens. Dank der hohen spezifischen Wärme des Wassers stabilisieren sich die Temperaturänderungen und schaffen ein lebenswertes Umfeld.

Hohe spezifische Wärme bedeutet, dass eine Zelle erhebliche Wärmemengen aufnehmen kann und ihre Temperatur nicht wesentlich ansteigt.

Kohäsion: Kohäsion ist eine weitere Eigenschaft, die plötzliche Temperaturänderungen verhindert. Dank der entgegengesetzten Ladung der Wassermoleküle ziehen sie sich gegenseitig an und bilden so den sogenannten Zusammenhalt.

Durch den Zusammenhalt steigt die Temperatur der lebenden Materie nicht zu stark an. Die Kalorienenergie unterbricht die Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen, anstatt die einzelnen Moleküle zu beschleunigen.

PH-Kontrolle: Wasser kann nicht nur die Temperatur regulieren und konstant halten, sondern auch den pH-Wert regulieren. Es gibt bestimmte Stoffwechselreaktionen, die einen bestimmten pH-Wert erfordern, damit sie durchgeführt werden können. In gleicher Weise benötigen Enzyme auch einen spezifischen pH-Wert, um mit maximaler Effizienz zu arbeiten.

Die Regulierung des pH-Wertes erfolgt dank der Hydroxylgruppen (-OH), die zusammen mit Wasserstoffionen (H +) verwendet werden. Die erste betrifft die Bildung eines alkalischen Mediums, während die zweite zur Bildung eines sauren Mediums beiträgt.

Siedepunkt: Der Siedepunkt von Wasser beträgt 100 ° C. Diese Eigenschaft ermöglicht es, dass Wasser in einem flüssigen Zustand in einem weiten Temperaturbereich von 0 ° C bis 100 ° C vorliegt.

Der hohe Siedepunkt erklärt sich aus der Fähigkeit, vier Wasserstoffbrücken pro Wassermolekül zu bilden. Diese Eigenschaft erklärt auch die hohen Schmelzpunkte und die Verdampfungswärme, wenn wir sie mit anderen Hydriden wie NH 3, HF oder H 2 S vergleichen.

Dies ermöglicht die Existenz einiger extremophiler Organismen. Zum Beispiel gibt es Organismen, die sich in der Nähe von 0 ° C entwickeln und als psychrofílos bezeichnet werden. Ebenso entwickeln sich Thermophile in der Nähe von 70 oder 80 ° C.

Variation der Dichte: Die Dichte des Wassers variiert in ganz besonderer Weise, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Das Eis weist ein offenes kristallines Netzwerk auf, während das Wasser im flüssigen Zustand eine eher zufällige, engere und dichtere molekulare Organisation aufweist.

Diese Eigenschaft ermöglicht es dem Eis, im Wasser zu schwimmen, als Isolator zu fungieren und die Stabilität der großen Ozeanmassen zu gewährleisten.

Wenn dies nicht so wäre, würde das Eis in den Tiefen der Meere versenkt, und das Leben, wie wir es kennen, wäre ein äußerst unwahrscheinliches Ereignis. Wie könnte Leben in großen Eismassen entstehen?

Ökologische Rolle des Wassers

Um mit dem Thema Wasser zu enden, muss erwähnt werden, dass die lebenswichtige Flüssigkeit nicht nur eine relevante Rolle in Lebewesen spielt, sondern auch die Umwelt prägt, in der sie leben.

Der Ozean ist das größte Wasserreservoir der Erde, das durch Temperaturen beeinflusst wird und Verdunstungsprozesse begünstigt. Riesige Wassermengen befinden sich in einem ständigen Kreislauf aus Verdunstung und Niederschlag von Wasser, wodurch ein sogenannter Wasserkreislauf entsteht.

-Gase

Vergleicht man die umfangreichen Funktionen von Wasser in biologischen Systemen, so beschränkt sich die Rolle der übrigen anorganischen Moleküle nur auf ganz bestimmte Rollen.

Im Allgemeinen passieren die Gase die Zellen in wässrigen Verdünnungen. Manchmal werden sie als Substrate für chemische Reaktionen verwendet, in anderen Fällen sind sie das Abfallprodukt des Stoffwechselwegs. Am relevantesten sind Sauerstoff, Kohlendioxid und Stickstoff.

Sauerstoff ist der Endakzeptor von Elektronen in den Transportketten von Organismen mit aerober Atmung. Kohlendioxid ist auch ein Abfallprodukt bei Tieren und ein Substrat für Pflanzen (für Photosyntheseprozesse).

-Ionen

Wie bei Gasen scheint die Rolle von Ionen in lebenden Organismen auf ganz bestimmte Ereignisse beschränkt zu sein, die jedoch für das reibungslose Funktionieren eines Individuums unerlässlich sind. Sie werden in Abhängigkeit von ihrer Ladung in Anionen, Ionen mit negativen Ladungen und Kationen, Ionen mit positiven Ladungen eingeteilt.

Einige davon werden nur in sehr geringen Mengen benötigt, beispielsweise die Metallkomponenten der Enzyme. Andere werden in höheren Mengen benötigt, wie unter anderem Natriumchlorid, Kalium, Magnesium, Eisen, Jod.

Der menschliche Körper verliert ständig diese Mineralien durch Urin, Kot und Schweiß. Diese Komponenten müssen über Lebensmittel, hauptsächlich Obst, Gemüse und Fleisch, wieder in das System aufgenommen werden.

Ionenfunktionen

Cofaktoren: Ionen können als Cofaktoren chemischer Reaktionen wirken. Das Chlorion ist an der Hydrolyse der Stärke durch die Amylasen beteiligt. Kalium und Magnesium sind unverzichtbare Ionen für die Funktion sehr wichtiger Enzyme im Stoffwechsel.

Aufrechterhaltung der Osmolarität: Eine weitere wichtige Funktion ist die Aufrechterhaltung optimaler osmotischer Bedingungen für die Entwicklung biologischer Prozesse.

Die Menge der gelösten Metaboliten muss in Ausnahmefällen reguliert werden, da bei einem Ausfall dieses Systems die Zelle explodieren oder erhebliche Mengen Wasser verlieren kann.

Beim Menschen beispielsweise sind Natrium und Chlor wichtige Elemente, die zur Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts beitragen. Dieselben Ionen begünstigen auch den Säure-Basen-Haushalt.

Membranpotential: Bei Tieren sind Ionen aktiv an der Erzeugung des Membranpotentials in der Membran anregbarer Zellen beteiligt.

Die elektrischen Eigenschaften der Membranen wirken sich auf entscheidende Ereignisse aus, beispielsweise auf die Fähigkeit von Neuronen, Informationen zu übertragen.

In diesen Fällen wirkt die Membran analog zu einem elektrischen Kondensator, in dem sich die Ladungen aufgrund der elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den Kationen und den Anionen auf beiden Seiten der Membran ansammeln und speichern.

Durch die asymmetrische Verteilung der Ionen in Lösung auf jeder Seite der Membran entsteht ein elektrisches Potential - abhängig von der Permeabilität der Membran für die vorhandenen Ionen. Die Größe des Potentials kann nach der Nernst-Gleichung oder der Goldman-Gleichung berechnet werden.

Strukturell: Einige Ionen erfüllen strukturelle Funktionen. Zum Beispiel konditioniert Hydroxylapatit die kristalline Mikrostruktur von Knochen. Calcium und Phosphor sind dagegen ein notwendiges Element für die Bildung von Knochen und Zähnen.

Andere Funktionen: Schließlich sind die Ionen an Funktionen beteiligt, die so heterogen sind wie die Blutgerinnung (durch Calciumionen), das Sehen und die Kontraktion der Muskeln.

Unterschiede zwischen organischen und anorganischen Biomolekülen

Ungefähr 99% der Zusammensetzung von Lebewesen enthält nur vier Atome: Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff. Diese Atome fungieren als Teile oder Blöcke, die in einer Vielzahl dreidimensionaler Konfigurationen angeordnet werden können und die Moleküle bilden, die Leben ermöglichen.

Während anorganische Verbindungen dazu neigen, klein, einfach und nicht sehr vielfältig zu sein, neigen organische Verbindungen dazu, bemerkenswerter und vielfältiger zu sein.

Hinzu kommt, dass die Komplexität organischer Biomoleküle zunimmt, weil sie neben dem Kohlenstoffgerüst funktionelle Gruppen aufweisen, die die chemischen Eigenschaften bestimmen.

Für die optimale Entwicklung der Lebewesen sind jedoch beide gleichermaßen notwendig.

Verwendung von organischen und anorganischen Begriffen im Alltag

Nachdem wir nun den Unterschied zwischen beiden Arten von Biomolekülen beschrieben haben, muss klargestellt werden, dass wir diese Begriffe im täglichen Leben vage und ungenau verwenden.

Wenn wir Obst und Gemüse als "Bio" bezeichnen - was heutzutage sehr beliebt ist - bedeutet dies nicht, dass der Rest der Produkte "anorganisch" ist. Da die Struktur dieser essbaren Elemente ein Kohlenstoffgerüst ist, wird die Definition von organisch als überflüssig angesehen.

Tatsächlich ergibt sich der organische Begriff aus der Fähigkeit von Organismen, diese Verbindungen zu synthetisieren.