Bau- und Inhaltsstoffe der Zelle

Wasser und Ionen

Die meisten Organismen bestehen zu mehr als $$70\,\%$$​ aus Wasser. Wasser wirkt als Lösungsmittel und nimmt auch als Reaktionspartner an vielen Stoffwechselreaktionen teil. Zusätzlich beeinflusst es auch die Struktur der Zellinhaltsstoffe und der Zelle.

Ein Wassermolekül ist die Verbindung aus einem Sauerstoffatom O und zwei Wasserstoffatomen H. Die unterschiedlichen Eigenschaften dieser Bindungspartner führt zur Bildung von positiven und negativen Partialladungen bzw. Polen. Diese elektrischen Pole verursachen Anziehungskräfte zwischen dem Sauerstoffatom und den Wasserstoffatomen benachbarter Wassermoleküle, sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen.

Ionen sind Atome oder Moleküle mit positiver oder negativer elektrischer Ladung. Sie sind von einer Hülle aus Wassermolekülen umgeben, diese wird Hydrathülle genannt. Ohne diese Hülle könnten sich die Ionen nicht frei bewegen und würden sich mit anderen Ionen zu Kristallen zusammenlagern. 

Die Wasserlöslichkeit von ungeladenen Molekülen hängt vor allem davon ab, wie gut es Wasserstoffbrückenbindungen mit Wassermolekülen bilden kann.
Stoffe, die sich gut in Wasser lösen, werden als hydrophil bezeichnet. Schlecht wasserlösliche Stoffe wiederum werden als hydrophob bezeichnet.

Wassermoleküle reagieren miteinander, wobei ein positives Wasserstoffatom von einem Wassermolekül zu einem anderen übergehen kann. Aus zwei Wassermolekülen entstehen ein positives Oxonium-Ion H₃0⁺ und ein negatives Hydroxid-Ion OH^-. Eine Reaktion, bei der ein H⁺-Ion übertragen wird, wird Säure-Basen-Reaktion genannt. Diese Reaktion ist auch umkehrbar, wobei die Rückreaktion bei Wasser viel wahrscheinlicher ist. Darum kommen in einem Liter Wasser nur sehr wenige dieser Ionen vor, nämlich genau 10^-7 mol H₃0⁺. Der negative dekadische Logarithmus der H₃0⁺-Ionenkonzentration ergibt den pH-Wert. Der pH-Wert beeinflusst chemische Vorgänge in der Zelle und die Strukturen vieler Moleküle. Reines Wasser hat den pH-Wert 7.

Proteine

Proteine bestehen aus unverzweigten Ketten von Aminosäuren. Meistens sind diese Ketten mehrere hundert Aminosäuren lang. Ist die Kette kürzer $$100$$​ Aminosäuren, wird von einem Peptid gesprochen. Als Baustein für diese Ketten benutzt der Körper immer dieselben $$20$$​ Aminosäuren. Diese Aminosäuren haben alle dieselbe Grundstruktur und unterscheiden sich nur in einem variablen Rest. Sie sind untereinander durch Peptidbindungen verbunden. 

Die Reihenfolge der Aminosäuren wird als Primärstruktur eines Proteins bezeichnet. Die Aminosäuren bilden häufig untereinander Wasserstoffbrückenbindungen, dadurch entstehen aus den Ketten räumliche Formen, diese werden Sekundärstruktur genannt. Bindungen, Anziehungs- und Abstoßungskräfte zwischen den Resten der Aminosäuren ergeben komplexe räumliche Tertiärstrukturen. Bilden mehrere Proteinmoleküle einen größeren Proteinkomplex, so wird ihre Anordnung Quartärstruktur genannt.

Durch ihre vielen verschiedenen Strukturen können Proteine unzählige Funktionen innerhalb und außerhalb der Zelle übernehmen. Zum Beispiel als Enzyme im Stoffwechsel, als Baustoffe für Zellen, als Hormone oder als Antikörper.

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate ist die Stoffgruppe, die in der Natur am meisten vorkommt. Sie machen rund die Hälfte der biologischen Masse auf der Erde aus. Kohlenhydrate werden auch als Zucker oder Saccharide bezeichnet. Sie kommen als Einfach-, Zweifach- oder Mehrfachzucker vor. Glucose ist das in der Natur häufigste Kohlenhydrat und wird von Bakterien, Pilzen, Tieren und Pflanzen zur Energiebereitstellung genutzt. 

Einteilung der Kohlenhydrate

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Tiere und Pilze speichern Glucose als Glykogen. Der Vielfachzucker Glykogen ist stark verzweigt und an jedem Ende kann je nach Bedarf der Zelle Glucosemoleküle abgebaut oder angebaut werden. Der Mensch speichert Glykogen in der Leber und in der Muskulatur. ​

Lipide

Zur Stoffgruppe der Lipide gehören unter anderem die Fette und Öle. Lipide sind wenig bis nicht in Wasser löslich, weil sie aus überwiegend unpolaren Atomgruppen bestehen. Sie werden darum als hydrophob bezeichnet. Lipide und andere Stoffe, die sich gut in flüssigen Lipiden lösen, nennt man lipophil. Meist sind Moleküle lipophiler Stoffe hydrophob, während hydrophile Moleküle und Ionen meist lipophob sind. 

Grundbaustein der Fette ist die Fettsäure. Sie besteht aus einer Carboxygruppe und aus einer langen Kohlenwasserstoffkette. Es wird von gesättigten Fettsäuren gesprochen, wenn alle Kohlenstoffatome in der Kette nur durch Einfachbindungen verbunden sind. Bei einer oder mehreren Doppelbindungen in der Kette wird von einfach oder mehrfach ungesättigten Fettsäuren gesprochen. Fette bestehen aus bis zu drei Fettsäuren, die über ein Glycerinmolekül miteinander verbunden sind. Die einzelnen Fettsäuren werden unter der Abspaltung von Wasser mit dem Gylcerin verbunden, dieser Vorgang heißt Kondensation. Die umgekehrte Reaktion ist die Hydrolyse.

Der Mensch verwendet zur Herstellung von körpereigenen Fetten Fettsäuren aus der Nahrung. Er kann sie jedoch auch selber herstellen. Fette werden im Körper in sogenannten Fettzellen gespeichert. Diese Zellen kommen fast überall im Körper vor und können bei Bedarf Fette abbauen, um Energie für andere Zellen bereitzustellen.

Lipide enthalten pro Gramm mehr als doppelt so viel Energie wie Kohlenhydrate. Der Abbau und die Verwendung sind jedoch sehr komplex und langsam. Daher eignen sich Fette und Öle zur Energiebereitstellung über längere Zeiträume ohne Nahrungsaufnahme, zum Beispiel beim Winterschlaf oder Ausdauersport.

Viele Lipide bestehen aus einem großen hydrophoben Molekülteil, der Fettsäure und einem hydrophilen Molekülteil. Solche Moleküle werden als amphiphil bezeichnet. Werden solche Stoffe im Wasser gelöst, dann ordnen sie sich so an, dass die hydrophoben Teile sich einander zuwenden. Ein häufiges amphiphiles Lipid ist das Glycerophospholipid, kurz Phospholipid. An Stelle der dritten Fettsäure ist ein hydrophiler Molekülteil an das Glycerin gebunden. Phospholipide sind in der Natur weit verbreitet. Sie bilden unter anderem den Hauptbestandteil der Zellmembran von tierischen Zellen. Wobei die hydrophoben Teile des Moleküls zur Innenseite der Membran ausgerichtet sind und die hydrophilen Teile nach Außen.

Molekül teil