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Einführung in die Zellchemie

Eine Zelle besteht nicht nur aus sichtbaren Strukturen wie Zellmembran, Zellkern oder Zellorganellen, sondern vor allem aus einer Vielzahl chemischer Verbindungen. Diese Stoffe bilden die Grundlage aller Lebensprozesse. Man kann sie nach ihrer chemischen Zusammensetzung in verschiedene Stoffgruppen einteilen: Wasser, anorganische Ionen und Moleküle sowie organische Verbindungen.



Wasser macht mit über zwei Drittel der Masse den größten Anteil einer Zelle aus. Es ist das universelle Lösungsmittel, in dem die meisten biochemischen Reaktionen stattfinden. Wasser stabilisiert die Temperatur der Zelle, transportiert gelöste Stoffe und ermöglicht die Ausbildung der typischen räumlichen Strukturen vieler Biomoleküle durch Wasserstoffbrückenbindungen. Neben Wasser kommen verschiedene anorganische Ionen vor, darunter Natrium-, Kalium-, Calcium-, Magnesium-, Chlorid-, Phosphat- und Hydrogencarbonat-Ionen. Diese Ionen regulieren den pH-Wert, beeinflussen elektrische Spannungen an Zellmembranen und sind an der Aktivierung vieler Enzyme beteiligt.

Organische Stoffe haben den größten funktionellen Anteil an der Zellsubstanz. Sie enthalten fast immer Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoff-Atome, oft auch Stickstoff-, Phosphor- oder Schwefel-Atome. Zu den wichtigsten organischen Stoffgruppen zählen die Kohlenhydrate, die Lipide, die Proteine (Eiweiße) und die Nucleinsäuren.

Kohlenhydrate dienen vor allem als Energiequelle. Einfachzucker wie Glucose werden in den Mitochondrien abgebaut, um ATP zu gewinnen. Vielfachzucker wie Stärke (in Pflanzen) oder Glykogen (in Tieren) sind Energiespeicher, während Cellulose und Chitin als strukturbildende Stoffe vorkommen. Zweifachzucker wie Saccharose oder Lactose spielen in der Zellchemie selbst keine Rolle, sie werden schon bei der Verdauung durch Enzyme im Dünndarm zu Einfachzuckern zerlegt. Maltose tritt in der Zellchemie nur als Zwischenprodukt auf.

Lipide sind unlöslich in Wasser, aber löslich in unpolaren, organischen Lösungsmitteln. Sie bilden die Doppelschicht der Zellmembran, sie dienen als Energiespeicher oder sind Ausgangsstoffe für Hormone. Zu den Lipiden zählen Fette, Phospholipide, Wachse und auch die Sterine wie Cholesterin. Die Fette werden aus Glycerin und drei Fettsäuren unter Wasserabspaltung gebildet. Das entstandene Triglycerid-Molekül ist unpolar und damit nicht im Wasser löslich. Bei den Phospholipiden ist eine der drei Fettsäurereste durch eine Phosphatgruppe mit einem polaren Rest ersetzt: Die gleichzeitig vorhandene hydrophile und hydrophobe Seite ermöglicht die Stabilität und die Durchlässigkeit einer Zellmembran.

Proteine werden auch Eiweiße genannt. Als Protein wird (im engeren Sinn) ein Peptid bezeichnet, das aus mindestens 100 Aminosäuren in einer Kette aufgebaut ist. Proteine kommen in jeder Zelle vor und sind an fast allen Prozessen beteiligt: Sie wirken als Enzyme, als Transportmoleküle, als Baustoffe oder als Signalträger. Ihre enorme Vielfalt an Formen und Funktionen beruht auf ihrem besonderen Aufbau mit den Aminosäuren als Grundbausteine und der nahezu unendlichen Möglichkeiten einer räumlichen Anordnung durch Faltung in Helices (Mehrzahl von Helix) oder Faltblätter.

Nukleinsäuren wie DNA und RNA, sind Träger und Vermittler genetischer Informationen. Die DNA speichert die Erbinformation in Form von Genen, die RNA dient als Botenmolekül oder übernimmt spezifische Aufgaben bei der Protein-Biosynthese.

Neben diesen Hauptgruppen kommen in Zellen auch sekundäre Stoffe vor, die nicht in allen Organismen gleich sind. Dazu gehören Vitamine, Pigmente, Hormone und verschiedene Zwischenprodukte des Stoffwechsels. Sie erfüllen spezielle Funktionen, etwa bei der Photosynthese, der Signalübertragung oder der Abwehr von Schadstoffen.
 
Hinweis: Fette, Kohlenhydrate und Proteine werden im >Werk Chemie ausführlich behandelt. (Der Link funktioniert nur, falls das Gesamtwerk vorhanden ist).


Chemische Reaktionen in der Zelle

Das „Leben“ der Zelle beruht auf einer Vielzahl chemischer Reaktionen. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen aufbauenden (anabolen) und abbauenden (katabolen) Prozessen. Dabei wird chemische Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) gewonnen, gespeichert oder verbraucht. Beim Entladen des „Akkus“ entstehen unter Wasseraufnahme ADP (Adenindiphosphat) und eine freie Phosphatgruppe. Zellen betreiben neben der Energieumwandlung Aufbau, Umbau und Abbau von Stoffen sowie Transport und Signalübertragung.




Katabole Prozesse

Die Zellatmung ist der wichtigste katabole Prozess der Zelle. Dabei wird die in der Glucose gespeicherte chemische Energie schrittweise in ATP umgewandelt:
Die Gesamtreaktion der Zellatmung lautet:

C₆H₁₂O₆  +  6 H₂O  +  6 O₂  6 CO₂  +  12 H₂O  (+ Energie, ATP)

Die Zelle stellt einen „Energiespeicher“ in Form von einer maximal möglichen Ausbeute von 38 mol ATP pro Mol Glucose her, das entsprechen etwa 1159 kJ (bei 30,5 kJ pro Mol ATP). Bei einer Verbrennung von 1 Mol Glucose könnten maximal 2870 kJ entstehen. Der Wirkungsgrad bei der Zellatmung liegt also bei ungefähr 40 %, der Rest wird als Wärme freigesetzt und genutzt. Das Coenzym NAD (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid) spielt bei der Zellatmung eine bedeutende Rolle für den mobilen Austausch von Energie:

NAD⁺  +  2 e⁻  +  2 H⁺    NADH  +  H⁺

Die oxidierte Form NAD⁺ kann Elektronen aufnehmen, die reduzierte Form NADH trägt Elektronen, sie stellt die „aufgeladene“, energiereiche Form dar.




Bei der β-Oxidation, die ebenfalls in den Mitochondrien stattfindet, werden Fettsäuren abgebaut. Dadurch ist eine Energiegewinnung in Form von ATP aus Fetten möglich, zum Beispiel wenn zu wenige Kohlenhydrate gegessen werden.

Bei der Gärung wird Energie ohne Beteiligung von Sauerstoff gewonnen. Wenn kein Sauerstoff vorhanden ist, kann die Zelle die Atmungskette nicht nutzen. In diesem Fall erfolgt eine anaerobe Energiegewinnung durch Gärung. Ein Beispiel dafür ist die Milchsäuregärung in den Muskelzellen. Sie ermöglicht kurzfristig die Bildung von ATP, wenn zum Beispiel bei starker körperlicher Belastung ein Sauerstoffmangel auftritt.

Zellen können in einem katabolen Prozess auch aus Proteinen Energie gewinnen. Dies findet aber nur im absoluten Notfall beim starken Hungern statt, da als Abfallstoff Ammoniak entsteht, das dann zur Entgiftung im Harnstoffzyklus zu Harnstoff abgebaut wird. Langfristig führt das zu Muskelabbau und zu Gewichtsverlust. Auch der Alkoholabbau in der Leber ist ein kataboler Prozess, bei dem aber nicht die Energiegewinnung im Vordergrund steht, sondern die Entgiftung des dabei entstehenden Acetaldehyds.


Anabole Prozesse

Die Photosynthese (mit der Lichtreaktion und dem lichtunabhängigen Calvinzyklus) ist der wichtigste anabole Prozess in lebenden Systemen. Dabei wird Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt und in der Glucose „gespeichert“. Weitere Beispiele für anabole Prozesse sind der Aufbau von DNA und RNA, die Protein-Biosynthese, die Fettsäuresynthese im glatten ER des Cytoplasmas oder der Aufbau von Glykogen in der Leber und den Muskelzellen, was durch das Hormon Insulin aus der Bauchspeicheldrüse veranlasst wird.

Der Begriff „Anabolika“ bedeutet so viel wie „Stoffe des Aufbaus“. Diese Stoffe sind zwar beim gezielten Aufbau von Proteinen und Muskelgewebe als „Doping“ in Verruf geraten, sie werden aber auch in der Medizin bei Muskelschwund oder schweren Verletzungen eingesetzt.



Arbeitsaufgaben

1. Welche der vier Fotos oben zeigen katabole und welche anabole Prozesse?
2. Begründe und erläutere, welche Vorgänge stattfinden.
3. ATP und NADH gelten als „Akkus“ der Zelle. Warum? Worin unterscheiden sich die beiden?
4. Erläutere, warum die Phospholipide für eine Zelle eine geniale „Erfindung“ darstellen.
5. Wo werden Proteine hergestellt und wie funktioniert das?
6. Zähle mehrere Aufgaben der Proteine auf und erkläre die jeweilige Funktion.

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