Wege der Energieumwandlung - Basiswissen Chemie
Stoffwechsel ist BioChemie. Das Hauptwort ist dabei Chemie! Die Chemie hinter den abiturrelevanten Stoffwechselvorgängen zu verstehen, erleichtert das Verständnis des Stoffwechsels insgesamt.
Wenn diese Informationen auch nicht direkt in Ihrer Abiturprüfung abgefragt werden, bilden sie doch eine wichtige Grundlage!
Merke
Biologie braucht Chemie!
Ich gebe zu, ich mache mich sicherlich gerade nicht sehr beliebt mit dieser Aussage. Aber ohne Chemie, Physik und Mathematik funktioniert keine Biologie! Anders formuliert: Die Naturwissenschaften sind nicht komplett voneinander abzutrennen, es gibt Biophysik, Biochemie, biophysikalische Chemie und viele andere Bezeichnungen, die versuchen diesen Verstrickungen der Naturwissenschaften gerecht zu werden. Ein kleines bisschen Chemie kann das Verständnis des Stoffwechsels unendlich erleichtern …
Exkursion Chemie
Biochemie erscheint auf den ersten Blick wie ein großes Chaos, ein wildes Durcheinander verschiedenster Reaktionen und Verbindungen. Bei genauerem Hinschauen wird deutlich, dass sich Strukturen erkennen lassen, Reaktionstypen übereinstimmen und Helfer wie z.B. die Redoxäquivalente auch immer wieder identisch sind …
Bemühen die Chemiker ein Periodensystem mit momentan 118 Elementen, sind für die Biologen nur Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel und Ionen wie Natrium, Kalium, Chlorid, Magnesium und Calcium interessant. Alles sehr übersichtlich!
Merke
Für die Biologie interessante Elemente und Ionen:
- Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel
- Natrium-, Kalium-, Chlorid-, Magnesium- und Calciumionen
Atome – Bindungen – Wechselwirkungen
Ein Atom besteht aus einem Kern (in der Regel aus Protonen und Neutronen gebildet) und aus Elektronen. Die Elektronen befinden sich in der äußeren Hülle des Atoms und werden als Valenzen, Valenzelektronen oder Bindungselektronen bezeichnet. Elektronen sind in bestimmten Parametern frei beweglich. Die Lokalisation eines Elektrons ist nicht 100 %ig bestimmbar, daher spricht man von Orbitalen als möglichen Aufenthaltsort. Ein Orbital bietet Platz für zwei Elektronen oder ein Elektronenpaar.
Haupt- und Nebenvalenzen
In der Biologie sind meist die weniger starken Bindungen oder Interaktionen von großer Wichtigkeit, z.B. als Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den organischen Basen der DNA oder auch, um Proteinen ihre Stabilität zu verleihen. Ebenso finden sich hydrophobe Wechselwirkungen zwischen langen Kohlenwasserstoffketten oder hydrophoben Aminosäuren. Beides, die Wasserstoffbrücke oder die hydrophobe Interaktion, sind keine Bindung im chemischen Sinne, sondern nur eine Wechselwirkung, eine Interaktion zwischen Atomen. Es kommt hierbei nicht zum Einsatz von Haupt-, sondern nur von Nebenvalenzen.
Merke
Zu einer chemischen Bindung tragen Hauptvalenzen bei.
Bindungstypen sind Atom- oder Ionenbindung.
Bei der Atombindung oder kovalenten Bindung findet ein gleichwertiger Nutzen des an der Bindung beteiligten Elektronenpaars statt. Beispiel für die Atombindung sind Kohlenwasserstoffe, wobei zwischen den Kohlenstoffatomen bzw. Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen kovalente Bindungen entstehen.
Merke
Der Begriff kovalent steht für gleichwertig.
Bei der Ionenbindung wird ein Elektron an den (elektronegativeren) Partner übertragen. Das ist der Partner, welcher mehr Kraft hat, das Elektron des Bindungspartners komplett in seine Atomhülle „herüberzuziehen“. Das klassische Beispiel ist Kochsalz (NaCl), das aus Natriumionen, Na+, und Chloridionen, Cl-, gebildet wird.
Merke
Starke Bindungen wie Atom- oder Ionenbindung = Hauptvalenzen
Merke
Schwache Bindungen oder Interaktion = Nebenvalenzen
Nebenvalenzbindung
= Bindungskräfte zwischen Atomgruppen, die nicht durch Überlappung von Orbitalen zustande kommen.
Beispiele sind:
Wasserstoffbrückenbindungen (H-Brücken)
Bilden sich zwischen dem Proton einer HO-Gruppe (oder HN) und dem freien Elektronenpaar eines O-Atoms bzw. N-Atoms. Dabei müssen sich die Gruppen auf mindestens 0,28 nm annähern. Obwohl dies eine schwache Bindung ist, spielt sie eine große Rolle bei der Strukturbildung von Makromolekülen wie DNA und Proteinen.
Hydrophobe Wechselwirkungen
Kommen immer dann zustande, wenn Kohlenwasserstoffe sich in wässriger Umgebung zusammen finden. Dies ist z.B. auch im Innern eines Proteins der Fall.
Nebenvalenzbindung = Bindungskräfte zwischen Atomgruppen, die nicht durch Überlappung von Orbitalen zustande kommen.
Beispiele: Wasserstoffbrücken„bindungen", hydrophobe Interaktionen
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