Prüfungs-Trainer Biochemie und Zellbiologie

3. Biophysikalische Grundlagen der Biochemie (S.22)

Für eine intensivere Beschäftigung mit der Herleitung der angeführten Gleichungen sei auf den Band Biochemie, Zellbiologie aus der Reihe Grundstudium Biologie verwiesen.

• Biophysik: Anwendung physikalischer Prinzipien auf biologische Fragestellungen

3.1 Die besondere Rolle des Wassers
Wasser
• Grundvoraussetzung für Lebensprozesse
• Anteil in Organismen: 70 % und mehr

Struktur von Wasser (H2O)

• Dipol: Molekül mit entgegengesetzten Teilladungen (Sauerstoff partiell negativ, Wasserstoff partiell positiv geladen)
• dadurch Ausbildung von Wasserstoffbrücken-Bindungen zwischen den Molekülen
• kann dissoziiert vorliegen (s. 3.3)

Zahl der Wasserstoffbrücken pro Wassermolekül:

• maximal 4 bei Eis (2 als Elektronenakzeptor, 2 als Donor)
• in flüssigem Wasser im Schnitt 3,4

Die Polarität der Wassermoleküle führt zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken gelernt (Campbell S. 50)

physikalische Eigenschaften von Wasser
• bedingt durch Struktur des Wassermoleküls
• hoher Schmelz- und Siedepunkt
• hohe Wärmekapazität und Verdampfungsenthalpie
• elektrische Leitfähigkeit
• hohe Dielektrizitätskonstante
• Volumenausdehnung beim Erstarren (durch regelmäßige Struktur; höchste Dichte bei + 4°C)
• hohe Oberflächenspannung und Kohäsion (durch Wasserstoffbrücken)

Kohäsion  Zusammenhalt innerhalb Zusammenhalt zweier unterschiedeines Stoffes aufgrund der licher Stoffe aufgrund der Anziehungsinternen zwischenmolekularen kräfte zwischen ihren Grenzschichten Anziehungskräfte .
Adhäsion Organismen sind auf die Kohäsion (gegenseitige Anziehung) von Wassermolekülen angewiesen (Campbell S. 50) gelernt

3.1.1 Wasser als Lösungsmittel

Wasser ist das Lösungsmittel des Lebens (Campbell S. 54) gelernt

Lösung

• homogenes flüssiges Gemisch aus 2 oder mehr Stoffen
• auflösender Bestandteil: Lösungsmittel
• gelöster Bestandteil: Solut
• Molarität (mol/l): Zahl der gelösten Moleküle pro Liter Lösung
• Wasser ist ein gutes Lösungsmittel, weil es 4 Wasserstoffbrücken bilden kann

Bei amphipathischen Substanzen kommt es durch Zusammenlagerung der unpolaren Gruppen zur Bildung von Micellen (innen rein apolar) oder Doppelschichten (umschließen wässrigen Raum, z. B. kugelförmige Liposomen; gleiches Prinzip bei biologischen Lipidmembranen). (s. auch Abb. 9.3)

Hydratation von Ionen
• gelöste Ionen werden von Wassermolekülen mit Hydrathülle umgeben
• Anlagerung über Wasserstoffbrücken-Bindungen
• vermindert elektrostatische Wechselwirkung zwischen Ionen
• exothermer Vorgang

Dielektrizitätskonstante
• für die Abschirmung von Ionenladungen entscheidende spezi. sche Stoffkonstante von Lösungsmitteln
• gute Lösungsmittel besitzen hohe Dielektrizitätskonstante hydrophobe Wechselwirkungen
• bewirken Aggregatbildung zwischen unpolaren Molekülen bzw. Molekülbereichen in wässriger Lösung durch Verdrängung der Wassermoleküle
• Antriebskraft: erhöhte Entropie der verdrängten Wassermoleküle
• z. B. bei Tertiär- und Quartärstruktur von Proteinen

3.1.2 Bedeutung von Wasser für das Leben
• Wasser wirkt als Thermostat
• schwimmende Eisdecke (leichter als Wasser) wirkt als Wärmeisolator
• tieferes Wasser gefriert nicht
• hohe Wärmekapazität: Blut kann zum Wärmetransport dienen
• hohe Verdampfungsenthalpie: bei Hitze genutzt zum Erzeugen von Verdunstungskälte durch Schwitzen