Biochemie und Pathobiochemie: Die Bausteine des Lebens

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Die Zusammensetzung des Körpers aus den Elementen

Das  Periodensystem mit den für das Leben bedeutsamen Substanzen.
H																		He
Li	Be												B	C	N	O	F	Ne
Na	Mg												Al	Si	P	S	Cl	Ar
K	Ca	Sc		Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
Rb	Sr	Y		Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
Cs	Ba	La	*	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
Fr	Ra	Ac	**	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg
			*	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu
			**	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr
Grundelemente Mengenelemente Essentielle Spurenelemente Sonstige Spurenelemente

Die Grundelemente

Von der Antike bis weit ins Mittelalter nahm man an, dass der Körper aus den vier Elementen Erde, Wasser, Luft und Feuer besteht. Heute wissen wir, dass sich alle Lebewesen überwiegend aus den vier Elementen Sauerstoff (Oxygenium), Kohlenstoff (Carbonium), Wasserstoff (Hydrogenium) und Stickstoff (Nitrogenium) bzw. ihrer Verbindungen zusammensetzen. Diese Nichtmetalle bilden zusammen bereits etwa 95 % unseres Körpergewichts. Die vier Hauptgruppenelemente wurden von der Natur offensichtlich deswegen bevorzugt, weil sie stabile kovalente Bindungen und eine niedrige Masse bieten.

Sauerstoff (63 %) und Wasserstoff (10 %) liegen überwiegend in der Verbindung Wasser (H₂O) vor, aus dem wir zu 2/3 bis 3/4 bestehen. Während wir das Wasser als äußeren Lebensraum vor etwa 400 Millionen Jahren verlassen haben, bevorzugen unsere Zellen nach wie vor ein wässriges Milieu für ihre Lebensäußerungen, weswegen sich Landbewohner das Wasser sozusagen mitgenommen haben. Wasser ist aufgrund seiner besonderen chemisch-physikalischen Eigenschaften als Trägerlösung sämtlicher biochemischer Reaktionen und als Transportmedium innerhalb und außerhalb der Zelle essentiell.

Zusammensetzung des menschlichen Körpers. Bezogen auf 70 kg Körpergewicht. Aus Flindt 1995, nach Heidermanns 1957, Kleiber 1967.
Element	Gew-% ca.	Masse ca.
Sauerstoff (O)	63	44 kg
Kohlenstoff (C)	20	14 kg
Wasserstoff (H)	10	7 kg
Stickstoff (N)	3	2,1 kg
Kalzium (Ca)	1,5	1 kg
Phosphor (P)	1	0,7 kg
Kalium (K)	0,25	170 g
Schwefel (S)	0,2	140 g
Chlor (CI)	0,1	70 g
Natrium (Na)	0,1	70 g
Magnesium (Mg)	0,04	30 g
Eisen (Fe)	0,004	3 g
Kupfer (Cu)	0,0005	300 mg
Mangan (Mn)	0,0002	100 mg
Iod (I)	0,00004	30 mg

So besitzt Wasser z.B. eine hohe Wärmekapazität, kann gut Protonen abgeben und aufnehmen und ist polar (Dipol), es besitzt eine optimale Viskosität und Oberflächenspannung sowie einen hohen Siede- und niedrigen Gefrierpunkt. Auch für die Physiologie (Wärmeregulation) und Ökologie (Dichteanomalie des Wassers) sind die besonderen Eigenschaften des Wasser bedeutsam, so dass die Existenz von Leben ohne die Existenz von Wasser schwer vorstellbar erscheint.

Sauerstoff (2 mögliche Bindungen) und besonders Wasserstoff (1 Bindung) kommt weiterhin in den meisten organischen Molekülen vor. Beide sind auch an der zellulären Atmung beteiligt. Ein Wasserstoffatom besteht aus einem Proton (H⁺) und einem Elektron (e^-), daher werden Wasserstoffübertragungen auch zur Elektronenübertragung genutzt, um z.B. chemische Energie zu transferieren.

Stickstoff (3 Bindungen) findet sich besonders in Aminosäuren, den Bausteinen der Proteine und in Purinen und Pyrimidinen, den Bausteinen der DNA und RNA.

Kohlenstoff bildet das „Skelett“ aller organischen Moleküle. Seine Fähigkeit, gleichzeitig 4 Bindungen eingehen zu können (4 Außenelektronen), ist die Grundlage für die unglaubliche Vielfalt an einfachen und komplexen organischen Molekülen, die die Natur hervorbringt. Die freien „Ärmchen“ der Kohlenstoffgerüste werden im einfachsten Falle von Wasserstoff besetzt, weswegen man es sich bei den Strukturformeln meist spart, sie einzuzeichnen. Derartige Kohlenwasserstoffe sind unpolar und deswegen wasserabweisend (hydrophob). Durch Modifikation mit anderen Atomen, die sog. funktionelle Gruppen bilden (z.B. basische Aminogruppen (-NH₂ bzw. -NH₃⁺) oder saure Carboxylgruppen (-COOH bzw. -COO^-)) sowie das Einfügen von Doppelbindungen und anderes mehr gewinnen die Moleküle ihre Vielfalt an charakteristischen chemischen Eigenschaften und Interaktionsmöglichkeiten.

Die Mengenelemente

Neben den 4 Grundelementen dominieren die 7 Mengenelemente das molekulare Leben, die ebenfalls zu den Hauptgruppenelementen gehören. Es handelt sich um die Alkalimetalle Natrium (Na) und Kalium (K), die Erdalkalimetalle Magnesium (Mg) und Kalzium (Ca), die Nichtmetalle Phosphor (P) und Schwefel (S) und das Halogen Chlor (Cl). Die Metalle geben ihre ein oder zwei äußeren Elektronen leicht ab, Halogene füllen sich die Lücke in der äußersten Elektronen-Schale gerne auf (Oktettregel). Daher liegen diese Elemente im wässrigen Milieu des Körpers meist in Form von Ionen (geladene Teilchen, Elektrolyte) vor: Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ und Cl^–. Diese Ionen spielen eine große Rolle bei der Regulation des osmotischen Drucks und des Wasserhaushalts (bes. Natrium), für elektrische Aktivitäten (Ruhepotential und Aktionspotentiale an Muskel- und Nervenzellen, bes. Kalium und Natrium) und Transportvorgänge an Zellmembranen (Na⁺/K⁺-Pumpe, Na⁺/Glucose-Symporter u.a.) sowie als sekundärer Botenstoff in der Zelle (Kalzium z.B. in Muskelzellen) und Cofaktor der Blutgerinnung (Kalzium). Chlor findet sich auch im Magen in Form von Salzsäure (HCl = H⁺ + Cl^–). Phosphor und Schwefel findet man häufig in Form der Säureanionen Phosphat (HPO₄^2–) und Sulfat (SO₄^2–).

Kalzium bildet zusammen mit Phosphat in Form von Kalzium-Hydroxylapatit (Ca₅(PO₄)₃(OH)) den (extrazellulär abgelagerten) mineralischen Anteil des Knochens und der Zähne, was sich auch entsprechend in den Gewichtsprozenten eines Wirbeltiers (siehe Tabelle) niederschlägt. Phosphat findet sich weiterhin in vielen organischen Molekülen. Beispiele sind die Nukleotide wie z.B. Adenosintriphosphat (ATP), die für den Energiestoffwechsel wichtig sind (energiereiche Phosphorsäureanhydridbindungen) und aus denen die Nukleinsäuren (DNA und RNA) bestehen und die Phospholipide, die die Zellmembranen aufbauen (der polare hydrophile Phosphatkopf weist zur wässrigen Phase). Phosphate sind auch an der Regulation des Säure-Basen-Haushalts beteiligt (Phosphatpuffer).

Schwefel findet man z.B. in den Aminosäuren Cystein und Methionin, in den Vitaminen Thiamin (B1) und Biotin sowie in den Glycosaminoglycanen Keratansulfat, Chondroitinsulfat (Knorpel, Haare, Nägel) und Heparansulfat (gerinnungsaktiv). Weiterhin findet man sog. Eisen-Schwefel-Zentren in den Proteinkomplexen der Atmungskette.

Die Spurenelemente

Spurenelemente sind wie der Name schon sagt nur in Spuren im Körper vorhanden, trotzdem sind zumindest die essentiellen Spurenelemente lebensnotwendig. Viele davon gehören zu den Nebengruppenelementen bzw. Übergangsmetallen. Man findet sie vielfach als funktionstragende Elemente in Enzymen. Daneben sind sie wichtig für weitere Funktionen: Eisen ist z.B. das Zentralion des Häm-Moleküls, das man in verschiedenen Enzymen (z.B. Cytochrom P₄₅₀) findet, aber auch als das Sauerstoff-Bindungsmolekül im Hämoglobin und Myoglobin. Jod ist ein Bestandteil der Schilddrüsenhormone. Zink stabilisiert die Speicherform des Insulins.

Die Biomoleküle

Aus den oben beschriebenen Elementen rekrutieren sich neben einfachen anorganischen Verbindungen wie Wasser, Hydrogencarbonat und Kalziumphosphat (Kalzium-Hydroxylapatit) die organischen Moleküle aus denen alle Lebewesen aufgebaut sind. Vier große Gruppen nehmen hier eine besondere Stellung ein:

1. Proteine: Alle Proteine sind aus einem Pool von etwa 20 Aminosäuren aufgebaut. Mit etwa 18 % haben Sie den größten Anteil an einer menschlichen Zelle direkt nach dem Wasser. Proteine erfüllen strukturelle Funktionen, etwa im Bindegewebe, in den Muskeln oder beim Zytoskelett. Außerdem sind sie in Form von Enzymen und Transportproteinen maßgeblich am Stoffwechsel und Transportprozessen beteiligt. Einige Aminosäuren und ihre Derivate erfüllen weitere Funktionen, z.B. als Signalmoleküle (Bsp.: Die Aminosäuren Glycin, Glutamat, Aspartat, die Schilddrüsenhormone L-Thyroxin und Trijodthyronin sowie die biogenen Amine Histamin und Serotonin).
2. Lipide (Fette): Sie stellen durchschnittlich 5 % der Zellmasse und dienen einerseits zur Speicherung von Energie in Form der Di- und Triglyceriden in Fettzellen, andererseits bilden sie das Gerüst der Membranen, die sich in Zellen und um Zellen herum befinden, und ermöglichen so eine Kompartimentierung (Gliederung in chemische Reaktionsräume). Ferner gehören einige der Botenstoffe im Körper zur Gruppe der Lipide.
3. Kohlenhydrate (Zucker): Ungefähr 2 % des Gewichts einer menschlichen Zelle fallen auf diese Stoffgruppe. Sie sind die primäre Energiequelle für den Körper, allen voran Glucose. Zur schnellen Verfügbarkeit werden auch sie in Energiespeichern in Form von Glykogen eingelagert, diese Speicher sind jedoch recht begrenzt. Weiterhin finden sich Kohlenhydrate als „Ketten“ oder „Bäume“ an Proteine gehaftet, dadurch ergänzen sie deren funktionelles Spektrum, vor allem im extrazellulären Raum und spielen eine Rolle bei der Zell-Zell-Interaktion.
4. Nukleinsäuren: Die wohl wichtigste Aufgabe von Nukleinsäuren besteht in der Speicherung und Weitergabe der Erbinformation, vermittelt durch die DNA. Daneben spielen sie – in Form verschiedener Klassen von RNA – auch eine essentielle Rolle in der Umsetzung dieser Information in den Aminosäuren-Code der Proteine. In menschlichen Zellen sind sie zu durchschnittlich 1,5 % der Masse vertreten.

Mit Ausnahme der Lipide liegen alle diese Stoffgruppen als Polymere vor oder können zu solchen verknüpft werden. Die Natur erreicht dadurch, dass aus wenigen, einfachen, monomeren Bausteinen durch Kombination eine riesige Anzahl komplexer Moleküle aufgebaut werden kann, die an die jeweiligen Anforderungen angepasst sind.

Monomere	Polymere
Aminosäuren	Oligopeptide und Proteine (Eiweiße)
Monosaccharide (z.B. Glucose, Fruktose, Galaktose)	Disaccharide (z.B. Saccharose, Lactose) und Polysaccharide (z.B. Stärke, Glycogen, Heteroglycane).
Purin- und Pyrimidin-Nukleotide	Nukleinsäuren (z.B. Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA))

Diese Mono- und Polymere haben charakteristische Eigenschaften:

• Polarität – Sowohl die Monomere als auch die Polymere sind meist nicht symmetrisch, sondern haben zwei verschiedene Enden. Proteine haben ein N-terminales und ein C-terminales Ende, Kohlenhydrate haben oft ein reduzierendes und ein nicht-reduzierendes Ende, Nukleinsäuren haben pro Einzelstrang ein 3'-OH- und ein 5'-OH-Ende.
• Informationsgehalt – Proteine/Peptide/Aminosäuren, Kohlenhydrate, Lipide u.a. Moleküle können Informationen tragen, die in Form der 3-dimensionalen Struktur kodiert ist. Die Decodierung erfolgt durch ein Molekül, das zu dieser Struktur komplementär aufgebaut ist. So erkennt z.B. der Insulinrezeptor spezifisch das Insulin-Peptid, ein Immunglobulin (Antikörper) erkennt spezifisch sein Antigen (z.B. ein Virus) und ein Enzym erkennt spezifisch die Substrate, die es umsetzt. In der DNA und RNA werden Informationen hingegen in einer abstrakten oder „digitalen“ Form verschlüsselt. So wird z.B. die Information für die Aminosäurensequenz eines Proteins auf der DNA – ein sog. Gen – in Form eines 4-Buchstaben-Codes abgelegt, wobei jede Aminosäure von 3 Buchstaben, d.h. einem Basentriplett, kodiert wird.

Neben den beschriebenen vier großen Gruppen kommen noch weitere chemische Verbindungen im Körper vor, wie anorganische Ionen (z.B. Phosphat oder Hydrogencarbonat), sowie eine Vielzahl organischer Verbindungen (z.B. Harnstoff, viele Vitamine), die sich nicht in eine dieser Gruppen einteilen lassen. Sie machen zusammen etwa 3,5 % der Masse einer Zelle aus.

Weblinks

• KEGG - Compounds with Biological Roles

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