Biomoleküle

Biomoleküle sind organische Moleküle, die von lebenden Organismen produziert werden. Sie setzen sich hauptsächlich aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff zusammen.

Biomoleküle werden grob in drei Typen unterteilt:
Monomere Aminosäuren, Nukleotide, Monosaccharide.
Polymere Proteine, Enzyme, Kohlenhydrate, Nukleinsäuren, Lipide.
Kleine Moleküle Wasser, Vitamine.

Proteine

Proteine machen 10-30 Prozent der Zellmasse aus. Die Hauptelemente, aus denen Proteine bestehen, sind Kohlenstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Sauerstoff und manchmal Schwefel. Die Primärstruktur eines Proteins ist die Aminosäuresequenz der Peptidkette. Aminosäuremonomere werden durch Peptidbindungen zu einer Peptidkette verbunden, die wiederum funktionelle Proteine bildet. Zu den funktionellen Proteinen gehören Enzyme, Hämoglobin, Hormone und Antikörper. Die Sekundärstruktur wird durch Wasserstoffbrückenbindungen der Peptidkette gebildet. Die dreidimensionale Tertiärstruktur entsteht durch die Faltung der Proteine in Schichten, Bündeln oder Kügelchen. Die räumliche Anordnung der verschiedenen Untereinheiten von Proteinen (Tertiärstruktur) ergibt die Quartärstruktur.

Enzyme

Enzyme sind spezialisierte Eiweissmoleküle, die die meisten Stoffwechselvorgänge im Körper erleichtern, wie z. B. die Katalyse biochemischer Reaktionen, die Energieversorgung, die Verdauung von Nahrungsmitteln, die Blutreinigung und die Beseitigung von Abfallstoffen. Sie werden in zwei Hauptgruppen unterteilt: Stoffwechselenzyme und Verdauungsenzyme. Enzyme helfen bei der Bekämpfung des Alterns, der Gewichtsabnahme, der Senkung des Cholesterinspiegels, der Reinigung des Dickdarms, dem Abbau von Fetten, der Stärkung des Immunsystems, der Verbesserung der geistigen Leistungsfähigkeit, der Entgiftung des Körpers, dem Aufbau von Muskeln aus Eiweiss, der Beseitigung von Kohlendioxid aus der Lunge usw. Egal, wie gesund wir uns ernähren oder wie viele Vitamine und Mineralien wir in unsere Ernährung einbauen, ohne die körpereigenen Enzyme nützen diese Stoffen nichts. Bekannte Enzyme: Lipase (Fettabbau), Protease (Eiweissabbau), Cellulase (Faserabbau), Amylase (Stärkeabbau), Laktase (Spaltung Milchzucker), Sucrase (Spaltung Saccharose), Maltase (Spaltung Maltose).

Nukleinsäuren

Nukleinsäuren: Nukleotide sind durch eine Phosphodiesterbindung verbunden und bilden ein Nukleinsäurepolymer. Es besteht im Wesentlichen aus Basen, Zucker und Phosphat. Je nach Zucker wird die Nukleinsäure in Desoxyribonukleinsäure oder DNA (mit Desoxyribosezucker) und Ribonukleinsäure oder RNA (mit Ribosezucker) unterteilt. Die DNA liegt in Form einer Doppelhelix vor. RNA liegt in Form einer Stielschleife und eines Kleeblatts vor. Verbindungen, die den Nukleinsäuren ähnlich sind, werden als Nukleinsäureanaloga oder künstliche Nukleinsäuren bezeichnet. Beispiele sind Peptid-Nukleinsäure (PNA), Morpholino und Locked Nucleic Acid (LNA) sowie Glycol Nucleic Acid (GNA) und Threose Nucleic Acid (TNA). Jede dieser Nukleinsäuren unterscheidet sich von natürlich vorkommender DNA oder RNA durch Veränderungen im Molekülgerüst. Künstliche Nukleinsäuren werden in der molekularbiologischen und gentechnischen Forschung eingesetzt.

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind organische Moleküle mit der allgemeinen Formel CHO im Verhältnis 1: 2: 1. Monosaccharide sind durch glykosidische Bindungen zu Kohlenhydraten verbunden. Obwohl Kohlenhydrate nur 1 bis 2 Prozent der Zellmasse ausmachen, liefern sie den Rohbrennstoff für die zelluläre Energieproduktion. Kohlenhydrate werden nach ihrer Molekülgrösse und Löslichkeit eingeteilt. Im Allgemeinen sind die kleineren Moleküle besser löslich als die grösseren. Zu den Monosacchariden gehören Glucose, Fructose, Galactose, Desoxyribose und Ribose. Monosaccharide (die aus einer einzigen Zuckereinheit bestehen) sind die einfachsten Kohlenhydrate. Glukose, ein 6-Kohlenstoff-Zucker (Hexose), ist der Zucker in unserem Blut. Fruktose, der Zucker, mit dem Obst gesüsst wird, und Laktose, der Zucker in der Milch, haben die gleiche chemische Formel wie Glukose und sind daher Isomere von Glukose. Glukose kann eine gerade Kette von Kohlenstoffatomen haben oder, was häufiger der Fall ist, eine Ringstruktur bilden. Zwei weitere 5-Kohlenstoff-Zucker oder Monosaccharide (Pentose genannt), die in der Nukleinsäuresynthese verwendet werden, sind Desoxyribose und Ribose. Zwei Monosaccharide werden durch Dehydratationssynthese zu einem Disaccharidmolekül zusammengefügt. Zu den Zweifachzuckern gehören Saccharose, Laktose und Maltose. Glucose + Fructose = Saccharose (Haushaltszucker) + Wasser Glucose + Galactose = Lactose (Milchzucker) + Wasser Glucose + Glucose = Maltose (Malzzucker) + Wasser Zu den Polysacchariden gehören Stärke, Zellulose und Glykogen. Diese langen, kettenartigen Polymere eignen sich aufgrund ihrer Unlöslichkeit ideal als Speichermoleküle. Stärke ist das Speichermolekül, das von Pflanzen aus Glukose synthetisiert wird. Zellulose, die ebenfalls von Pflanzen für den Aufbau von Zellwänden synthetisiert wird, ist unverdaulich, da uns Enzyme für sie fehlen. Zellulose liefert Ballaststoffe, die die Peristaltik fördern. Glykogen ist das Speicherpolysaccharid bei Tieren. Es wird in der Leber gespeichert.

Lipide

Lipide: Phospholipide und Steroide sind Lipide von biologischer Bedeutung. Fette und Öle bestehen aus zwei Arten von Molekülen: Glycerin (eine Art Alkohol mit einer Hydroxylgruppe an jedem seiner drei Kohlenstoffatome) und drei Fettsäuren, die durch Dehydratationssynthese verbunden sind. Phospholipide bestehen aus Glycerin, zwei Fettsäuren und (anstelle der dritten Fettsäure) einer Phosphatgruppe, an deren anderes Ende ein anderes Molekül gebunden ist. Wachse sind Ester von Fettsäuren mit langkettigen einwertigen Alkoholen (eine Hydroxylgruppe). Steroide haben eine völlig andere Struktur als die anderen Lipidklassen. Das Hauptmerkmal der Steroide ist das Ringsystem aus drei Cyclohexanen und einem Cyclopentan in einem verschmolzenes Ringsystem. Zu den Steroiden gehören so bekannte Verbindungen wie Cholesterin und Sexualhormone. Nahezu die gesamte vom menschlichen Körper benötigte Energie wird durch die Oxidation von Kohlenhydraten und Lipiden bereitgestellt. Während Kohlenhydrate eine leicht verfügbare Energiequelle darstellen, dienen Lipide in erster Linie als Energiereserve. Die Menge der als Energiereserve gespeicherten Fette übersteigt bei weitem die als Glykogen gespeicherte Energie, da der menschliche Körper im Vergleich zu den Fetten einfach nicht so viel Glykogen speichern kann. Lipide liefern 9 kcal Energie pro Gramm, während Kohlenhydrate und Proteine nur 4 kcal Energie pro Gramm liefern. Lipide oder Fette werden in den Zellen des gesamten Körpers gespeichert, hauptsächlich in speziellen Arten von Bindegewebe, dem so genannten Fettgewebe oder Depotfett. Während viele Zellen Phospholipide in den zweischichtigen Zellmembranen enthalten, bestehen die Zellen des Fettgewebes aus Fettkügelchen aus Triglyceriden, die bis zu 90 % des Zellvolumens einnehmen können. Neben der Energiespeicherung erfüllt das Depotfett eine Reihe weiterer Funktionen. Fett dient als Schutzpolster und bietet strukturelle Unterstützung, um Verletzungen von lebenswichtigen Organen wie Herz, Leber, Nieren und Milz zu verhindern. Fett isoliert den Körper vor Wärmeverlusten und extremen Temperaturschwankungen. Gleichzeitig können Fettdepots unter der Haut verstoffwechselt werden, um als Reaktion auf eine niedrigere Hauttemperatur Wärme zu erzeugen. Da Lipide im Blut nicht löslich sind, werden sie nach Reaktion mit wasserlöslichen Proteinen als Lipoproteine transportiert.

Vitamine

Vitamine sind organische Substanzen, die als Coenzym und/oder Regulator von Stoffwechselprozessen wirken. Es gibt 13 bekannte Vitamine, von denen die meisten in Lebensmitteln oder Nahrungsergänzungsmitteln enthalten sind; einige werden vom Körper selbst hergestellt. Vitamine sind für viele Körperfunktionen von entscheidender Bedeutung. Vitamine werden in zwei Kategorien eingeteilt: Fettlösliche Vitamine werden im Körper gespeichert. Wasserlösliche Vitamine müssen vom Körper sofort verwertet werden. Überschüssige wasserlösliche Vitamine verlassen den Körper über den Urin. Vitamin B12 ist das einzige wasserlösliche Vitamin, das über viele Jahre in der Leber gespeichert werden kann.

Wasser

Wasser ist der lebenswichtige Nährstoff. Der menschliche Körper kann wochenlang ohne Nahrung auskommen, aber nur wenige Tage ohne Wasser. Die gesamte Körpermasse besteht zu etwa 80 % aus Wasser. Wasser bildet die Grundlage von Blut, Verdauungssäften, Urin und Schweiss und ist in mageren Muskeln, Fett und Knochen enthalten. Da der Körper kein Wasser speichern kann, brauchen wir jeden Tag frische Zufuhr, um die Verluste durch Lunge, Haut, Urin und Fäkalien auszugleichen. Die Menge, die wir benötigen, hängt von unserem Stoffwechsel, dem Wetter, der Nahrung und unserem Aktivitätsniveau ab. Wasser ist nicht nur ein lebenswichtiger Nährstoff, sondern auch ein hervorragendes Lösungsmittel. Obwohl sich nicht alles in Wasser auflöst, wird es oft als das „universelle Lösungsmittel“ bezeichnet. Wasser ist ein polares Molekül und seine Geometrie ist so beschaffen, dass die Elektronen nicht gleichmässig über das gesamte Molekül verteilt sind. So ist das Ende des Moleküls mit der grösseren Elektronendichte leicht negativ und das andere leicht positiv. Dies ist einer der Gründe, warum Wasser bei einer so hohen Temperatur kocht - seine Moleküle kleben fest aneinander und es erfordert viel Energie, um sie auseinander zu bringen. Wasser löst im Allgemeinen andere Stoffe, die ebenfalls polar sind, aber keine unpolaren Stoffe wie Öl.