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X Gramm, wobei X die relative Molekülmasse ist; enthält \$6 \times 10^{23}\$ Moleküle

12 g

180 g

58 g

Eine Lösung mit 1 Mol der Substanz pro Liter

180 mg/l

Ordnungszahl 6, Atommasse 12

1

Kohlenhydrate, Lipide, Nukleinsäuren und Proteine

200–400 kJ/mol

etwa 20 kJ/mol

4–8 kJ/mol

etwa 2 kJ/mol

Elektrostatische Anziehung zwischen permanent gegensätzlichen Ladungen

Elektrostatische Anziehung zwischen einem H-Atom mit Teilladung \$\delta^+\$ und einem elektronegativen Atom mit \$\delta^-\$

Zusammenlagerung unpolarer Moleküle in polarem Medium wie Wasser

Durch temporär ungleiche Elektronenverteilung in unpolaren Molekülen

109° (Tetraeder)

Wassermoleküle sind polar und umlagern die Ionen mit ihren \$\delta^+\$- und \$\delta^-\$-Polen

Wasseranziehend; polare Moleküle ziehen Wassermoleküle an

Wasserabweisend; unpolare Moleküle lagern sich untereinander zusammen

Eis hat eine geringere Dichte als flüssiges Wasser

Seen frieren von oben nach unten zu

Wegen der hohen Verdampfungswärme des Wassers

Wasser puffert Wärmeenergie

Kohäsion, Adhäsion und Oberflächenspannung

\$pH = -\log [H^+]\$

\$10^{-7}\$ mol/l

7

CO₂ bildet mit Wasser Kohlensäure

Für einen relativ konstanten pH-Wert

Um das Zehnfache

Wegen des Carbonat-Hydrogencarbonat-Systems; Hydrogencarbonat und Carbonat nehmen Protonen auf

Aus der Verwitterung von Gesteinen

Ein Molekül mit über 1000 Atomen

Moleküle, die durch Verbinden kleinerer Einheiten (Monomere) entstehen

Etwa 70 %

Energiequelle, extrazelluläre Strukturkomponente, Ausgangsgerüst für andere Biomoleküle, Signal- und Erkennungsstrukturen

Cellulose und Chitin

Monosaccharide, Disaccharide, Oligosaccharide und Polysaccharide

Zucker

Glykane

\$(CH_2O)_n\$ mit \$n eq 3\$

Desoxyribose

Polyhydroxycarbonylverbindungen

Hydrophil und gut wasserlöslich

Pentosen und Hexosen

In Ringform

Am C1-Atom

Am C2-Atom

Die Stellung der Hydroxylgruppe am Stereozentrum, das am weitesten von der Carbonylgruppe entfernt ist

Rechts (dexter) und links (laevus)

Zwei zusätzliche Stereoisomere, die durch Ringbildung entstehen

Furan (Furanose)

Pyran (Pyranose)

Sesselform (Pyranose)

Ketal- bzw. Acetalbildung (Kondensationsreaktion)

Glucose und Fructose

α-1→β-2-glykosidische Bindung

α-1→4-glykosidische Bindung

Unter Energieverbrauch aus aktivierter Glucose und Fructose (Kondensationsreaktion)

Hydrolyse

Aus Zuckerrohr oder Zuckerrüben

Haushaltszucker

Malzzucker

Milchzucker

Glucose + Glucose

Glucose + Galaktose

Glucose + Glucose

Cellobiose

Saccharose

Glucose

Energiespeicher und Strukturbausteine

Amylose (ca. 30 %, unverzweigt) und Amylopektin (ca. 70 %, 1,6-verzweigt)

α-1,4- und zusätzlich α-1,6-Bindungen

Als Polymer erhöht sie die Teilchenzahl nicht; sie bildet eine Helixstruktur

Glucose-Polymer (β-1,4), jede zweite Glucose um 180° gedreht

Durch Wasserstoffbrücken zwischen den Ketten

Sie verleiht der Zellwand Stabilität

Mit Lugolscher Lösung (Iod-Kaliumiodid-Lösung)

Tiefblau (Iod-Amylose-Komplexe)

Bei Bakterien, Pilzen und Tieren

Alle 8–12 Glucosereste

Alle 24–30 Glucosereste

Phosphat-, Amino- oder N-Acetyl-Gruppen

Für den Energiestoffwechsel

Für die extrazelluläre Matrix, z. B. in Knorpel oder Chitin

Aus N-Acetylglucosamin-Polymeren

Im Außenskelett von Insekten

Fette und fettähnliche Substanzen; sehr diverse Stoffgruppe

Fette, Öle, Phospholipide, Glykolipide, Cutin, Suberin, Wachse, Steroide

In unpolaren organischen Lösungsmitteln, z. B. Chloroform

Der Kohlenstoff liegt in höher reduzierter Form vor

Strukturbausteine der Biomembran

Lichtenergiesammler

Regulatorische Funktion (Hormone)

Elektrische Isolation bei Nervenzellen

Triacylglycerine (Triglyceride)

Öle sind bei Raumtemperatur flüssig, Fette sind fest

Kokosfett, Palmkernfett und Kakaobutter

Drei Fettsäuren sind über Esterbindungen an die drei Hydroxylgruppen des Glycerins gebunden

Eine gerade Anzahl (12–24), meist 16 oder 18

Eine Fettsäure ohne Doppelbindung

Cis-Doppelbindungen erzeugen Knicke, höhere Unordnung und einen niedrigeren Schmelzpunkt

Sie enthalten überwiegend langkettige gesättigte Fettsäuren

Fischöle

Durch Anlagerung von Wasserstoff werden Öle streichfähig und hitzebeständig; die Fettsäuren werden gesättigt

Bei teilweiser Härtung oder zu starkem Erhitzen von Ölen

Ungünstig auf den Fettstoffwechsel; das Risiko für Gefäßverkalkung steigt

Ca. 38–39 kJ

Ca. 17 kJ

Es wird wasserfrei gespeichert; Glykogen bindet ca. 2–3 g Wasser pro g

Zwei

An eine Phosphatgruppe mit meist einer weiteren polaren Gruppe

Mit hydrophiler und hydrophober Komponente

Eine Lipiddoppelschicht (Bilayer)

Nach innen, weg vom Wasser

Lichtabsorbierende Pigmente

Akzessorisches Pigment und Photoprotektion

Aus β-Carotin

Chromophor des Rhodopsins

Vier kondensierte Kohlenstoffringe (drei Sechsringe, ein Fünfring)

Ein Steroid mit OH-Gruppe am C3-Atom

Die Membranfluidität

Cholesterin

Pflanzenhormone

Schutz vor Wasserverlust und Pathogenen

Ester aus gesättigter langkettiger Fettsäure und gesättigtem langkettigem Alkohol

Alkane, Aldehyde, Ketone und freie Alkohole

Organismen entwickeln die am stärksten gesättigte Fettsäureform, die bei ihrer Körpertemperatur noch flüssig bleibt

Tropische Pflanzen mit hoher Temperatur haben mehr gesättigte Fettsäuren

Mehr als 50 %

20

Collagen

Eine Carboxylgruppe (-COOH) und eine Aminogruppe (-NH₂)

Aminosäure mit \$-COO^-\$ und \$-NH_3^+\$ bei physiologischem pH

Glycin

Durch Peptidbindungen

Kondensationsreaktion (Wasser wird abgespalten)

Sie bildet eine starre, ebene Einheit (Planarität)

50 bis 30.000 (Insulin 51, Titin ca. 34.000–35.000)

Die Sequenz der Aminosäuren

α-Helix oder β-Faltblatt, Turns/Loops

Die dreidimensionale Struktur der gesamten Polypeptidkette

Zusammenlagerung mehrerer Polypeptide

Durch Wasserstoffbrücken zwischen C=O- und N-H-Gruppen

Parallel oder antiparallel

Wasserstoffbrücken, Disulfidbrücken, hydrophobe Wechselwirkungen, Ionenbindungen, Van-der-Waals-Kräfte

Zwei SH-Gruppen von Cysteinresten bilden eine kovalente S–S-Bindung

Reduktionsmittel spalten Disulfidbrücken, Haare werden gewickelt, Oxidationsmittel bilden neue Brücken

So, dass die freie Energie von Protein + Wasser minimal ist

Das Wasser gewinnt Bewegungsfreiheit, da unpolare Seitenketten es nicht mehr einschränken

Die Primärstruktur bestimmt die Tertiärstruktur (Ribonuclease A, Nobelpreis 1972)

Freigelegte hydrophobe Bereiche gehen neue Wechselwirkungen ein

Sie schirmen Proteine gegen unerwünschte Kontakte ab und sorgen für korrekte Faltung

AlphaFold (KI-gestützte Strukturvorhersage)

Ein Käfig mit Deckel, innen mit hydrophoben Aminosäuren ausgekleidet

Die Primärstruktur

Aus zwei α- und zwei β-Untereinheiten (\$\alpha_2eta_2\$) mit je einer Hämgruppe

Z. B. Ribosomen und Photosysteme

Biokatalysatoren, die Reaktionen beschleunigen, ohne verbraucht zu werden

Enzyme aus RNA

Am aktiven Zentrum

Nein

Sie erniedrigen die Aktivierungsenergie und stabilisieren den Übergangszustand

Organische Nicht-Protein-Moleküle, dauerhaft an das Protein gebunden (z. B. Häm in Katalase)

Metallionen, permanent an Enzyme gebunden (z. B. Zink an ADH, Kupfer in Cytochrom-c-Oxidase)

Nicht dauerhaft am Enzym gebundene Moleküle, z. B. NAD⁺/NADH

Plastocyanin-Ferredoxin-Oxidoreduktase (lichtabhängig) mit vielen Cofaktoren

Ca. 1 MDa (Trimer)

Aus Nukleotiden (Polymere)

Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin, Uracil

Pentose + Stickstoffbase, ohne Phosphatgruppe

Adenosinmonophosphat (AMP) mit zwei zusätzlichen Phosphatresten

Ribose (RNA) und Desoxyribose (DNA)

Phosphodiesterbindung

5'-3'-Polarität

Kopien von Gensequenzen für die Proteinsynthese

Sie helfen bei der Proteinsynthese

rRNAs

rRNA, tRNA, snRNA, snoRNA, miRNA, siRNA, lncRNA

Kurze Nukleotidketten (ca. 2–50 nt)

18–25 nt

Cytosin, Thymin und Uracil

Adenin und Guanin

A=T: 2; G≡C: 3

Uracil

Replikation, Transkription und Translation

DNA zu DNA

DNA zu RNA

RNA zu Protein

Einzelsträngig (doppelsträngige Abschnitte möglich), Ribose, Uracil statt Thymin

Doppelsträngig, antiparallel, rechtsgängige Helix (B-DNA), Desoxyribose, Thymin statt Uracil

Uracil entsteht leicht durch Desaminierung aus Cytosin und wäre zweideutig; Thymin hat eine zusätzliche Methylgruppe

Durch Basenexzisionsreparatur wird es gegen Cytosin ausgetauscht

Es ist billiger in der Herstellung (kein Methylrest)

Vor 4,54 Milliarden Jahren

Vor circa 4,2 Milliarden Jahren

Flüssiges Wasser bereits vor ca. 4,4–4,3 Mrd. Jahren

Aus kohligen-chondritischen Asteroiden und evtl. Kometen

Europa, Ganymed, Enceladus und Titan

\$H_2\$, \$NH_3\$, \$CH_4\$, \$H_2O\$

1952

Blitze

Biomoleküle wie Aminosäuren

Präbiotische Synthese von Biomolekülen im Kalten (Astrobiologie, kosmische Strahlung)

Glas (Gestein) wirkt als Katalysator

Glycin

Nukleobasen, Zucker (Ribose) und Aminosäuren

Ein Gemisch aus D- und L-Form

Kleiner Himmelskörper aus Gestein oder Metall, meist zwischen Mars und Jupiter

Kleiner Himmelskörper mit viel Eis und Staub, der nahe der Sonne einen Schweif bilden kann

Ein Bruchstück aus dem All, das auf der Erde landet

An Oberflächen wie Tonmineralen und in heißem, sauerstofffreiem Wasser mit Metallen (Tiefseeschlote)

Sie konzentrieren Monomere auf

Dafür braucht man DNA, RNA und Ribosomen

Katalytische rRNA im Ribosom; 150–200 nt lange RNAs katalysieren RNA-Polymerisation

Die 23S-rRNA im Ribosom

ATP, NAD, FAD und CoA sind Ribonukleotid-Derivate

Aus Ribonukleotiden

RNA diente als Informationsspeicher und Katalysator, bevor Proteine und DNA dazukamen

Wichtigster Informationsspeicher

Aus einem Fettsäure-Vesikel mit Doppelschicht

Hält Nukleinsäuren zurück, lässt Zucker und Nukleotide durch

3,5 Milliarden Jahre

Heutigen Cyanobakterien und anderen Prokaryoten

\$^{13}C/^{12}C\$-Signatur im Gestein

Mikrobielle Lebensgemeinschaften, die Sedimentkörnchen zusammenhalten

Cyanobakterien

Frühes Leben, aber nicht notwendigerweise seine Entstehung

Eukaryoten entstanden innerhalb der Asgard-Archaeen

α-Proteobakterium (Symbiont) und methanogenes Archaeon (Wirt)

Wasserstoff

Wasserstoff (methanogen, autotroph)

Das Mitochondrium

Der Wirt wird heterotroph

Mitochondrien, Plastiden, Korallen, Flechten, Mykorrhiza, Knöllchenbakterien

Dinoflagellaten

Sauerstoff (Great Oxidation Event) für aerobe Atmung und Ozonschicht (Landleben)

Die Dichteanomalie des Wassers (maximale Dichte bei 4 °C)