Oxidation und Reduktion:

Oxidationsreaktionen erkennt man

- an der Zunahme der Anzahl der Bindungen zu O

und/oder

- an der Abnahme der Anzahl der Bindungen zu H.

Oxidationsreaktionen sind immer exergonisch.

Reduktionsreaktionen erkennt man

- an der Abnahme der Anzahl der Bindungen zu O

und/oder

- an der Zunahme der Anzahl der Bindungen zu H.

Reduktionsreaktionen sind immer endergonisch.

Wichtige biologische Verbindungsklassen von Carbonketten:

Alkane haben nur H-Atome, die am C-Atomen sitzen.

Alkanole (Alkohole) haben eine funktionelle OH-Gruppe (Hydroxylgruppe) an einem C-Atom, sie sind schwach sauer, weil die OH-Gruppe ein H-Kation abspalten kann.

Alkanale (Aldehyde) zeichnen sich durch eine Doppelbindung zu O und einer Einfachbindung zu H aus

Alkansäuren (Carbonsäuren) haben eine Doppelbindung zu O UND eine OH-Verbindung, welche stark sauer ist, die gesamte Gruppe nennt man Carboxylgruppe.

Durch eine sogenannte Decarboxylierung kann man eine absolute und endgültige Oxidation durchführen, es gibt dann 4 Elektronenpaarbindungen zu O und keine Bindung zu H.

Säuren und Basen:

Säuren sind Protonendonatoren, sie können H⁺ Kationen abspalten. Das abgespaltene Proton verbindet sich mit einem H₂O-Molekül zu einem H₃O-Kation namens Hydroniumkation.

Basen (Laugen) sind Protonenakzeptoren, sie können H⁺ Kationen aufnehmen, dabei entsteht ein OH^- Anion namens Hydroxidanion

Fette (Lipide)

Fette sind die Ester des Triglycerins.

An ein Glycerinmolekül, das ist ein Propantriol, wird durch eine Esterbindung an jede der drei OH-Gruppen des Triglycerins eine Fettsäure angehängt. Es gibt verschiedene Fettsäuren und somit auch die verschiedensten Triglyceride.

Die biologischen Funktionen von Fetten sind:

- Energiespeicher (1kg Fett entsprechen 10.000 kcal., bzw. 42.000 Joule)

- Isoliermittel zur Wärmedämmung

- Lösemittel für unpolare Stoffe

- Ausgangsverbindung für Biomembran

Wiederholung: Esterbindung

Eine Esterbindung entsteht wenn sich eine OH-Gruppe (Hydroxylgruppen) und eine Carboxylgruppe begegnen.

Das H-Atom der Hydroxylgruppe und die OH-Verbindung der Carboxylgruppe verbinden sich zu einem Wassermolekül. Das übriggebliebene O-Atom der Hydroxylgruppe und das unbesetzte C-Atom (mit der Doppelbindung zu O) der Carboxylgruppe verbinden sich nun. Die Estherbindung ist komplett. Das O-Atom hat jetzt eine Einzelbindung zum C-Atom, dieses hat wiederum eine Doppelbindung zum O-Atom und eine konventionelle Bindung zum nächsten C-Atom.   

Kohlenhydrate (z.B. Glucose)

Die Summenformel für die Glucose lautet C₆H₁₂O₆ .

Bei der "normalen" Glucose, dem Traubenzucker, befindet sich am ersten C-Atom, nennen wir es C₁, eine Carbonylgruppe (< Doppelbindung zu O, Einfachbindung zu H).

An C₂-C₅ befinden sich Hydroxylgruppen (< OH-Gruppen), und ein H-Atom.

Die Richtung in welche die Hydroxylgruppen zeigen ist asymmetrisch und folgt folgender Regel: rechts, links, rechts, rechts (als Eselsbrücke ta, tü ,ta ,ta ).

An C₆ befindet sich wieder eine Hydroxylgruppe, aber dieses mal mit zwei H-Atomen.

Die Kettenstrukturform der Glucose nennt man D-Glucose.

Es gibt jedoch auch eine Ringstrukturform der Glucose.

Dabei verbindet sich C₁ mit C₅ . Die Hydroxylgruppe des C₅ übergibt ein H-Atom an das O-Atom der Alkanalgruppe des C₁ . Die Doppelbindung dieses O-Atoms zum C₁ wir dann zu einer Einfachbindung. Das dabei unbesetzt gewordene Elektronenpaar verbindet sich mit dem O-Atom der Hydroxylgruppe des C₅ . Die Abfolge lautet grob gesprochen C₁-O-C₅. Das C₆ steht nun nach oben von der Kette ab.

Von der Kettenstrukturform der Glucose gibt es zwei Formen.

Bei der a- Form der Glucose zeigt, die Hydroxylgruppe des C₅ nach unten, bei der b- Form zeigt diese Hydroxylgruppe nach oben.

Ein weiteres Kohlenhydrat ist die Fructose. Bei ihr befindet sich die Carbonylgruppe (Doppelbindung zu O) nicht am C₁ sondern am C₂ . Dies bewirkt, daß die Ringstrukturform der Fructose aus einer Verbindung von C₂ und C₅ besteht.

Kohlenhydrate können sich untereinander verbinden.

Wenn sich zum Beispiel zwei Glucosemoleküle verbinden, indem sich das rechts außen liegende C₁ des einen Glucosemoleküls mit dem links außen liegenden C₄ des anderen Glucosemoleküls verknüpft, entsteht in diesem Fall Maltose (Malzzucker).

Wenn sich viele a Glucosemoleküle in einer Kette aneinanderreihen spricht man von Stärke (Amylose).  Diese langen Ketten könne auch in Form der Sekundärstruktur vorkommen. Dann bildet sich eine Helix, die durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert wird. Stärke ist mäßig gut wasserlöslich.

Ein Nachweis für die Sekundärstruktur der Stärke ist wenn sich Jod im Innenraum der Helix einlagert, dann färbt sich die Stärke blau.

Wenn sich b- Glucosemoleküle aneinanderreihen entsteht die kettenförmige Cellulose.

Cellulose ist nicht wasserlöslich aber quellbar, d.h. Cellulose kann Wasser wie ein Schwamm aufnehmen.

Aminosäuren

Aminosäuren bestehen aus einer Aminogruppe (NH₂) die eine Einfachbindung zum ersten C-Atom hat. An diesem C-Atom hängen oben ein H-Atom, unten einer von 20 biologisch möglichen Resten und rechts ein zweites C-Atom mit einer Carboxylfunktion (Doppelbindung zu O, und eine Einzelbindung zu einer OH-Verbindung). Dies ist die a- Aminosäure.

Die Aminogruppe ist wegen des freien Elektronenpaares des Stickstoffatoms(N)

basisch. Die Carboxylgruppe wegen der OH-Gruppe sauer.

Es gibt auch eine b- Form der Aminosäuren. Bei ihr gibt es zwischen der Aminogruppe und der Carboxylgruppe zwei anstatt einem C-Atom.

Da die Aminogruppe basisch und die Carboxylgruppe sauer ist, kann die Carboxylgruppe ein Proton abspalten, welches die Aminogruppe aufnimmt.

Mehrere Aminosäuren können sich durch Peptidbindungen verbinden.

Dabei verbindet sich die OH-Verbindung der Carboxylgruppe der ersten Aminosäure mit einem H-Atom der Aminogruppe der zweiten Aminosäure zu H₂O. Das C-Atom der Carboxylgruppe der ersten Aminosäure verbindet sich mit dem Stickstoff der Aminogruppe der zweiten Aminosäure. Die Peptidverbindung besteht jetzt aus dem zweiten C-Atom der ersten Aminosäure an dem per Doppelbindung unten ein O hängt. Rechts hängt an diesem C-Atom das N-Atom der Aminogruppe der zweiten Aminosäure.

Mehrere auf diese Weise aneinandergebundene Aminosäuren heißen Polypeptide oder Proteine. Wegen den verschiedenen Aminosäuren, die sich auf verschiedene Weise zusammensetzen, gibt es unfaßbar viele Kombinationsmöglichkeiten. Deshalb muß eine Zelle die Informationen über den Aufbau der benutzten Proteine in Form der DNS speichern.

Peptidbindungen sind nicht drehbar, weil das freie Elektronenpaar des N-Atoms

zur Bindung zwischen C und N springt. Die dabei entstehende Doppelbindung ist nicht drehbar. Die Form mit der Doppelbindung zwischen C und N nennt sich Enolform, diese Form und die normale Form wechselt ca.10.000 mal per Sekunde.

Die Form von Proteinen wird in 4 verschiedenen Strukturebenen beschrieben.

Die Primärstruktur gibt die Reihenfolge der verschiedenen Aminosäuren innerhalb der Kette an. Diese Ebene wird durch Peptidbindungen gebildet.

Die Sekundärstruktur gibt an ob es sich um eine a- Helix oder um eine b- Faltblattstruktur handelt. Ob ein Protein durch Wasserstoffbrückenbindung eine a- Helix oder eine b- Faltblattstruktur bildet hängt von den Aminosäuren ab.

Die Tertiärstruktur gibt die raumerfüllende (3D) Gestalt des Proteins an, die aus den Elementen der Sekundärstruktur besteht. Die Bindungen, welche diese Ebene darstellen sind:

a.)   Sulfidbrücke: Hier verbinden sich zwei SH-Verbindungen durch das abwerfen des H-Atoms. Die beiden S-Atome sind dann direkt verbunden, dabei bleibt H₂ übrig.

b.)   Ionenbindung: Durch die Übergabe eines Protons zwischen einem sauren und einem basischen Aminorest kann eine Verbindung hergestellt werden.

c.)   Wasserstoffbrückenbindung: Ein freies Elektronenpaar eines O-Atoms kann sich mit einem H-Atom schwach verbinden.

d.)   Hydrophobe Wechselwirkung: Zwischen hydrophoben Kohlenwasserstoffketten kann es zu einer Verbindung kommen, wenn sie auf engsten Raum zusammengedrängt werden.

Die Quartiärstruktur gibt an wie sich verschiedene Proteine ineinander verknüpfen (z.B. wie Hämoglobin)