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Einführung in Makromolekülen

Arten von großen biologischen Molekülen. Monomere, Polymere, Kondensationsreaktion und Hydrolyse.

Einführung

Erinnere dich daran, was du heute zum Mittag gegessen hast. Waren auf einem der Lebensmittel die Nährwerte auf der Verpackung aufgedruckt? Wenn du dir die Proteine, Kohlenhydrate und Fette angeschaut hast, die in dem Essen enthalten waren, dann bist du schon vertraut mit einigen Arten von großen biologischen Molekülen, um die es in diesem Kapitel geht. Wenn du dich fragst, was so etwas seltsam Klingendes wie "große biologische Moleküle" in deinem Essen zu suchen hat: Sie versorgen dich mit den Bausteinen, die deinen Körper erhalten – denn dein Körper besteht auch aus großen biologischen Molekülen!
So wie du dich als Anordnung von Atomen oder als laufenden, sprechenden Wasserbeutel betrachten kannst, kannst du dich auch als Sammlung der vier Haupttypen an großen biologischen Molekülen sehen: Kohlenhydrate (Zucker), Lipide (Fette), Proteine (Eiweiße) und Nukleinsäuren (DNA und RNA). Das bedeutet nicht, dass es nur diese Moleküle in deinem Körper gibt, sondern vielmehr, dass deine wichtigsten großen Moleküle in diese Gruppen eingeteilt werden können. Gemeinsam machen diese vier Gruppen großer biologischer Moleküle die Mehrheit der Trockenmasse einer Zelle aus. (Wasser, ein kleines Molekül, macht den Großteil der Feuchtmasse aus).
Große biologische Moleküle führen eine weite Bandbreite an Aufgaben in einem Organismus durch. Einige Kohlenhydrate speichern den Kraftstoff für einen zukünftigen Energiebedarf und einige Lipide sind wichtige strukturelle Komponenten in Zellmembranen. Nukleinsäuren speichern und übertragen Erbinformationen, von denen die meisten Anleitungen für die Herstellung von Proteinen zur Verfügung stellen. Proteine selbst besitzen vielleicht das breiteste Spektrum an Funktionen: einige werden für den Zellaufbau benötigt, aber die meisten sind wie kleine Maschinen, die eine bestimmte Aufgabe in einer Zelle durchführen, wie zum Beispiel die Katalyse von Stoffwechselvorgängen oder den Empfang und die Weiterleitung von Signalen.
Wir werden uns im weiteren Verlauf genauer mit Kohlenhydraten, Lipiden, Nukleinsäuren und Proteinen beschäftigen. Aber jetzt schauen wir uns erstmal die wichtigsten chemischen Reaktionen an, durch die diese Moleküle auf- und abgebaut werden.

Monomere und Polymere

Die meisten großen biologischen Moleküle sind Polymere, lange Ketten bestehend aus sich wiederholenden molekularen Untereinheiten oder Bausteinen, genannt Monomere. Wenn du dir ein Monomer als eine Perle vorstellst, entspricht ein Polymer einer Halskette aus aneinander gereihten Perlen.
Kohlenhydrate, Nukleinsäuren und Proteine kommen in der Natur oft als lange Polymere vor. Aufgrund ihres Polymer-Charakters und ihrer großen (manchmal riesigen!) Größe, werden sie als Makromoleküle, große (Makro-)Moleküle aus der Verbindung kleinerer Untereinheiten, bezeichnet. Lipide sind normalerweise keine Polymere und kleiner als die anderen drei. Daher werden sie in einigen Quellen nicht als Makromoleküle bezeichnet.1,2 Andere Quellen verwenden den Begriff "Makromoleküle" jedoch nicht so streng, sondern als allgemeine Bezeichnung für alle vier Arten von großen biologischen Molekülen.3,4 Dabei handelt es sich nur um einen Unterschied in der Benennung, um den du dich nicht weiter kümmern musst. Merke dir einfach, dass Lipide eine der vier Haupttypen an großen biologischen Molekülen sind, aber im Allgemeinen keine Polymere bilden.

Kondensationsreaktion

Wie bilden sich Polymere aus Monomeren? Große biologische Moleküle werden oft mithilfe einer Kondensationsreaktion zusammengesetzt, bei der ein Monomer eine kovalente Bindung zu einem anderen Monomer (oder einer wachsenden Kette von Monomeren) unter Abspaltung von Wasser bildet. Laufen mehrere Kondensationsreaktionen hintereinander für die Bildung eines Polymers ab, wird dies auch als Polykondensationsreaktion bezeichnet.
Konsationsreaktion zwischen zwei Glukose-Molekülen, wobei ein Molekül Maltose gebildet und ein Wassermolekül abgespalten wird.
In der obigen Kondensationsreaktion verbinden sich zwei Moleküle des Zuckers Glukose (Monomere) zu einem einzigen Molekül des Zuckers Maltose. Bei der Entstehung der neuen kovalenten Bindung zwischen den beiden Glukose-Molekülen wird ein Wassermolekül, bestehend aus dem H eines der beiden Glukose-Moleküle und einer OH-Gruppe des anderen Glukose-Moleküls, freigesetzt. Wenn weitere Monomere durch die gleiche Reaktion gebunden werden, wird die Kette länger und länger und ein Polymer entsteht.
Auch wenn Polymere aus sich wiederholenden Monomer-Einheiten bestehen, gibt es eine große Vielfalt in ihrer Form und Zusammensetzung. Kohlenhydrate, Nukleinsäuren und Proteine können alle mehrere verschiedene Arten von Monomeren enthalten und ihre Zusammensetzung und Reihenfolge ist wichtig für ihre Funktion. Es gibt zum Beispiel vier verschiedene Nukleotid-Monomere in deiner DNA, sowie zwanzig verschiedene Arten von Aminosäure-Monomeren, die häufig in den Proteinen deines Körpers vorkommen. Sogar eine einzige Monomer-Art kann verschiedene Polymere mit unterschiedlichen Eigenschaften bilden. Stärke, Glykogen und Zellulose sind zum Beispiel alles Kohlenhydrate aus Glukose-Monomeren, aber sie besitzen unterschiedliche Bindungs- und Verzweigungsmuster.

Hydrolyse

Wie werden Polymere zurück in Monomere umgewandelt (wenn der Körper beispielsweise ein Molekül recyclen muss, um ein anderes zu bilden)? Polymere werden durch Hydrolyse zu Monomeren abgebaut, in der eine Bindung durch Zugabe von Wasser aufgebrochen (lysiert) wird.
Bei der Hydrolyse wird ein Molekül, das aus mehreren Untereinheiten besteht, in zwei Teile gespalten: Eins der neuen Moleküle bindet ein Wasserstoffatom, während das andere eine Hydroxylgruppe (-OH) bindet, beide aus der Spaltung von Wasser entstanden. Dabei handelt es sich um die Umkehrung der Kondensationsreaktion. Bei der Reaktion wird ein Monomer freigesetzt, das für die Herstellung eines neuen Polymers verwendet werden kann. In der unterstehenden Hydrolyse spaltet zum Beispiel ein Wassermolekül Maltose und setzt zwei Glukose-Monomere frei. Diese Reaktion ist die Umkehrung der obenstehenden Kondensationsreaktion.
Hydrolyse von Maltose, bei der ein Maltose-Molekül mit einem Wassermoleküle reagiert, wobei zwei Glukose-Monomere entstehen.
Die Kondensationsreaktion baut Moleküle auf und benötigt in der Regel Energie, während die Hydrolyse Moleküle spaltet und in der Regel Energie freisetzt. Kohlenhydrate, Proteine und Nukleinsäuren werden durch diese beiden Reaktionen gebildet und gespalten, auch wenn jeweils unterschiedliche Monomere an der Reaktion beteiligt sind. (In einer Zelle werden Nukleinsäuren eigentlich nicht durch eine Kondensationsreaktion polymerisiert; wir lernen ihre Herstellung im Artikel Nukleinsäuren kennen.) Und Kondensationsreaktionen sind auch bei der Herstellung bestimmter Arten von Lipiden beteiligt, auch wenn Lipide keine Polymere sind.3
Im Körper katalysieren, oder beschleunigen, Enzyme sowohl die Kondensations- als auch die Hydrolysereaktionen. Enzyme, die an der Spaltung von Bindungen beteiligt sind, bekommen oft Namen, die mit einem -ase enden: Das Enzym Maltase spaltet zum Beispiel Maltose, Lipasen spalten Lipide und Peptidasen spalten Proteine (auch bekannt als Polypeptide, wie wir im Artikel zu Proteinen sehen werden). Wenn Nahrung durch unser Verdauungssystem wandert – und zwar ab dem Moment, in dem sie auf unseren Speichel trifft – wird sie von solchen Enzymen bearbeitet. Die Enzyme spalten große biologische Moleküle auf und setzen kleinere Bausteine frei, die leicht vom Körper aufgenommen und verwendet werden können.

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