Chemische Grundlagen für die Biotechnologie: Von Atomen zu Biomolekülen

Ordnungszahl (Z)

Anzahl der Protonen im Atomkern. Legt fest, um welches chemische Element es sich handelt. In neutralen Atomen = Anzahl der Elektronen.

Massenzahl (A)

Summe der Protonen und Neutronen im Kern. A ≈ Atommasse in u. A = Z + Neutronenzahl.

Isotop

Atome desselben Elements (gleiche Ordnungszahl Z), aber mit unterschiedlicher Neutronenzahl und damit unterschiedlicher Massenzahl A.

Valenzelektronen

Elektronen in der äußersten besetzten Schale eines Atoms. Sie bestimmen wesentlich die chemische Reaktivität und Bindungsfähigkeit.

Schalenmodell

Vereinfachtes Atommodell, in dem Elektronen in konzentrischen Schalen (K, L, M, … bzw. n = 1, 2, 3, …) um den Kern angeordnet sind.

Atom

Kleinste Einheit eines Elements, die dessen chemische Eigenschaften besitzt. Besteht aus Kern (Protonen, Neutronen) und Elektronenhülle.

Periode (im Periodensystem)

Waagerechte Zeile im Periodensystem (1–7). Die Nummer entspricht grob der Zahl der besetzten Elektronenschalen eines Atoms.

Gruppe (im Periodensystem)

Senkrechte Spalte (1–18). Elemente einer Gruppe haben ähnliche Valenzelektronenkonfigurationen und dadurch ähnliche chemische Eigenschaften.

s-, p-, d-, f-Block

Einteilung nach dem Typ der Orbitale, in denen die Valenzelektronen sitzen: s-Block (Gruppen 1–2 + He), p-Block (13–18), d-Block (3–12, Übergangsmetalle), f-Block (Lanthanoide, Actinoide).

Metall

Element mit typischerweise guter Leitfähigkeit, metallischem Glanz, Verformbarkeit und Tendenz zur Bildung von Kationen (Elektronenabgabe).

Nichtmetall

Element mit meist schlechter Leitfähigkeit, oft gasförmig oder spröde fest. Bildet eher Anionen oder kovalente Bindungen.

Halbmetall (Metalloid)

Element mit Eigenschaften zwischen Metall und Nichtmetall (z.B. Si, Ge). Wichtig als Halbleiter in der Elektronik.

Ionenbindung

Bindung, die durch Elektronenübertragung und anschließende elektrostatische Anziehung zwischen Kationen und Anionen entsteht (z.B. Na⁺ und Cl⁻ in NaCl).

Kovalente Bindung

Bindung, bei der zwei Atome ein oder mehrere Elektronenpaare teilen (Einfach-, Doppel-, Dreifachbindungen).

Elektronegativität

Maß dafür, wie stark ein Atom in einer chemischen Bindung Elektronen anzieht; Grundlage für Bindungspolarität.

Polare kovalente Bindung

Kovalente Bindung mit ungleich geteilter Elektronendichte; es entstehen Teilladungen (δ+ und δ−), z.B. O–H.

Wasserstoffbrücke

Richtungsabhängige Wechselwirkung zwischen einem an O oder N gebundenen H-Atom und einem freien Elektronenpaar eines anderen O oder N.

Van-der-Waals-Kräfte

Schwache Anziehungskräfte zwischen allen Atomen/Molekülen aufgrund temporärer Dipole (London-Dispersion).

Stoffmenge n

Größe, die angibt, wie viele Teilchen eines Stoffes vorhanden sind. Einheit: Mol. Verknüpfung zur Teilchenzahl über `N = n · N_A`.

Avogadro-Konstante N_A

Exakte Zahl `6,02214076 · 10^23 mol^-1`. Gibt an, wie viele Teilchen in 1 Mol enthalten sind.

Molare Masse M

Masse von 1 Mol eines Stoffes. Einheit: g/mol. Zusammenhang: `n = m / M`.

Molarität c

Molare Konzentration: Stoffmenge pro Volumen. `c = n / V`, Einheit mol/L (M).

Massenkonzentration (g/L)

Masse eines Stoffes pro Volumen Lösung. `β = m_S / V`. Umrechnung zu mol/L mit `c = β / M`.

Massenprozent (w/w%)

`w% = (m_S / m_Gesamt) · 100%`. g Stoff pro 100 g Lösung.

Reaktionsgleichung

Symbolische Darstellung einer chemischen Reaktion mit Formeln und Koeffizienten, die die Stoffmengenverhältnisse (Stöchiometrie) und ggf. Aggregatzustände angeben.

Fällungsreaktion

Reaktion, bei der aus gelösten Ionen ein schwer löslicher Feststoff (Niederschlag) entsteht, der aus der Lösung ausfällt.

Säure (nach Brønsted)

Teilchen, das ein Proton (H+) abgeben kann; Protonendonator.

Base (nach Brønsted)

Teilchen, das ein Proton (H+) aufnehmen kann; Protonenakzeptor.

Redoxreaktion

Reaktion, bei der Elektronen übertragen werden; umfasst immer gleichzeitig Oxidation (Elektronenabgabe) und Reduktion (Elektronenaufnahme).

Exotherme Reaktion

Reaktion, bei der netto Energie (meist als Wärme) an die Umgebung abgegeben wird; Produkte liegen energetisch tiefer als Edukte.

Brønsted-Säure

Teilchen, das ein Proton (H+) abgeben kann; Protonendonator. Beispiel: HCl in Wasser.

Brønsted-Base

Teilchen, das ein Proton (H+) aufnehmen kann; Protonenakzeptor. Beispiel: NH3 in Wasser.

Konjugiertes Säure-Base-Paar

Zwei Spezies, die sich nur um ein Proton unterscheiden, z.B. CH3COOH / CH3COO−.

pH-Definition

pH = −log10([H+]) (genauer: [H3O+]); logarithmisches Maß für die Protonenkonzentration einer Lösung.

pOH und Zusammenhang zu pH

pOH = −log10([OH−]); bei 25 °C gilt pH + pOH = 14,0 (auf Basis von Kw ≈ 1,0·10^−14).

Starke Säure

Dissoziiert in Wasser nahezu vollständig. Für Rechnungen gilt näherungsweise [H+] ≈ c(Säure).

Oxidation (moderne Definition)

Abgabe von Elektronen. Ein Teilchen wird oxidiert, wenn seine Oxidationszahl steigt.

Reduktion (moderne Definition)

Aufnahme von Elektronen. Ein Teilchen wird reduziert, wenn seine Oxidationszahl sinkt.

Reduktionsmittel

Stoff, der Elektronen abgibt und dadurch ein anderes Teilchen reduziert. Er selbst wird oxidiert.

Oxidationsmittel

Stoff, der Elektronen aufnimmt und dadurch ein anderes Teilchen oxidiert. Er selbst wird reduziert.

Oxidationszahl

Gedachte Ladung eines Atoms in einer Verbindung oder einem Ion; Hilfsmittel, um Elektronenverschiebungen zu verfolgen.

NAD⁺/NADH

Zentrales Redoxpaar in der Biochemie. NAD⁺ ist oxidierte, NADH reduzierte Form. Vermittelt Elektronenübertragungen in Stoffwechselwegen.

Dynamisches chemisches Gleichgewicht

Zustand in einem abgeschlossenen System, in dem Hin- und Rückreaktion mit gleicher Geschwindigkeit ablaufen. Konzentrationen der beteiligten Stoffe sind zeitlich konstant, aber der Stoffumsatz läuft weiter.

Massenwirkungsgesetz (MWG)

Mathematische Beziehung, die für eine Reaktion im Gleichgewicht das Produkt der Konzentrationen der Produkte (potenziert mit ihren Koeffizienten) zum Produkt der Konzentrationen der Edukte in Beziehung setzt. Definiert die Gleichgewichtskonstante Kc.

Gleichgewichtskonstante Kc

Konstante, die bei gegebener Temperatur das Verhältnis der Gleichgewichtskonzentrationen von Produkten und Edukten beschreibt. Kc ist temperaturabhängig, aber unabhängig von den Startkonzentrationen.

Le-Chatelier-Prinzip

Prinzip, nach dem ein System im Gleichgewicht auf Störungen (Änderung von Konzentration, Druck, Temperatur) so reagiert, dass es dieser Störung entgegenwirkt und ein neues Gleichgewicht einstellt.

Puffersystem

Mischung aus einer schwachen Säure und ihrer konjugierten Base (oder umgekehrt), die pH-Änderungen bei Zugabe von Säuren oder Basen durch Verschiebung eines Säure-Base-Gleichgewichts abmildert.

Rolle von Enzymen im Gleichgewicht

Enzyme beschleunigen die Hin- und Rückreaktion gleichermaßen, senken die Aktivierungsenergie, verändern aber weder Kc noch die Gleichgewichtslage. In lebenden Systemen wird das Gleichgewicht häufig durch Stoffströme verschoben.

Monosaccharid

Einfachzucker, kleinste Baueinheit der Kohlenhydrate, z.B. Glucose, Fructose. Kann nicht durch Hydrolyse in kleinere Zucker gespalten werden.

Disaccharid

Kohlenhydrat aus zwei Monosacchariden, verbunden durch eine glycosidische Bindung, z.B. Maltose, Laktose, Saccharose.

Polysaccharid

Polymer aus vielen Monosacchariden. Dient als Speicher- (Stärke, Glykogen) oder Strukturstoff (Cellulose).

Glycosidische Bindung

Kovalente Bindung zwischen dem anomeren C-Atom eines Zuckers und einer OH-Gruppe eines anderen Zuckers. Benennung z.B. α(1→4), β(1→4), α(1→6).

D- und L-Zucker

Bezeichnen die Konfiguration am chiralen Zentrum, das am weitesten von der Carbonylgruppe entfernt ist. Bei D-Zuckern steht das OH dort in der Fischer-Projektion rechts.

Anomer (α/β)

Isomere, die sich in der Konfiguration am anomeren C-Atom unterscheiden. Bei D-Glucose: α, wenn OH an C1 unten; β, wenn OH an C1 oben (in der Haworth-Projektion).

Fettsäure (allgemeiner Aufbau)

Lange hydrophobe Kohlenwasserstoffkette mit endständiger Carboxylgruppe (-COOH). Beispiel: C18:0 (Stearinsäure).

Gesättigte vs. ungesättigte Fettsäuren

Gesättigt: nur C-C-Einfachbindungen, hohe Schmelzpunkte, oft fest. Ungesättigt: eine oder mehrere C=C-Doppelbindungen (meist cis), Knicke, niedrigere Schmelzpunkte, oft flüssig.

Triglycerid (Triacylglycerin)

Glycerin mit drei veresterten Fettsäuren. Starker hydrophober Energiespeicher mit ca. 9 kcal/g.

Phospholipid

Glycerin mit zwei Fettsäuren und einer Phosphatgruppe plus polarer Kopfgruppe. Amphiphil, Hauptbaustein biologischer Membranen.

Amphiphil

Molekül mit räumlich getrennten hydrophilen und hydrophoben Bereichen, z.B. Phospholipide, Seifenmoleküle.

Fluid-Mosaik-Modell

Modell biologischer Membranen: Lipiddoppelschicht als zweidimensionale Flüssigkeit mit frei diffundierenden Proteinen und anderen Lipiden.

Allgemeine Struktur einer α‑Aminosäure

Zentrales Cα‑Atom mit vier Substituenten: Aminogruppe (H3N+), Carboxylgruppe (COO-), Wasserstoff (H) und variable Seitenkette R. Bei pH 7,4 meist als Zwitterion H3N+-CHR-COO-.

Primärstruktur

Die lineare Aminosäuresequenz eines Proteins von N‑Terminus zu C‑Terminus. Sie ist genetisch festgelegt und bestimmt alle höheren Strukturebenen.

Sekundärstruktur

Lokale, regelmäßig wiederkehrende Faltmuster des Polypeptidrückgrats, z. B. α‑Helix und β‑Faltblatt, stabilisiert durch Wasserstoffbrücken zwischen Peptidbindungen.

Tertiärstruktur

Die vollständige dreidimensionale Struktur einer einzelnen Polypeptidkette, inklusive Anordnung aller Sekundärstrukturelemente im Raum.

Quartärstruktur

Die räumliche Anordnung von mehreren Polypeptidketten (Untereinheiten) zu einem funktionellen Proteinkomplex, z. B. das Tetramer des Hämoglobins.

Peptidbindung

Amidbindung zwischen der Carboxylgruppe einer Aminosäure und der Aminogruppe der nächsten. Entsteht durch Kondensation unter Abspaltung von Wasser und ist planar.

Nukleotid

Baustein von DNA/RNA: Base + Zucker + mindestens eine Phosphatgruppe. Bildet über Phosphodiesterbindungen Nukleinsäureketten.

Nukleosid

Base + Zucker, **ohne** Phosphatgruppe. Wird durch Phosphorylierung zum Nukleotid.

Phosphodiesterbindung

Kovalente Bindung zwischen 5'-Phosphat eines Nukleotids und 3'-OH des nächsten. Bildet das Zucker-Phosphat-Rückgrat von DNA/RNA.

Komplementäre Basenpaarung

Spezifische Paarung der Basen durch Wasserstoffbrücken: in DNA A–T und G–C, in RNA A–U und G–C. Grundlage für Replikation, Transkription und PCR.

Antiparallel

Anordnung zweier DNA-Stränge mit entgegengesetzter Polarität: ein Strang 5' → 3', der andere 3' → 5'.

mRNA

Messenger-RNA, überträgt die genetische Information von DNA zu Ribosomen. Meist einzelsträngig, kann Sekundärstrukturen bilden.

Pufferkapazität

Maß dafür, wie gut ein Puffer pH-Änderungen bei Zugabe von Säure/Base abfangen kann. Am größten nahe dem pKa der Pufferkomponente.

Ionenstärke

Beschreibt die Gesamtladungskonzentration in Lösung. Beeinflusst Proteinlöslichkeit, Faltung und elektrostatische Wechselwirkungen.

Redoxpaar (z.B. NAD⁺/NADH)

Konjugiertes Paar aus oxidierter und reduzierter Form. Das Verhältnis der beiden beeinflusst Redoxgleichgewichte in Enzymreaktionen.

Massenwirkungsgesetz

Beschreibt den Zusammenhang zwischen Konzentrationen von Edukten/Produkten im Gleichgewicht. Grundlage für das Verständnis von Enzym- und Bindungsgleichgewichten.

Denaturierung

Verlust der nativen Proteinstruktur durch z.B. extreme pH-Werte, hohe Temperatur oder chaotrope Substanzen. Meist reversibel nur unter milden Bedingungen.

Mg²⁺ in PCR

Kofaktor für DNA-Polymerasen. Beeinflusst sowohl Enzymaktivität als auch Spezifität der Primer-Bindung und somit Ausbeute und Qualität der PCR.