3. Biophysikalische Grundlagen der Biochemie (S.22)

Für eine intensivere Beschäftigung mit der Herleitung der angeführten Gleichungen sei auf den Band Biochemie, Zellbiologie aus der Reihe Grundstudium Biologie verwiesen.

• Biophysik: Anwendung physikalischer Prinzipien auf biologische Fragestellungen

3.1 Die besondere Rolle des Wassers
Wasser
• Grundvoraussetzung für Lebensprozesse
• Anteil in Organismen: 70 % und mehr

Struktur von Wasser (H2O)

• Dipol: Molekül mit entgegengesetzten Teilladungen (Sauerstoff partiell negativ, Wasserstoff partiell positiv geladen)
• dadurch Ausbildung von Wasserstoffbrücken-Bindungen zwischen den Molekülen
• kann dissoziiert vorliegen (s. 3.3)

Zahl der Wasserstoffbrücken pro Wassermolekül:

• maximal 4 bei Eis (2 als Elektronenakzeptor, 2 als Donor)
• in flüssigem Wasser im Schnitt 3,4

Die Polarität der Wassermoleküle führt zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken gelernt (Campbell S. 50)

physikalische Eigenschaften von Wasser
• bedingt durch Struktur des Wassermoleküls
• hoher Schmelz- und Siedepunkt
• hohe Wärmekapazität und Verdampfungsenthalpie
• elektrische Leitfähigkeit
• hohe Dielektrizitätskonstante
• Volumenausdehnung beim Erstarren (durch regelmäßige Struktur; höchste Dichte bei + 4°C)
• hohe Oberflächenspannung und Kohäsion (durch Wasserstoffbrücken)

Kohäsion  Zusammenhalt innerhalb Zusammenhalt zweier unterschiedeines Stoffes aufgrund der licher Stoffe aufgrund der Anziehungsinternen zwischenmolekularen kräfte zwischen ihren Grenzschichten Anziehungskräfte .
Adhäsion Organismen sind auf die Kohäsion (gegenseitige Anziehung) von Wassermolekülen angewiesen (Campbell S. 50) gelernt

3.1.1 Wasser als Lösungsmittel

Wasser ist das Lösungsmittel des Lebens (Campbell S. 54) gelernt

Lösung

• homogenes flüssiges Gemisch aus 2 oder mehr Stoffen
• auflösender Bestandteil: Lösungsmittel
• gelöster Bestandteil: Solut
• Molarität (mol/l): Zahl der gelösten Moleküle pro Liter Lösung
• Wasser ist ein gutes Lösungsmittel, weil es 4 Wasserstoffbrücken bilden kann

Bei amphipathischen Substanzen kommt es durch Zusammenlagerung der unpolaren Gruppen zur Bildung von Micellen (innen rein apolar) oder Doppelschichten (umschließen wässrigen Raum, z. B. kugelförmige Liposomen; gleiches Prinzip bei biologischen Lipidmembranen). (s. auch Abb. 9.3)

Hydratation von Ionen
• gelöste Ionen werden von Wassermolekülen mit Hydrathülle umgeben
• Anlagerung über Wasserstoffbrücken-Bindungen
• vermindert elektrostatische Wechselwirkung zwischen Ionen
• exothermer Vorgang

Dielektrizitätskonstante
• für die Abschirmung von Ionenladungen entscheidende spezi. sche Stoffkonstante von Lösungsmitteln
• gute Lösungsmittel besitzen hohe Dielektrizitätskonstante hydrophobe Wechselwirkungen
• bewirken Aggregatbildung zwischen unpolaren Molekülen bzw. Molekülbereichen in wässriger Lösung durch Verdrängung der Wassermoleküle
• Antriebskraft: erhöhte Entropie der verdrängten Wassermoleküle
• z. B. bei Tertiär- und Quartärstruktur von Proteinen

3.1.2 Bedeutung von Wasser für das Leben
• Wasser wirkt als Thermostat
• schwimmende Eisdecke (leichter als Wasser) wirkt als Wärmeisolator
• tieferes Wasser gefriert nicht
• hohe Wärmekapazität: Blut kann zum Wärmetransport dienen
• hohe Verdampfungsenthalpie: bei Hitze genutzt zum Erzeugen von Verdunstungskälte durch Schwitzen