Zelluläre Transportvorgänge und Biomembranen

Die Zellatmung Mitochondrien sind zentrale Bestandteile der Energiegewinnung in der Zelle. In diesen "Kraftwerken" findet die Zellatmung Mensch statt, bei der durch oxidativen Abbau von Glucose Energie in Form von ATP gewonnen wird. Die Zellatmung Formel lässt sich vereinfacht darstellen als: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + Energie (ATP).

Definition: Die Biomembran ist eine selektiv permeable Doppellipidschicht, die das Zellinnere von der Umgebung abgrenzt und den kontrollierten Stoffaustausch ermöglicht.

Der Stofftransport durch Biomembran erfolgt über verschiedene Mechanismen. Bei der einfachen Diffusion bewegen sich kleine, unpolare Moleküle direkt durch die Lipidschicht. Die erleichterte Diffusion durch Kanäle ermöglicht den Transport größerer oder geladener Teilchen durch spezielle Proteinkanäle.

Beispiel: Beim sekundär aktiven Transport wird die Energie des Konzentrationsgradienten eines Ions genutzt, um ein anderes Molekül gegen seinen Konzentrationsgradienten zu transportieren.

Proteinstrukturen und ihre Funktionen

Die Struktur von Proteinen ist hierarchisch in vier Ebenen organisiert, die ihre funktionellen Eigenschaften bestimmen. Die Primärstruktur bildet dabei die Grundlage und besteht aus der linearen Abfolge von Aminosäuren.

Definition: Die Sekundärstruktur entsteht durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Aminosäuren und kann als α-Helix oder β-Faltblatt vorliegen.

Die Tertiärstruktur ergibt sich durch weitere Wechselwirkungen zwischen den Seitenketten der Aminosäuren und führt zur endgültigen dreidimensionalen Form des Proteins. Diese Struktur ist entscheidend für die biologische Funktion des Proteins.

Die Quartärstruktur beschreibt die Zusammenlagerung mehrerer Proteinketten zu einem funktionellen Komplex. Ein klassisches Beispiel ist das Hämoglobin, das aus vier Untereinheiten besteht. Die Stabilität dieser Strukturen ist temperatur- und pH-abhängig, was bei der Denaturierung eine wichtige Rolle spielt.

Enzyme und ihre Aktivität im menschlichen Stoffwechsel

Die Enzyme spielen eine fundamentale Rolle im Stoffwechsel aller Lebewesen und sind für zahlreiche biochemische Prozesse unerlässlich. Das Schlüssel-Schloss-Prinzip der Enzyme beschreibt dabei ihre spezifische Funktionsweise im Organismus. Die Enzymaktivität lässt sich wissenschaftlich präzise durch das Michaelis-Menten-Diagramm darstellen, welches die Abhängigkeit zwischen Substratkonzentration und Reaktionsgeschwindigkeit visualisiert.

Definition: Die Michaelis-Menten-Konstante (Km-Wert) ist ein Maß für die Affinität zwischen Enzym und Substrat. Sie entspricht der Substratkonzentration bei halbmaximaler Reaktionsgeschwindigkeit.

Für die optimale Funktionsweise der enzymatischen Reaktion sind Cofaktoren von essentieller Bedeutung. Diese Hilfsstoffe unterstützen die Enzyme bei ihrer katalytischen Aktivität und lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: Zum einen gibt es anorganische Metall-Ionen, zum anderen komplexe organische Moleküle wie beispielsweise Vitamine. Diese Cofaktoren durchlaufen während der Reaktion selbst Veränderungen und müssen anschließend durch weitere enzymatische Prozesse regeneriert werden.

Die Wirkungsspezifität der Enzyme zeigt sich besonders im Zusammenspiel mit ihren Substraten. Der Enzym-Substrat-Komplex bildet sich nur unter optimalen Bedingungen, wobei die Substratkonzentration einen entscheidenden Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit hat. Bei steigender Substratkonzentration erhöht sich zunächst die Reaktionsgeschwindigkeit, bis schließlich eine Sättigung (Vmax) erreicht wird.

Beispiel: Ein wichtiges Enzym-Beispiel ist die Verdauungsenzyme im Darm. Die Lactase spaltet beispielsweise Milchzucker (Lactose) in seine Bestandteile Glucose und Galactose. Ohne dieses Enzym können Menschen keine Milchprodukte verdauen.