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2019 | Book

Basiswissen Physik, Chemie und Biochemie

Vom Atom bis zur Atmung – für Biologen, Mediziner, Pharmazeuten und Agrarwissenschaftler

Authors: Prof. Dr. Horst Bannwarth, Dr. Bruno P. Kremer, Prof. Dr. Andreas Schulz

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

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About this book

Dieses Buch bietet im kompakten Überblick das gesamte Basiswissen der Physik, Chemie und Biochemie in leicht verständlichen Texten und Abbildungen, bei Beschränkung auf das wirklich Notwendige. Es ist abgestimmt auf die Gegenstandskataloge für den ersten Abschnitt der Ärztlichen und der Pharmazeutischen Prüfung. Für Studierende der Biologie, der Ernährungs- und Umweltwissenschaften dient es zur leichteren Orientierung im Grundstudium und zur optimalen Vorbereitung für die Vor- oder Zwischenprüfung.

Für diese Neuauflage haben die Autoren alle Kapitel durchgängig aktualisiert.

Table of Contents

Frontmatter
1. Materie, Energie, Leben
Zusammenfassung
Wenn man die Objekte aus der Natur genauer untersucht, um deren Zusammensetzung zu erforschen, analysiert man sie – man nimmt sie auseinander, zerkleinert und zerlegt sie gar soweit, dass man an eine Grenze kommt. Bei einer solchen Analyse stößt man auf die kleinsten Teilchen der Materie, auf Moleküle bzw. Atome, die sich nicht weiter zerlegen lassen, ohne dass die charakteristischen Eigenschaften des untersuchten Stoffes verloren gehen. Atom bedeutet unteilbar. Atome lassen sich jedoch mit völlig anderen Methoden noch weiter teilen.
Wenn man zum Beispiel Wasser in immer kleinere Portionen zerlegt, gelangt man irgendwann zu Wassermolekülen, den H2O-Teilchen. Diese lassen sich zwar noch in ihre atomaren Bestandteile H und O zerlegen, weisen dann aber keine typischen Wassereigenschaften mehr auf. Bereits bei der Annäherung an den atomaren oder molekularen Bereich mit der Größenordnung von 109 m (Nanobereich) verlieren die Stoffe ihre charakteristischen, mit unseren Sinnen erkennbaren Eigenschaften wie etwa Farbe und Konsistenz. Wasser bildet in diesem Bereich höchst interessante Molekülgruppierungen, die sogenannten Cluster, über deren Aggregatzustand (fest, flüssig oder gasförmig) keine eindeutigen oder sinnvollen Aussagen mehr möglich sind.
Der andere Weg, Objekte zu verstehen, ist die Synthese, die Herstellung einer chemischen Verbindung aus ihren Ausgangsstoffen. Normalerweise kann man einen Stoff, den man zerlegt hat, auch wieder zusammensetzen bzw. synthetisieren. Nicht nur durch die Analyse, sondern auch durch die Synthese und das Kombinieren von Teilen zu etwas Ganzem gewinnt man neue, nicht selten überraschende Erkenntnisse.
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz

Basiswissen Physik

Frontmatter
2. Mechanik
Zusammenfassung
Die Mechanik als einer von vier Teilbereichen der klassischen Physik befasst sich mit den Bewegungszuständen von Körpern und mit den Kräften, die auf sie einwirken. Die Körper können fest, flüssig oder gasförmig sein. Sie sind ausnahmslos mit Masse behaftet, weshalb dieser zentrale Begriff der Physik am Anfang des Kapitels behandelt wird. Innerhalb der Mechanik bleibt die Masse erhalten – in anderen Teilbereichen der Physik ist das fallweise nicht so. Daneben bestehen in einem in sich abgeschlossenen System weitere Erhaltungsgrößen wie Energie, Impuls und Drehimpuls. Außerdem werden in diesem Kapitel etliche weitere wichtige Größen (z. B. Leistung) anschaulich und großenteils experimentell nachvollziehbar erläutert, die in anderen Teilbereichen der Physik ebenfalls benötigt werden, dort aber für den Beobachter weniger gut sichtbar erscheinen. Als besondere Bewegungsarten bilden Schwingungen und Wellen den Abschluss des Kapitels.
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz
3. Thermodynamik
Zusammenfassung
Die Thermodynamik befasst sich mit dem Verhalten von Stoffen unter dem Einfluss von Temperatur und Temperaturveränderung. In diesem Zusammenhang sind auch die Grundzüge der kinetischen Gastheorie sowie die Phasenübergänge von einem in einen anderen Aggregatzustand von Bedeutung. In der Mechanik konnten wir das Verhalten von Teilchen und Körpern einzeln bestimmen. Dies ist für die vielen Teilchen einer Flüssigkeit oder eines Gases völlig unmöglich und auch nicht erwünscht. Man muss daher statistische Betrachtungen anstellen und zu neuen Größen für das gesamte Teilchenensemble übergehen wie beispielsweise Druck (s. Abschn. 2.7.2), Temperatur oder Wärmemenge, die sehr viele verschiedene Teilchen-Mikrozustände zu Makrozuständen des gesamten Teilchenensembles zusammenfassen. In der statistischen Physik geht es in aller Regel darum herauszufinden, welcher Makrozustand schließlich das Gleichgewicht darstellt (s. Abschn. 3.2).
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz
4. Elektrizität und Magnetismus
Zusammenfassung
Die Elektrizitätslehre behandelt das Verhalten von Körpern, das durch die in ihnen vorhandene elektrische Ladung verursacht wird. So wie die Masse für die Mechanik ist die elektrische Ladung die Ursache der Wechselwirkung und somit der zentrale Begriff in diesem Teilbereich der Physik. Elektrische Ladungen sind an Teilchen als Ladungsträger gebunden und gehören zu den fundamentalen Eigenschaften von Materie (vgl. Exkurs in Abschn. 2.1.2). Ladungsträger können unbewegt (Elektrostatik) oder bewegt sein (Elektrodynamik, elektrische Ströme).
Elektrische Ströme haben ausnahmslos die Entstehung von Magnetfeldern zur Folge, die ihrerseits wieder Kräfte auf die Ladungsträger ausüben. Diese Kräfte äußern sich als Phänomen der Induktion, die wiederum zur technischen Erzeugung von elektrischem Strom genutzt wird.
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz
5. Optik
Zusammenfassung
Gegenstand der Optik sind die Entstehung von Licht und seine Wechselwirkungen mit sich selbst und Materie. Letztere äußert sich durch Reflexion, Streuung, Transmission oder Absorption. Die Transmission durch transparente Medien wie Glas eröffnet die Möglichkeit zu vielfältigen Abbildungen und optischen Systemen (z. B. auch das Auge). Die Wellennatur des Lichtes führt zu den Phänomenen Interferenz, Beugung und Polarisation.
Durch Ausnutzung optischer Gesetzmäßigkeiten ist man in der Lage, optische Geräte herzustellen, die in allen naturwissenschaftlichen Disziplinen verwendet werden und die aus der Forschung nicht mehr wegzudenken sind – man denke nur an die „Revolution“ in der Astronomie durch die Verwendung des Fernrohrs oder in der Biologie durch das Mikroskop.
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz
6. Atom- und Kernphysik
Zusammenfassung
Der elementare Aufbau der Materie ist das Arbeitsgebiet der Atom- und Kernphysik. Erstere befasst sich mit dem Bau der Atomhülle und den Vorgängen darin, letztere mit den Atomkernen und den Elementarteilchen selbst. Hier werden die Denkweisen der klassischen Physik endgültig verlassen. Vielfach sind keine strikt kausalen Aussagen, sondern lediglich statistische Vorhersagen möglich, wie beispielsweise die Radioaktivität zeigt. Zudem ist die Kern- und Elementarteilchenphysik ein Gebiet intensiver Forschung, auf dem ein umfassendes Verständnis der Phänomene und vor allem deren Hintergründe auch im Zusammenhang mit der Entstehung des Kosmos noch vielfach fehlen. Auf Gebieten wie Allgemeine Feldtheorie oder Struktur und Energieinhalt des Kosmos tappen wir weitgehend im Dunkeln. Hier sind Revolutionen größten Ausmaßes zu erwarten.
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz

Basiswissen Chemie

Frontmatter
7. Aggregatzustände und Lösungen
Zusammenfassung
Luft (gasförmig), Wasser (flüssig) und Boden (fest) werden in ihren wesentlichen Eigenschaften durch ihre Aggregatzustände bestimmt. Bewegung und Anordnung der Moleküle und Atome zueinander kennzeichnen diese Aggregatzustände (Abb. 7.1). Diese sind wiederum durch die chemische Beschaffenheit der Stoffe und durch die Bewegung ihrer Teilchen erklärbar. Die Teilchen bewegen sich ständig nicht nur in Gasen, sondern auch in Flüssigkeiten (Brown’sche Bewegung). Die Bewegungen sind umso heftiger, je höher die Temperatur ist. Diese Sachverhalte beschreibt die mechanische oder kinetische Wärmetheorie. In Gasen berühren sich die Stoffe nur, wenn die Moleküle oder Atome aufeinanderstoßen. In Flüssigkeiten und in Feststoffen behalten sie den Kontakt miteinander und führen Schwingungen aus. In Flüssigkeiten können die Kontakte leicht gelöst und neu geknüpft werden. In Feststoffen liegen sie fest.
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz
8. Chemische Bindung
Zusammenfassung
In der Natur kommen die weitaus meisten Elemente nicht atomar, also als einzelne voneinander getrennte Atome, sondern als Verbindungen vor. So sind die gasförmigen Hauptkomponenten der Atmosphäre N2 und O2 zweiatomige Moleküle. In den Gesteinen der Lithosphäre liegen die Metalle als Oxide, Sulfide oder Silikate und somit molekular bzw. in größeren Komplexen vor, in denen sich Einzelmoleküle nicht abgrenzen lassen. Nur die Edelgase He, Ne, Ar, Kr, Xe und Rn treten atomar auf.
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz
9. Säuren, Basen, Salze
Zusammenfassung
Säuren, Basen und Salze bestehen ausnahmslos aus Ionen. Das unterscheidet sie von vielen organischen Verbindungen wie etwa von Zuckern, Fetten oder Alkoholen. Sie sind zwar zum großen Teil Gegenstand der Anorganischen Chemie, aber für die Lebenswissenschaften dennoch von großer Bedeutung. So ist das Wachstum von Pflanzen von der Qualität und Quantität der im Boden verfügbaren Ionen abhängig. Mikroorganismen, Pflanzen, Tiere und Pilze regulieren ihren Ionenhaushalt aktiv und unter beträchtlichem Energieaufwand und durch Osmose (vgl. Abschn. 7.8). Tierische und menschliche Körper besitzen viele Regulationsmöglichkeiten, den Ionenhaushalt durch Essen, Trinken und Ausscheidung über Niere und Haut richtig einzustellen. Dazu können die Zellen Ionen passiv durch Diffusion durch eine semipermeable (semiselektive) Membran oder aktiv unter Energieaufwand und ATP-Verbrauch auch gegen ein Konzentrationsgefälle aufnehmen oder ausscheiden. Für marine Organismen, die an ein ionenreiches Milieu von durchschnittlich etwa 35 psu (= practical salinity unit, entspricht der früheren Angabe des Salzgehaltes in ‰) angepasst sind, gelten andere Existenzbedingungen als für Lebewesen in Süßwasserhabitaten. Hochmoorpflanzen wie die Torfmoosarten (Sphagnum spp.) ertragen auf Dauer kein ionenhaltiges Leitungswasser, sondern benötigen mineralarmes Regenwasser.
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz
10. Gleichgewichtsreaktionen
Zusammenfassung
Es gehört zu den faszinierendsten Herausforderungen der Biowissenschaften, den Ablauf von Lebensprozessen durch Gesetze und Erkenntnisse aus der Physik und Chemie zu erklären und zu verstehen. Umgekehrt profitieren Naturwissenschaften und Technik auch von den Funktionsweisen lebender Systeme. Wer als chemischer Verfahrenstechniker der Natur abschauen kann, wie sie Stoffwechselprodukte herstellt, kann ebenfalls erfolgreich Stoffe miteinander verknüpfen, die sich wegen der ungünstigen Lage des chemischen Gleichgewichts nicht ohne Weiteres miteinander verbinden lassen (Biochemische Bionik). So gehen beispielsweise Alkohole und Säuren nicht von selbst eine Esterverbindung (vgl. Abschn. 13.8.4) ein – selbst dann nicht, wenn eine Esterase als Katalysator vorhanden ist. Zahlreiche Synthesen bzw. Stoffverknüpfungen laufen in den Organismen nur unter besonderen Bedingungen und nicht so leicht ab, wie Wasserstoff und Sauerstoff miteinander reagieren.
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz
11. Redox- und Säure/Base-Reaktionen
Zusammenfassung
Die wichtigsten Prozesse in Zellen, Organismen und Ökosystemen sind Assimilation und Dissimilation. Sie sind jeweils mit Elektronenabgabe und -aufnahme (Redox-Reaktionen) oder mit Protonenabgabe und -aufnahme (Säure-Base-Reaktionen) verbunden. Bei den basalen Lebensvorgängen wie Photosynthese und Atmung (vgl. Kap. 18 und 19) sind Redox-Reaktionen und Säure-Base-Reaktionen jeweils miteinander verknüpft. Mit der Kenntnis solcher Zusammenhänge lassen sie sich überhaupt erst richtig verstehen.
Wegen dieser Verknüpfung und weil es in beiden Fällen um Abgabe- und Aufnahmeprozesse geht, ist es sinnvoll, beide in einem Kapitel gemeinsam zu behandeln. Nur so ist zum Beispiel richtig zu verstehen, was ein starkes Reduktionsmittel mit einer starken Säure gemeinsam hat.
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz

Basiswissen Biochemie und Physiologie

Frontmatter
12. Stoffe, Energie und Information
Zusammenfassung
Für das Überleben eines jeden Organismus ist es von entscheidender Bedeutung, dass er alle Nährelemente in der für ihn richtigen Form und Menge aufnimmt. So müssen alle Tiere und Menschen und mit ihnen sämtliche heterotrophen Organismen als Kohlenhydrate, Fette und Proteine aufnehmen. Dagegen nehmen alle Pflanzen und mit ihnen alle autotrophen Organismen – etwa die Cyanobakterien (Blaugrünbakterien, früher Cyanophyceen bzw. Blaualgen genannt) – diese Elemente in anorganischer Form als Kohlenstoffdioxid, Wasser, Ammonium, Nitrat und Sulfat auf. Wir nennen die genannten organischen Verbindungen energiereich im Gegensatz zu den anorganischen, weil sie brennbar sind und beim Verbrennen Wärmeenergie freisetzen. Bei der biologischen Oxidation (Atmung) wird diese Wärmeenergie metabolisch genutzt. Für Lebewesen ist aber ganz besonders wichtig, dass beim Stoffabbau die frei werdende Energie nicht nur als Wärme anfällt, sondern als chemisch verwertbare Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) festgehalten und für die Aufrechterhaltung von basalen Lebensfunktionen genutzt wird (Kap. 1, 19 und 20).
Organische Stoffe sind in Lebewesen nicht nur Betriebsstoffe zur Energieversorgung, sondern auch Baustoffe von Zellen. Sie bestimmen die Struktur und die äußerlich sichtbare Erscheinungsform der Lebewesen. Leben entwickelt sich immer nach einem im Zellkern vorhandenen Bauplan, dessen stoffliche Basis die Nucleinsäuren (DNA, RNA) sind. Sie steuern über die Genexpression die Proteinsynthese und damit die Formbildung (Morphogenese). Durch klassische Experimente an der einzelligen Grünalge Acetabularia hat man – noch bevor die Details des Informationsmanagements durch die Erbsubstanz der DNA und RNA bekannt waren – schon früh erkannt, dass es stoffliche Ursachen sind, die im Zellkern vorhanden sind und auch solche, die an die Zelle abgegeben werden, damit sich Struktur und Funktion eines Lebewesens entwickeln können (Kap. 1 und 18).
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz
13. Organische Kohlenstoffverbindungen – eine erste Übersicht
Zusammenfassung
Bis in das 17. Jh. war es üblich, die in der Natur vorkommenden Stoffe entsprechend ihrer Herkunft als mineralische, pflanzliche und tierische Substanzen zu unterscheiden. Im 18. Jh. grenzte man die mineralischen Stoffe als „unorganisierte Körper“ von den „organisierten Körpern“ aus Pflanzen oder Tieren ab. Erst im 19. Jh. ersetzte man den Begriff „Körper“ durch Substanz oder Verbindung und nannte die stofflichen Komponenten organismischer Herkunft konsequenterweise „organische Verbindungen“. Heute ist es nicht nur in den Medien fallweise üblich, von „chemischen Substanzen“ zu sprechen, was allerdings einen Pleonasmus darstellt.
Erst in der fortgeschrittenen Neuzeit begann man damit, auch bestimmte Stoffe aus natürlichen Verbindungsgemischen organismischer Herkunft gezielt zu isolieren und möglichst rein darzustellen. Der schwedische Chemiker und Apotheker Karl Wilhelm Scheele (1742–1786) gewann beispielsweise reine Citronensäure, Weinsäure, Milchsäure und Oxalsäure aus üblichen Lebensmitteln und versuchte, ihre Zusammensetzung durch Verbrennung mit anschließender Analyse von Art und Menge der Verbrennungsprodukte zu bestimmen. Die meisten dieser aus der Natur bzw. aus Organismen gewonnenen Verbindungen bestanden, wie sich aus diesen frühen Ergebnissen überraschend ergab, aus nur wenigen Elementen in relativ unübersichtlichen, damals noch weitgehend unverstandenen Massenverhältnissen. Der schwedische Chemiker Jöns Jakob Berzelius (1779–1848) stellte erstmals einige gemeinsame Merkmale dieser Stoffe heraus, darunter geringe Wärmebeständigkeit und Brennbarkeit, und nannte sie „organisch“, weil sie allesamt aus Lebewesen stammten und nach damaliger Einschätzung auch nur von lebenden Systemen aufgebaut werden können. Damit war das Teilgebiet der Organischen Chemie begründet. Aber schon 1828 leitete der deutsche Chemiker Friedrich Wöhler (1800–1882) einen Paradigmenwechsel ein, als er aus der anorganischen Verbindung Ammoniumisocyanat (NH4OCN) die als organisch aufgefasste Substanz Harnstoff (H2N–CO–NH2, Diamid der Kohlensäure) herstellte. Damit fiel erstmals die bis dahin als grundsätzlich empfundene Schranke zwischen anorganischer und organischer Chemie, zumal in der Folgezeit immer häufiger organische Verbindungen aus anorganischen oder auch auf synthetischem Wege hergestellt wurden – bereits im Jahre 1845 beispielsweise die Essigsäure aus ihren Elementen C, H und O.
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz
14. Kohlenstoffhydrate
Zusammenfassung
Unter Kohlenhydraten, exakter Kohlenstoffhydraten oder moderner Sacchariden, versteht man die in der Natur vorkommenden Aldehyd- (1-Oxo‑) oder Keto- (2‑Oxo‑)Derivate mehrwertiger Alkohole (Polyalkohole, Polyole) (vgl. Kap. 13). Die Bezeichnung Kohle(n)hydrat stammt aus dem Jahre 1844 und damit aus einer Zeit, als man aus der schon bekannten allgemeinen Summenformel Cn(H2O)n eine bestimmte Struktur abzuleiten versuchte: Man fasste die betreffenden Stoffe zunächst schlicht als Hydrate (Wasserverbindungen) des Kohlenstoffs auf. Für die exakte Umgrenzung der Stoffklasse Kohlenhydrate ist die einfache Summenformel Cn(H2O)n heute jedoch ohne weitere Bedeutung.
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz
15. Aminosäuren, Peptide, Proteine
Zusammenfassung
Neben den Kohlenhydraten, den Lipiden, Isoprenoiden und den Nucleinsäuren sind die aus Aminosäuren (Aminocarbonsäuren, vgl. Abschn. 13.8.3) aufgebauten Proteine die wichtigsten hochmolekularen Bestandteile der lebenden Zelle. Ihre Bezeichnung wurde bereits 1838 von Jöns J. Berzelius (1779–1848) eingeführt und leitet sich ab vom griechischen prōtéios = erstrangig, was zu Recht die Wichtigkeit dieser Stoffgruppe betont. Die weit verbreitete Bezeichnung „Eiweiße“ ist nicht unbedingt treffend, weil nur die wenigsten Proteine aus Eiern stammen. Enzyme als Proteine mit besonderer Aufgabenstellung werden hier aus der Betrachtung zunächst noch ausgeklammert. Sie bilden den Gegenstand eines eigenen Kapitels (Kap. 18).
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz
16. Enzyme und Enzymwirkungen
Zusammenfassung
Die im vorangehenden Kapitel vorgestellten Proteine, die unmittelbare Produkte der Umsetzung der in den Nucleinsäuren abgespeicherten biologischen Information und somit Abbilder der Gene darstellen, erfüllen im Organismus zentrale Aufgaben. Besonders deutlich wird dieser Sachverhalt an den Enzymen, die zu den biologisch wichtigsten Funktionsproteinen gehören. Sie wirken als Biokatalysatoren und bestimmen durch ihre Direktbeteiligung an nahezu allen biochemischen Prozessen das gesamte Stoffwechselgeschehen in der lebenden Zelle. Sie stehen im Folgenden im Vordergrund der Betrachtung.
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz
17. Lipide
Zusammenfassung
Als Lipide fasst man eine recht heterogene Naturstoffgruppe fettartiger Substanzen zusammen, die in den Organismen einerseits wichtige strukturelle Aufgaben übernehmen, beispielsweise als Bausteine von Membranen, als Cofaktoren von Enzymen oder als Hormone und intrazelluläre Botenstoffe, andererseits als Speicherlipide auch bedeutende Depots organisch gebundener Energie darstellen. Gemeinsam ist ihnen die Synthese ihrer zentralen Bausteine aus aktivierter Essigsäure (Acetyl-Coenzym A, vgl. Abschn. 20.3) sowie die Löslichkeit in unpolaren Lösemitteln, da sie immer größere apolare Molekülbauteile aufweisen – die davon abgeleitete Eigenschaft bezeichnet man auch bei anderen Molekülspezies als lipophil bzw. hydrophob.
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz
18. Nucleotide und Nucleinsäuren
Zusammenfassung
Weil die äußerlich erkennbaren Merkmale des Erscheinungsbildes eines Lebewesens wie Farbe oder Größe letztlich immer stoffliche Eigenschaften sind, vermutete man schon lange Zeit zu Recht, dass auch die dafür verantwortlichen Gene eine stoffliche Natur aufweisen. Nachdem die klassische Genetik bis etwa zum ersten Drittel des 20. Jh. alle Gesetzmäßigkeiten erarbeitet hatte, nach denen erbliche Eigenschaften auf die Folgegeneration weitergegeben werden (vertikaler Gentransfer) und welche Beziehungen zwischen den bereits ausgangs des 19. Jh. entdeckten Chromosomen und den Erbanlagen bestehen, interessierte man sich konsequenterweise auch für die chemische Natur der Gene. Heute ist ein Gen molekular definiert als ein Abschnitt auf der DNA, der erblich festgelegte Strukturen oder Leistungen eines Lebewesens codiert. Die wissenschaftshistorisch wichtigsten Stationen dieses Erkenntnisprozesses, der bereits die Biologie des 20. Jh. in eine ungeahnte Dimension geführt hat, sind:
  • 1869: In Tübingen entdeckt Friedrich Miescher in Eiterzellen und später in Basel auch in den Zellkernen von Lachssperma die Kernsäuren (Nucleinsäuren). In den Zellkernen ist hauptsächlich die DNA enthalten. Ihre Bedeutung für die Vererbung blieb unklar; man hielt sie Jahrzehnte lang für ein relativ uninteressantes Biomolekül ähnlich wie Stärke oder Cellulose.
  • 1903: Theodor Boveri begründet in Würzburg die Chromosomentheorie der Vererbung. Einen wichtigen Pionierbeitrag dazu leistete ab 1905 in New York die meist vergessene Amerikanerin Nettie Stevens – sie hatte an der Taufliege Drosophila entdeckt, dass das Geschlecht durch bestimmte Chromosomen festgelegt wird.
  • 1909: Der dänische Botaniker Wilhelm Johannsen führt für die Erbanlagen den Begriff „Gen“ ein und prägte auch die Begriffe „Geno“- bzw. „Phänotyp“, ohne allerdings eine Vorstellung von deren stofflicher Natur zu haben. Schon Gregor Mendel, mit dem die Genetik im 19. Jh. ihren Ausgang nahm, ging bei seinen berühmten Versuchen mit Erbsen von zunächst nicht genau definierbaren Anlagen aus, die er in seinen Versuchsprotokollen mit Buchstaben bezeichnete und „Elemente“ nannte.
  • 1925: Im Labor von Thomas H. Morgan und Herman J. Muller in New York erstellt man durch umfangreiche Kreuzungsversuche mit Drosophila genauere Chromosomenkarten für die Lage einzelner Gene.
  • 1944: Oswald Avery und seine Mitarbeiter kommen am Rockefeller Institute in New York durch jahrelange Versuche an Erregern der Lungenentzündung (Pneumokokken) zu dem Ergebnis, dass die DNA der eigentliche Träger der Erbanlagen ist. Sie erkennen die DNA als „transformierendes Prinzip“, mit dem man im Reagenzglas die Eigenschaften eines bestimmten Bakterienstammes erblich auf einen anderen übertragen kann.
  • 1941: George Beadle und Edward Tatum entdecken in Stanford/Kalifornien an dem Schimmelpilz Neurospora, dass ein bestimmtes Gen für die Synthese eines bestimmten Enzyms zuständig ist.
  • 1944: Der Physiker Erwin Schrödinger schreibt im irischen Exil seinen viel beachteten Essay „Was ist Leben?“ und schlägt darin für die Gene ohne Kenntnis der Nucleinsäuren eine Sequenzstruktur aus wenigen Bausteinen ähnlich wie eine Morsebotschaft vor.
  • 1949: Der Österreicher Erwin Chargaff findet die Basenpaarung.
  • 1953: James D. Watson und Francis H. Crick beschreiben in Cambridge/Großbritannien die Doppelhelixstruktur der DNA nach vorausgegangenen Röntgenstrukturanalysen von Rosalind Franklin und Maurice Wilkins. Die Klärung der stofflichen Natur eines Gens rückte näher, weil jetzt das eigentliche Problem der molekularen Basis klarer zu formulieren war.
  • 1961: Johannes H. Matthaei und Marshall Nirenberg finden, nachdem Francis Crick und seine Mitarbeiter 1961 generell einen Triplett-Code vorgeschlagen und eine messenger-RNA entdeckt hatten, im gleichen Jahr das erste RNA-Codewort (UUU für Phenylalanin).
  • 1965: Der genetische Code ist nun vollständig bekannt. Damit konnte erstmalig der Genbegriff exakter gefasst werden.
  • 1970: Werner Arber entdeckt die Restriktionsendonucleasen und leitet damit die Ära der Gentechnologie ein.
  • 1973: Stanley Cohen und Annie C. Y. Chang führen die ersten gentechnischen Experimente mit rekombinanter DNA durch.
  • 1985: Kary B. Mullis entwickelt (konzeptionell während einer Nachtfahrt auf einem kalifornischen Highway) die Polymerasekettenreaktion (PCR).
  • 2000: Das Erbgut von Drosophila melanogaster und Arabidopsis thaliana ist vollständig entziffert.
  • 2001: Craig Venter und Francis Collins präsentieren die erste Fassung des menschlichen Gencodes.
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz
19. Photosynthese
Zusammenfassung
Für das Überleben eines jeden Organismus ist es entscheidend wichtig, dass er alle Nährelemente in der für ihn erforderlichen Menge zur Verfügung hat. Die Grundphänomene der Photosynthese sind bereits seit dem 18. Jh. bekannt. Der englische Pfarrer Joseph Priestley (1733–1804) fand 1779 heraus, dass eine grüne Pflanze (bezeichnenderweise eine Minze …) „die Luft erneuert“ und damit die Vitalität einer Maus unter der Glasglocke sichert (Abb. 19.1). Jan Ingenhousz (1730–1799), niederländischer Hofarzt, entdeckte um 1788 die Bedeutung des Lichtes bei diesem Versuch. Wenige Jahre später zeigte der Schweizer Pfarrer Jean Senebier (1742–1809), dass die von einer Pflanze produzierte Trockenmasse größer ist als der entsprechende Verbrauch von CO2 und schloss damit auf Wasser als Betriebsstoff der Photosynthese. Robert Mayer (1814–1878) formulierte 1842 den Energieerhaltungssatz und erkannte, dass Pflanzen die Energie des Lichtes aufnehmen und in die chemische Energie ihrer Biomasse umwandeln. Damit waren bereits um die Mitte des 19. Jh. wesentliche Komponenten dieser wichtigen pflanzlichen Stoffwechselleistung bekannt, wenngleich die strukturellen und biochemischen Details noch lange unklar blieben. Den Begriff „Photosynthese“ schlug 1893 der britische Botaniker C. Mac Millan vor. Durch den Bonner Pflanzenphysiologen Wilhelm Pfeffer wurde er ab 1897 allgemein bekannt. Analog zum eingedeutschten Begriff „Fotografie“ findet sich die gelegentliche Variante „Fotosynthese“. Wir behalten hier konsistent die im Wissenschaftssprachgebrauch auch international weithin übliche Schreibweise (vgl. engl. photosynthesis, frz. photosynthèse) bei.
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz
20. Atmung
Zusammenfassung
Leben bedarf der dauernden Zufuhr von chemischer Energie. Da sich lebende Zellen mit ihren komplexen Stoffgemischen und Stoffflüssen weit entfernt vom thermodynamischen Gleichgewicht befinden (müssen) (vgl. Kap. 10), sind sie nur so lange betriebsfähig, wie über ihre miteinander kooperierenden Kompartimente (Cytosol und Zellorganellen) gebundene Energie weitergegeben wird. Der dazu erforderliche Energieaufwand dient unter anderem dazu, Synthesen zu betreiben und Bausteine für das Wachstum bereitzustellen, Bewegungsprozesse zu ermöglichen oder Ungleichgewichte (beispielsweise Membranpotenziale oder Konzentrationsunterschiede) aufrechtzuerhalten (vgl. Kap. 1 und 12).
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz
21. Gärung
Zusammenfassung
Mit Gärung oder Fermentation bezeichnet man Wege des Energiestoffwechsels, die anaerob, d. h. ohne Sauerstoff als Oxidationsmittel, ablaufen. Ihr Entdecker Louis Pasteur (1822–1895) hat sie treffend als „vie sans l’air“ bezeichnet. Beim aeroben Stoffabbau dient molekularer Sauerstoff in der Atmungskette als terminaler Elektronenakzeptor zur Wasserbildung; die hohe Potenzialdifferenz zum substrat- bzw. coenzymgebundenen Wasserstoff entspricht einer Freien Energie von mindestens ∆G° = −220 kJ mol−1 bezogen auf 2 mol Elektronen, die übertragen werden. Daher liefern – bezogen auf den Hexoseabbau – gerade die letzten Reaktionsschritte der Endoxidation über die Atmungskette eine beträchtliche Ausbeute an chemischer Energie in Form von 34 mol ATP für die insgesamt verfügbaren 10 mol NADH und 2 mol FADH2 aus vorangegangenen Stoffabbaustrecken. Die Energieausbeute anaerober Abbauwege im Wege von Gärungsprozessen, die bereits vor der Atmungskette enden, lässt daher eine wesentlich geringere ATP-Bildung erwarten.
Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz
Backmatter
Metadata
Title
Basiswissen Physik, Chemie und Biochemie
Authors
Prof. Dr. Horst Bannwarth
Dr. Bruno P. Kremer
Prof. Dr. Andreas Schulz
Copyright Year
2019
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-58250-3
Print ISBN
978-3-662-58249-7
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-58250-3