Die wichtigsten chemischen Elemente

Die häufigsten Elemente biochemischer Verbindungen 
Die beim Aufbau von biochemischen Verbindungen am häufigsten verwendeten chemischen Elemente sind: 

• Kohlenstoff (chemisches Zeichen C)
• Wasserstoff (H)
• Sauerstoff (O)
• Stickstoff (N)
• Phosphor (P) und 
• Schwefel (S)

Anorganische Ionen 
Von wesentlicher Bedeutung sind auch die Elemente, welche im Blut vorwiegend in ionisierter Form vorkommen: 

• Natrium: Na⁺
• Kalium: K⁺
• Calcium: Ca²⁺
• Magnesium: Mg²⁺
• Chlorid: C^l-

Die positive Ladung des Natriums ist darauf zurückzuführen, dass das Natriumatom eines seiner (negativ geladenen) Elektronen (e^-) abgegeben hat, die negative Ladung des Chlorids ist dagegen durch die zusätzliche Aufnahme eines Elektrons bedingt. Diese Atome sind daher elektrisch geladen und werden allgemein als Ionen bezeichnet. 

Beispiel: Natrium besitzt im Kern 11 (positiv geladene) Protonen und in der Elektronenhülle kreisen 11 (negativ geladene) Elektronen. Da sich die positiven und negativen Ladungen ausgleichen, ist das Natriumatom gegen aussen ungeladen (elektrisch neutral). Gibt nun ein Natriumatom ein Elektron ab, so "stehen" 11 Protonen lediglich noch 10 Elektronen gegenüber, d.h. die positiven Ladungen überwiegen. Man schreibt deshalb Na⁺. 

Positiv geladene Ionen werden als Kationen, negativ geladene als Anionen bezeichnet.

Spurenelemente 
Elemente, welche der Organismus nur in sehr geringen Mengen benötigt, werden als Spurenelemente bezeichnet. Dazu gehören: 

• Eisen: Fe
• Zink: Zn
• Kupfer: Cu
• Kobalt: Co
• Mangan: Mn 
• Jod: I
• Selen: Se 

Fe, Zn, Cu, Co, Mn sind im Periodensystem der Elemente bei den Nebengruppenmetallen eingeteilt worden, Jod und Selen sind Nichtmetalle. 

 

Chemische Bindungen

Entsprechend der Konfiguration ihrer Elektronenhülle können Atome nur ganz bestimmte Formen von Verbindungen eingehen. Diese werden im folgenden kurz aufgeführt, Einzelheiten sind dem Unterricht in der allgemeinen Chemie vorbehalten. 

Abb. 1: Atome und ihre Bindungsstellen.
Bei Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffatomen können sich zwei Bindungsstellen zu einer Doppelbindung vereinigen. Bei C- und N-Atomen kommen auch Dreifachbindungen vor.

 

Wasserstoff

Wasserstoff (H) ist das einfachste aller Atome, es besteht aus einem Proton und einem Elektron. 

Wasserstoffatome sind einwertig, d.h. sie besitzen eine einzige Bindungsstelle. Dies wird in Formeln wie folgt dargestellt: 

Abb. 2: Der Strich neben dem als Symbol H dargestellten Wasserstoffatom kennzeichnet die mögliche Bindungsstelle mit einem anderen Atom.

Zwei Wasserstoffatome können sich daher zu einem Molekül vereinigen: 

Abb. 3: Die Verbindung zweier Wasserstoffatome zu einem Molekül H₂.

Der Einfachheit halber wird das Wasserstoff-Molekül einfach als Summenformel H2 geschrieben. 
"Verliert" ein Wasserstoffatom sein Elektron, so bleibt nur der positiv geladene Kern (Proton) zurück, was als H⁺ geschrieben wird.

 

Kohlenstoff

Kohlenstoffatome (C) sind vierwertig, d.h. sie haben 4 Bindungsstellen zur Verfügung: 
Dies bedeutet, dass ein Kohlenstoffatom beispielsweise 4 Wasserstoffatome binden kann: 

Abb. 4: Das Kohlenstoffatom verbindet sich mit 4 Wasserstoffatomen. Die Verbindung heisst Methan und kann auch als CH4 geschrieben werden.

Kohlenstoffgerüste 
Von wenigen Ausnahmen abgesehen bildet der Kohlenstoff das Gerüst aller organischen Moleküle. Er zeichnet sich dadurch aus, dass er sich und andere Atome zu Ketten und Ringen verbinden kann.

Kohlenwasserstoffe  
Bei der Kettenbildung werden je zwei der vier Bindungsstellen zur Verkettung benutzt. Die beiden noch freien Bindungen können für andere Atome, hier Wasserstoffatome, verwendet werden.

Abb. 5: Kettenbildung mit Kohlenstoffatomen: Kohlenwasserstoffe

Kohlenstoff und Wasserstoff bilden so miteinander stabile Verbindungen, die als Kohlenwasserstoffe bezeichnet werden. Sie sind im allgemeinen schlecht wasserlöslich (lipophil). 

Doppelbindungen 
Kohlenstoffatome können auch Doppelbindungen miteinander eingehen. 
Liegt zwischen zwei Doppelbindungen eine Einfachbindung, so spricht man von konjugierter Doppelbindung. Diese sind in Naturstoffen sehr verbreitet und spielen in der Chemie eine grosse Rolle.

Abb. 6: Konjugierte Doppelbindungen: Zwischen zwei Doppelbindungen liegt eine Einfachbindung.

Acetylen weist sogar eine Dreifachbindung zwischen den Kohlenstoffatomen auf: 

Ringbildung von Kohlenstoffatomen 

Aromatische Kohlenwasserstoffe
Kohlenstoffatome können sich zu Ringen verbinden. Alle Substanzen, die sich vom Benzol (C₆H₆) ableiten lassen, werden als aromatische Kohlenwasserstoffe bezeichnet.

Abb. 7: Aromatische Kohlenwasserstoffe: Benzol. Die verschiedenen Darstellungsmöglichkeiten des Benzolmoleküls.

Heterozyklische aromatische Verbindungen
Aromatische Verbindungen, die ausser Kohlenstoffatomen noch andere Atome im ringförmigen Molekül enthalten, werden als heterozyklische aromatische Verbindungen bezeichnet. 

Abb. 8: Heterozyklische aromatische Kohlenwasserstoffe. Beim Pyridimin sind zwei Stickstoffatome in den Ring eingebaut.

 

Sauerstoff

Das Sauerstoffatom weist 2 Bindungsstellen auf:

Abb. 9: Sauerstoff hat entweder zwei einzelne Bindungsstellen oder eine Doppelbindung.

Bei der Bildung von Wasser (H2O) bindet demnach der Sauerstoff zwei Wasserstoffatome, was wie folgt dargestellt wird: 

Abb. 10: Wasser besteht aus 2 Wasserstoff und einem Sauerstoffatom. 

Verbindet sich ein Sauerstoffatom mit nur einem Wasserstoffatom, so bleibt noch eine Bindungsstelle frei: 

Abb. 11: Bei der biologisch ausserordentlich wichtigen Hydroxy-Gruppe verbinden sich ein Sauerstoff- und ein Wasserstoffatom. In der Regel wird nur die noch freie Bindung dargestellt, hingegen der Bindungsstrich zwischen O und H weggelassen.

Sauerstoff wie auch Kohlenstoff können "gleichzeitig" zwei Bindungen eingehen, was als Doppelbindung bezeichnet wird: 

Abb. 12: Bei der sogenannten Carbonyl-Gruppe bildet sich zwischen dem Kohlenstoff- und dem 
Sauerstoffatom eine Doppelbindung aus. Das Kohlenstoffatom hat noch zwei weitere 
Bindungsstellen zur Verfügung.

Ein häufig vorkommendes Molekül ist das Kohlendioxid: 

 

Stickstoff

Stickstoff hat drei Bindungsstellen: 

Abb. 13: Ammoniak ist eine Verbindung von Stickstoff mit drei Wasserstoffatomen und wird kurz als NH₃ geschrieben.

 

Phosphor

Phosphor weist in biochemischen Molekülen 5 Bindungsstellen auf. Als Beispiel dient die Phosphorsäure H₃PO₄: 

Die Phosphat-Gruppe spielt eine grosse Rolle bei der chemischen Speicherung von Energie, ist aber beispielsweise auch ein wichtiges Strukturelement bei der Erbsubstanz (Nucleinsäuren).

 

Darstellung der Formeln

Wie die bisherigen Beispiele bereits gezeigt haben, werden die Formeln wesentlich übersichtlicher, wenn die mit Wasserstoff abgesättigten Gruppen durch eine vereinfachte Schreibweise dargestellt werden, also beispielsweise: 

Eine weitere Vereinfachung besteht darin, Kohlenwasserstoffketten durch ein System von Strichen darzustellen, in deren "Ecken" CH₂-Gruppen zu denken sind: 

Gruppen, welche bei einer chemischen Reaktion nicht direkt beteiligt sind, werden oft mit -R (Rest) bezeichnet. Man schreibt -R aber auch dort, wo verschiedene Gruppen möglich sind.

02.02.2001 /hpk