BroScience is NoScience! – Wer mit diesem Anspruch eine Artikelreihe rund um die Biochemie beginnt, kommt nicht darum herum, zumindest ein paar wenige Grundlagen der Chemie zu wiederholen, um so einen gemeinsamen Wissensstand herzustellen. Bevor wir in den kommenden Wochen also das Thema Kohlenhydrate betrachten werden, müssen wir erst einmal überhaupt klären, welches Regelwerk der Biochemie zu Grunde liegt. Dieses Regelwerk nennt sich Chemie – and it's science, bitch!

Einführung zur (Bio-)Chemie

Nachdem im ► ersten Artikel bereits einführend dargestellt wurde, wohin die Reise mit dieser Reihe gehen soll, noch einmal der explizite Hinweis: Die folgenden Darstellungen sind – soweit möglich – bewusst simplifiziert worden, ohne inkorrekt zu sein.
Das bedeutet, dass das Wissen, was hier dargestellt wird, für Bodybuilder und Fitnesssportler genügen wird. Wer dagegen für seine nächste Chemieklausur büffelt, sollte lieber bei entsprechender Fachliteratur bleiben.
Nachdem dies noch einmal zur Sicherheit geklärt wurde, können wir in das eigentliche Thema einsteigen. Die Weiten der Chemie. Die einführenden Artikel zur Chemie orientieren sich dabei in erster Linie an Horn, da andere Biochemiebücher das Wissen, was hier noch einmal dargestellt wird, als vorhanden voraussetzen. Wer sich also eine der genannten Quellen zulegen will, wird vor allem zu Beginn mit Horn gut eingedeckt sein. Nun aber genug der Vorworte.


Chemische Bindungen – Echten Zusammenhalt gibt es nicht nur unter Fitness-Bros

Jeder, der einmal Chemie in der Schule hatte, wird so ziemlich in den ersten Stunden erfahren haben, dass es so etwas wie ein Periodensystem gibt. Meist in einer bunten Tafel dargestellt und inzwischen hip genug, dass es selbst auf Duschvorhänge gedruckt wird. Die verschiedenen Elemente, die existieren, sind darauf in acht Hauptgruppen sortiert. Es existieren darüber hinaus noch weitere 10 Nebengruppen, die uns jedoch im Rahmen dieses Artikels nicht weiter interessieren sollen.

Welcher Hauptgruppe ein Element zugeordnet ist, hängt wiederum von der Zahl der Außenelektronen eines Atoms ab, und damit stecken wir schon mittendrin:
Jedes Element besteht aus einem Atomkern mit den positiv geladenen Protonen, um die herum sich die Elektronen sammeln. Verbildlicht ähnlich der Planeten um die Sonne, jedoch im Gegensatz dazu nicht für die Unendlichkeit geschaffen. So wie manch Sportler das strenge Bedürfnis nach Brusttraining am Montag hat, besitzen auch die Atome zwei grundlegende Bedürfnisse.
Abgesehen von Helium, dass auf der ersten Schale bereits mit zwei Elektronen vollständig ist, können alle weiteren Schalen, die wie Zwiebelhäute übereinander lagern, bis zu 8 Elektronen aufnehmen. Das strebt auch jedes Atom an, was als sogenannte Oktettregel festgeschrieben ist.

Das zweite Grundbedürfnis betrifft die Elektronen, die schwer allein sein können und somit immer Paarweise auf der Außenschale angeordnet sein wollen. Atome einer ungeraden Hauptgruppe besitzen also immer einen Lonely Ranger, der einen Kumpanen sucht.

In Anlehnung an Horn lassen sich die Elemente somit im folgenden vereinfachten Periodensystem darstellen. Von Links nach Rechts sind die Hauptgruppen aufgeführt. Von oben nach unten die Schalenanzahl. H, wie Wasserstoff, hat also nur eine Schale und ein Außenelektron. P, wie Phosphor, …. genau, drei Schalen, wobei auf der ersten 2 Elektronen, auf der zweiten 8 Elektronen und auf der dritten Schale 5 Elektronen zu finden sind.

Wir sind uns bis zu diesem Punkt hoffentlich einig: Biochemie muss gar nicht so schwer sein und es gibt keinen Grund, dem Ganzen skeptisch gegenüber zu treten.

1







8

H

2

3

4

5

6

7

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr







I

Xe

H = Wasserstoff | C= Kohlenstoff | N = Stickstoff | O = Sauerstoff | P = Phosphor | S = Schwefel


Die sechs rot markierten Elemente stellen die Grundlage für die gesamte Artikelreihe und damit die biochemischen Prozesse im Körper dar.

Vor allem Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) sind von großer Bedeutung im menschlichen Körper.

Muss ich mir das alles merken?

Keine Angst, es muss nichts auswendig gelernt werden. Das Ganze wird an entsprechender Stelle noch einmal so weit wie nötig erläutert. Diese Informationen sind also in erster Linie für den Hinterkopf.

Was die Menge der Elemente im menschlichen Körper angeht, findet man genauso unterschiedliche Angaben, wie in der prozentualen Verteilung.

Löffler gibt 25 chemische Elemente an, Menche spricht dagegen von 26 Elementen. Darüber hinaus führt Löffler Bor (B) in seiner Liste auf. Dieses erwähnt Mensche nicht, zählt dafür aber Arsen (As) und Nickel (Ni) hinzu. – Der Grund liegt darin, dass einige Spurenelemente zwar über die Nahrung aufgenommen werden und im Körper nachweisbar sind, täglicher Bedarf oder gar Mangelerscheinungen bisher jedoch nicht bekannt sind.

Des Weiteren sind in der Literatur durchaus unterschiedliche Angaben zur Menge der einzelnen Elemente im Körper vorhanden, was jedoch für die weiteren Ausführung nicht weiter wichtig ist.





Wie wir bereits angeführt wurde, haben die Elemente der ungeraden Hauptgruppen mindestens einen unruhigen Vertreter mit an Bord, der nicht länger allein sein will.

Wenn ihr Zeichnung in Büchern oder im Netz findet, wird dies immer mit Strichen und Punkten dargestellt. Ein Punkt steht dabei für ein freies Elektron der Außenschale, ein Strich für ein Elektronenpaar in der Außenschale.


Verbinden sich nun zwei Atome, so wie in der Abbildung zwei Chlor-Atome, so entsteht zwischen den Atomen eine Verbindung zwischen den freien Elektronen. Unsere Chlor-Atome sind entspannt und führen eine offene Beziehung, wie man es neumodern bezeichnen würde. Jeder zählt das "neue" Elektron des anderen für sich, so dass beide eine volle Außenschale besitzen.
Das andere Atome weniger entspannt an die Sache herangehen und das Chlor eine radikale Bitch sein kann, wenn man sie alleine lässt, könnt ihr weiter unten nachlesen.
Und wenn sie nicht gestorben sind...

...dann Leben sie noch heute in einer Welt des Kohlenstoffs, der Grundlage allen Lebens.

Kohlenstoff – Der Baustein allen Lebens?

Zumindest dessen, wie wir uns es vorstellen. Astrobiologen nutzen im Zusammenhang mit dieser Überschrift gerne den Begriff Kohlenstoffchauvinismus, der als Denkanstoß kritisiert, dass auf anderen Planeten möglicherweise durchaus Leben ohne Kohlenstoffverbindungen denkbar ist. – Ohne Frage ist das eine Diskussion auf einer für die Praxis unbedeutenden Meta-Ebene, aber soll doch eines zeigen:
Kohlenstoff ist das wichtigste Atom in der organischen Welt.
Schon einfache Kohlenstoffverbindungen sind relativ stabil, was uns als Information zunächst genügen soll.

Dieser kleine Einschub sollte nur noch einmal die Bedeutung dieses Atoms verdeutlichen.

Halt dich fest, halt an deiner Liebe fest...

...besang der Stuttgarter Freundeskreis einst. Nicht der mit den bunten Pullovern. Der mit dem Lockenkopf als Frontmann. Und auch Atome halten einander fest, denn wie beschrieben, sind 8 Elektronen auf der Außenbahn für Atome das, was wir unter einer (romantischen) Beziehung verstehen würden. Die erste ist nicht immer für die Ewigkeit, aber man neigt doch dazu, möglichst schnell wieder eine neue einzugehen.

Ähnlich, wie wir Menschen nicht unbedingt immer sofort an Heirat und Kinder in die Welt setzen denken, gehen auch Atome starke Bindungen (Hauptvalenzen) und schwache Bindungen (Nebenvalenzen) ein. Schauen wir uns genauer an.


Hauptvalenzen

Die starken Bindungen sind in
  1. Atombindungen und
  2. Ionenbindungen
unterteilt.

Die Chlor-Abbildung oben zeigt uns eine reine Atombindung. Beide Atome haben gleichberechtigten Besitz am Elektron des anderen. Diese offene Beziehung, wie wir es weiter oben salopp betitelten, ist das eine Extrem.

Das andere Extrem ist die Ionenbindung, bei der das eine Atom so vereinnahmend ist, dass es die kompletten Elektronen der Außenschale des anderen Atoms an sich zieht. Salz, also Natriumchlorid (NaCl), wäre so ein Beispiel. Das Chlor Atom reißt die Herrschaft über das äußerste Natrium-Elektron an sich, weshalb ihr auch die Darstellung Na+Cl- sicherlich schon einmal gesehen habt.

Dies sind die zwei Extreme einer Skala, zwischen der es eine Vielzahl an Abstufungen gibt, was schließlich als polare Atombindung bezeichnet wird und am häufigsten in der Biochemie anzutreffen ist.

Und was zum Geier soll das einen Bodybuilder interessieren? Aufgepasst!

Energie – das woraus die Kalorientierchen, die deine Hose enger machen, bestehen

Die beschriebenen Bindungen haben eine gewisse Stärke, wobei die Stärke ausdrückt, wie viel Energie benötigt wird, um diese Verbindungen aufzubrechen. Das bedeutet auf der anderen Seite, dass die Atome entsprechend Energie zur Verfügung stellen, wenn sie sich zu den entsprechenden Molekülen vereinen.

Als Richtgröße werden für eine Atombindung 400 kJ/mol angegeben. Ist erst einmal nicht viel, aber mühsam ernährt sich das Eichhörnchen.

Freie Radikale – Einstieg in die Bodybuildinggeisterbahn

Der zweite Aspekt, der im Zusammenhang mit reinen Atombindungen von Interesse sein sollte, sind die freien Radikale. Diese Dinger, die inzwischen in jede anständige Bodybuildinggeisterbahn gehören und vor denen jeder warnt, aber kaum einer so richtig weiß, was sie überhaupt sind.

Wenn eine reine Atombindung getrennt wird, sind unsere Atome gar nicht mehr so entspannt, wie noch zu ihrer Zeit in der offenen Beziehung. Beide gönnen dem anderen nichts und holen sich ihr Elektron wieder zurück. Wenn dies nun bei Atomen geschieht, die nicht alle ihre Außenelektronen paarweise zusammenfügen können, haben wir es mit freien Radikalen zu tun.

Diese sind zwar neutral geladen, da so viele Elektronen in den Schalen wie Protonen (positive Ladung) im Kern des Atoms vorhanden sind, allerdings sind die getrennten Atome sehr reaktionsfreudig. Das ungepaarte Elektron sucht den nächsten Seelenverwandten.

Kleine triebgesteuerte Arschlöcher, die nicht allein sein wollen und dabei über Leichen gehen. Kein Bro-Code. Kein Tabu der Ex-Freundin. Alles was bei drei nicht auf dem Baum ist, wird für eine erneute Bindung genutzt, um die Außenschale voll zu bekommen. Und was auf dem Baum ist, wird zur Not runtergeschüttelt.
Freie Radikale sind also sehr reaktionsfreudig, weshalb sie Zellen und DNA schädigen können und für Krebs verantwortlich gemacht werden.

Aber auch Atomverbindungen können zu einem freien Radikal werden. Stickstoffmonooxid (NO) verbindet Stickstoff (N) und Sauerstoff (O) über eine Doppelbindung. Wie wir in der Tabelle weiter oben jedoch erkennen, hat Stickstoff damit ein freies Elektron übrig, so dass diese Verbindung ebenfalls äußerst reaktionsfreudig ist.
Interessant ist, dass Gerontologen (Wissenschaftler, die sich mit der Alterung auseinandersetzen – denn bei aller Angstmacherei, sind es immer noch die Alten, die stärker mit Krebs zu kämpfen haben, als jüngere Menschen) die Theorie der freien Radikale anfangs ablehnten und als parawissenschaftlich abtaten.
Das nur als kleiner gedanklicher Ausflug. Wissenschaft ist immer in Bewegung und DIE eine wissenschaftliche Wahrheit gibt es nicht, wie auch bereits die unterschiedlichen Elemente-Angaben weiter oben zeigten. Darüber hinaus sind freie Radikale auch nicht gänzlich zu verteufeln, wie wir uns in späteren Artikeln noch einmal genauer anschauen werden.
Das heißt nicht, dass gemäß dem "Don't Overanalyze It"-Prinzip einfacher weiterhin stumpf trainiert und gegessen werden sollte, sondern einfach, dass nicht jedes kleinste Studienergebnis überinterpretiert werden darf.

Aber dies wird sicherlich im Rahmen der Reihe noch das ein oder andere Mal thematisiert und würde an dieser Stelle zu weit führen.

Nebenvalenzen – schwache Bindungen

Es existieren vier wichtige Nebenvalenzen:
  • Wasserstoffbrückenbindungen
  • Van-der-Waals-Bindungen
  • hydrophobe Wechselwirkungen
  • ionische Wechselwirkungen
wobei vor allem Wasserstoffbrückenbindungen eine wichtige Rolle für die Stabilisierung von Eiweißmolekülen spielen.
Wie bereits angesprochen, gibt es polare Atombindungen. Das bedeutet, dass ein Molekül zwar an und für sich neutral ist, innerhalb dieses Moleküls aber kleine Ladungen existieren, die etwa 5 bis 10 % der Stärke einer Atombindung ausmachen. Ein gutes Beispiel hierfür ist Wasser, also H2O. Das Sauerstoffatom (O) zieht das Elektron der Wasserstoffatome (H) stärker an. Zwischen dem negativ geladenen Sauerstoffanteil und dem positiv geladenen Wasserstoffanteil eines weiteren Wassermoleküls bildet sich nun solche eine Wasserstoffbrücke.
Wasserstoffbrücken können sich bei der Anwesenheit der sogenannten funktionellen Gruppen OH und NH bilden, die im nächsten Teil thematisiert werden.

Die weiteren Nebenbindungen sollen an dieser Stelle (noch) nicht weiter weiter erläutert werden.

Auch Nebenvalenzen haben einen gewissen Energiewert, wobei dieser von 5 bis 40 kJ/mol deutlich geringer ist als der Energiewert von Atombindungen. Ionenbindung befinden sich mit 200 kJ/mol in einem Bereich dazwischen, wobei diese Information auch erst einmal der Vollständigkeit wegen aufgeführt werden soll.

Zusammenfassung

Ok, das war für den ein oder anderen vielleicht schon ein harter Einstieg. Was sollten wir also aus diesem ersten Teil mitnehmen?
  1. Atome versuchen 8 Elektronen auf der Außenbahn zu haben.
  2. Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) sind für die kommenden Teile von großer Bedeutung.
  3. Atome können sich auf unterschiedlichen Arten verbinden, die entsprechend unterschiedlich viel Energie beim Einsetzen der Verbindung freisetzen.
Alles weitere wird in den kommenden Teilen bei Bedarf immer noch einmal knapp erläutert oder mit Hinweis auf diesen Artikel verlinkt.
Leider sind wir mit dem kleinen Chemiegrundkurs damit noch nicht durch. Das zeigt hoffentlich, wie weit eigentlich bereits die kleinsten Grundlagen gehen, die man grob verstehen sollte, um die ein oder andere Aussage einordnen zu können.

Wer sich tiefer in die Materie einlesen möchte, sollte zu einem der aufgeführten Biochemie-Bücher greifen. Dieses sind nicht unbedingt günstig, aber eine Anschaffung fürs Sportlerleben. Bis die Gerontologe wieder die gefalteten Alu-Hüte rausholen. In diesem Sinne: Bis zum nächsten Artikel.

Literatur

  • Horn, Florian (2012): Biochemie des Menschen. Das Lehrbuch für das Medizinstudium. Stuttgart: Thieme Verlag.
  • Löffler, Gerog / Heinrich, Peter / Petrides, Petro (2007): Biochemie & Pathobiochemie. Heidelberg: Springer.
  • Menche, Nicole (2007): Biologie, Anatomie, Physiologie. Münschen / Jena: Urban & Fischer.
Hinweis: Der Autor dieses Artikels betreut Sportler bei ihrem individuellen Weg zum Erfolg und bietet ► Seminare im kleinen Kreis an. Weiteres erfährt man unter: ► become-fit.de oder schaut einfach auf seinem ► Youtube-Channel vorbei.


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