I care Anatomie, Physiologie

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© 2015 Georg Thieme Verlag KGRüdigerstr. 14D-70469 StuttgartUnsere Homepage: http://www.thieme.de

2. korrigierter NachdruckPrinted in Germany

Umschlaggestaltung: Horst Moser, independent Medien-Design, MünchenUmschlagillustration: Seinab Danboos, MünsterLayout: Katharina Fesl, Mathias Frisch, Pia Hofmann; Art-Direction: Horst Moser, independent Medien-Design MünchenZeichnungen: anchin mabel, Stuttgart/Zürich; Karin Baum, Paphos, ZypernMind-Maps: Helene Janzen, StuttgartAnatomische Aquarelle aus: Schünke M, Schulte E, Schumacher U. Prometheus. LernAtlas der Anatomie. Illustrationen von M. Voll und K. Wesker

Satz: L42 AG, BerlinDruck: Aprinta Druck GmbH, Wemding

ISBN 978-3-13-165611-7 3 4 5 6Auch erhältlich als E-Book:eISBN 978-3-13-165621-6

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Inhaltsverzeichnis

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Wir wünschen Ihnen bei Ihrer Ausbildung sehr viel Freude und viel Erfolg!

Ihr Verlagsteam

PS: Wenn Ihnen das Buch gefällt: I care gibt es auch für die Pflege und für die Krankheitslehre.

VorwortWillkommen liebe Leserinnen und liebe Leser,

Sie lernen einen Beruf im Gesundheitswesen? Dazu gra-tulieren wir Ihnen herzlich! Dieses Beschäftigungsfeld hat aufgrund der demografischen Entwicklung Zukunft und es stehen Ihnen viele interessante Handlungsfelder offen. Beru-fe im Gesundheitswesen sind aber nicht nur zukunftsfähig, sondern werden von den Handelnden oft auch als sehr sinn-voll eingestuft – was die beste Voraussetzung dafür ist, um langfristig mit seinem Beruf zufrieden zu sein.

Sie beschäftigen sich aus einem anderen Grund mit den Themen Anatomie und Physiologie? Hervorragend! Aus un-serer Sicht gibt es nämlich kaum etwas Spannenderes als die Frage zu beantworten, wie wir als Menschen funktionieren.

In der Anatomie dreht sich alles darum, wie der Körper innen und außen aussieht und wie die sichtbaren Struktu-ren zusammenspielen. Die Physiologie und Biologie gehen noch tiefer in die Materie hinein. Sie vermitteln ein grund-sätzliches Verständnis darüber, wie Prozesse im Körper ab-laufen – zum Beispiel wie es funktionieren kann, dass das Herz im Schnitt jeden Tag 100 000-mal schlägt (und das ein Leben lang!), warum man Fieber bekommt oder Schmerzen verspürt.

In fast allen Berufen, die das Ziel haben, Krankheiten zu vermeiden, oder, die sich therapeutisch mit kranken Men-schen beschäftigen, ist es entscheidend, über ein grundle-gendes Wissen zu Anatomie und Physiologie zu verfügen. Denn nur so ist es möglich, qualifiziert zu handeln.

In diesem Buch werden Ihnen zunächst die Grundlagen ver-mittelt, die zum Verständnis der Anatomie und Physiologie hilfreich sind. Auf knapp 100 Seiten finden sich relevante Ausschnitte aus den Fachgebieten Biologie, Physik, Chemie und Biochemie sowie der Histologie (Gewebelehre). Hier erfahren Sie unter anderem, wie eine Zelle aussieht, welche Funktion sie haben kann, aber auch warum das Blut durch unsere Adern fließt und warum wir Farben sehen können.

Im zweiten Buchteil geht es dann weiter mit der Anatomie und Physiologie der verschiedenen Organsysteme, wo Auf-bau und Funktion der Organe detailliert besprochen werden. Darüber hinaus ist ein eigenes Kapitel dem Thema „Schwan-gerschaft, Geburt und Wochenbett“ gewidmet. Zum Ab-schluss gehen wir in Buchteil 3 näher auf die Besonderheiten ein, die es beim Heranwachsenden bzw. im Alter gibt. Hier erfahren Sie z. B., ab welchem Alter ein Kind laufen sollte, wann es zu sprechen beginnt und wann es Zähne bekommt, und gleichzeitig auch, wie sich Organe und Körper durch das Älterwerden verändern.

Bei der Erstellung des Buches war es uns sehr wichtig, die Kapitel in einer klaren, verständlichen Sprache zu verfassen und die Inhalte in den verschiedenen Teilen optimal mitei-nander zu vernetzen. In der Anatomie sagt ein Bild oft sehr viel mehr als Worte. Deshalb freuen wir uns sehr, dass wir die Bilder aus unserem erfolgreichen Atlas zur Anatomie, dem PROMETHEUS, in einer für das Lehrbuch angepassten Version in das Buch aufnehmen konnten.

Das Buch wurde von uns mit dem Anspruch gestaltet, dass Sie das für Ihre Ausbildung relevante Wissen gerne lernen. Dabei haben wir darauf geachtet, dass Sie sich jederzeit ori-entieren, das Gelesene gut verstehen und das Wichtige iden-tifizieren und sich merken können – mehr Informationen zum didaktischen Konzept finden Sie auf der Mindmap der hinteren Umschlagseite.

Mit der für das Buch entwickelten App haben Sie die wich-tigen Fakten als „Wissen to go“ immer dabei.

Bei der Realisierung von I care Anatomie, Physiologie ha-ben viele verschiedene Menschen wichtige Beiträge gelie-fert. Wir im Verlag möchten uns ganz besonders bedanken bei unseren Autoren, den Grafikern und unseren Fachbeirä-ten, die alle mit großem Engagement sichergestellt haben, dass das Buch in der vorliegenden Qualität fertiggestellt wer-den konnte.

Wir sind sehr gespannt auf Ihre Reaktionund freuen uns auf den Dialog mit Ihnen, der für

uns unter dem Motto steht „wir wollen immer besser werden“.

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scannen Sie mich und schreiben Sie uns, was Sie bewegt

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FachbeiräteProf. Dr. Frank SchmitzInstitut für Anatomie und ZellbiologieUniversität des SaarlandesMedizinische Fakultät66421 Homburg/Saar

Dr. Karin SchwarzInstitut für Anatomie und ZellbiologieAbt. Neuroanatomie, AG. Prof. SchmitzKirrbergerstraße, Geb. 6166424 Homburg/Saar

Mitarbeiter verzeichnisClaus-Henning BleyKrankenhaus Bad SodenKlinik für Anästhesiologie, Intensivmedizin und SchmerztherapieKronberger Str. 3665812 Bad Soden

Maik CentgrafMainzerhofplatz 199084 Erfurt

Dr. med. Angela CieslikPfälzer Str. 769123 Heidelberg

Juliana HackUniversitätsklinikum Gießen und Marburg GmbHKlinik für Unfall-, Hand-und WiederherstellungschirurgieBaldingerstr.35043 Marburg

Lisa HohlochUniversitätsklinikum FreiburgHugstetterstr. 5579106 Freiburg

Cornelia HolzheimerDipl.-MedizinpädagoginKlinikum Stuttgart, BildungszentrumSchule für Gesundheits- und KrankenpflegeHegelstr. 470174 Stuttgart

Henrike HornGroße Ulrichstr. 1906108 Halle (Saale)

Cosima KircherDipl.-Pflegepädagogin (FH)Klinikum Stuttgart, BildungszentrumSchule für Gesundheits- und KrankenpflegeHegelstr. 470174 Stuttgart

Pascal KleinerKlinikum Landkreis TuttlingenKlinik für Anästhesie und IntensivmedizinZeppelinstr. 2178532 Tuttlingen

Dr. med. Agnes SchneiderKlinikum WolfsburgKlinik für Unfallchirurgie, Orthopädie und HandchirurgieSauerbruchstr. 738440 Wolfsburg

Dr. med. Anja SchulteKantonsspital St. GallenQualitätsmanagement9007 St. GallenSchweiz

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Inhaltsverzeichnis

1 Grundlagen1 Aufbau und Funktion

des menschlichen Körpers – ein Überblick 12

1.1 Geschichtlicher Überblick . . . . 121.2 Das Fach Anatomie . . . . . . . . 121.3 Das Fach Physiologie . . . . . . . 131.4 Kennzeichen des Lebens. . . . . 131.5 Körperachsen und -ebenen . . . 141.6 Terminologie und Sprache . . . 15

2 Chemie und Biochemie 182.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . 182.2 Chemische Elemente . . . . . . . 182.3 Chemische Bindungen . . . . . . 202.4 Chemische Reaktionen. . . . . . 232.5 Organische Verbindungen im

menschlichen Körper . . . . . . 23

2.6 Anorganische Verbindungen im menschlichen Körper . . . . 33

2.7 Klinische Chemie: Laborwerte . 35

3 Physik im menschlichen Organismus und in der Medizin 36

3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . 363.2 Mechanik: die Wirkung von

Druck im menschlichen Körper 363.3 Wärme und Wärmetransport

im menschlichen Körper . . . . 383.4 Aggregatzustände. . . . . . . . . 393.5 Löslichkeit und Diffusion . . . . 403.6 Energie, Arbeit und Leistung . . 423.7 Grenzflächenkräfte . . . . . . . . 423.8 Strömungen von Flüssigkeiten

und Gasen . . . . . . . . . . . . . 43

3.9 Elektrizität und Magnetismus . 443.10 Optik . . . . . . . . . . . . . . . . 443.11 Schwingungen und Wellen . . . 483.12 Strahlung . . . . . . . . . . . . . . 50

4 Biologie 544.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . 544.2 Zytologie – die Lehre der Zelle . 544.3 Genetik . . . . . . . . . . . . . . . 66

5 Gewebe im menschlichen Körper 78

5.1 Prinzipieller Aufbau eines Gewebes . . . . . . . . . . . . . . 78

5.2 Epithelgewebe. . . . . . . . . . . 795.3 Binde-, Stütz- und Fettgewebe . 845.4 Muskelgewebe. . . . . . . . . . . 905.5 Nervengewebe. . . . . . . . . . . 98

2 Anatomie und Physiologie der Organsysteme6 Herz 1086.1 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . 1086.2 Lage, Form und Größe . . . . . 1086.3 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . 1106.4 Feinbau . . . . . . . . . . . . . . 1136.5 Gefäßversorgung und

Innervation . . . . . . . . . . . 1146.6 Funktionen. . . . . . . . . . . . 1166.7 Regulation der Herzleistung . 121

7 Kreis lauf- und Gefäßsystem 124

7.1 Blutgefäßsystem . . . . . . . . 1247.2 Lymphgefäßsystem. . . . . . . 141

8 Atmungssystem 1458.1 Aufgaben und Aufbau des

Atmungssystems . . . . . . . . 145

8.2 Brustfellhöhle und Mediastinum . . . . . . . . . . 145

8.3 Nase, Nasen- und Nasennebenhöhlen . . . . . . . 147

8.4 Rachen . . . . . . . . . . . . . . 1508.5 Kehlkopf . . . . . . . . . . . . . 1528.6 Luft röhre und Bronchien . . . 1558.7 Lunge . . . . . . . . . . . . . . . 1588.8 Atemmechanik . . . . . . . . . 1648.9 Gasaustausch und Transport

der Atemgase . . . . . . . . . . 166

9 Verdauungs system 1709.1 Aufgaben und Aufbau des

Verdauungssystems . . . . . . 1709.2 Bauch- und Beckenhöhle . . . 1719.3 All gemeiner Wandbau des

Verdauungssystems . . . . . . 174

9.4 Mundhöhle und Speicheldrüsen . . . . . . . . . 175

9.5 Spei seröhre . . . . . . . . . . . 1859.6 Magen. . . . . . . . . . . . . . . 1879.7 Dünndarm . . . . . . . . . . . . 1929.8 Dickdarm . . . . . . . . . . . . . 1979.9 Bauch speicheldrüse . . . . . . 2039.10 Leber . . . . . . . . . . . . . . . 2069.11 Gal len blase. . . . . . . . . . . . 2169.12 Verdauung . . . . . . . . . . . . 2189.13 Ernährung . . . . . . . . . . . . 222

10 Niere und ableitende Harnwege, Wasser- und Elektrolyt haushalt 230

10.1 Nieren. . . . . . . . . . . . . . . 23010.2 Ableitende Harnwege . . . . . 243

8

10.3 Wasser- und Elektrolyt - haushalt . . . . . . . . . . . . . 250

10.4 Säure-Basen-Haushalt . . . . . 256

11 Hormonsystem 25811.1 Einteilung und Wirkungsweise

der Hormone . . . . . . . . . . 25811.2 Steuerung der Hormonbildung 26311.3 Endokrine Organe und Gewebe 265

12 Blut und Immunsystem 28912.1 Blut . . . . . . . . . . . . . . . . 28912.2 Immunsystem . . . . . . . . . . 31412.3 Lymphatische Organe . . . . . 32712.4 Impfungen . . . . . . . . . . . . 33512.5 Entzündung . . . . . . . . . . . 337

13 Bewegungs system 34013.1 Aufgaben und Aufbau des

Bewegungssystems . . . . . . . 34013.2 Skelettsystem . . . . . . . . . . 34013.3 Skelettmuskulatur . . . . . . . 35413.4 Anfassen erlaubt! . . . . . . . . 36313.5 Knochen, Gelenke und Muskeln

des Kopfes . . . . . . . . . . . . 366

13.6 Knochen, Gelenke und Muskeln des Halses . . . . . . . . . . . . 374

13.7 Knochen, Gelenke und Muskeln des Rumpfes . . . . . . . . . . . 376

13.8 Knochen, Gelenke und Muskeln der oberen Gliedmaße . . . . . 398

13.9 Knochen, Gelenke und Muskeln der unteren Gliedmaße . . . . 420

14 Nervensystem 44414.1 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . 44414.2 Gliederung des

Nervensystems . . . . . . . . . 44414.3 Zentrales Nervensystem

(ZNS) . . . . . . . . . . . . . . . 44614.4 Peripheres Nervensystem

(PNS) . . . . . . . . . . . . . . . 46514.5 Autonomes Nervensystem . . 47414.6 Somatisches Nerven system . . 48214.7 Übergeordnete Funktionen

des ZNS . . . . . . . . . . . . . . 484

15 Sinnesorgane 49415.1 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . 49415.2 Sinneszellen und Rezeptoren . 494

15.3 Auge . . . . . . . . . . . . . . . . 49615.4 Ohr . . . . . . . . . . . . . . . . 50915.5 Geschmackssinn . . . . . . . . 51715.6 Geruchssinn . . . . . . . . . . . 51815.7 Tast- und Berührungssinn. . . 52015.8 Temperatursinn . . . . . . . . . 52015.9 Schmerzwahrnehmung . . . . 52015.10 Tiefensensibilität . . . . . . . . 521

16 Haut, Haare und Nägel 52216.1 Haut . . . . . . . . . . . . . . . . 52216.2 Haare . . . . . . . . . . . . . . . 52916.3 Nägel . . . . . . . . . . . . . . . 53016.4 Hautdrüsen . . . . . . . . . . . 531

17 Geschlechtsorgane 53617.1 Geschlechtsmerkmale . . . . . 53617.2 Weibliche Geschlechts organe 53617.3 Männliche Geschlechts organe 550

18 Schwangerschaft, Geburt und Wochenbett 560

18.1 Schwangerschaft . . . . . . . . 56018.2 Geburt . . . . . . . . . . . . . . 58018.3 Wochenbett . . . . . . . . . . . 58518.4 Stillen . . . . . . . . . . . . . . . 587

3 Heranwachsen und Altern19 Kindliche Entwicklung 59219.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . 59219.2 Neugeborenenperiode und

Säuglingsalter . . . . . . . . . . 59219.3 Kleinkindalter . . . . . . . . . . 59619.4 Kindesalter . . . . . . . . . . . . 597

19.5 Jugendalter. . . . . . . . . . . . 59819.6 Entwicklung der Organe. . . . 599

20 Physiologie des Alterns 60420.1 Jung oder alt? . . . . . . . . . . 60420.2 Alter und Altern. . . . . . . . . 605

20.3 Alterstheorien . . . . . . . . . . 60520.4 Veränderungen der

Organsysteme im Alter . . . . 606

Sachverzeichnis 612

Inhaltsverzeichnis

1

1 Aufbau und Funktion des menschlichen Körpers – ein Überblick � � � � � � � � � � 122 Chemie und Biochemie � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 183 Physik im menschlichen Organismus und in der Medizin � � � � � � � � � � � � � � 364 Biologie� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 545 Gewebe im menschlichen Körper � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 78

Grundlagen

Aufbau und Funktion des menschlichen Körpers – ein Überblick1

12

1.1 Geschichtlicher ÜberblickDie Anatomie ist eine der ältesten Naturwissenschaften und die zentrale Wissensgrundlage für jeden Arzt. Das Wort „Anatomie“ leitet sich aus dem Griechischen ab (von „ana-temnein“) und bedeutet übersetzt so viel wie „zerschnei-den“ oder „zergliedern“.

Bereits in der Antike beschäftigten die Menschen sich mit der Lehre vom Aufbau von Organismen. Die ersten wissen-schaftlich erwähnten Sektionen wurden bereits im 3. Jahrhun-dert v. Chr. in Alexandria durchgeführt. Der berühmteste Arzt in der Antike war Hippokrates von Kos, der auch als Begründer der Medizin angesehen wird. Er verfasste in seinen Schriften „Corpus hippocraticum“ auch umfangreiche anatomische Be-schreibungen. Prägend für die medizinische Lehre war außer-dem der Grieche Galenos von Pergamon (deutsch Galen), der Leibarzt von Marc Aurel war. Er praktizierte im 2. Jahrhundert n. Chr. und fasste das medizinische Wissen der damaligen Zeit, u. a. auch von Hippokrates, in einem Gesamtwerk zusammen. Körperöffnungen am Menschen waren aus religiösen Gründen nicht gestattet, Galen erhielt seine Erkenntnisse stattdessen, indem er Knochen und Skelette studierte und Sektionen an Tieren vornahm. Seine Lehre prägte die Medizin deutlich mehr als 1000 Jahre. Nach Galen ist übrigens die Galenik, die Lehre der Herstellung von Arzneimitteln, benannt.

Das Mittelalter bedeutete für die Anatomie jedoch – ge-nauso wie für die meisten anderen Wissenschaften auch – einen Rückschlag. Im 16. Jhd. wurden dann aber immer häufiger Körperöffnungen (Sektionen) vorgenommen, um den menschlichen Körper zu erforschen. Im Jahr 1543

veröffentlichte Andreas Vesalius, der Leibarzt Karls V., mit „Vesals Anatomie“ ein erstes umfassendes anatomisches Werk, das die bestehenden wissenschaftlichen Ansätze der-artig revolutionierte, dass er als Begründer der modernen Anatomie angesehen werden kann.

Die wieder erstarkende Anatomielehre hatte in der fol-genden Zeit jedoch einen schwierigen Stand und die Zahl der Kritiker war nicht gering. Dies führte dazu, dass immer wieder Lehren widerrufen werden mussten und Naturwis-senschaftler sogar umgebracht wurden.

Im 19. Jhd. spaltete sich die klassische Anatomie, wie sie bisher existiert hatte, in die Unterdisziplinen Anatomie und Physiologie, die fortan als selbstständige Wissenschaften nebeneinander existierten. Während die Physiologie sich bevorzugt mit den funktionellen Aspekten beschäftigt, steht bei der Anatomie die Struktur im Vordergrund. Beide As-pekte gehören jedoch zusammen und bedingen einander. Struktur und Funktion gehen Hand in Hand.

1.2 Das Fach AnatomieDas Fach Anatomie umfasst folgende Teildisziplinen:

● makroskopische Anatomie: Die makroskopische Ana-tomie beschäftigt sich mit allen Dingen des Körpers, die so groß sind, dass man sie mit bloßem Auge – bzw. mit einer Lupe – erkennen kann. Dabei betrachtet man den Körper nicht nur von außen, sondern setzt gezielte Schnit-te, um auch innere Strukturen und Organe beurteilen zu können. In der makroskopischen Anatomie gibt es wie-derum unterschiedliche Herangehensweisen. Es gibt die beschreibende Anatomie (deskriptive Anatomie), bei der der Körper äußerlich beschrieben wird, die systematische Anatomie, bei der man Organsysteme, die von der Funk-

Aufbau und Funktion des menschlichen Körpers – ein Überblick

1

Kennzeichen des Lebens

13

tion her miteinander zusammenhängen, zusammenfasst, die topografische Anatomie, bei der die Lagebeziehungen verschiedener Strukturen zueinander die wesentliche Rol-le spielen, und die vergleichende Anatomie, bei der die Körper verschiedener Tierarten verglichen werden.

● mikroskopische Anatomie: In der mikroskopischen Ana-tomie benötigt man ein Mikroskop, um die Strukturen zu erfassen. Hier werden Gewebe und Zellen beurteilt. Auch hier müssen spezielle Schnitte angefertigt oder Zellen ge-wonnen werden, die dann auf einem Objektträger im Mi-kroskop betrachtet werden. Man kann zwischen der Zy-tologie (Lehre von den Zellen) und Histologie (Lehre vom Gewebe) unterscheiden.

● Embryologie: Die Embryologie ist eine Sondergruppe in-nerhalb der Anatomie. Sie beschäftigt sich mit der Entste-hung anatomischer Strukturen während der Embryonal-entwicklung.

Alle 3 Unterarten der Anatomie sind gleichermaßen wich-tig, um ein möglichst vollständiges Verständnis für den menschlichen Körper zu erhalten. Das Lehrfach Anatomie ist in der heutigen Ausbildung junger Mediziner und Pfle-gekräfte immer noch stark repräsentiert. Im rein ärztlichen Bereich ist neben der eigentlichen Lehre, die als Vorlesung abgehalten wird, auch ein Praktikum fester Ausbildungsbe-standteil. Hierbei lernen junge Mediziner den menschlichen Körper im sog. Präparierkurs durch gezielte Schnittpräpara-tion unter fachkundiger Anleitung anschaulich kennen.

Ohne zu wissen, wie Gesundes aussieht, kann man Krankes nicht erkennen.

1.3 Das Fach PhysiologieDie Physiologie beschäftigt sich mit den Vorgängen, die das Leben beeinflussen. Genauer gesagt, stellt sich die Physio-logie die Frage, wie der Körper funktioniert und wie Stoff-wechselvorgänge in unserem Körper ablaufen und unterei-nander zusammenhängen. Sie ist daher sehr eng mit dem Fach Biochemie verknüpft. Die Physiologie steht aber natür-lich auch in enger Beziehung zur Anatomie.

Physiologie ist also die Lehre von den biochemischen und physikalischen Prozessen in den Zellen und Geweben von Lebewesen.

Mediziner verwenden übrigens sehr häufig den Begriff „physiologisch“; sie meinen damit den „Normalzustand“ von Geweben und Organen, so wie sie bei gesunden Men-schen vorkommen. Das Gegenteil von physiologisch ist pa-thologisch.

1.4 Kennzeichen des LebensDamit wir etwas als ein „lebendiges Wesen“ oder „Lebewe-sen“ bezeichnen, müssen einige Grundvoraussetzungen er-füllt sein:

● Lebewesen sind in der Lage, ihre Umwelt wahrzunehmen und auf diese zu reagieren.

● Lebewesen können ihre Spezies durch Fortpflanzung ver-mehren.

● Um zu überleben und eine gewisse Unabhängigkeit gegen-über äußeren Einflüssen behaupten zu können, müssen Lebewesen über einen eigenen Stoffwechsel verfügen.

● Aufgrund des Stoffwechsels, aber auch als Reaktion auf äußere Einflüsse entwickeln und wachsen Lebewesen mit der Zeit.

● Lebewesen können sich selbst aktiv bewegen oder zeigen zumindest innerhalb ihres Körpers Bewegungen (z. B. Zi-lienschlag).

1.4.1 Subsysteme des LebensDer menschliche Körper ist aus einer Vielzahl von Untersys-temen aufgebaut.

Atome und Moleküle • Auf allerkleinster Ebene finden sich Atome. Atome sind die Grundbausteine jeder Materie. Mo-leküle sind Verbindungen einzelner Atome. Die genaue Zu-sammensetzung der Moleküle bestimmt die Eigenschaften des Gegenstandes:

● Aggregatzustände (flüssig, fest, gasförmig) ● (molekulares) Gewicht ● Farbe ● Reaktionsfähigkeit

Näheres zu Atomen erfahren Sie im Kap. „Chemie und Bio-chemie“ (S. 18).

Zellen • Zellen sind die kleinsten Einheiten eines belebten Organismus. In diesen Zellen finden sich verschiedene Or-ganellen, die jeweils unterschiedliche Funktionen haben: z. B. die Bereitstellung von Energie (Mitochondrium) oder die Weiterverarbeitung von aufgenommenen Nährstoffen und Kleinstteilen (Vesikel, endoplasmatisches Retikulum). Ausführliches über Zellen und die Funktionen der Organel-len gibt es im Kap. „Biologie“ (S. 54).

Gewebe und Organe • Einzelne Zellen schließen sich zu Zell-verbänden zusammen und können sich spezialisieren. Auf diese Weise entstehen verschiedene Gewebearten. Dabei kann man 4 Grundgewebearten unterscheiden:

● Epithelgewebe, ● Binde-, Stütz- und Fettgewebe, ● Muskelgewebe und ● Nervengewebe.

Genaueres zu den unterschiedlichen Geweben finden Sie im Kap. „Gewebe im menschlichen Körper“ (S. 78).

Die sinnvoll zusammengeschlossenen spezialisierten (= dif ferenzierten) Gewebe bilden in ihrer Gesamtheit abge-schlossene Funktionseinheiten – die Organe.

Organsysteme • Einzelne Organe, die eine gemeinsame Funk-tion haben, lassen sich zu sog. Organsystemen zusammen-fassen. Beispiele hierfür sind:

● Herz-Kreislauf-System (Herz, Lunge, Blutgefäße) ● Atmungssystem (Nase, Kehlkopf, Luftröhre, Bronchien, Lunge)

● Verdauungssystem (Magen, Dünn-/Dickdarm, Pankreas, Leber und Gallenwege/-blase)

● harnproduzierende/-leitende Organe (Nieren, Harnleiter, Blase, Harnröhre)

● Nervensystem (zentrales Nervensystem mit Gehirn und Rückenmark, periphere Nerven, autonomes Nervensys-tem mit Sympathikus und Parasympathikus)

Psyche • Eine nicht zu unterschätzende Komponente spielt bei uns Menschen auch die Psyche. Die Psyche beeinflusst uns in der Entscheidung bei Handlungen sowie in unserem Denken und Fühlen.

Aufbau und Funktion des menschlichen Körpers – ein Überblick1

14

1.5 Körperachsen und -ebenenUm den menschlichen Körper bzw. Veränderungen mög-lichst genau lokalisieren zu können, sollte man sich eini-ge wenige Grundbegriffe einprägen, die im medizinischen Sprachgebrauch gängig sind. Dazu stellt man sich den Kör-per des Menschen vereinfacht in einem dreidimensionalen Koordinatensystem vor (▶ Abb. 1.1). Hier gibt es 3 Haupt-achsen, die jeweils senkrecht aufeinander stehen:

● Longitudinalachse (Längsachse → von oben nach unten und umgekehrt)

● Transversalachse (Querachse → von rechts nach links und umgekehrt)

● Sagittalachse (Pfeilachse → von vorn nach hinten und um-gekehrt)

Ausgehend von den Hauptachsen kann man weiterhin 3 Hauptebenen unterscheiden:

● Frontalebene (Ebene, die entsteht, wenn man sich die fla-che Hand vor die Augen hält)

● Transversalebene (Ebene, die entsteht, wenn man die Hand waagrecht an die Stirn legt)

● Sagittalebene (Ebene, die entsteht, wenn man die senk-recht gehaltene Hand zwischen den Augen auf die Nase legt). Die Ebene kann auch rechts und links von der Mit-te durch den Körper gehen. Befindet sie sich genau in der Mitte des Körpers, spricht man von der Medianebene.

Patho Ebenen in der medizinischen BildgebungNeben diesen anatomischen Ebenen werden Ihnen in der medizi-nischen Diagnostik auch weitere Begriffe unterkommen, dies gilt insbesondere für die Aufnahmetechnik bei einer Computertomo-grafie oder Magnetresonanztomografie. Hier können folgende Aufnahmen angefertigt werden:

● sagittale Aufnahme: in der Sagittalebene ● axiale Aufnahme: in der Transversalebene ● koronare Aufnahme: in der Frontalebene

Richtungsangaben • Um Richtungen zu bezeichnen, gibt es in der anatomischen Terminologie konkrete Begriffe (▶ Abb. 1.2). Zur besseren Lesbarkeit werden die folgenden Begriffe im Buch aber nur vereinzelt verwendet:

● Longitudinalebene – kranial (von cranium = Schädel): nach oben (kopfwärts) – superior: obenliegend – kaudal (von cauda = Schwanz): nach unten (steiß- bzw. fußwärts)

– inferior: untenliegend ● Sagittalebene

– anterior oder ventral (von ventrum = Bauch): vorne (zur Bauchseite hin)

– posterior oder dorsal (von dorsum = Rücken): hinten (zum Rücken hin)

– frontal: zur Stirn hin – okzipital: zum Hinterhaupt hin – volar/palmar: zur Handfläche hin – plantar: zur Fußsohle

● Transversalebene – sinister: links – dexter: rechts – lateral: außen – medial: zur Mitte hin – median: in der Körpermitte – tibial: zum Schienbein hin (am Unterschenkel) – fibular: zum Wadenbein hin (am Unterschenkel) – radial: zur Speiche hin (an der Hand bzw. am Unterarm) – ulnar: zur Elle hin (an der Hand bzw. am Unterarm)

Weiterhin unterscheidet man die Attribute: ● superfizial: oberflächlich ● profund: tief ● proximal: rumpfnah (zum Rumpf hin) ● distal: rumpffern (vom Rumpf weg) ● zentral: im Zentrum ● peripher: in der Umgebung

Bewegungen • Um die Körperachsen können Gliedmaßen, genau genommen Gelenke, bewegt werden:

● Um die Transversalachse kann man beugen (Flexion) und strecken (Extension).

● Um die Longitudinalachse führt man eine Drehbewegung durch, die entweder nach innen (Innenrotation) oder nach außen (Außenrotation) erfolgen kann.

● Um die Sagittalachse lassen sich Gliedmaßen vom Körper weg (Abduktion, von lat. abducere = wegführen) oder zum Körper hin bewegen (Adduktion, von lat. adducere = hin-führen).

Aber nicht jedes Gelenk lässt Bewegungen in all diesen Rich-tungen zu. Gelenke, die in alle Richtungen bewegt werden können, nennt man Kugelgelenk. Ein Kugelgelenk ist z. B. die Schulter. Details zu Bewegungen und Gelenken finden Sie im Kap. „Bewegungssystem“ (S. 348).

Abb. 1.1 Achsen und Ebenen.

Longitudinalachse

Transver-salachse

Sagittal-achse

Frontalebene

Sagittalebene

Transversalebene

Nach: Schwegler J, Lucius R: Der Mensch, Anatomie und Physiologie. Thieme 2011.

Terminologie und Sprache

15

1.6 Terminologie und Sprache

1.6.1 Grundbegriffe und Abkürzun-genNachfolgend finden sich anatomische Grundbegriffe und Abkürzungen, die oft verwendet werden. Die Pluralform steht dabei jeweils in runder () und die entsprechende Ab-kürzung in eckiger Klammer [].

● Arcus (Arcus) = Bogen ● Arteria [A.] (Arteriae [Aa.]): Arterie ● Articulatio (Articulationes): Gelenk ● Brachium (Brachia): Arm ● Cartilago (Cartilagines): Knorpel ● Cavum (Cava): Höhle ● Cranium (Crania): Schädel ● Digitus (Digiti): Finger, Zeh ● Ductus (Ductus): Gang ● Fascia (Fasciae): (Muskel-)Faszie ● Foramen (Foramina): Loch, Öffnung ● Fossa (Fossae): Grube, Vertiefung ● Glandula (Glandulae): Drüse ● Ligamentum [Lig.] (Ligamenta [Ligg.]): Band ● Musculus [M.] (Musculi [Mm.]): Muskel ● Manus (Manus): Hand ● Nervus [N.] (Nervi [Nn.]): Nerv ● Nodus (Nodi): Knoten ● Os (Ossa): Knochen ● Pars (Partes): Teil ● Plexus (Plexus): (Nerven-)Geflecht ● Processus [Proc.] (Processus): Vorsprung ● Ramus (R.) (Rami [Rr.]): Zweig ● Sinus (Sinus): Ausbuchtung ● Tendo (Tendines): Sehne ● Vena [V.] (Venae [Vv.]): Vene ● Vertebra (Vertebrae): Wirbel

1.6.2 OrganangabenIn der anatomischen Terminologie setzen sich Namen oft aus 2 oder noch mehr Wörtern zusammen. Häufig besagt schon der Name, zu welchem Organ die Struktur gehört. Beispiele: Musculus brachialis (Oberarmmuskel) oder Ner-vus ulnaris (Ellennerv). Sind mehrere Strukturen beteiligt, kann man auch das häufig bereits im Namen erkennen, z. B. beim N. glossopharyngeus; dieser Nerv versorgt die Zunge (griech. glossa) und den Rachen (griech. pharynx).

● abdominalis: zum Bauch (Abdomen) gehörend ● acromialis: zum Akromion gehörend ● brachialis: am Oberarm (Brachium) ● bronchialis: an den Bronchien ● coronaris: kranzartig, zu den Herzkranzgefäßen gehörend ● costalis: an den Rippen (Costa) ● cranialis: zum Schädel (Cranium) gehörend oder zeigend, oberhalb (schädelwärts) gelegen

● cysticus: zum Gallengangsystem gehörend ● dorsalis: am Rücken (Dorsum), rückenwärts gelegen, gilt auch für Hand- und Fußrücken

● femoris: am Oberschenkel (Femur) ● fibularis: zum Wadenbein (Fibula) gehörend ● gastricus: zum Magen (Gaster) gehörend ● hepatis: an oder in der Leber (Hepar) ● iliacus: am oder im Darmbein (Os ilium) ● lienalis: zur Milz (Lien) gehörend ● palmaris: zur Handfläche (Palma manus) gehörend

● pectoralis: an der Brust (Pectus) ● peroneus: am Wadenbein ● plantaris: zur Fußsohle (Planta pedis) gehörig ● pulmonalis: an oder in der Lunge (Pulmo) ● radialis: an der Speiche (Radius) ● renalis: an oder in der Niere (Ren) ● thoracicus: am oder im Brustkorb (Thorax) ● tibialis: am Schienbein (Tibia) ● ulnaris: an der Elle (Ulna) ● vertebralis: zum Wirbel (Vertebra)

1.6.3 OrtsangabenHäufig werden noch nähere Angaben zum Ort gemacht: ob sich eine Struktur z. B. links, rechts, oben oder unten befin-det. Beispiel: Musculus tibialis anterior (vorderer Schien-beinmuskel). Die weibliche Endung im Lateinischen ist in Klammern () angegeben. Beispiel: Arteria coronaria dextra (weibliche Form; rechte Herzkranzarterie).

● anterior: vorderer ● ascendens: aufsteigend ● cranialis: oben, kopfwärts ● descendens: absteigend ● dexter (-tra): rechts ● dorsalis: hinten, am Rücken, rückenwärts ● externus (-a): außen, an der Oberfläche ● inferior [inf.]: unterer ● internus (-a): innen, im Körper ● lateralis: seitlich, außen ● longitudinalis: in Längsrichtung

Abb. 1.2 Richtungsangaben.

radial (zur Speiche hin)

frontal (zur Stirn hin)

superior/kranial (zum Kopf hin)

inferior/kaudal (zum Steiß hin)

proximal (zum Rumpf hin)

distal(vom Rumpf weg)

tibial (zum Schienbein hin)

okzipital (zum Hinterhaupt hin)

plantar (zur Fußsohle hin)

fibular (zum Wadenbein hin)

posterior/dorsal(nach hinten/zumRücken hin)

anterior/ventral(nach vorne/zur Bauchseite hin)

lateral(zur Seite hin)

medial(zur Mittelebene hin)

median(in der Körpermittel-ebene)

ulnar(zur Elle hin)

palmar/volar(zur Handfläche hin)

Nach: Schwegler J, Lucius R: Der Mensch, Anatomie und Physiologie. Thieme 2011.

Aufbau und Funktion des menschlichen Körpers – ein Überblick1

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● maximus (-a): der (die) Größte ● medialis: innen, zur Mitte hin ● medius (-a): mittlere(r), zwischen zwei anderen ● minimus (-a): der (die) Kleinste ● posterior: hintere(r) ● profundus (-a): tief ● sinister (-tra): links ● superficialis: oberflächlich ● superior [sup.]: obere(r)

ACHTUNGDie Seitenangaben „rechts/links“ macht man immer vom Patien-ten aus und nicht vom eigenen Betrachtungswinkel!

1.6.4 Vor- und NachsilbenEine weitere Eigenart der anatomischen bzw. medizinischen Terminologie besteht darin, bestimmte Begriffe entwe-der vor (Vorsilbe) oder hinter (Nachsilbe) den Wortstamm zu stellen. Besonders häufig kommen die folgenden Zusätze vor:

● brady-: langsam ● derma-: Haut ● Epi-: oben, auf ● extra-: außerhalb ● hemi-: halb ● hetero-: ungleich, anders ● homo-: gleich ● hyper-: über, oberhalb ● hypo-: unter, unterhalb ● intra-: innerhalb ● -itis: Entzündung ● myo-: Muskel ● -pathie: krankhafte Veränderung ● peri-: um, herum ● poly-: viel ● oligo-: wenig ● -osis/-ose: chronisch degenerativer Prozess ● tachy-: schnell

1.6.5 EinheitenIn der Physiologie spielt das Messen verschiedener Größen eine zentrale Rolle. ▶ Tab. 1.1 gibt einen Überblick über die klassischen Messgrößen. Um verschiedene Werte unterein-ander besser vergleichbar zu machen, verwendet man heute in den meisten Ländern sog. SI-Einheiten (Système Interna-tional d’Unités). Unter den SI-Einheiten gibt es einige Basis-größen und zahlreiche davon abgeleitete Messgrößen.

In diesem Zusammenhang verwendet man außerdem bestimmte Vorsilben, die unterschiedliche Vielfache und Bruchteile der jeweiligen Einheiten bezeichnen. Es wäre ziemlich kompliziert, Substanzen z. B. in millionenfachen oder milliardstel Bereichen anzugeben, und könnte auch sehr leicht zu Fehlern führen. Mit den verschiedenen Vor-silben kann man das Rechnen mit den vielen Nullen elegant umgehen. Anhand von ▶ Tab. 1.2 erhält man eine Vorstel-lung von den unterschiedlichen Dimensionen der Einheiten. Im medizinischen Alltag werden Ihnen v. a. die Vorsilben „Kilo-“, „Dezi-“, „Milli-“ und „Mikro-“ begegnen.

Tab. 1.1 SI-Einheiten (Beispiele).

Größe Einheit

Länge Meter (m)

Masse Kilogramm (kg)

Zeit Sekunde (s)

Stromstärke Ampere (A)

Temperatur Kelvin (K), Grad Celsius (°C)

Stoffmenge Mol (mol)

Fläche Quadratmeter (m2)

Volumen (Flüssigkeitsvolumen) Kubikmeter (m3), (Liter [l])

Druck Pascal (Pa)

Frequenz Hertz (Hz)

Kraft Newton (N)

elektronischer Widerstand Ohm (Ω)

Leistung Watt (W)

Energie/Arbeit Joule (J)

Geschwindigkeit Meter pro Sekunde (m/s)

Zu den SI-Basiseinheiten zählen: Länge (m), Masse (kg), Zeit (s), Stromstärke (A), Stoffmenge (mol), Temperatur (K)�

Terminologie und Sprache

17

Tab. 1.2 Maßeinheiten – Faktoren und Vorsilben.

Vorsilbe in Zahlen Faktor Bedeutung

Peta (P) 1 000 000 000 000 000 1015 Billiarde

Tera (T) 1 000 000 000 000 1012 Billion

Giga (G) 1 000 000 000 109 Milliarde

Mega (M) 1 000 000 106 Million

Kilo (k) 1 000 103 Tausend

Hekto (h) 100 102 Hundert

Deka (da) 10 101 Zehn

1 100 Eins

Dezi (d) 0,1 10–1 Zehntel

Zenti (c) 0,01 10–2 Hundertstel

Milli (m) 0,001 10–3 Tausendstel

Mikro (µ) 0,000001 10–6 Millionstel

Nano (n) 0,000000001 10–9 Milliardstel

Piko (p) 0,000000000001 10–12 Billionstel

Femto (f) 0,000000000000001 10–15 Billiardstel

Chemie und Biochemie2

18

2.1 EinleitungChemie ist die Lehre von den Stoffen und ihrer Umwand-lung. Diese findet nicht nur in Laboren statt, sondern zu jeder Zeit in unserem Körper. Chemische Prozesse sind die Grundlage jeden Lebens.

Die Chemie ist eng mit der Biologie vernetzt. Die Wissen-schaft, die sich besonders mit den chemischen Vorgängen in unserem Körper befasst, nennt sich Biochemie. Biochemiker stellen sich Fragen rund um den Stoffwechsel: Wie gewinnt der Körper Energie? Wie wird Energie verbraucht? Um diese komplexen Vorgänge verstehen zu können, sind chemische Grundkenntnisse nötig. Beginnen wollen wir daher mit der kleinsten Einheit: dem Atom.

2.2 Chemische ElementeAlles besteht aus Materie. Das gilt nicht nur für Lebewesen, sondern auch für unbelebte Gegenstände wie Tische, Bän-ke oder Stühle. Die Grundbausteine der Materie wiederum sind die Atome. Lebewesen und Gegenstände setzen sich also aus vielen Atomen zusammen. Der Begriff Atom kommt aus dem Griechischen und kann mit „das Unteilbare“ über-setzt werden. Das Atom ist also die kleinste Einheit, aus dem Stoffe gemacht sind.

Der menschliche Körper besteht aus vielen sehr unter-schiedlichen Atomen. Befindet sich in einer Substanz aber nur eine Atomart, dann spricht man von einem chemi-schen Element. Jedes chemische Element hat ein eigenes

chemisches Symbol, mit dem es abgekürzt wird. Im mensch-lichen Körper kommen insgesamt 26 verschiedene chemi-sche Elemente vor, wovon die wichtigsten Sauerstoff, Was-serstoff, Kohlenstoff und Stickstoff sind, die den größten Teil der Körpermasse ausmachen.

2.2.1 AtomaufbauJedes Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atom-hülle. Darüber hinaus gibt es 3 weitere Teilchen, die am Aufbau des Atoms beteiligt sind: Protonen, Neutronen und Elektronen. Die Protonen und Neutronen liegen im Atom-kern, die Elektronen liegen in der Atomhülle und umkreisen den Kern. Sie sind dabei in unterschiedlichen Elektronen-schalen lokalisiert.

Man kann sich das so ähnlich vorstellen wie bei den Pla-neten, die sich um die Sonne drehen. Die Sonne stellt in unserem Fall den Atomkern dar. Die Planeten sind die Elek-tronen, die sie auf festgelegten Bahnen umkreisen. Nicht alle Planeten haben den gleichen Abstand zur Sonne. Das gilt auch für Elektronen. Es gibt kernnahe und kernferne Scha-len.

Dieser schematische Aufbau ist für alle Atome gleich. Es ist wichtig zu wissen, dass es sich bei Protonen und Elekt-ronen um geladene Teilchen handelt, deren Ladungen sich gegenseitig ausgleichen, so dass das Atom nach außen hin nicht geladen und damit elektrisch neutral ist. Das lässt sich durch die Tatsache erklären, dass es im Atomkern genauso viele Protonen gibt, wie sich Elektronen in der Atomhülle befinden (▶ Abb. 2.1). Protonen sind positiv geladen, Elek-tronen sind negativ geladen und Neutronen sind, wie der Name schon sagt, neutral.

Chemie und Biochemie 2

Chemische Elemente

19

WISSEN TO GO

Protonen, Neutronen und Elektronen

Ein Atom besteht aus einer Elektronenschale und einem Atomkern� Der Atomkern enthält Protonen und die glei-che Zahl von Neutronen� Die Protonen sind positiv, die Elektronen auf den Elektronenschalen sind negativ ge-laden� Die elektrischen Ladungen von Protonen und Elek-tronen gleichen sich gegenseitig aus – das Atom ist nach außen hin elektrisch neutral�

Ordnungszahl, Neutronenzahl, MassenzahlWenn man sich mit dem Aufbau eines Atoms beschäftigt, sind einige Begriffe von zentraler Bedeutung. Die Ordnungs-zahl zeigt an, wie viele positive Ladungen sich im Atomkern befinden. Synonyme Begriffe sind daher Kernladungszahl oder Protonenzahl. Die Neutronenzahl sagt aus, wie viele neutrale Teilchen im Kern vorhanden sind. Gemeinsam de-finieren Protonen und Neutronen die relative Atommasse oder die Massenzahl (auch Nukleonenzahl genannt) (▶ Abb. 2.2). Das lässt sich einfach erklären: Ein Atom besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Die Elektronen sind jedoch ganz leicht und wiegen fast nichts. Weil sie die Ge-samtmasse des Atoms kaum verändern, bezieht man sie gar nicht erst in die Berechnung mit ein. Das Gewicht eines Atoms lässt sich also durch Addition von Protonen- und Neutronenzahl berechnen.

2.2.2 Periodensystem der ElementeDamit die unterschiedlichen chemischen Elemente nicht nur so im Raum stehen, hat man sich früh überlegt, wie man sie ordnen könnte. Dies führte zur Entwicklung des Perio-densystems, in dem die einzelnen chemischen Elemente nach mehreren einfachen Regeln sortiert sind. Jedes Ele-ment hat aufgrund seines Aufbaus und seiner Eigenschaften einen festen Platz. Als Erstes sollte man sich merken, dass die Elemente an ihrer Ordnungszahl aufsteigend angeordnet sind. Das erste Element ist Wasserstoff (H).

Gruppen und PeriodenDie Elemente werden in Perioden und Gruppen eingeteilt.

Perioden • Alle Elemente einer waagrechten Zeile gehören zu einer Periode. Die Nummer der Periode ist dabei nicht zufällig gewählt. Sie sagt aus, wie viele Schalen das Atom eines Elements dieser Gruppe besitzt (▶ Abb. 2.3). Alle Ele-mente der 2. Periode (z. B. Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff) haben 2 Elektronenschalen. Kohlenstoff hat in der äußers-ten Schale 4 Elektronen. Er steht daher in Hauptgruppe 4. Sauerstoff hat in der äußersten Schale 6 Elektronen. Folglich findet man ihn in Hauptgruppe 6.

Gruppen • In der senkrechten Spalte werden die Elemente als Gruppe zusammengefasst (▶ Abb. 2.3). Bei den Gruppen wird zwischen Haupt- und Nebengruppen unterschieden. Alle Elemente einer Gruppe haben gleich viele Valenzelek-tronen. Unter Valenzelektronen versteht man die Elektro-nen, die sich auf der äußersten Kernschale befinden. Sie sind wichtig, weil sie die chemischen Eigenschaften des Elements bestimmen. Die Elemente der 1. Hauptgruppe besitzen nur 1 Valenzelektron. In der 2. Gruppe gibt es 2 Valenzelektro-nen, in der 3. Gruppe 3 und so weiter. Insgesamt gibt es 8 Hauptgruppen.

WISSEN TO GO

Perioden und Gruppen

● Elemente in einer waagrechten Zeile gehören zu einer Periode� Sie gibt Auskunft über die Anzahl der Elektro-nenschalen�

● Elemente in einer senkrechten Spalte gehören zu einer Gruppe� Die Anzahl der Valenzelektronen (Elektronen auf der äußersten Schale) aller Elemente einer Gruppe ist gleich�

Abb. 2.1 Atomaufbau.

Wasserstoff(= 1 H)1

Kohlenstoff(= 12 C) 6

e–

e–

6 e–

Kern: 1 Proton

Kern: 6 Protonen + 6 Neutronen

1. Schale: 2 e–

2. Schale: 4 e–

1. Schale

+

+ + ++

++

Das Wasserstoffatom besitzt nur eine Elektronenschale mit ei-nem Elektron� Das Symbol für ein Elektron ist e–� Das Kohlenstoff-atom hingegen hat 6 Elektronen und damit 2 Elektronenscha-len, da die erste, kernnahe Schale schon mit 2 Elektronen voll besetzt ist� Die äußere Elektronenschale weist 4 Elektronen auf� Da Kohlenstoff 6 Elektronen besitzt, sind in seinem Kern auch 6 Protonen und 6 Neutronen zu finden� Eine Ausnahme bildet das Wasserstoffatom: Obwohl es ein Proton im Kern aufweist, fehlt ihm ein Neutron� Aus: Horn F: Biochemie des Menschen. Thieme 2009.

Abb. 2.2 Atomcharakterisierung.

11

168

2311

NukleonenzahlOrdnungszahlH O Na Elementsymbol

Die Ordnungszahl entspricht der Anzahl der Protonen im Atom-kern� Protonen und Neutronen werden als Nukleonen (Kern-teilchen) zusammengefasst� Die Massenzahl ist die Summe der Anzahl der Protonen und der Anzahl der Neutronen� Zusammen mit dem Elementsymbol ergeben Nukleonen- und Ordnungs-zahl das Nuklid� Aus: Boeck G: Kurzlehrbuch Chemie. Thieme 2008.

Chemie und Biochemie2

20

EdelgaskonfigurationDie Elemente der 8. Hauptgruppe werden als Edelgase be-zeichnet (▶ Abb. 2.3). Ihre äußerste Schale ist voll besetzt. Dieser Zustand ist sehr stabil und energetisch günstig. In Anlehnung an die Hauptgruppe der Edelgase nennt man diesen Zustand auch Edelgaskonfiguration.

Alle Atome haben das Bestreben, ihre äußerste Schale voll zu besetzen, also die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Dies besagt die Edelgasregel. Mit Ausnahme von Wasserstoff und Helium bedeutet dies für die meisten Hauptgruppenelemente, dass sie 8 Elektronen auf ihrer Außenschale anstreben (Oktett-regel). Um die Edelgaskonfiguration zu erreichen, geben Atome Elektronen ab oder nehmen Elektronen auf. Der „Wille“, diesen Zustand zu erreichen, ist bei Atomen der verschiedenen Ele-mente aber unterschiedlich stark ausgeprägt.

Atome, deren äußerste Schale fast vollständig besetzt ist, haben das größte Bestreben, die Edelgaskonfiguration zu er-reichen. Dazu gehören die Elemente der 7. Hauptgruppe wie Fluor oder Chlor. Ihnen fehlt dafür noch 1 Elektron, was sie sehr reaktionsfreudig macht. Um das fehlende Elektron hin-zuzugewinnen, versuchen sie, Valenzelektronen von anderen Atomen „anzulocken“. Die Fähigkeit, Elektronen eines frem-den Atoms anzuziehen, nennt man Elektronegativität. Allge-mein kann man sich merken, dass Elemente, die rechts im Pe-riodensystem stehen, elektronegativer sind als jene, die links stehen. Atome einer Gruppe, die weiter unten im Periodensys-tem stehen, sind hingegen weniger elektronegativ. Atome der 2. Hauptgruppe geben ihre überschüssigen Elektronen lieber ab.

Die wichtigsten GruppenDie Stufenlinie im Periodensystem kennzeichnet die Grenze zwischen den Metallen (lila) und Nichtmetallen (grün). Bei den Elementen der rechten Gruppe (blau) handelt es sich um Edelgase (▶ Abb. 2.3).

● Metalle: Sie sind elektrisch leitfähig und können insbeson-dere Wärme gut transportieren (gute thermische Leitfä-higkeit). Der Übergang zwischen Metallen und Nichtme-tallen ist fließend.

● Nichtmetalle: Sie reagieren nicht alle gleich und unter-scheiden sich innerhalb der Gruppen. Für alle gilt jedoch, dass ihnen die typisch metallischen Eigenschaften fehlen. Außerdem neigen Nichtmetalle im Gegensatz zu Metallen dazu, Elektronen von Anionen aufzunehmen.

● Edelgase: Allen 7 Edelgasen ist gemein, dass ihre Elektro-nenschalen voll besetzt und sie deshalb sehr reaktionsträ-ge sind.

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Edelgasregel

Alle Atome wünschen sich, eine voll besetzte Außenscha-le zu haben und somit die energetisch günstige Edelgas-konfiguration zu erreichen�

IsotopeAlle Atome eines Elements haben die gleiche Ordnungszahl, sie können sich aber in der Massenzahl voneinander unter-scheiden. Diese Atome nennt man Isotope.

Wie die meisten Elemente besteht das in der Natur vor-kommende Chlor aus einem Isotopengemisch. Diese Chlor-atome haben immer die gleiche Chlor-typische Ordnungs-zahl 17, kommen aber mit einer Massenzahl 35 und 37 vor. Manche Elemente wie Natrium oder Fluor bestehen nur aus einem Isotop, sie sind isotopenrein.

2.3 Chemische BindungenElemente gehen chemische Bindungen ein, weil sie der Edel-gaskonfiguration nachstreben. Um die äußere Schale voll zu besetzen, gibt es 3 Möglichkeiten. Das Atom kann Elektro-nen entweder aufnehmen oder abgeben. Es ist auch denk-bar, dass Atome sich die Elektronen teilen. Bei all diesen Vor-gängen gehen die Atome miteinander Bindungen ein.

2.3.1 IonenbindungUnter Ionen versteht man in der Chemie geladene Teilchen. Ist ein Ion positiv geladen, wird es als Kation bezeichnet, ist es negativ geladen, heißt es Anion. Ionische Verbindungen sind demnach aus Kationen und Anionen aufgebaut.

Kochsalz (Natriumchlorid)Was passiert genau bei der Ionenbindung? Am besten kann man das am Beispiel von Kochsalz, dem Natriumchlorid (NaCl), nachvollziehen. Bindungspartner im Kochsalz sind die beiden Elemente Natrium (Na+) und Chlor (Cl–). Das Na-trium befindet sich in der 1. Hauptgruppe. Es hat ein freies Valenzelektron in seiner äußersten (3.) Schale und möchte sein Elektron loswerden, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen.

Abb. 2.3 Periodensystem der Elemente.

HauptgruppenElektronegativität↑

Elek

tron

egat

ivitä

t↓

H = WasserstoffC = KohlenstoffN = Stickstoff

O = SauerstoffP = PhosphorS = Schwefel

1 8

H He

Li Be B C N O F

2 3 4 5 6 7

Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Ga Ge As Se Br Kr

I Xe

Die Zahl der Außenelektronen entspricht der Zahl der Hauptgruppe� Eine Ausnahme bildet das Edelgas Helium (He) mit nur 2 Elektronen� Da die ers-te Schale aber bereits mit 2 Elektronen voll besetzt ist, entspricht diese Konfiguration der Edelgaskonfiguration� Fluor steht in der 7� Hauptgruppe und hat dadurch auch 7 Valenzelektronen und Stickstoff steht in der 5� und besitzt deshalb auch nur 5 Valenzelektronen� Die Elektronegativität nimmt von links nach rechts zu und von oben nach unten ab� Farbcode: blau – Edelgase, grün – Nichtmetalle, lila – Metalle� Anmerkung: Dieses Perioden-system ist nicht vollständig, es zeigt nur die für uns wichtigsten Elemente� Aus: Horn F: Biochemie des Menschen. Thieme 2009.

Chemische Bindungen

21

Auch das Chlor ist der Edelgaskonfiguration schon ziem-lich nahe. Als Vertreter der 7. Hauptgruppe hat es 7 Valenz-elektronen und benötigt daher nur noch 1 Elektron. Da es eine große Elektronegativität besitzt, ist die Anziehungs-kraft auf das Natriumatom so stark, dass sein einzelnes Va-lenzelektron auf das Chlor übergeht. Zwischen den beiden Bindungspartnern findet eine Elektronenübertragung statt. Die äußere Schale des Natriumatoms ist damit voll besetzt und auch das Chloratom hat das erreicht, was es wollte: die Edelgaskonfiguration.

Das Natriumatom hat ein Elektron an das Chlor abgege-ben. An der Protonenzahl im Kern hat sich jedoch nichts geändert. Im Vergleich zum Zustand vor der Reaktion fehlt dem Atom jetzt aber eine negative Ladung in Form eines Elektrons. Das Atom ist fortan nicht mehr ungeladen, son-dern positiver geladen als vorher. Man spricht jetzt von ei-nem Ion, genauer: einem Kation.

Beim Chlor ist es genau umgekehrt. Das Chloratom hat ein Elektron aufgenommen. In seinem Atomkern gibt es aber nicht mehr Protonen. Da das Elektron seine negative Ladung mitbringt, ist das Atom jetzt einfach negativ geladen. Es wird als Anion bezeichnet.

Chlor-Anionen und Natrium-Kationen ziehen sich durch ihre unterschiedliche Polarität an und ordnen sich in geo-metrischen Mustern aneinander. Im festen Zustand bilden sie Kristalle, wie hier das Kochsalz, das von den Plusminus-anziehungen der Ionen stabilisiert wird (▶ Abb. 2.4).

2.3.2 Kovalente BindungEine Ionenbindung funktioniert nur zwischen 2 Elementen, die sich deutlich in ihrer Elektronegativität unterscheiden. Atome des gleichen Elements können auch miteinander eine Bindung eingehen. Diese Form der chemischen Bin-dung nennt man kovalente Bindung. Eine kovalente Bin-dung besteht aus einem Paar von Elektronen, das 2 Atomen gemeinsam gehört. Bei Mehrfachbindungen hingegen sind 2 oder 3 gemeinsame Elektronenpaare zwischen 2 Atomen vorhanden. Durch diese chemische Verbindung entstehen Moleküle. Die kovalente Bindung ist sehr stabil und ein häu-figer Bindungstyp in der Natur.

Nachfolgend werden einige Beispiele für kovalente Bin-dungen genannt.

Zwischen 2 Chloratomen • Eine kovalente Bindung gibt es zwischen 2 Chloratomen. Als Element der 7. Hauptgruppe besitzt Chlor 7 Valenzelektronen. Zwei Chloratome gehen daher eine Bindung ein, bei der sie sich ein Elektron teilen. Sie rücken dabei ganz nahe zusammen und bilden eine Elek-tronenpaarbindung aus (▶ Abb. 2.5).

Zwischen 2 Sauerstoffatomen • Eine kovalente Doppelbin-dung kommt auch beim Sauerstoffmolekül (O2) vor. Sauer-stoff ist ein Element mit 6 Außenelektronen. Es fehlen ihm daher noch 2 Elektronen zur Edelgaskonfiguration. Gehen 2 Sauerstoffatome eine kovalente Bindung ein, teilen sie sich nicht nur ein, sondern 2 Elektronen – eine Doppelbindung entsteht (▶ Abb. 2.5).

Zwischen 2 Stickstoffatomen • Eine kovalente Mehrfachbin-dung beim Stickstoffmolekül (N2-Molekül): Es steht in der 5. Hauptgruppe, besitzt also 5 Valenzelektronen. Auf dem Weg zum Elektronenoktett, nach dem alle Atome streben, braucht es demnach 3 weitere Elektronen. Das wird über

Abb. 2.4 Schematische Darstellung eines NaCl-Salzkristalls.

Cl– Na+

Die Natrium- und Chlorid-Ionen sind zu periodischen, dreidi-mensionalen Gittern angeordnet� Vor allem die Elemente der 1� und 2� Hauptgruppe erreichen auf diese Weise ihre Edelgas-konfiguration� Ionenverbindungen werden aufgrund dieser Ei-genschaften auch als Salze bezeichnet� Aus: Endspurt Vorklinik Chemie. Thieme 2013.

Abb. 2.5 Kovalente Bindungen.

Cl + Cl

O + O

Cl Cl

N

N N N N+

N N= =

O O

Cl

O O

Cl Cl==

= = O

Reaktion zwischen 2 Atomen des gleichen Elements: Chlor hat 7 Valenzelektronen, es fehlt ihm 1 Elektron zur Edelgaskonfigu-ration� Reagieren 2 Chloratome miteinander, so bilden die bei-den freien Elektronen (Punkte) ein Bindungselektronenpaar, das durch einen Bindestrich symbolisiert wird� Zwei freie Valenzelek-tronen bzw� ein freies Elektronenpaar eines Atoms wird ebenfalls mit einem Strich, allerdings am Symbol des Atoms selbst, sym-bolisiert� So kann zwischen „eigenen“ und „geteilten“ Elektro-nenpaaren unterschieden werden� Zwei Sauerstoffatome bilden eine Doppelbindung zueinander aus und bei Stickstoff gehen pro Atom 3 freie Elektronen eine Bindung ein� Aus: Horn F: Biochemie des Menschen. Thieme 2009.

Chemie und Biochemie2

22

eine Dreifachbindung mit einem anderen N-Atom erreicht (▶ Abb. 2.5).

2.3.3 Chemische VerbindungenBei den oben genannten Molekülen bestand die kovalente Bindung immer zwischen Atomen des gleichen Elements. Es gibt aber auch kovalente Bindungen zwischen unterschiedli-chen Elementen. Man spricht dann von chemischen Verbin-dungen. Zwei verschiedene Elemente verbinden sich über eine kovalente Bindung zu etwas Neuem. Man kann bei den chemischen Verbindungen 2 große Gruppen unterschieden: organische und anorganische Verbindungen.

Organische VerbindungEine organische Verbindung enthält immer ein Kohlenstoff-atom. Meist besteht sie aus einer Kombination von Kohlen-stoff- und Wasserstoffatomen. Wie die Bezeichnung schon vermuten lässt, sind die meisten im Körper vorkommenden Verbindungen organisch. Dies trifft für alle Schlüsselele-mente des Lebens zu.

Anorganische VerbindungEine anorganische Verbindung ist dadurch definiert, dass sie kein Kohlenstoffatom besitzt. Auch anorganische Verbin-dungen sind wichtig. Prominentestes Beispiel ist das Wasser (H2O). Darüber hinaus gibt es auch zahlreiche anorganische Verbindungen in unserer Umwelt.

Wasserstoffbrückenbindungen und polare MoleküleStehen 2 Moleküle über Wasserstoffatome in Wechselwir-kung, spricht man von Wasserstoffbrückenbindungen (H-Brücken). Es ist wichtig zu verstehen, dass es sich hierbei um keine kovalente Bindung, sondern um elektrostatische Anziehungskräfte handelt, bei der sich die Moleküle und Atome jedoch nicht über ein gemeinsames Elektronenpaar „berühren“.

Da O-Atome in der 6. Gruppe der Elemente stehen, be-sitzen sie 2 freie Elektronen und sind stark elektronegativ. Nach der Oktettregel wollen sie 2 weitere Elektronen auf-nehmen und bilden zu 2 H-Atomen eine kovalente Bindung aus: ein Wassermolekül entsteht (H2O). Das gebundene H-Atom wird dadurch etwas (partiell) positiver geladen (die negative Ladung des Elektrons ist nun weiter vom H-Atom entfernt) und das O-Atom etwas negativer. Das Wassermo-lekül hat einen sogenannten Dipolcharakter.

Wasserstoffbrückenbindungen kommen schließlich da-durch zustande, dass die partiell positiven H-Atome mit an-deren in der Nähe befindlichen, negativ geladenen Dipolmo-lekülen in Wechselwirkung treten, da sich entgegengesetzte Ladungen anziehen. Wasserstoffbrückenbindungen bilden sich daher nicht nur zwischen Atomen, sondern auch zwi-schen Molekülen aus.

Ein weiteres Beispiel für die Polarität einer Atombindung ist das Kohlenstoffdioxid-Molekül. Die 2 Sauerstoffatome (5 Valenzelektronen) sind elektronegativer als das C-Atom (4 Valenzelektronen), weshalb sie mit allen 4 Elektronen Bindungen eingehen und diese von ihm abziehen. Damit werden die Sauerstoffatome partiell negativ geladen (▶ Abb. 2.6). Das partiell positiv oder negativ geladene Atom wird durch den griechischen Buchstaben Delta (δ) samt Plus- oder Minuszeichen symbolisiert.

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Atom- und Ionenbindungen

Am besten lassen sich die Atom- und Ionenbindungen an-hand einer Abbildung veranschaulichen (▶ Abb. 2.7)� Bei einer rein kovalenten Bindung hat das Bindungselektro-nenpaar zu beiden Atomen den gleichen Abstand� Sind die Bindungspartner eines Moleküls unterschiedlich elektro-negativ, entsteht eine polare kovalente Bindung, in der das elektronegativere Atom das Elektron näher an sich her-an zieht� Das Atom ist dadurch partiell negativ geladen� In einer Ionenbindung werden Elektronen vom Partner mit einer geringen Anzahl von Valenzelektronen auf den an-deren übertragen� Kationen und Anionen ziehen sich stark an, wodurch sie Kristallgitter bilden (Salze)�

Abb. 2.6 Polarität von Wasser.

H

H

H

H

H

H

H

HH

H

H

H

O

O

O

O O

O

δ+

δ+

δ+

δ+

δ–

δ–

δ+ δ+H H

δ–

H2O

O

Das Sauerstoffatom bildet zu 2 Wasserstoffatomen Bindungen aus� Sauerstoff zieht die Elektronen näher zu sich heran und wird dadurch partiell negativ� Die Wasserstoffatome hingegen wer-den partiell positiv, da die negative Ladung des Elektrons wei-ter vom Wasserstoffkern entfernt ist� Mehrere Wassermoleküle ziehen sich gegenseitig über ihre partiell positive und negative Ladung an� Aus: Horn F: Biochemie des Menschen. Thieme 2009.

Abb. 2.7 Kovalente Bindungen und Ionenbindungen.

Cl Cl

reine kovalente polare

H Cl Na+ + Cl–δ+ δ–

Atombindung Ionenbindung

steigende Elektronegativitätsunterschiededer Bindungspartner

Links ist eine rein kovalente Bindung dargestellt� Zwei Atome unterschiedlicher Elektronegativität gehen eine polare kovalen-te Bindung ein (Mitte)� Rechts: Ionenbindungen – ein Bindungs-partner überlässt sein Elektron dem anderen Partner� Aus: Horn F: Biochemie des Menschen. Thieme 2009.

Organische Verbindungen im menschlichen Körper

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2.4 Chemische ReaktionenChemische Reaktionen sind die Grundlage jeden Lebens und finden pausenlos in unserem Körper statt. Bei einer chemi-schen Reaktion verändern sich die Bindungen der an der Reaktion beteiligten Stoffe: Neue Bindungen zwischen den Atomen, Ionen und Molekülen entstehen und lösen sich auf.

Eine chemische Reaktion ist im Prinzip nichts anderes als eine mathematische Gleichung. Der Wert der rechten Seite ist das Produkt. Es muss dem Wert auf der linken Seite, also dem der reagierenden Stoffe (Reaktanden), entsprechen. Die Anzahl der Atome ist vor und nach der Reaktion auf jeder der beiden Seiten gleich groß, sie werden im Laufe der Re-aktion lediglich anders angeordnet. Dadurch entstehen neue Moleküle, die meist andere chemische Eigenschaften als die Ausgangsstoffe haben und wichtige Aufgaben im Stoffwech-sel erfüllen.

Der Stoffwechsel des Menschen basiert auf einer Vielzahl komplexer chemischer Reaktionen. Man unterscheidet beim Stoffwechsel 2 Arten von Reaktionen: aufbauende (anabole) und abbauende (katabole) Reaktionen.

Anabole ProzesseIn der Fachsprache werden diese aufbauenden Reaktionen auch als anabole Prozesse bezeichnet. Ein Beispiel aus dem menschlichen Körper ist die Herstellung von Proteinen. Dieser Vorgang wird auch Proteinbiosynthese genannt. Aus verschiedenen Aminosäuren werden riesige Eiweißmolekü-le gebaut.

Katabole Prozesse Es finden im Körper aber auch abbauende Reaktionen statt. Man bezeichnet sie als katabole Prozesse. Bei katabolen Pro-zessen wird ein Stoff in mehrere Teile zerlegt. Ein gutes Bei-spiel ist die Verdauung. Die großen Moleküle aus der Nah-rung müssen in kleinere Bestandteile aufgespalten werden. Nur so können die Nährstoffe die Darmwand überwinden und in den Blutstrom gelangen. Enzyme im Speichel spalten beispielsweise bereits im Mund die Stärke aus der Nahrung in Zuckermoleküle.

Energie in Form von ATPDamit eine anabole Reaktion ablaufen kann, wird Energie benötigt. ATP (Adenosintriphosphat) liefert dem Körper diese Energie. Es wird in den Zellen gespeichert und kann jederzeit abgerufen werden. Bei einer anabolen Reaktion wird das ATP verbraucht, bei einer katabolen Reaktion wird Energie frei. Diese Energie nutzt der Körper wiederum, um ATP zu regenerieren und die ATP-Speicher der Zellen aufzu-füllen. Es kann jedoch nie die komplette Energie in ATP um-gewandelt werden. Nach dem Grundsatz der Energieerhal-tung geht diese überschüssige Energie aber nicht verloren, sondern wird in Form von Wärme freigesetzt.

Definition ATP und ADPATP ist aufgebaut aus einem Nukleosid (S. 31), dem Adeno-sin, das wiederum aus dem Nukleotid Adenin und dem Zucker Ribose besteht und an das 3 Phosphatgruppen angehängt sind. Wird diese Bindung über Enzyme gespalten, entsteht ADP (Ade-nosindiphosphat) und 1 Phosphatrest. Der Phosphatrest reagiert mit Wasser, wodurch Energie frei wird. Bindet der Phosphatrest wieder an ADP, entsteht ein neues ATP.

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Anabolismus und Katabolismus

Der katabole Stoffwechsel dient der Energiegewinnung, indem Kohlenhydrate bzw� andere große Moleküle in ein-zelne kleinmolekulare Bestandteile abgebaut werden� Das geschieht während der Glykolyse, der Atmungskette und dem Fettsäureabbau� Dabei wird Energie frei�

Der anabole Stoffwechsel wird auch als Baustoffwech-sel bezeichnet, da Aminosäuren, Proteine oder andere große Moleküle aufgebaut werden� Dafür wird Energie benötigt�

2.4.1 Oxidations- und Reduktions-reaktionBei einer Oxidation wird einem Molekül, Atom oder Ion ein Elektron entzogen, bei einer Reduktion werden ihm Elek-tronen zugeführt. Bei der Reduktion wird die Oxidationszahl eines Atoms erniedrigt. Die Oxidation und Reduktion sind immer miteinander gekoppelt. Sie können nie für sich allei-ne ablaufen. Das Elektron muss dabei nicht vollständig vom Atom abgetrennt werden. Es reicht schon, wenn das Elek-tron, wie bei den oben beschriebenen Wasserstoffbrücken-bindungen oder kovalenten Bindungen, partiell abgezogen wird. Die Konsequenz: Das Atom wird positiv(er) und damit wird auch die Oxidationszahl erhöht.

Oxidations- und Reduktionsprozesse spielen sich auch im Stoffwechsel ab. Pyruvat beispielsweise, das Endprodukt der Glykolyse (S. 25), wird schließlich wieder zu Laktat redu-ziert oder zu CO2 oxidiert. An den Reaktionen beteiligen sich Coenzyme, die die Aufgabe übernehmen, Elektronen oder Wasserstoffatome von einem Molekül auf das nächste zu übertragen. Wichtige Coenzyme sind ATP, GTP (Guanosin-triphosphat), NAD+ (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid) und FADH (Flavin-Adenin-Dinukleotid).

NADH beispielsweise ist an vielen Redoxreaktionen be-teiligt, zum Beispiel in der Atmungskette. Hier gibt NADH 2 Elektronen ab und liegt damit in oxidierter Form vor (NAD+). Während der Glykolyse hingegen wird es selbst re-duziert und nimmt 1 Proton inkl. 2 Elektronen auf [(NAD+) + (H+) + 2e–].

2.5 Organische Verbindungen im menschlichen Körper

2.5.1 KohlenhydrateKohlenhydrate sind organische Verbindungen, die aus Koh-lenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen aufgebaut sind. Die Kohlenhydrate stellen eine wichtige chemische Stoffklasse dar. Die prominentesten Vertreter dieser Gruppe sind die verschiedenen Zuckermoleküle.

Kohlenhydrate werden in der Natur in großen Mengen von grünen Pflanzen produziert. Dieser Vorgang wird Pho-tosynthese genannt. Die Pflanzen benutzen dabei die Ener-gie der Sonne, um aus energiearmen Ausgangsstoffen (H2O und CO2) ein energiereiches Produkt (Glukose) entstehen zu lassen. Während die Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie den grünen Pflanzen vorbehalten ist, nutzen alle Lebewesen Kohlenhydrate als Energielieferanten

Chemie und Biochemie2

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und als Grundbaustein für andere Stoffe wie Fette und Ami-nosäuren.

2.5.2 Einteilung der KohlenhydrateZu den Kohlenhydraten gehören die einfachen Zucker (Mo-nosaccharide), z. B. Traubenzucker (Glukose) und Frucht-zucker (Fruktose). Diese einfachen Zucker können sich zu Ketten zusammenschließen (▶ Tab. 2.1). Teilweise sind diese Ketten verzweigt. Je nach enthaltenen Monosacchari-den spricht man von Zweifachzuckern (2 Monosaccharide), Mehrfachzuckern (3 – 10 Monosaccharide) und Vielfachzu-ckern (mehr als 10 Monosaccharide).

Monosaccharide (Einfachzucker)Der bekannteste Einfachzucker ist die Glukose (▶ Abb. 2.8), sie dient in der Zelle als Energielieferant. Prinzipiell kann man sich merken, dass einfache Zuckermoleküle aus einem ringförmigen Grundgerüst bestehen. Je nach Art des Zuckers besitzt dieser Ring 5 oder 6 Ecken. Glukose liegt in dieser Form als 6 er-Ring vor. Die Verbindung hat zudem 6 Koh-lenstoffatome. Die chemische Formel lautet daher C6H12O6.

Neben Glukose sind auch Fruktose (Fruchtzucker) oder Ga-laktose wichtige Einfachzucker.

Monosaccharide sind die Bausteine für alle größeren Zuckermoleküle. Zweifachzucker entstehen, wenn 2 Ein-fachzucker eine Verbindung eingehen. Rohrzucker – in der Fachsprache Saccharose genannt – ist beispielsweise eine Verbindung aus Glukose und Fruktose.

Disaccharide (Zweifachzucker)Reagiert eine Hydroxylgruppe (OH-Gruppe) eines Zuckers mit einer Hydroxylgruppe eines anderen Zuckers, entsteht ein Disaccharid wie Milchzucker (Laktose) oder Maltose. Laktose setzt sich aus Glukose und Galaktose zusammen. Bei diesen Reaktionen wird jeweils ein Wassermolekül ab-gespalten. Reaktionen, bei denen ein Wassermolekül freige-setzt wird, werden als Kondensationsreaktionen bezeichnet. Der Körper hat die Möglichkeit, aus der Nahrung aufgenom-mene Disaccharide mithilfe bestimmter Enzyme zu spalten. Als Spaltprodukte entstehen wieder einfache Zuckermole-küle (Monosaccharide). Diese können dann zur Energiege-winnung genutzt werden. Allerdings wird für diese Reak-tion im Gegenzug ein Wassermolekül benötigt.

Oligosaccharide (Mehrfachzucker)Gehen Disaccharide eine weitere Verbindung mit einem Zuckermolekül ein, entstehen Trisaccharide und schließlich Oligosaccharide mit 3–10 Einheiten.

Polysaccharide (Vielfachzucker)Bei Vielfachzuckern werden Zweifachzucker mit weiteren Einfachzuckern verknüpft. Diese Vielfachzucker (Polysac-charide) sind riesige Makromoleküle mit einer Länge von mehr als 50, meist sogar mehreren Hundert bis Tausend Zu-ckerresten. Sie können in 3 Gruppen eingeteilt werden:

● Homoglykane bestehen aus der gleichen Art Monosaccha-ride.

● Heteroglykane sind aus verschiedenen Zuckern zusam-mengesetzt.

● Glykokonjugate sind Verbindungen aus Polysacchariden und Lipiden oder Proteinen.

Das bekannteste Beispiel ist die pflanzliche Stärke (Amylose, Amylopektin), wie sie in Kartoffeln oder Getreide enthalten ist. Durch Speichelenzyme wird die Stärke bereits im Mund in Disaccharideinheiten gespalten, in der Magen-Darm-Passage zu Monosacchariden abgebaut und dann aus dem Darmlumen aufgenommen (resorbiert). Mit dem Blutstrom gelangen die Monosaccharide zur Leber. Sie sorgt dann da-für, dass Fruktose und Galaktose zu Glukose umgebaut wer-den.

Patho LaktoseintoleranzPatienten, die an einer Laktoseintoleranz leiden, fehlt im Darm die Laktase, ein Enzym, das den Milchzucker bei gesunden Men-schen in Glukose und Galaktose spaltet und dafür sorgt, dass die entstandenen Monosacchariden über die Darmwand aufgenom-men werden können. Fehlt das Enzym, kann die Laktose nicht gespalten und damit auch nicht resorbiert werden. Sie verbleibt im Darmlumen. Bakterien aus dem Dickdarm wandeln sie dann in Milchsäure um. Bei dieser Reaktion entstehen Darmgase, die zu Bauchschmerzen, Blähungen und Durchfällen führen können.

Tab. 2.1 Zuckerarten im Überblick.

Zuckerart Beispiele

Einfachzucker (Mono-saccharide)

● Traubenzucker (Glukose) ● Fruchtzucker (Fruktose)

Zweifachzucker (Di saccharide)

● Milchzucker (Laktose) ● Malzzucker (Maltose) ● Rohrzucker (Saccharose)

Mehrfachzucker (Oligo-saccharide)

● Raffinose ● Stachyose

Vielfachzucker (Poly-saccharide)

● Stärke (Amylose, Amylopektin) ● Lebensmittelzusätze (Dextrine)

Abb. 2.8 Kohlenhydratstruktur.

CH2OH

OHOH

C

OH

H

C

C C

H

H

OH

C

H

OHGlukose

Das Glukosemolekül besitzt 6 C-Atome� Da Kohlenstoff 4 Va-lenzelektronen besitzt, kann es 4 Bindungen eingehen, die durch einen Strich gekennzeichnet sind� Nach: Horn F: Biochemie des Menschen. Thieme 2009.

Organische Verbindungen im menschlichen Körper

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Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind organische Verbindungen aus Kohlen-stoff, Wasserstoff und Sauerstoff� Sie dienen allen Lebe-wesen als Energielieferanten.

Aus ihnen entstehen andere Stoffe wie Fette und Ami-nosäuren�

Eingeteilt werden sie in: ● einfache Zucker – Monosaccharide ● Zweifachzucker – Disaccharide (2 einfache Zucker) ● Mehrfachzucker – Oligosaccharide (3 – 10 einfache Zu-cker)

● und Vielfachzucker – Polysaccharide (mehr als 10 ein-fache Zucker)�

Der wichtigste Einfachzucker, die Glukose, hat die Formel C6H12O6�

Zucker entstehen, wenn sich die Hydroxylgruppe (OH-Gruppe) eines Zuckers mit der Hydroxylgruppe eines an-deren Zuckers unter Wasserabspaltung verbindet� Aus dieser Kondensationsreaktion geht ein Disaccharid her-vor�

Polysaccharide können eingeteilt werden in: ● Homoglykane ● Heteroglykane ● Glykokonjugate

2.5.3 KohlenhydratstoffwechselGlukose ist der wichtigste Energielieferant im Körper. Die Zellen „verbrennen“ Glukose zu Kohlendioxid und Wasser. Das funktioniert allerdings nur, wenn ausreichend Sauer-stoff vorhanden ist. Die Energieausbeute dieser Reaktion ist sehr hoch, wird meist in Form von ATP (Adenosintriphos-phat) in den Zellen zwischengespeichert und ist schnell ab-rufbar. Die Energiegewinnung verläuft in 4 Schritten:1. Glykolyse2. Oxidative Decarboxylierung (Reaktion von Pyruvat mit

Coenzym A zu Acetyl-CoA und CO2)3. Zitratzyklus (auch Zitronensäurezyklus oder Krebs-Zyklus

genannt)4. Atmungskette

Aerobe Glykolyse (mit Sauerstoff)Aus Glukose entsteht Glukose-6-Phosphat. Glukose-6-Phos-phat wird im Anschluss zu Fruktose-6-Phosphat umgelagert und Fruktose-6-Phosphat zu Fruktose-1,6-Biphosphat (Bi-phosphat bedeutet, dass das Molekül 2 Phosphatgruppen trägt) phosphoryliert.

Fruktose-1,6-Biphosphat wird dann in 1 Molekül Glyze-rinaldehyd-3-Phosphat und in 1 Molekül Dihydroxyaceton-phosphat gespalten. Aus Glyzerinaldehyd-3-Phosphat ent-steht sowohl 1,3-Biphosphoglyzerat als auch das Coenzym NADH (S. 23) und H+.

In der nachgeschalteten Substratkettenphosphorylierung entsteht ein Molekül 3-Phosphoglyzerat, das wiederum zu 2-Phosphogylzerat umstrukturiert wird. Danach wird Was-ser abgespalten und es entsteht Phosphoenolpyruvat (PEP). Im letzten Schritt wird die Phosphatgruppe des PEP auf ADP übertragen. Letztendlich entstehen aus einem Molekül

Glukose 2 Moleküle Pyruvat (Brenztraubensäure), 2 Mole-küle ATP, 2 Wassermoleküle und 2 NADH.

ACHTUNGDie gewonnenen 2 ATP werden anderen Stoffwechselprozessen zur Verfügung gestellt und nicht weiter in den Zitratzyklus über-führt.

Oxidative DecarboxylierungIm nachfolgenden Schritt reagiert Pyruvat über den Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex (PDH) – einem Komplex aus 3 En-zymen – mit dem Coenzym A (CoA) zu Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA). Diese sogenannte oxidative Decarboxylierung findet in der Matrix der Mitochondrien statt. Acetyl-CoA ist der Ausgangsstoff für den Zitratzyklus.

ZitratzyklusIm Zitratzyklus werden alle energieliefernden Stoffe wie Kohlenhydrate, Fette und Proteine abgebaut und anschlie-ßend in die Atmungskette überführt. Die entstehenden Zwi-schenprodukte dienen dem Anabolismus: so können z. B. Aminosäuren aufgebaut werden. In einer zyklischen Reak-tion, die in mehreren Schritten und für 1 Glukosemolekül 2-mal abläuft, entstehen zahlreiche reduzierte Coenzyme (NADH, FADH2), die in der sich anschließenden Atmungsket-te zur Energiegewinnung verwendet werden.

Merken Acetyl-CoAAcetyl-CoA ist der Ausgangsstoff für den Zitratzyklus, entsteht aber auch durch den Abbau von Fettsäuren und ist gleichzeitig Ausgangsstoff für die Fettsäuresynthese (S. 30).

Abb. 2.9 Aerobe Glykolyse.

Pyruvat CO2CO2

CO2ZitratzyklusPDH

Atmungskette

Glykolyse

Acetyl-CoA

H2O

O2

NAD+NADH/H+H+

O

Pyruvat wird über die Pyruvat-Dehydrogenase (PDH) im Mi-tochondrium zu Acetyl-CoA oxidiert� Acetyl-CoA wird im An-schluss dem Zitratzyklus und der Atmungskette zugeführt� Da-bei wird ATP generiert� Im Laufe des Zitratzyklus entstehen zahl-reiche reduzierte Coenzyme (NADH, FADH2)� Die reduzierten Coenzyme reagieren in der Atmungskette mit Sauerstoff (O2), wodurch Wasser (H2O) und ATP entsteht� Aus: Horn F: Biochemie des Menschen. Thieme 2009.

Chemie und Biochemie2

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AtmungsketteDie reduzierten Coenzyme (NADH + H+ und FADH2) werden in der Atmungskette, die in der Mitochondrienmembran stattfindet, mit Sauerstoff (O2) zur Reaktion gebracht, wobei Wassermoleküle und eine große Menge an Energie entste-hen. Diese Energie wird zum Aufbau von ATP-Molekülen ge-nutzt: pro NADH entstehen 3 und pro FADH2 2 ATP.

EnergiebilanzNach den 4 Reaktionsschritten der Energiegewinnung liegt die ATP-Ausbeute aus einem Glukosemolekül bei 36 ATP.

Anaerobe Glykolyse (ohne Sauerstoff)Steht den Zellen nur begrenzt Sauerstoff zur Verfügung, zum Beispiel bei anstrengender körperlicher Aktivität und starker Muskelkontraktion, kann das aus der Glykolyse stammende Pyruvat in der Milchsäuregärung (oder anaeroben Glykoly-se) weiter reduziert werden, um Energie zu gewinnen. Da-bei entsteht aus Pyruvat Laktat und ATP. Das Pyruvat wird vollständig verbraucht und kann, anders als bei der aeroben Glykolyse, nicht mehr in den Zitratzyklus überführt werden. Die Ausbeute an ATP ist wesentlich geringer, dafür läuft die Reaktion aber schneller ab. Die aus der anaeroben Glykolyse stammende Energie ist demnach „schnelle Energie“.

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Glykolyse, Zitratzyklus und Atmungskette

Bei der Glykolyse wird Glukose aerob (unter Sauerstoffbe-dingungen) zu Wasser und Kohlenstoffdioxid abgebaut� Dabei entsteht sowohl Energie (in Form von ATP) als auch Pyruvat� Sie läuft ausschließlich im Zytosol der Zellen ab!

Bei der oxidativen Decarboxylierung (Ort: Mitochon-drien) reagiert Pyruvat zu Acetyl-CoA, das als Ausgangs-stoff für den Zitratzyklus dient� Die dabei entstehenden Reduktionsäquivalente NADH und FAD geben ihre Elek-tronen an die Atmungskette (Ort: Mitochondrien) weiter, die der Generierung von ATP dienen� Die Energiebilanz beträgt 36 ATP�

Die anaerobe Glykolyse findet in Zellen statt, die keine oder nur wenige Mitochondrien besitzen (z� B� in Erythro-zyten)� Dabei entsteht Laktat�

2.5.4 GlykogenHerrscht kein Energiebedarf, wird die Glukose nicht weiter verbrannt, sondern in Form von Glykogen in den Muskel- und Leberzellen gespeichert. Das Hormon Insulin stimuliert die Zellen dabei zur Bildung des Glykogens. Solange ausrei-chend Brennmaterial vorhanden ist, stellt die Leber auch Fettsäuren (S. 29) her, verestert sie und transportiert sie schließlich über bestimmte Proteine ins Gewebe.

Der Gegenspieler des Insulins – das Hormon Glukagon – sorgt hingegen für den Abbau von Glykogen. Dadurch wird dem Körper Energie in Form von Glukosemolekülen zur Ver-fügung gestellt.

Merken GlykogenGlykogen ist die Speicherform des Zuckers, das Hormon Gluka-gon stimuliert den Glykogenabbau. Glukose ist der Zucker in ungespeicherter Form (Blutzucker), das Hormon Insulin sorgt dafür, dass er gespeichert wird.

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Insulin und Glukagon

● Insulin stimuliert die Glykolyse und Glykogenbiosynthe-se�

● Glukagon wirkt als Gegenspieler und hemmt die Insu-linwirkung�

GlukoneogeneseBei langanhaltender Belastung, wenn die Glykogenspeicher im Muskel leer sind und keine Nahrungsaufnahme stattfin-det, muss der Körper neue Glukose bilden. Dieser Gewin-nungsprozess läuft überwiegend in der Leber (zu etwa 80 %), aber auch in der Niere ab. Im Mitochondrium wird Pyruvat – das Endprodukt der Glykolyse – über Oxalacetat zu einem energiereichen Stoffwechselprodukt, dem Phosphoenolpy-ruvat (PEP), umgesetzt. Dafür muss das Oxalacetat ins Zy-tosol gelangen. Da das Oxalacetat nicht membrangängig ist, muss es zuerst in Malat, Aspartat oder Zitrat umgesetzt wer-den. Zitrat kann anschließend wieder in Oxalacetat und Ace-tyl-CoA gespalten werden. Im Zytosol wird das Produkt über Glyzerinaldehyd-3-Phosphat, Fruktose-1,6-Biphosphat und Fruktose-6-Phosphat zu Glukose-6-Phosphat umgewandelt. Ein Enzym, die Glukose-6-Phosphatase im ER der Leber- und Nierenzellen, wandelt Glukose-6-Phosphat schließlich in freie Glukose um, die dann ins Blut abgegeben wird.

Die Enzyme, die dabei benötigt werden, stammen von der Glykolyse und werden in umgekehrter Reihenfolge eingesetzt.

ACHTUNGDer Muskel kann nur Glukose-6-Phosphat herstellen und damit keine freie Glukose in den Blutkreislauf entlassen. Glukose-6-Phosphat dient dem Muskel als eigener Energiespeicher, der bei Bedarf in Energie umgesetzt und nur vom Muskel selbst ver-wendet werden kann – ganz im Gegensatz zu Leber und Niere.

Als Ausgangsstoffe für die Glukoneogenese können aber auch andere Stoffwechselendprodukte wie Laktat, Amino-säuren und Glyzerin dienen. Die Aminosäuren (z. B. Aspartat und Glutamat) werden nach einer chemischen Veränderung als Zwischenprodukt in den Zitratzyklus eingeschleust und dort zu Oxalacetat umgesetzt. Laktat wird vom Muskel in die Blutbahn freigesetzt und in der Leber in Pyruvat umge-wandelt. Glyzerin hingegen entsteht, wenn vom Triglyzerid (S. 29) 3 Fettsäuren abgespalten werden.

Organische Verbindungen im menschlichen Körper

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Glukoneogenese

Bei der Glukoneogenese entsteht Glukose� Der Stoffwech-selweg läuft umgekehrt zur Glykolyse ab und findet haupt-sächlich in der Leber und in der Niere statt�

Dabei wird Pyruvat über Oxalacetat in Phosphoenol-pyruvat (PEP) umgesetzt. Oxalacetat wird über 3 mem-brangängige Metaboliten (Malat, Aspartat oder Zitrat) ins Zytosol transportiert und dort in PEP umgewandelt� Aus PEP entsteht wiederum Fruktose-1,6-Biphosphat� Die Fruktose-Biphosphatase spaltet an Fruktose-1,6-Bi-phosphat die Phosphatgruppe ab (Dephosphorylierung): Es entsteht Fruktose-6-Phosphat und über die Glukose-6-Phosphat-Isomerase dann Glukose-6-Phosphat, das von der Glukose-6-Phosphatase schließlich zu freier Glukose dephosphoryliert wird�

2.5.5 Proteine (Eiweiße)Proteine sind wichtige Strukturen in Zellen und Geweben, sie steuern Stoffwechselvorgänge und fungieren als Trans-porter und Speichersubstanzen. Kurzum: Sie sind für alle Funktionen des Körpers und für seine Struktur außeror-dentlich wichtig.

Aminosäuren Der Mensch besteht zu etwa 15 % aus Proteinen, die wieder-um aus Aminosäuren (AS) aufgebaut sind. Man kann sie sich wie kleine Bauklötze vorstellen, die aneinandergereiht ein Protein ergeben. Diese Aminosäuren nennt man proteino-gene Aminosäuren oder α-Aminosäuren. 20 von ihnen sind im Menschen vorkommende Standardaminosäuren. Nicht proteinogene Aminosäuren sind demnach Aminosäuren, die nicht in Proteinen zu finden sind oder durch chemi-sche Veränderung eines Proteinbausteines entstehen. Nicht

proteinogene Aminosäuren sind in chemischen Botenstof-fen wie Neurotransmittern oder Hormonen zu finden.

Der Mensch benötigt pflanzliche und tierische Aminosäu-ren, um körpereigene Proteine herzustellen. Aminosäuren, die der Organismus nicht selbst herstellen kann, werden als essenzielle Aminosäuren bezeichnet, und müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Es gibt aber auch Amino-säuren, die der Körper selbst herstellen kann: die nicht es-senziellen Aminosäuren. 300 solcher nicht essenziellen AS wurden in der Natur bereits entdeckt, aber nur 12 davon kann der Mensch herstellen.

Im Zentrum einer Aminosäure befindet sich immer ein Kohlenstoffatom, das α-C-Atom. Das zentrale Kohlenstoff-atom geht 4 Bindungen ein. Jede Aminosäure besitzt eine Verbindung mit einer COOH- bzw. Carboxylgruppe (Koh-lenstoffgerüst), einer NH2-Gruppe bzw. Aminogruppe (stickstoffhaltige Gruppe) und einem Wasserstoffatom. Der 4. Bindungspartner (Rest) unterscheidet sich je nach Amino-säure (▶ Abb. 2.10). Er kann z. B. schweflig, aromatisch, sauer oder neutral sein (▶ Abb. 2.11). Aminosäuren sind Ampholy-te. Das heißt, sie besitzen funktionelle Gruppen, die Basen- und Säureeigenschaften haben. In einer sauren Lösung (pH-Wert < 7) wirkt die Aminogruppe (-NH2) als Base. Sie nimmt H+-Ionen auf und liegt dann als -NH3 vor. In einer basischen Lösung (pH-Wert > 7) fungiert die Carboxylgruppe (-COOH) als Säure. Sie gibt ein H+-Ion ab und liegt dann als COO– vor.

Abb. 2.10 Grundstruktur der Aminosäuren.

Cα

COO–

RRest ←

HH3N+→ Carboxylgruppe

→ WasserstoffAminogruppe ←

Eine Aminosäure ist aus einer Aminogruppe, einer Carboxyl-gruppe, einem Wasserstoffatom und einem Rest aufgebaut� Der Rest (R) ist charakteristisch für die jeweilige Aminosäure� Aus: Ras-sow J, Deutzmann R, Netzker R, Hauser K: Duale Reihe Biochemie. Thieme 2012.

Abb. 2.11 Aminosäuren: Übersicht.

Essenzielle AS Nicht essenzielle AS

IsoleucinLeucinLysinMethionin (mit Schwefel)Phenylalanin (aromatisch)Threonin (mit OH-Gruppe)Tryptophan (aromatisch)Valin

Beispiele für nicht-proteinogene AS

γ-Carboxyl-Glutamat(GABA)Thyroxinβ-AlaninHomocysteinCitrullinOrinithin

AlaninArgininAsparaginsäureAsparaginCystein (mit Schwefel)GlutaminGlutaminsäureGlycinHistidinProlinSerin (mit OH-Gruppe)Tyrosin (aromatisch)

Semiessenzielle AS(unter bestimmtenLebensbedingungenessenziell)

ArgininTyrosin (aromatisch)AsparaginCystein (mit Schwefel)GlutaminGlycinProlin

hellgrün – unpolar, hydrophob; grün – polar, neutral; blau – polar, basisch; orange – polar, sauer

Chemie und Biochemie2

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Je nachdem, in welcher Position die Aminogruppe im Be-zug zum α-C-Atom der Carboxylgruppe steht, gehört sie ei-ner anderen Aminosäurengruppe an:

● der α-Aminosäure – Carboxyl- und Aminogruppe befinden sich am selben C-Atom

● der β-Aminosäure – die Aminogruppe befindet sich am 3. C-Atom

● oder der γ-Aminosäure – die Aminogruppe befindet sich am 4. C-Atom.

Proteinogene Aminosäuren sind in der Regel α-Aminosäuren.

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Aminosäuren

Proteine bestehen aus Aminosäuren� Es gibt proteinogene Aminosäuren (Proteinbausteine) und nicht proteinogene Aminosäuren (Hormone, Transmitter)�

Essenzielle Aminosäuren müssen dem Körper zugeführt werden, nicht essenzielle Aminosäuren kann er selbst her-stellen�

Einteilung der ProteineProteine sind am Aufbau des gesamten Körpers beteiligt und erfüllen dort viele Aufgaben:

● Die Motorproteine Aktin und Myosin führen zur Kontrak-tion der Muskulatur, wodurch wir uns bewegen.

● Strukturproteine dienen als Gerüst, z. B. das Kollagen, das für die Festigkeit und Flexibilität des Bindegewebes ver-antwortlich ist, oder die Mikrofilamente (S. 356) Aktin, Tubulin und Keratin des Zytoskeletts.

● Transportproteine in den Zellmembranen organisieren den Transport von Stoffen in die Zelle und aus ihr hinaus. Das bekannteste Beispiel ist das Hämoglobin der Erythro-zyten, das den Sauerstoff transportiert.

● Enzyme bestehen aus Proteinen. Sie beschleunigen bioche-mische Reaktionen im Körper. Zum Beispiel die Transfera-se. Sie ist eine der wichtigsten Kinasen und überträgt das Phosphat vom ATP auf ein anderes Molekül.

● Speicherproteine helfen Zellen, bestimmte Verbindungen (z. B. Eisen) zu speichern.

● Signalproteine sind Proteine, die endokrin, parakrin, syn-aptisch oder kontaktabhängig Signale weiterleiten.

● Glykoproteine sind Makromoleküle wie Antikörper, Plas-maproteine oder Zellmembranproteine. Sie bestehen aus kovalent aneinandergebundenen Mono-, Di-, Oligo- oder Polysacchariden.

Aufbau der ProteineDie Grundstruktur aller Proteine ist ähnlich. Sie bestehen aus einer Kette von Aminosäuren, die zusätzlich in unter-schiedliche Raumebenen strukturiert sind.

Die Verbindung von 2 oder mehreren Aminosäuren nennt man Peptid. Die meisten Proteine im Körper bestehen aus 300 – 500 AS. In der Medizin wird das Wort Eiweiß oft syno-nym zum Wort Protein verwendet.

Primärstruktur • Die Abfolge der einzelnen AS innerhalb ei-nes Proteins, die sogenannte Aminosäurensequenz, wird als Primärstruktur bezeichnet (▶ Abb. 2.11). Sie sagt etwas über Art, Anzahl und Anordnung der AS aus und ist in dem Sinne kein Strukturelement.

Sekundärstruktur • Die einzelnen AS gehen untereinander Wasserstoffbrückenbindungen zwischen dem Sauerstoff-atom der COOH-Gruppe und dem N-Atom eines AS-Peptids ein. Dabei verdrillt sich die Aminosäurenkette schraubenartig. Diese Form der Sekundärstruktur nennt man α-Helix (▶ Abb. 2.11). Es kann aber auch sein, d