Wesentliche Elemente von Biomolekülen: Ein umfassender Überblick

Die Bausteine des Lebens

Chemische Elemente sind die Bausteine der mehreren Moleküle, die in biologischen Systemen vorkommen. Diese Elemente verbinden sich durch kovalente Bindungen in bestimmten Anteilen miteinander, um Moleküle zu bilden, die mehrere Körperfunktionen erfüllen. Obwohl es mehr als 30 Elemente im Körper gibt, sind die häufigsten Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel.

Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff

Alle organischen Biomoleküle enthalten die Elemente Kohlenstoff in Kombination mit Wasserstoff und Sauerstoff. Dies bildet das Kohlenstoffgerüst, die Grundstruktur fast aller Moleküle, die in Zellen vorkommen. Kohlenhydrate, Proteine und Fette enthalten alle das Kohlenstoffgerüst. Andere biologische Entitäten – wie Nukleinsäuren, Enzyme, Coenzyme, Porphyrine – enthalten ebenfalls dieses Kohlenstoffgerüst, an dem andere Elemente angebracht sind.

Stickstoff

Das Element Stickstoff ist eine Hauptkomponente mehrerer biologischer Moleküle. Die wichtigsten davon sind Proteine. Proteine sind Polymere aus Aminosäuren, bei denen die stickstoffhaltige Aminogruppe an ein Kohlenstoffgerüst angebracht ist. Enzyme, die alle proteinartig sind, enthalten ebenfalls Stickstoff. Desoxyribonukleinsäure und Ribonukleinsäure enthalten Purin- und Pyrimidinmoleküle, die stickstoffhaltige Basen sind. Einige Hormone, wie Insulin und Oxytocin, sind peptidischer Natur und enthalten daher Stickstoff.

Phosphor

Phosphor ist ein wichtiges Element und existiert im biologischen System oft in Form von Phosphat. Ein großer Teil des Phosphors ist in Knochen als das Salz von Kalzium, bekannt als Hydroxylapatit, vorhanden. In Kombination mit Lipiden ist Phosphor in Phospholipiden wie Phosphatidylcholin vorhanden, einer wichtigen Entität in der Zellmembran. Phosphor ist auch in den hochenergetischen Verbindungen wie Kreatinphosphat und Adenosintriphosphat (ATP) vorhanden. Alle metabolischen Reaktionen im Körper nutzen oder produzieren ATP. Die Nukleinsäuren enthalten ebenfalls Phosphat als Teil ihrer Struktur.

Schwefel

Einige Aminosäuren, wie Methionin, Cystein und Cystin, enthalten Schwefel. Diese Aminosäuren sind an mehreren wichtigen metabolischen Reaktionen beteiligt, wie der Zellatmung. Schwefel ist auch in dem Protein namens Keratin enthalten, das in Haaren, Haut und Nägeln vorkommt und diesen Strukturen Festigkeit und Härte verleiht. Bindegewebe im menschlichen Körper enthält Kollagen, das für seine Bildung Schwefel benötigt. Das Antikoagulans Heparin und die Gallensäurekomponente Taurin enthalten ebenfalls Schwefel.

Andere Elemente

Mehrere andere Elemente sind eine wichtige Komponente biologischer Systeme. Ein wichtiges ist Kalzium, das in Knochen und Zähnen sowie zellulären Flüssigkeiten vorkommt. Magnesium in Zellmembranen, Chromosomen und Knochen sowie Eisen, das im respiratorischen Pigment namens Hämoglobin vorkommt, sind weitere wohlbekannte Beispiele.