03.02.2009

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Fundamentals of Biochemistry

Third Edition

Chapter 2 Water

Copyright © 2008 by John Wiley & Sons, Inc.

Donald Voet • Judith G. Voet • Charlotte W. Pratt

Chapter 2 Opener

Auf der Erde basiert das Leben auf Wasser. Neben seiner grossen Häufigkeit ist Wasser aus folgenden Gründen wichtig für die Biochemie des Lebens:

1. Fast alle biologischen Moleküle nehmen ihre Form (und deshalb auch Funktion) als Antwort zu den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Wassers ein.

2. Das Medium für die meisten biochemischen Reaktionen ist Wasser. Es transportiert Edukte sowie Produkte der Reaktionen in der Zelle und zwischen Zellen.

3. Wasser nimmt aktiv an vielen biochemischen Reaktionen teil. Seine Ionen H+ und OH- spielen dabei eine Hauptrolle.

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Kapitel 2: Wasser

1. Physikalische Eigenschaften des Wassers

A. Wasser ist ein polares Molekül B. Hydrophile Substanzen lösen sich in Wasser C. Der hydrophile Effekt führt dazu dass nicht polare Substanzen aggregieren D. Wasser bewegt sich via Osmose und gelöste Substanzen bewegen sich via Diffusion

2. Chemische Eigenschaften von Wasser

A. Wasser ionisiert und bildet H+ und OH- B. Säuren und Basen verändern den pH C. Puffer widerstehen pH Aenderungen

Lernziele:

1) Verstehen dass Wassermoleküle polar sind und irreguläre Wasserstoffbrücken Netzwerke im flüssigen Zustand bilden können

2) Kennen der nichtkovalenten Kräfte welche auf Biomoleküle ein- wirken.

3) Verstehen warum polare und ionische Substanzen sich in Wasser lösen

4) Verstehen dass der hydrophobe Effekt darin begründet ist, dass Wasser die Tendenz hat nicht polare Gruppen auszuschliessen um die Entropie der Wassermoleküle zu maximieren.

5) Verstehen was Osmose und Diffusion sind.

1. Physikalische Eigenschaften von Wasser

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Figure 2-1a

A. Wasser ist ein polares Molekül

Struktur von Wasser

Figure 2-1b

δ+

δ-

δ+

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Figure 2-2

Wassermoleküle bilden Wasseerstoffbrücken

δ+ δ-

Figure 2-3

Eis ist ein Kristall von Wasserstoffbrücken verknüpftem Wasser

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Figure 2-4

Die Struktur von flüssigem Wasser ist irregulär

Table 2-1

Wasserstoffbrücken und andere schwache Interaktionen beeinflussen biologische Moleküle

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Figure 2-5

Elektronen bewegen sich zufällig wenn Gruppen nahe in Kontakt, können sich zufällige Dipole ent- stehen welche sich stabilisieren. Gruppen müssen aber in sehr nahem Kontakt zueinander sein.

Figure 2-6

Hydrophile Substanzen lösen sich in Wasser

Solvation von Ionen

nur eine Schicht gezeigt, ist aber 3 dimensional

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Figure 2-7

Wasserstoffbrücken an funktionellen Gruppen

hydroxyl Gruppen Keto gruppen

Carboxylat ionenAmmonium ionen

Table 2-2

C. Der hydrophobe Effekt führt dazu dass nicht polare Substanzen in Wasser aggregieren

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Figure 2-8

Die Tendenz des Wassers seine Kontakte mit hydrophoben Molekülen zu minimieren nennt man den hydrophoben Effekt

Figure 2-9

Aggregation von nicht polaren Molekülen in Wasser

Aggregation der nicht polaren Gruppen minimiert die Oberfläche und maximiert deshalb die Entropie des Systems.

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Figure 2-10

Amphiphile Moleküle bilden Micellen und Doppelschichten

Amphiphile Moleküle -> Polar und Apolar z. B. Fettsäuren

Was geschieht wenn Wasser dazu?

Figure 2-11

Achtung: keine biologische Membran, da diese meist aus Phospholipiden bestehen und nicht nur aus Fettsäuren!!

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Figure 2-12

Modell einer Micelle

Sauerstoff

Kohlenstoff

Figure 2-13

D. Wasser bewegt sich durch Osmose und Lösungen durch Diffusion

Osmotischer Druck

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Figure 2-14

Dialyse

Diffusion der Ionen

2. Chemische Eigenschaften von Wasser

Lernziele:

1) Verstehen dass Wasser in Hydronium Ionen und Hydroxid Ionen ionisiert.

2) Verstehen dass eine Säure ein Proton geben kann und eine Base ein Proton aufnehmen kann.

3) Verstehen wie eine Säure und eine Base den pH einer Lösung beeinflussen können.

4) Die Beziehung zwischen pH und pK einer schwach sauren Lösung verstehen.

5) Verstehen wie ein Puffer funktioniert.

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Figure 2-15

A. Wasser ionisiert zu H+ und OH-

H2O2 H+ + OH-

Hydronium ion

Springende Protonen -> Säure-Base Reaktionen sind unter den schnellsten Reaktionen in wässeriger Lösung.

Figure 2-16

Dissoziationskonstante K = [H+] [OH-] [H2O] wenn unendlich

[H+] [OH-] KW =(ist 10-14 bei 25°C)

pH = - log [H+] = log 1

[H+]

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Table 2-3

B. Säuren und Basen ändern den pH

Viele funktionelle Gruppen von Biomolekülen können als Säure oder Base wirken. z. B. Carboxylgruppen und Aminogruppen.

Sie können den pH der Umgebung beeinflussen und werden selber durch den pH der Umgebung beeinflusst.

-> Säure-Base Cehmie essentiell um die biochemische Funktion von Molekülen zu verstehen.

Säuren geben Protonen ab. Basen nehmen Protonen auf.

Die Stärke einer Säure ist durch die Dissoziationskonstante bestimmt.

[H3O+] [A-] [H2O] [HA] K =

in verdünnter Lösung Wasser konstant ->

[H+] [A-] [H2O] [HA] K = pK = -logK

schwache Säuren K < 1 , starke Säuren K >> 1 (HClO4, HNO3) stärkste Säure in wässeriger Lösung = H3O+, stärkste Base = OH-

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Der pH einer Lösung ist durch die relativen Konzentrationen von Säure und Base bestimmt.

pH = pK + log [A-] [HA]

Henderson-Hasselbach Gleichung

Table 2-4

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C. Puffer widersetzen sich pH Aenderungen

Ein Tropfen Salzsäure in Wasser lässt den pH stark sinken (Protonen konzentration steigt stark an).

-> in biologischen Systemen wird versucht den pH konstant zu halten.

Puffersubstanzen

Figure 2-17

Pufferkapazität (+1 pH vom pK)

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Figure 2-18

Polyprotische Säuren = mehrere pK Wert (in biologischen Systemen phosphat und bicarbonat Puffer z.B. im Blut).