Abschnitt 2 · Chemie des Lebens
Chemische Bindungen bringen Atome in enge und mehr oder weniger stabile Wechselwirkungen zusammen. Die Bildung und Auflösung von Bindungen bei chemischen Reaktionen ist das, was Stoffe aufbaut und umwandelt. Dies geschieht ständig in jeder lebenden Zelle zu jeder Zeit und ermöglicht die Erzeugung großer Moleküle und komplexer organischer Strukturen.
In diesem Abschnitt werden wir die verschiedenen Arten von chemischen Bindungen und anderen Wechselwirkungen diskutieren.
Die stärkste Wechselwirkung zwischen zwei Atomen ist eine kovalente Bindung. Im Bestreben, ihre Valenzschalen zu füllen, um einen energetisch stabilen Zustand zu erreichen, können sich zwei Atome Elektronenpaare teilen und so eine starke Bindung aufbauen. Im obigen Beispiel gehen zwei Wasserstoffatome eine Bindung ein, indem sie sich jeweils ihr einziges Elektron untereinander teilen. Da Wasserstoff nur eine Schale hat, die (als innerste) bis zu zwei Elektronen aufnehmen kann, füllen beide Atome so ihre Valenzschale auf. Reiner Wasserstoff existiert gewöhnlich nur als "H₂" .
In der Biologie sind Bindungen zwischen Wasserstoff und Kohlenstoff allgegenwärtig. Nur Valenzelektronen nehmen an Bindungen teil, von denen Kohlenstoff vier in seiner äußeren Schale hat. Als zweitinnerste Schale kann sie bis zu acht Elektronen aufnehmen, und braucht somit weitere vier, um die stabilste Konfiguration zu erreichen. Neben Einfachbindungen können Atome auch Mehrfachbindungen eingehen. Der rechte Teil des Bildes zeigt die häufigste Darstellung chemischer Strukturen mit Bindungen, die als Linien zwischen Elementsymbolen dargestellt werden.
Da in organischen Verbindungen Wasserstoff-Kohlenstoff-Bindungen so häufig vorkommen, verwenden wir meist eine vereinfachte Darstellungsweise von Molekülstrukturen. Nur die Bindungen, die Kohlenstoff mit anderen Atomen bildet, werden dargestellt, während Kohlenstoffe in Knicken und Endpunkten impliziert werden. Die Bindungen zu Wasserstoff entfallen komplett, da man aus der Zahl der Bindungen, die ein Kohlenstoffatom zu anderen Atomen eingeht, auf die Zahl der Wasserstoffe schließen kann.
Für einen Biologen ist das Nützlichste Wissen über kovalente Bindungen die typische Anzahl von Bindungen, die jedes der sechs biologisch wichtigsten Elemente innerhalb von Molekülen bildet. Diese Zahl wird "Valenz" (auch "Wertigkeit") genannt, da sie sich direkt auf die Anzahl der Elektronen in der Valenzschale eines Atoms bezieht, die benötigt wird, um eine stabile Konfiguration zu erreichen.
Bei der Elektronenwechselwirkung zwischen Atomen einiger Elemente, wie Natrium (Na) und Chlor (Cl), ist die Anziehungskraft eines Atoms aufgrund seiner hohen "Elektronegativität", in diesem Fall Cl, so stark, dass es sich das einzelne Valenzelektron seines Partners nicht mit ihm teilt, sondern es stattdessen komplett entreißt. Dadurch werden die Atome in geladene Ionen umgewandelt, die durch elektrische Anziehung zusammengehalten werden. Diese Wechselwirkung, die als Ionenbindung bezeichnet wird, ist mit etwa 1/10 der Stärke einer kovalenten Bindung relativ schwach.
In einigen Fällen ist die Elektronenanziehung verschiedener Atome ("Elektronegativität") sehr ungleich, jedoch nicht ausreichend für einen vollständigen Elektronentransfer. Dies führt aufgrund von Teilladungen (∂⁺/∂⁻) zu Polarität innerhalb des Moleküls, z.B. in Wassermolekülen. Bereiche verschiedener wasserstoffhaltiger Moleküle mit entgegengesetzten Teilladungen können sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen bilden. Diese Wechselwirkungen sind relativ schwach, ähnlich wie Ionenbindungen.
Im nächsten Abschnitt lernen wir, wie sich Wechselwirkungen in chemischen Reaktionen ändern.
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