Abschnitt 5 · Chemie des Lebens
Wasser ist absolut grundlegend für alle Lebensformen auf der Erde. Es ist das Medium, in dem sich lebende Organismen höchstwahrscheinlich zuerst entwickelt haben, und es ist in allen Zellen allgegenwärtig. Es passt, dass in der griechischen Mythologie der Urgott des Wassers (Hydros) als eines der ersten Wesen, das existierte, die Erde (Gaia) erschaffen hat.
Wasser ist in der Biologie so wichtig, dass sich dieser ganze Abschnitt um dieses strukturell einfache Molekül dreht.
Die molekulare Struktur von Wasser (H₂O) haben wir bereits in einem vorherigen Abschnitt über atomare Wechselwirkungen kurz diskutiert. Ein einzelnes Molekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen, die kovalent an ein Sauerstoffatom gebunden sind. Die hohe Elektronegativität von Sauerstoff bewirkt eine Polarität innerhalb des Moleküls, was zu einer negativen Teilladung am Sauerstoff und zu einer positiven Teilladung am Wasserstoff führt. Die Abbildung zeigt verschiedene Darstellungsmöglichkeiten für die Molekülstruktur von Wasser.
Wasser hat wie andere Stoffe unterschiedliche Aggregatzustände: fest, flüssig und gasförmig. Diese Zustände werden hauptsächlich durch die Zahl der Wasserstoffbrückenbindungen bestimmt, die Wassermoleküle untereinander bilden. Im flüssigen Zustand brechen Wasserstoffbrückenbindungen ständig auf und bilden sich neu. Niedrigere Temperaturen erhöhen den Anteil der Moleküle, die über Wasserstoffbrückenbindungen interagieren, und stabilisieren eine geordnete Struktur, während höhere Temperaturen Wasserstoffbrückenbindungen aufbrechen.
Die Polarität eines Moleküls ist eine wichtige chemische Eigenschaft. Polare Moleküle wie Wasser ziehen sich an, ebenso wie unpolare Moleküle wie Kohlenwasserstoffe untereinander aggregieren. Polare und unpolare Moleküle stoßen sich jedoch ab. Da Wasser ein so allgegenwärtiges Medium ist, werden polare Substanzen als hydrophil (wasserliebend) bezeichnet, während unpolare Verbindungen als hydrophob (wassermeidend) bezeichnet werden. Die Aggregation hydrophober Moleküle wird auch durch hydrophobe Wechselwirkungen, z.B. durch "Van-der-Waals-Kräfte", verstärkt.
Die Löslichkeit verschiedener Stoffe in Wasser wird durch ihre Polarität bestimmt. Ionen wie Na⁺ und Cl⁻ (NaCl, Kochsalz) oder polare (hydrophile) Moleküle wie Ethanol sind in Wasser löslich, während beispielsweise Lipide (Fette, Öle), die hydrophob sind, nicht löslich sind. In einer Lösung bilden Wassermoleküle Hydrathüllen um lösliche Moleküle oder Ionen. Insbesondere Ionen werden dabei, wie hier dargestellt, voneinander getrennt.
Der nächste Abschnitt befasst sich mit Säuren und Basen - sehr wichtigen Verbindungen, die in wässriger Lösung dissoziieren.
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