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Tutorial MenueBiochemische Merkmale wichtiger chemischer SystemeLerneinheit 3 von 3

Schwache Wechselwirkungen in biologischen Systemen

Hydratation

Definition
Bei der Hydratation lagern sich Wassermoleküle unter der Bildung von Hydraten an dispergierte oder gelöste Ionen, Atome, Moleküle oder Kolloide an.
Die Fähigkeit zur Hydratisierung ist eine wichtige Eigenschaft von Wasser, die auf seinen Dipolcharakter zurückzuführen ist.

Beim Lösungsvorgang (Hydratisierung oder Hydratation) eines Salzes lagern sich die Wassermoleküle entsprechend ihrer Partialladung an die Ionen an. Die Wassermoleküle bilden dabei mehrere Schichten, wobei die erste Schicht durch Ionen-Dipol-Wechselwirkung, die weiteren Schichten durch die Wasserstoff-Brücken zusammengehalten werden. Die Zahl der koordinierten Wassermoleküle hängt von der Größe des Ions und seiner Ladung ab; für die meisten Ionen bewegt sie sich zwischen vier bei K+ bis z.B. 24 bei Fe3+. Je kleiner das Ion und je größer die Ladung, desto größer ist die Ladungsdichte und somit auch die Hydrathülle.

Wasser vermindert die Stärke von elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen Ionen gegenüber dem Zustand im Vakuum um den Faktor 80. Dieser Wert entspricht seiner Dielektrizitätskonstanten. Die Hydrathülle schwächt also die gegenseitige Anziehung zwischen den Ionen und hält sie in Lösung.

Bedeutung in biologischen Systemen

In gelöster Form können Ionen an enzymatischen Reaktionen teilnehmen oder in biologische Makromoleküle eingebaut werden. In zellulären Kompartimenten liegen bestimmte Ionen in unterschiedlichen Konzentrationen vor und bilden so einen Konzentrationsgradienten. Dieser Konzentrationsgradient ist für den passiven und aktiven Transport, die Entstehung von elektrischen Signalen und damit für die Informationsübertragung, den Aufbau des osmotischen Druckes und für viele weitere Zellfunktionen bedeutsam.

Aus der Anlagerung der Wassermoleküle um ein Ion resultiert ein größerer effektiver Ionenradius. Dieser beeinflußt unter anderem die Diffusionsgeschwindigkeit von Ionen durch Poren und Ionenkanäle.

Die meisten biologischen Makromoleküle (Proteine, Zellwand-Polysaccharide) tragen negative Ladungen und bilden im wässrigen Milieu eigene Hydrathüllen aus. Dieses führt zur Quellung und zur Entstehung von Kolloiden oder Hydrogelen, wie sie z.B. im Cytoplasma vorkommen. Auch polare oder geladene Molekül-Gruppen wie Proteine mit dissoziierten Carbonsäure- oder protonierten Amin-Resten werden vom Wasser hydratisiert. Die angelagerten Wassermoleküle sind so für die Löslichkeit vieler Proteine in Wasser verantwortlich.

Abb.1
Hydratation von Natrium- und Chlorid-Ionen
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Abb.2
Hydratisiertes Natrium-Ion
Abb.3
Hydratisiertes Chlorid-Ion

Hinweis: Die dargestellte Größe der Ionen und Atome entspricht nicht den realen Größenverhältnissen.

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