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Einführung in die Kinetik IV (Biologische Systeme)

Biomolekulare Wechselwirkungen

Die biomolekulare Erkennung spielt eine zentrale Rolle im Stoffwechsel von Lebewesen. In jedem Fall findet dabei eine Bindung eines Liganden an einen biologischen Rezeptor statt. Solche Interaktionen beruhen auf elektrostatischen, hydrophoben Wechselwirkungen oder van der Waals-Wechselwirkungen (van der Waals-Kräfte) und auf der hochspezifischen räumlichen Anordnung der Bindungspartner. Ein wichtiges Merkmal biomolekularer Wechselwirkungen ist daher die Spezifität. Die Erforschung dieser Wechselwirkungen, die für das Verständnis biochemischer Prozesse nötig ist, erfordert die Entwicklung von Methoden, mit denen biomolekulare Interaktionen beobachtet werden können.

Abgesehen davon hat Materie die Tendenz zur Selbstorganisation, d.h. sie besitzt die "Fähigkeit", sich über Wechselwirkungen zu immer komplizierteren Strukturen und damit auch zu belebten Systemen zu entwickeln. Damit ergibt sich die Beziehung Elementarteilchen - Atome - Mikromoleküle - Makromoleküle - Zellen - Vielzeller. Eine interessante Theorie über die Entstehung des Lebens ist beispielsweise die Idee des "Biofilms", die darauf beruht, dass sich der überwiegende Anteil von Mikroorganismen nicht frei in Suspension befindet, sondern an Trägermaterialien gebunden ist und sie sozusagen als Biofilm überziehen. Dasselbe könnte auch für die organischen Vorläufersubstanzen des Lebens gegolten haben. So besitzen diverse Metallsulfide hervorragende Eigenschaften als Adsorptionsmittel und Katalysator. Diese Theorie entspricht auch der Hypothese, dass sich Leben nicht frei im Wasser, sondern an Grenzflächen entwickelt haben könnte.1)

Homogene und heterogene Phase

Reaktionen können in homogenen und heterogenen Phasen ablaufen. Reaktionen in homogenen Phasen sind beispielsweise Puffer- oder Reaktionen der enzymatischen Katalyse, die im wässrigen Milieu der Zelle oder im Plasma ablaufen (z.B. Säure-Basen-Reaktionen, Redoxreaktionen; Enzymhemmung, Antigen-Antikörperreaktionen). Diese können mit den linearen und nicht linearen Modellen der Enzymkinetik beschrieben werden.

Im Gegensatz dazu sind die Prozesse an Grenzflächen heterogener Phasen, beispielsweise an biologischen Membranen, anderen Gesetzen unterworfen. Kennzeichnend für heterogene Prozesse ist die Überlagerung chemischer Reaktionen mit Transportprozessen, da solche Systeme durch den Folgeprozess strömungsabhängiger Transportprozesse (An- und Abtransport von Substanzen zur Phasengrenze, also beispielsweise Liganden zum Rezeptor oder Substrate zu immobilisierten Enzymen) mit strömungsunabhängigen Grenzflächenreaktionen gesteuert werden. Wegen dieser Unterschiede im Einfluss der Strömung, beziehen sich die auf die Erfassung von "Einzelschritten" ausgerichteten kinetischen Messmethoden auf die Strömungsabhängigkeit des Stoffüberganges. Für Flüssig/Flüssig-Systeme mit Grenzflächenreaktonen ist der Einfluss der Systemeigenschaften (Kinetik, Gleichgewichte, Stöchiometrie) generell durch Methoden der Kinetik und Modellierung erfassbar.

1)Wächtershäuser, G. (2000): . In: Science. 289 , 1307-1308
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