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"Es ist schon früher bemerkt worden, daß wir solange noch gar nichts im Leben der Pflanze erklärt haben, solange wir nicht die physikalischen oder chemischen Vorgänge nachgewiesen haben, auf denen dasselbe beruht, und gerade hierfür ist es nun unerläßlich notwendig, daß wir unsere Untersuchungen bei dem einfachsten Fall, der einzelnen Zelle beginnen. Daß wir bei der großen Komplikation der meisten chemisch-physikalischen Erscheinungen niemals ins Klare kommen werden, wenn wir die Sache von hinten anfangen, ist wohl von selbst klar." (aus: M. J. SCHLEIDEN: Grundzüge der wissenschaftlichen Botanik, 1842)
Ein Wasserstoffatom.
Ein Elektron umkreist ein Proton. (Bohrsches Atommodell).
In Wirklichkeit ist das Elektron nur durch seinen wahrscheinlichen Aufenthaltsort in Form einer Elektronenwolke zu veranschaulichen. Der größte Teil des Atoms besteht aus einem leeren Raum
© Thomas A. NEWTON
Zum Verständnis biochemischer und molekularbiologischer Prozesse wie Stoffwechsel, Differenzierung, Wachstum und Vererbung ist die Kenntnis der daran beteiligten Moleküle unerläßlich. Sie sind nach einem überschaubaren Satz von Regeln aus Atomen (Periodensystem der Elemente) aufgebaut. Nach den Gesetzen der Kombinatorik wäre ihre Zahl beliebig groß, doch tatsächlich sind nur diejenigen bekannt, die in den letzten 100-150 Jahren in den chemischen Forschungslaboratorien synthetisiert wurden oder deren Struktur ermittelt werden konnte. Limitierend sind hierfür einmal der mögliche experimentelle Aufwand und zum anderen finanzielle Ressourcen. Nach ganz anderen Gesichtspunkten ermittelt sich die Zahl und Art chemischer Verbindungen in Pflanzenzellen, obwohl auch dort Effizienz und Ökonomie ausschlaggebend sind.
Zellspezifische Moleküle entstehen über eine Reihe von Zwischenprodukten aus einfachen Vorstufen; andere wiederum werden ab- und umgebaut. Die Summe aller biochemischen Prozesse bezeichnet man als den Stoffwechsel. Im Verlauf der Evolution haben sich nur solche Reaktionswege entwickeln und erhalten können, die zu funktionellen, also für die Zelle und den Organismus tatsächlich benötigten Molekülen führten.
Man unterscheidet im allgemeinen zwischen dem primären und dem sekundären Stoffwechsel. Unter dem primären, auch Grundstoffwechsel genannt, faßt man alle die Reaktionen und Produkte zusammen, die für die Zelle selbst essentiell sind. Wenn man von einigen für Pflanzen (und einige Mikroorganismen) spezifischen Leistungen (z.B. Photosynthese) absieht, sind die Reaktionen des Grundstoffwechsels bei allen Organismengruppen (Pflanzen, Tieren, Mikroorganismen) nahezu identisch, was als Beweis dafür herangezogen werden kann, daß ihre Evolution bereits vor der Diversifikation in die unterschiedlichen Zell- und Organismengruppen weitgehend abgeschlossen war.
Der sekundäre Stoffwechsel führt zu Molekülen, die weniger für das Überleben der Zelle selbst als vielmehr für das des ganzen Organismus benötigt werden. Gerade bei Pflanzen spielen solche Reaktionen eine besonders wichtige Rolle. Sie führen zu Produkten wie etwa den Blütenfarbstoffen, Duft- und Aromastoffen, Festigungselementen, toxischen Komponenten usw.
Vom Standpunkt der Chemie aus können die in Zellen vorhandenen Verbindungen drei Kategorien zugeordnet werden: den anorganischen Ionen (Nährsalzen), den kleinen organischen und den Makromolekülen. Im folgenden werden die wichtigsten Vertreter in der genannten Reihenfolge vorgestellt. Bei der Aufzählung der organischen Moleküle werden auch chemisch einfach strukturierte Kohlenwasserstoffe besprochen, von denen sich die etwas komplexeren, in Zellen vorkommenden Derivate ableiten lassen.
Aus der großen Zahl der im Erdboden enthaltenen Mineralsalze nimmt die Pflanze selektiv nur einige wenige auf. Das sonst weit verbreitete Aluminium beispielsweise wird nicht verwertet, obgleich es von etlichen Pflanzenarten akkumuliert werden kann. Zum Verständnis der organischen Moleküle ist die Kenntnis der Struktur der gesättigten und ungesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffe und der sich von ihnen ableitenden Alkohole, Aldehyde, organischen Säuren und Ester unerläßlich. Ferner die Struktur der Zucker und ihrer Biosynthesevorstufen, sodann der aromatischen Kohlenwasserstoffe und Heterozyklen sowie der Aminosäuren und schließlich der Lipide.
Die Makromoleküle sind drei Stoffklassen, den Polysacchariden, den Proteinen und den Nukleinsäuren zuzuordnen. Es sind in der Regel lineare Polymere, die aus einer nur kleinen Zahl von Monomeren aufgebaut sind. Echte Verzweigungen kommen eigentlich nur bei den Polysacchariden vor. Ein entscheidender Aspekt zur Erklärung der Funktion dieser Moleküle beruht auf der Ausbildung einer Vielzahl sogenannter schwacher Bindungen (Interaktionen), durch die die linearen Moleküle in komplexen, dreidimensionalen Konformationen stabilisiert werden.
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Die Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) - http://www.genome.ad.jp/kegg/ - entwickelt sich zunehmend zu einer unentbehrlichen Quelle für biochemische Daten wie Formeln, Namen und Position biologisch wichtiger Verbindungen im Stoffwechsel, für Stoffwechselwege, ferner für Regeln der Enzymklassifikation, sowie Nuleotid- und Aminosäureseqenzen und Verknüpfung zu allen internationalen Datenbanken über DBGET Databse Links und http://www.genome.ad.jp/kegg/kegg4.html. Teile der Datenbank sind in Botanik online gespiegelt. Alle graphischen Elemente in den Stoffwechseldarstellungen (Metabolic Pathways) sind anklickbar. Zahlreiche zusätzliche Verknüpfungen führen online zu den nicht-gespiegelten Dateien, zu Suchdiensten und Updates. |