Kapitel 2

Einfach eintauchen: Die Chemie des Wassers

In diesem Kapitel

• Das Wasser und seine Aufgaben im Stoffwechsel
• Der Unterschied zwischen Säuren und Basen
• Säure‐Base‐Gleichgewichte
• Der pH‐Wert von Puffern

Wasser zählt nicht nur für Menschen zu den wichtigsten Stoffen auf der Erde. Wir trinken Wasser pur, als Limonade und Tee oder Kaffee, regulieren unsere Körpertemperatur durch Schwitzen und entsorgen die Abfallstoffe im Körper mit dem Urin. In welcher Form auch immer – ohne Wasser könnten wir nicht leben.

Biochemisch betrachtet ist Wasser definitiv einer der Hauptdarsteller auf der Bühne des Lebens. Kein Transportprozess im Körper würde ohne Wasser funktionieren, was übrigens auch für die meisten biochemischen Reaktionen gilt, die nur in wasserhaltiger Umgebung oder unter direkter Beteiligung von Wassermolekülen ablaufen können. In diesem Kapitel sehen wir uns die Struktur und Eigenschaften des Wassermoleküls genauer an. Wir erklären, wie sich Wasser als Lösungsmittel verhält, und beschäftigen uns mit der Chemie von Säuren und Basen und dem Gleichgewicht, dem beide unterliegen.

Was Sie über Wasser wissen sollten

Das Leben auf der Erde ist untrennbar mit der Existenz von Wasser (H2O) verbunden, und das gilt auch für uns Menschen. Unser Körper besteht zu etwa 70 Prozent aus Wasser (was noch nicht einmal besonders aufregend ist – Quallen bringen es auf einen Wasseranteil von über 98 Prozent!). Der größte Teil dieses Wassers (55 Prozent) befindet sich intrazellulär, also innerhalb der Zellen. Wasser wird für viele biochemische Reaktionen im Körper gebraucht. Es sorgt für den Stofftransport durch die Membranen, ist für den Erhalt der Körpertemperatur verantwortlich und dient als Lösungsmittel im Verdauungs‐ und Exkretionssystem.

Menschen nehmen normalerweise (wir reden hier über mitteleuropäische Temperaturbereiche!) pro Tag etwa zwei Liter Wasser zu sich und geben die gleiche Menge wieder an die Umwelt ab. Der Wasserbedarf wird zu etwa 45 Prozent mit Wasser aus Getränken und zu etwa 40 Prozent aus der Nahrung gedeckt. Die restlichen 15 Prozent Wasser werden bei der Oxidation der Nährstoffe gewonnen. Wenn die täglich aufgenommene Menge Wasser deutlich geringer ist als die Menge Wasser, die der Körper verliert, tritt schnell der Zustand der Dehydrierung ein. Wenn die Wasseraufnahme die Wasserabgabe hingegen übersteigt, beispielsweise bei Nieren‐ oder Leberversagen, können Ödeme (krankhafte Wassereinlagerung in den Geweben) die Folge sein.

Was Wasser so besonders macht: Polarität und Ladungsverteilung

Die Atome im Wassermolekül sind nicht gerade, sondern in einem Winkel von etwa 105 Grad angeordnet, und Wasser ist eine polare Verbindung (siehe Abbildung 2.1). Das hat Folgen: Wassermoleküle besitzen einen eher negativ geladenen Mittelteil (das partiell negativ geladene Sauerstoffatom mit einer Teilladung von δ–) und zwei nach außen ragende, eher positiv geladene Wasserstoffatome (Teilladung δ+). Diese Ladungsverteilung ergibt sich aus der unterschiedlichen Elektronegativität von Sauerstoff‐ und Wasserstoffatomen. Die Elektronegativität ist ein Maß für die Fähigkeit, von beiden Bindungspartnern geteilte Elektronen wie beim Tauziehen auf seine Seite holen zu können. Der Sauerstoff wird als stärker elektronegatives Element diesen Kampf immer gewinnen; er zieht die negativ geladenen Elektronen auf seine Seite – und bekommt daher eine negative Teilladung.

Zwischen den gewinkelten Wassermolekülen mit ihren teilweise positiven und teilweise negativ geladenen Enden treten Wechselwirkungen auf, die als Wasserstoffbrückenbindungen bezeichnet werden. Dabei zieht der teilweise positiv geladene Wasserstoff eines Moleküls das teilweise negativ geladene Sauerstoffatom eines anderen Moleküls an.

Diese Art der Interaktion zwischen einem kovalent gebundenen, teilweise positiv geladenen und einem negativ geladenen Atom beschränkt sich nicht auf Wassermoleküle. Wasserstoffbrückenbindungen über Stickstoffatome sind beispielsweise für die Struktur der DNA extrem wichtig. Mehr zu diesem Thema finden Sie in Kapitel 3.

• Der Begriff Wasserstoffbrückenbindung bezieht sich nicht, wie Sie vielleicht denken könnten, auf eine echte kovalente Bindung zwischen zwei Wasserstoffatomen, sondern auf die allgemeine Wechselwirkung zwischen der Ladung eines (teilweise positiv geladenen) Wasserstoffatoms und einem (teilweise negativ geladenen) Sauerstoff‐, Stickstoff‐ oder Fluoratom. Diese Wechselwirkung kann im gleichen (intramolekular) oder mit einem anderen (intermolekular) Molekül stattfinden.

• Ein für die Umwelt wichtiger Effekt der Wasserstoffbrückenbindungen ist das Verhalten von Wasser oberhalb des Gefrierpunkts zwischen 0 und 4 Grad Celsius – die Anomalie des Wassers, wie dieses Phänomen auch genannt wird. Im gefrorenen Zustand werden die Wassermoleküle in einer starren Anordnung gehalten, die eine geringere Dichte als flüssiges Wasser besitzt. Die Wasserstoffbrückenbindungen zwingen die Moleküle dazu, sich in Form eines Kristallgitters mit großen Löchern anzuordnen, wodurch die Dichte von Eis gegenüber der Dichte flüssigen Wassers kleiner wird. Die höchste Dichte des Wassers ist bei 4 °C erreicht. Das weniger dichte Eis, egal ob Eiswürfel oder Eisberg, schwimmt oben. Doch warum ist diese Eigenschaft des Wassers so wichtig? Fragen Sie einmal einen Eisangler! Die Eisschicht, die sich an der Oberfläche kalter Gewässer bildet, isoliert die flüssige Phase von der noch kälteren Luft und bewahrt damit das Leben unter dem Eis vor dem Erfrieren. Sonst würde der arme Angler wohl nur Gefrierkost fangen …

Wasser besitzt eine hohe spezifische Wärmekapazität

Unter spezifischer Wärmekapazität versteht man die Energie, die nötig ist, um die Temperatur von einem Kilogramm Wasser um ein Grad Celsius (genauer gesagt, ein Grad Kelvin) zu erhöhen. Eine hohe Wärmekapazität bedeutet, dass es nicht so leicht ist, Wasser zu erhitzen. Ebenso besitzt Wasser eine hohe Verdampfungsenthalpie. Menschen sind in der Lage, überschüssige Körperwärme über die Verdunstung als Schweiß auf der Haut abzugeben – eine sehr effektive Kühlstrategie. Keine Ahnung, ob Sie Biochemieprüfungen zum Schwitzen bringen, aber falls das so ist, werden Sie sich an diesen Punkt ziemlich sicher erinnern …

Die wichtigste biochemische Rolle des Wassers: Lösungsmittel

Die polare Natur des Wassers bewirkt, dass es andere polare Substanzen anzieht (oder aufnimmt, also in Lösung bringen kann). Wasser wird oft als das universale Lösungsmittel bezeichnet, da es eine ungeheure Vielzahl von Substanzen auflösen kann. Viele ionische Stoffe lösen sich leicht in Wasser, da die negativen Enden der Wassermoleküle die Kationen (positiv geladene Ionen) des ionisierten Stoffes anziehen, während die positiven Enden des Wassermoleküls die Anionen (negativ geladene Ionen) anziehen. Alkohole und Zucker sind aufgrund der Dipol‐Dipol‐Wechselwirkungen oder der Wasserstoffbrückenbindungen ebenfalls in Wasser löslich. Unpolare Stoffe hingegen wie Fette und Öle sind nicht wasserlöslich.

• Polare Moleküle werden aufgrund ihrer Fähigkeit, mit Wassermolekülen zu interagieren, als hydrophil (Wasser liebend) bezeichnet. Unpolare Moleküle, die sich nicht in Wasser lösen können, werden entsprechend als hydrophob (Wasser abweisend) bezeichnet. Einige Moleküle sind amphipathisch, da sie sowohl hydrophile als auch hydrophobe Enden besitzen.

Abbildung 2.2 zeigt die Struktur eines typischen amphipathischen Moleküls mit seinen hydrophilen und hydrophoben Bestandteilen; rechts daneben eine allgemein übliche symbolische Darstellung solcher Moleküle. Das runde »Köpfchen« ist dabei der hydrophile Teil, während der lange »Schwanz« hydrophober Natur ist.

Amphipathische Moleküle wie Seifenmoleküle können Mizellen bilden, feinste Tröpfchen, die unlösliche Stoffe umhüllen. Auf genau dieser Eigenschaft beruht die reinigende Wirkung von Seifen und Detergenzien. Der hydrophobe Teil des Seifenmoleküls (eine lange Kohlenwasserstoffkette) löst sich dabei in einer unpolaren Substanz wie Fett oder Öl und dreht gleichzeitig das hydrophile Köpfchen (meist ein ionisiertes Ende) zum umgebenden Wasser. Seife oder andere Waschmittel bringen auf diese Weise unpolare Substanzen in Lösung, sodass sie weggespült werden können. Die Struktur einer Mizelle ähnelt dabei einer Zellmembran, die ebenfalls polare und unpolare Bereiche besitzt (Abbildung 2.3).

Die Wasserstoffionenkonzentration: Säuren und Basen

In wässrigen Lösungen ist die Konzentration der Wasserstoffionen oder Protonen (H+) von großer Bedeutung. Die Protonenkonzentration (ein Maß für die Azidität einer Lösung) dient zur Bestimmung des pH‐Wertes einer Lösung. Biologische Systeme sind quasi ununterbrochen damit beschäftigt, ihren...