Polymerisation

Medizinische Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher (Facharzt für innere Medizin) am 24. Oktober 2016
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Eine Polymerisation kennzeichnet die Bildung von Polymeren aus Monomeren. In der Chemie und der Biologie gibt es verschiedene Arten von Polymerisationen. Im Organismus finden Polymerisationsreaktionen zur Bildung von Biopolymeren wie Proteinen, Nukleinsäuren oder Polysacchariden statt.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Polymerisation?

Die Polymerisation ist ein Sammelbegriff für die Bildung von Polymeren aus niedermolekularen Monomeren. Sowohl in der Chemie als auch in der Biologie spielen Polymerisationsreaktionen eine große Rolle. Polymere sind hochmolekulare Stoffe, die aus bestimmten Grundbausteinen bestehen. Diese Grundbausteine, auch Monomere genannt, lagern sich während der Polymerisation zusammen und bilden hochmolekulare Ketten.

Polymere können sowohl aus gleichen als auch aus unterschiedlichen Monomeren zusammengesetzt sein. In der Chemie sind beispielsweise Polyester, Polyethylen, Polyvinylchlorid (PVC) oder andere Kunststoffe als Polymere bekannt. In der Biologie stellen Proteine, Nukleinsäuren oder Polysaccharide hochkomplexe Biopolymere dar.

Im chemischen Bereich gibt es verschiedene Arten von Polymerisationsreaktionen. Dabei werden Kettenwachstums- und Stufenwachstumsreaktionen unterschieden. Bei den Kettenwachstumsreaktionen binden sich nach einer Startreaktion ständig weitere Monomere an die aktivierte Kette. Daraufhin kommt es zum Kettenwachstum. Bei den Stufenwachstumsreaktionen müssen die beteiligten Monomere mindestens zwei funktionelle Gruppen besitzen. Dabei findet kein ständiges Kettenwachstum statt, sondern es bilden sich zunächst Dimere, Trimere oder Oligomere, die sich später zu einer längeren Kette zusammensetzen. Typische Stufenwachstumsreaktionen laufen in Form von Additions- oder Kondensationsreaktionen ab.

Die Bildung von Biopolymeren in biologischen Systemen ist jedoch weitaus komplizierter. Sie erfordert viele verschiedene Reaktionsschritte. So erfolgt die Bildung von Proteinen oder Nukleinsäuren unter anderem nur unter Mithilfe von Templats (Vorlagen). Im genetischen Code ist die Reihenfolge der Stickstoffbasen in den Nukleinsäuren festgelegt. Diese codieren wiederum die Reihenfolge der Aminosäuren in den einzelnen Proteinen.

Funktion & Aufgabe

In allen biologischen Systemen von Bakterien, Pilzen, Pflanzen und Tieren (einschließlich Menschen) spielen Polymerisationen eine herausragende Rolle. So stellen Proteine und Nukleinsäuren überhaupt die Voraussetzung für das Leben dar. Im Kern sind die Polymerisationsreaktionen zur Bildung dieser Biomoleküle und deren Abbau die eigentlichen Reaktionen des Lebens.

Nukleinsäuren sind Bestandteile der DNA und der RNA. Sie bestehen aus Phosphorsäure, einem Monozucker (Desoxyribose oder Ribose) und vier Stickstoffbasen. Phosphorsäure, Zucker und eine Stickstoffbase sind jeweils zu einem Nukleotid zusammengesetzt. Die Nukleinsäuren bestehen wiederum aus Ketten von hintereinander gereihten Nukleotiden.

In der DNA ist Desoxyribose und in der RNA die Ribose als Zuckermolekül eingebaut. Die einzelnen Nukleotide unterscheiden sich nur durch die Stickstoffbase. Jeweils drei hintereinander folgende Nukleotide codieren als Triplett jeweils eine Aminosäure. So stellt die Reihenfolge der Nukleotide den genetischen Code dar.

Über komplizierte Mechanismen wird der in der DNA festgelegte genetische Code an die RNA übertragen. Die RNA ist dann wiederum für die Synthese von Proteinen mit festgelegter Aminosäure-Reihenfolge verantwortlich. Bestimmte Abschnitte in der DNA (Gene) codieren so die entsprechenden Eiweiße (Proteine).

Jedes Protein besitzt im Organismus eine spezielle Funktion. So gibt es Muskelproteine, Proteine des Bindegewebes, Immunglobuline, Peptidhormone oder Enzyme. Für jeden Stoffwechselschritt ist wiederum ein spezielles Enzym mit einer spezifischen Zusammensetzung verantwortlich. Daraus ergibt sich bereits, wie wichtig genau miteinander abgestimmte Polymerisationsreaktionen zum Aufbau von Nukleinsäuren und Proteinen für die reibungslosen biochemischen Prozesse im Organismus sind.

Beispielsweise müssen die Enzyme die richtige Aminosäure-Reihenfolge besitzen, um den spezifischen Reaktionsschritt im Stoffwechsel, für den sie verantwortlich sind, katalysieren zu können.

Neben Proteinen und Nukleinsäuren sind auch Polysaccharide wichtige Biopolymere im Organismus. Bei Pflanzen üben sie häufig Stützfunktionen aus. Des Weiteren speichern sie auch Energie. So ist die Stärke der Kartoffel ein Reservestoff, der ihr zur Energiegewinnung beim Auskeimen dient. Auch der Mensch speichert in der Leber und in den Muskeln Glykogen zur Deckung des Energiebedarfs bei Nahrungskarenz oder intensiver körperlicher Bewegung. Glykogen ist, wie Stärke, ein Polymer und entsteht aus dem Monomer Glukose.




Krankheiten & Beschwerden

Störungen im Rahmen von biologischen Polymerisations-Reaktionen können zu erheblichen gesundheitlichen Problemen führen. Wie bereits erwähnt, sind Nukleinsäuren wichtige Biopolymere. Wenn sich durch chemische Prozesse die Reihenfolge bestimmter Stickstoffbasen ändert, liegt eine sogenannte Mutation vor. Das mutierte Gen codiert zwar weiterhin Proteine, aber deren Aminosäure-Reihenfolge ändert sich. Die so veränderten Proteine können ihre Funktion in den betroffenen Zellen nicht mehr richtig erfüllen.

Dabei kann es zu Stoffwechselerkrankungen kommen, da unter Umständen ein Enzym ausfällt. Vielleicht sind aber auch die Immunglobuline verändert. Dann treten Immundefekte auf. Selbstverständlich können auch Strukturproteine von den Veränderungen betroffen sein, mit vielen unterschiedlichen Erscheinungsbildern und Beschwerden.

Die Mutationen werden häufig auch auf die Nachkommen weitervererbt. Im Laufe des Lebens treten immer wieder Fehler bei der Reproduktion des genetischen Codes auf. Meist werden die betroffenen Körperzellen durch das Immunsystem zerstört. Das gelingt jedoch nicht immer. In manchen Fällen entwickeln sich diese Zellen etwa zu Krebszellen und bedrohen durch ihr Wachstum den gesamten Organismus.

Auch viele andere degenerative Erkrankungen wie Arteriosklerose, rheumatische Beschwerden oder Autoimmunerkrankungen sind auf Störungen bei der Synthese von Biopolymeren zurückzuführen. Selbst bei der Synthese von Glykogen, dem Polysaccharid in der Leber und den Muskeln, kann es zu Fehlern kommen. So gibt es unter anderem Glykogenspeicherkrankheiten mit abnorm veränderten Glykogenmolekülen, deren Ursache wiederum defekte Enzyme sein können. Das krankhafte Glykogen kann nicht mehr abgebaut werden und speichert sich in der Leber immer weiter an.

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