Das Kohlenstoffatom – Basis des Lebens

Vorbemerkung

Denkt man sich einen Kohlenstoff-Atomkern (12 Nukleonen; ≈ 3∙10-15 m Radius) auf einen Tischtennisball vergrößert (1.5 cm Radius; Vergrößerungsfaktor ≈ 5 Billionen), so befände sich der Rand vom äußeren Elektronen-Orbital (Abstand real ≈ 2∙10-10 m)  1 km vom Mittelpunkt weg; der nächste Kohlenstoff-Atomkern wäre also 2 km entfernt! Und dazwischen – innerhalb dieser Kugel mit dem Radius 1 km und dem Volumen 4.2 Mrd Kubikmeter nur 2 Orbitalwolken mit 2+4 Elektronen.

Das Kohlenstoffatom ist das viertkleinste Atom – nach Wasserstoff, Bor und Beryllium. Der Abstand im Kristallgitter beträgt nur etwa 200 Picometer. Daher ist das Kohlenstoffatom spezifisch ziemlich schwer. Vier Elektronen besetzen die Außenschale, die „Platz“ für acht Elektronen bietet (Edelgas-Konfiguration).

Das C-Atom  kann sich mit bis zu vier Elektronen anderer Atome zur Achter-Edelgas-Konfiguration kombinieren. Mit vier Wasserstoff-Atomen ergibt sich z.B. der leichteste Kohhlenwasserstoff: Methangas (CH4), mit zwei Sauerstoff-Atomen das Kohlendioxidgas (CO2).– Zudem verbinden sich Kohlenstoffatome auch miteinander zu stabilen Kristallen (Diamanten), Ketten (Kohlenwasserstoffe), Ringen (Benzole), flächigen Gittern (Grafit), Röhren (Nanoröhrchen) und Fullerenen (Hohlkugeln mit (fußballähnlichen Oberflächen aus 5- und 6-Ecken). Auch amorphe Formen wie Ruß sind möglich. Für die Industrie wurden neue Kombi-Materialien wie Carbonstahl, -fasern und -matten mit den jeweils gewünschten Materialeigenschaften erfunden. 
In der belebten Natur entstanden durch die optimalen Verbindungsmöglichkeiten des Kohlenstoffatoms seit zwei Jahrmilliarden (Evolution) über 12 Millonen hochmolekulare organische Stoffe, auf denen die Lebensphänomene aller Zellen und Lebewesen beruhen: Glukosearten, Stärke, Fette, Alkohole, Alkane, Alkene, Polyene, Cycloalkane, Ester, Aldehyde, Ketone, Carbonsäuren und vor allem die für die Eiweißsynthese (Proteine) besonders wichtigen Aminosäuren.

Eine prekäre Schwachstelle aller Lebewesen ist die Empfindlichkeit auf  Temperaturen über 100 Grad Celsius – obwohl in 120 Grad heißem Meeres-wasser intakte Lebensformen gefunden wurden. Dagegen können Sporen und Bakterien möglicherweise sehr lange Reisen bei Weltraumkälte überstehen.  

Meisterstücke des Lebens: 4 bedeutsame Riesenmoleküle

Die DNA-Spirale: Desoxy-Ribo-Nukleinsäure bildet eine spiralige Doppelwendel, welche die Gene mit den darin codierten Erbinfor-mationen enthält.

Chlorophyll: C55 H70 Mg N4 O6   bewirkt in den Landpflanzen und Grünalgen die Kohlenstoff-Assimilation:
Kohlendioxid + Wasser          +            Lichtenergie (454 nm; 576 nm)
CO2 /  Luft             H2O /Boden            Sonnenlicht (2 grüne Farbtöne)
→   Traubenzucker /Stärke   +           Sauerstoff;
            C6  H12  O6                                        O2   ausgeatmet

 Hämoglobin: C34 H32 Fe NO4  bewirkt im Blutkreislauf, an Muskeln und Organen die Dissimilation:
Traubenzucker         + Sauerstoff
→ Kohlendioxid   + Wasser + Wärmeenergie.

Es besteht eine strukturelle Ähnlichkeit zwischen Chlorophyll und Hämoglobin in den C-H-N-O-Komponenten.  Unterschied:  Magnesium  (Mg) fungiert im Chlorophyll als zentrales Atom, während im Hämoglobin das Eisen (Fe) diese Rolle spielt.

Durch  den zwischen Flora und Fauna ausgewogenen Kohlenstoff-Kreislauf  mit  Assimilation und  Dissimilation wird   eine gleichblei-bende Konzentration von Kohlendioxid (≈0,04%) und Sauerstoff (≈21%) eingehalten.  Seit Beginn des  Industriezeitalters  ist dieses Gleichgewicht durch die Verbrennung  von Kohle,  Erdöl und Erdgas  aus fossilen Lagerstätten empfindlich gestört, woraus sich die  Bedrohungen der  Klimakatastrophe (nicht: des Klimawandels!)    zum Teil  erklären.

Titin:  C132983 H211861 N36149 O40883 S693   (über 420’000 Atome)
Titin gehört zu den größten elastischen Proteinen in der Herz- und Skelettmuskulatur, besteht aus über 30’000 Aminosäuren sowie 320 Proteindomänen und bewirkt die Elastizität, Stabilität, Kontraktionsgeschwindigkeit und Ruhespannung des Muskels.

Quellen:
Umfassende Infos zu den entsprechenden Fachbegriffen (Kohlenstoff, Kohlenstoff-Assimilation und -verbindungen usw.): Siehe 
 Wikipedia;
zu Titin siehe: http://de.wikipedia.org/wiki/Titin

Konfigurationen des Kohlenstoffs

Quelle:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f8/Eight_Allotropes_of_Carbon.png/400px-Eight_Allotropes_of_Carbon.png

Zellen  als  Grundbausteine der   lebenden Organismen

Bakterium mit Geißeln
(Vergrößerung 70’000-fach)

Zellwand mit 2 konzentrischen Schichten

Weiße und rote Blutkörperchen
(Vergrößerung 1’000’000-fach)

Synapse
(Vergrößerung 1’000’000-fach)

Quelle der 4 farbigen Abbildungen:
David S. Goodsell: Wie Zellen funktionieren. Spektrum Verlag, 2010.

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