Ungleich verteilte Mengenelemente: Funktion und Transport von Alkalimetall- und Erdalkalimetall-Kationen

Zusammenfassung

Alle bisher behandelten Metalle lassen sich unter die Rubrik “Spurenelemente” einordnen, wenn als Kriterium ein Tagesbedarf von weniger als 25 mg für den erwachsenen Menschen herangezogen wird (vgl. Tab. 2.3). Die Ionen des Magnesiums und Calciums (zweiwertig) sowie des Natriums und Kaliums (einwertig; Pasternak) fallen eindeutig nicht in diese Kategorie, wie auch aus ihrem hohen Mengenanteil im menschlichen Organismus hervorgeht (Tab. 2.1). Diese Kationen sind durch ihre Häufigkeit in der Erdkruste wie auch im Meerwasser für nicht-katalytische Funktionen prädestiniert (Abb. 2.2); zusammen mit Anionen wie Chlorid werden sie oft auch als “Elektrolyte”, “Mengenelemente” oder “Makro-Mineralstoffe” bezeichnet. Da für die vier Metallionen K⁺, Na⁺, Ca²⁺ und Mg²⁺ die katalytische Rolle hinter anderen, große Mengen erfordernden Funktionen zurücktritt, werden im folgenden die beiden wichtigsten solchen Funktionen vorgestellt:

• a) Der Aufbau von stützenden und abgrenzenden Strukturen erfordert eine größere Menge an Material, wobei neben den Silikaten insbesondere calciumhaltige Festkörper als Bestandteile von Innen- und Außenskeletten, Zähnen, (Eier-)Schalen, aber auch Erdalkalimetallion-stabilisierten Zellmembranen eine wichtige Rolle spielen (s. Kap. 15). Weniger offensichtlich sind Erdalkali- und Alkali-Metallkationen daran beteiligt, über elektrostatische Wechselwirkungen und osmotische Effekte Membran-, Enzym- und Polynukleotid(DNA^n-, RNA^n-)-Konformationen zu stabilisieren; darauf beruht beispielsweise die Denaturierung vieler Biomoleküle in reinem, entionisiertem Wasser.

• b) Die generell schwache, oft nur durch aufwendige molekulare Konstruktion erreichbare Bindung von Erdalkalimetall- und Alkalimetall-Kationen an Liganden kann dazu genutzt werden, die freie, entlang einem eigens erzeugten Konzentrationsgefälle sehr rasch verlaufende Diffusion von elektrisch geladenen Teilchen zum Informationstransfer zu verwenden. Während eine direkte Ladungstrennung zu hohen, chemisch-synthetisch nutzbaren Spannungen führt (vgl. Kap. 4.2), entsteht ein niedriges, nur der Signalerzeugung dienendes Membranpotential durch unterschiedliche Konzentrationen verschiedener Ionen. Die dazu erforderliche Spezifität ist vor allem aufgrund der für atomare (kugelförmige) Ionen kennzeichnenden Verhältnisse Radius/Ladung und Oberfläche/Ladung möglich; wie Tab. 13.1 zeigt, unterscheiden sich gerade hierin die vier genannten Kationen sehr deutlich voneinander. Sie unterscheiden sich damit auch von den auf Grund der Eigendissoziation des Wassers ubiquitären Protonen, deren Gradient eine sehr wichtige Rolle im Energietransfer spielt (chemiosmotischer Effekt; vgl. ATP-Synthese, Kap. 14.1). Offensichtlich ist die nur durch Diffusion begrenzte maximale Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion (“Diffusionskontrolle”) für viele Informationstransfer-erfordernde Vorgänge erstrebenswert (vgl. Abb. 13.1).