metalle in lebewesen -ein einblick in die bioanorganische chemie-
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Metalle in Lebewesen
-Ein Einblick in die Bioanorganische Chemie-
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Gliederung1. Was ist Bioanorganische Chemie?2. Spurenelemente3. Eisen im menschlichen Körper
Versuch 1: Einfluss verschiedener Gase auf die Färbung von Hämoglobin
Versuch 2: Ein Modell der Atmungskette (Baumannscher Versuch)Versuch 3: Quantitative Eisenbestimmung im Feldsalat
4. Metalle im Zentrum der PhotosyntheseVersuch 4: Chlorophyll als Ionenaustauscher
5. Beispiel eines toxischen Metalls: BleiVersuch 5: Hemmung der α-Amylase
6. Abschlussbetrachtung
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Was ist Bioanorganische Chemie?
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Periodensystem des LebensH He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra Ac
Essentiell für alle Tiere und Pflanzen
Essentiell für bestimmte Klassen von Tieren und Pflanzen
Essentiell für eine Vielfalt von Spezies in einer Klasse
Biochemische Bedeutung unklar
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Eine Auswahl essentieller Spurenelement
Eisen: 4 – 5 g
Zink: 0,04 – 0,08 g
Kupfer: 2 – 4 g
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Eisenverbindungen im menschlichen Körper
Fe-haltige FraktionErwachsener[mg / 70 kg]
Hämoglobin/Myoglobin
3000
Enzyme 430
Transport 10
Depot 800
Gesamt 4240
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Funktion des Eisens im Hämoglobin
Waschflasche 1:Blut + Kohlendioxid
Waschflasche 2:Blut + Sauerstoff
Waschflasche 3:Blut + Kohlenmonoxid
Versuch 1: Einfluss verschiedener Gase auf die Färbung des Hämoglobins
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Die sauerstoffbindende Gruppe:das Häm
Fe2+
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Bindung von Sauerstoff
O
O
Fe Fe
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Kohlenmonoxid: ein toxisches Gas
N
HN
FeC
O
N
HN
FeO
O
Bindung am freien Häm-Komplex
Bindungsaffinität des CO 25 000 x stärker als die des O2
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N
HN
Fe
NNH
OO
N
HN
Fe
NNH
OC
Bindung am Hämoglobin
Bindungsaffinität des CO 200 x stärker als die des O2
H-BrückenErzwungene Abknickung
OO
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Der Kohlendioxidtransport im Blut
Gewebe
CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+
CO2 + Protein-N H+ + Protein-N
CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+
CO2
Plasma
Rotes Blutkörperchen
Carboanhydrase
langsam
schnell
HH COO-
H
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Auswertung: Versuch 1
Waschflasche 1:
Kohlendioxid:Desoxyhämoglobin
Waschflasche 2:
Sauerstoff: Oxyhämoglobin
Waschflasche 3:
Kohlenmonoxid: Carboxyhämoglobin
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Absorptionsspektrum menschlichen Hämoglobins
Oxyhämoglobin, Desoxyhämoglobin Carboxyhämoglobin
E
400 500 600 700 Wellenlänge [nm]
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
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Funktion des Eisens in der Atmungskette
• Einfache Knallgasreaktion:
H2 + ½ O2 H⇌ 2O Δ G = - 235 kJ/mol
NADH/H+ + ½ O2 ⇌ H2O + NAD+
ADP + Pi ATP⇌
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NADH/H+
Chinon
Cytochrom b
Cytochrom c
Cytochromoxidase
½ O2 ½ O2-
2 e-
2 e-2 e-
2 e-
2 e-
2 H+
H2O
E° [V]
+ 0,81
- 0,32
1,13
Die Elektronentransportkette
2 H+
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Cytochrom
Fe2+ Fe3+ e-
e-
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Versuch 2: Ein Modell der Atmungskette(Baumannscher Versuch)
2 e-
2 Cys-SH
Cys-S-S-Cys
2 Fe3+
2 Fe2+
2 e-
½ O2
O2-
H2O2 H+
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Der Fe(III)-Cystein-Komplex
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Eisengehalte in Nahrungsmitteln [mg/100g]
Fisch: 1,0 – 3,0
Fleisch/ Wurst: 2,0 – 17,0
Rohes Obst/ Gemüse: 0,5 – 4,0
Weizenkeime: 9,4
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Die Eisenspeicherkrankheit(Hämochromatose)
• Erhöhung des Eisengehaltes im Körper auf bis zu 80 g
• Symptome:Ermüdungserscheinungen, Hautpigmente, Herzprobleme, Leberzirrhose bis hin zum Leberkrebs
• Therapie: regelmäßige Blutabnahme in Form eines Aderlasses
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Versuch 3: Quantitative Bestimmung von Eisen Feldsalat
Kalibriergerade zur Eisenbestimmung
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 100 200 300 400 500 600
Massenkonzentration [µg/100 ml]
Extin
ktio
n
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OC
C
C
H
H
C
CH2OH
HO
HO
CHOO
+ 2 Fe3+(aq)+ 2 H2O(aq) + 2 Fe2+
(aq)+ 2 H3O+(aq)
Reaktion 2: Pufferwirkung
CH3COO-(aq) + H3O+
(aq) CH3COOH(aq) + H2O(aq)
+III +II
(aq) (aq)
Reaktion 1: Reduktion von Fe3+
+II
+II
+I
+I
B1 S2 S1 B2
OC
C
C
H
H
C
CH2OH
HO
C
OO
O
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Reaktion 3: Komplexierung von Fe2+
N/
N/ /N
/N
N/ /N
Fe2+
N+
/NHCl-
+ Fe2+(aq) + 3 H2O(aq)
+ 3 H3O+(aq) + 3 Cl-(aq)
3(aq)
(aq)
Fe2+
/N
/NN/
N/
N/
/N
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Metalle im Zentrum der Photosynthese
• Grundgleichung der Photosynthese
Licht
6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2
H2O
Licht
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Strukturformel des Chlorophylls
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Versuch 4: Chlorophyll als Ionenaustauscher
Reaktionen:1. Ionenaustausch
Chlorophyll Chlorophyllin
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2 Cu2+(aq)+ SO3
2-(aq)+ 3 H2O(aq) 2 Cu+
(aq) + SO42-
(aq) + 2 H3O+(aq)
Cu+(aq) + SCN-
(aq) CuSCN(s)↓ (weiß)
2. Ausfällen der Cu2+-Ionen
3. Nachweis der Mg2+-Ionen mit Titangelb
Mg2+
NNN
N
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Verwendung von Blei• Beimischung im Benzin als Antiklopfmittel in Form von
Pb(C2H5)4 und Pb(CH3)4
• Bleirohre
• Rostschutzmittel (Pb3O4)
• Bleigefäße oder Bleiglasuren (PbSiO3); Bleizucker (Pb(CH3COO)2)
Beispiel eines toxischen Metalls: Blei
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• Bleifarben
PbCrO4 Chromgelb
PbCrO4 . PbO Chromrot
Pb(OH)2 . 2 PbCO3 Bleiweiß
• Bleiakkumulatoren
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Gesundheitliche Folgen einer Bleikontamination
Akute Bleivergiftungen... • Symptome:
Erbrechen, Darmcholiken, schwere Schädigung der Leber, der Niere und des ZNS
Chronische Bleivergiftungen... • Symptome im Anfangsstadium:
Kopfschmerzen, Verstopfung, Müdigkeit, ÜbelkeitGewichtsabnahme
• Symptome im fortgeschrittenen Stadium: Neusynthese von Blut wird gestört (Anämie), Sterilität, Fehlgeburten, geistiges Zurückbleiben in der Wachstumsphase
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Stärke (Amylose)
α-Amylase
Zucker (Glucose)
Versuch 5: Hemmung der α- Amylase durch Blei(II) -ionen
Polyiodidionen
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Mögliche Reaktionen von Pb2+ mit der Aminosäure Cystein
C
C
C
H
H SH
H3N H
OOH
C
CH
C
H
H
H3N
S
O
Pb2+O
+
PbSC
CHC OH3N
O
HH
SH
+
OH
+ Pb2++ O
SPb
PbO
S+
+ 2 H+
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C
CH
C
H
H
H3N
OH
C
CH
C
HHS
O
Pb2+
S
OH
H3N
O
+ +Pb
S S
+ Pb2+
+ 2 H+
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• Paracelsus (1493-1541):„Was ist das nit gifft ist? Alle ding sind gifft/ und nichts ohn gifft/ allein die dosis macht das ein ding kein gifft ist.“