Präsentation ()

Ca2+
Experimentalvortrag
Anorganische Chemie
„Metalle in Lebewesen“
Birgit Schubert
Gliederung
1. Allgemeine Einführung
2. Metalle in Lebewesen
2.1 Calcium
2.2 Blei
2.3 Eisen
2.4 Magnesium
3. Schulrelevanz
4. „Zusammenfassung“
1. Allgemeine Einführung
1. Welche Elemente zählen zu den
Metallen?
1. Allgemeine Einführung
Häufigkeit von 3d-Elementen
1. Allgemeine Einführung
Häufigkeit von Alkali- und
Erdalkalimetallen
2. Metalle in Lebewesen
2. Metalle in Lebewesen
• Vorkommen in Form von Ionen
• Metalle essentiell für Leben
• Schlüsselelement für Leben auf der Erde:
Magnesium
• Menschliche Körper benötigt 14 Metalle
2. Metalle in Lebewesen
Die 14 essentiellen Metalle für den
menschlichen Körper
Metall
m [g]/70
Metall
kg Person
m [g]/ 70
kg Person
Ca
K
Na
Mg
Fe
Zn
Cu
1000
140
100
25
4,2
2,3
0,072
0,02
0,02
0,014
0,012
0,005
0,003
0,001
Sn
V
Cr
Mn
Mo
Co
Ni
2. Metalle in Lebewesen
Definition:
Spurenelemente =
chemische Stoffe, von denen kleinste
Mengen (unter 25 mg) vom menschlichen
Körper pro Tag benötigt werden, um
lebensnotwendige Stoffwechselfunktionen
aufrecht zu erhalten.
2. Metalle in Lebewesen
Biologische Funktionen von
Metallen
Strukturfunktion
Regel- und Signalfunktion
StrukturStrukturInformations- Gradienten- Regulation
aufbau stabilisierung
leitung
aufbau
2.1 Calcium
Versuch 1:
Calciumnachweis in
Knochen
2.1 Calcium
Auswertung:
Ca5(PO4)3OH(s) + H3O+(aq)
5 Ca2+(aq) + 3 PO43-(aq) + 2 H2O
CH3COOH(aq) + NH4+(aq) + OH-(aq)
+ H 2O
Ca2+(aq) + C2O42-(aq)
CaC
weiß2O4(s)
NH4+(aq) + CH3COO-(aq)
2.1 Calcium
Calcium
• Element der 2. Gruppe
• Tagesbedarf ~ 1000 mg
• Nahrungsquellen: Milchprodukte,
Hülsenfrüchte,
Eier
2.1 Calcium
• Hauptfunktionen im Körper:
- Knochen- und Zahnbildung
- Nerven- und Muskelfunktion
- Blutgerinnung
- Konstanthaltung des Ca2+-Spiegels im Blut
• Mangelerscheinungen:
- Vermindertes Wachstum, Verlust von
Knochensubstanz
2.1 Calcium
• Knochen aus Ca5(PO4)3OH
• Hart, schwer löslich
• Menschliche Körper: ~ 9 kg, davon ca. 1kg
Ca2+ und 2,5 kg PO43• Rest: H2O, Collagen, Na+, K+, Fe3+, Pb2+
• Pb2+-Gehalt im Knochenspiegel:
heute ~ 2 ppm
früher bis zu 100 ppm
2.2 Blei
Demonstration 1:
Giftige Wirkung des Bleis
2.2 Blei
Auswertung
• Je größer Pb2+-Konzentration, desto geringer
Zellzahl
• Chlorophyllsynthese gehemmt
 verminderte
Grünfärbung
mit Pb2+
2.2 Blei
Blei
• Element der 14. Gruppe
• MAK-Wert: 0,1 mg/m3
• Folgen einer Bleikontamination:
 Anfangsstadium:
Müdigkeit, Erbrechen, Gewichtsverlust,
Kopfschmerzen
2.2 Blei
 Höheres Vergiftungsstadium:
Darmkoliken, Nervosität, Nierenschäden,
Schädigung des ZNS, Anämie, Bleisaum
am Zahnfleisch, Schädigung der Fertilität
• Retentionszeiten:
im Blut/weichem Gewebe: ~ 1 Monat
in Knochen: ~ 30 Jahre
2.2 Blei
Versuch 2:
Hemmung der α-Amylase
2.2 Blei
Auswertung:
H OH
H
O
H OH
H
HO
H
H
H OH
OH
H
α-Amylase
O
O
H OH
H
HO
H
H
Amylose
H
n
O
HO
H OH
H
HO
OH
H
H
O
H
O
HO
H
H
H
mK+(aq) + mI3- (aq) + (C6H10O5)n(aq)
(C6H10O5)n(aq)“
OH
H
O
O
HO
H
H
OH
H
n
mK+(aq) + "(I3-)m…….
intensivblau
OH
HO
2.2 Blei
Auswertung:
O
O
C
+
H3 N
H
C
+
C
H
C
SH
H
O-
O
-
Pb2+(aq)
+
Pb
H 3N C
H
C
H
S
H
(aq)
+ Pb2+(aq)
O-
O
O-
O
C
C
+
H3N
C
H
H
C
S
H
Pb
H
S
C
C
H
NH3+
H
(aq)
+ 2 H+(aq)
(aq)
+ H+(aq)
2.3 Eisen
2.3 Eisen
• Element der 8. Gruppe
• Tagesbedarf  Frauen: ~ 14-28 mg,
Männer: ~ 5-9 mg
• Im Knochenmark 75% des Fe
• Nahrungsquellen: Fleisch, Kakao, Eier,
Getreide, Kaviar
2.3 Eisen
Eisenproteine
Hämproteine
Eisenporphin- Funktionen
proteine
Nichthämproteine
Fe-SProteine
Funktionen
Hämoglobin
Tier. O2-Transport
Ferredoxine
e--Transfer
Myoglobin
Tier. O2-Speicherung
Nitrogenasen
N2-Red zu NH3
Cytochrome
e--Transport
Fe-Proteine Funktionen
Oxygenasen
Oxygenierg. mit O2
Ferritine
Tier. Fe-Transport
Oxidasen
O2-Red
Transferrine
Fe-Speicherung
Peroxidasen
Ox mit H2O2
Katalasen
H2O2Disproportionierg.
2.3 Eisen
• Krankheit
 vermehrte Fe-Speicherung:
- im Gehirn: degenerative Krankheiten
- im Pankreas, Leber, Milz, Herz:
Hämochromatase
- Krebserkrankungen
 verminderte Fe-Speicherung/Aufnahme:
- Anämie, Thalassämie
- geschwächte Immunabwehr
2.3 Eisen
Versuch 3:
Atmungskette
2.3 Eisen
Atmungskette
SCyst
Fe
2.3 Eisen
Auswertung
OX
1. Ox.:
2 e-
-2
-1 -1
+2
+3
Fe3+ +
2
e-
2 Fe2+
+2
2. Ox.:
+3
2 Fe2+
2 Fe3+ + 2 e-
0
Red.:
Red
2 e- + 2 H+ + Cyst-S-S-Cyst
2 Cyst-SH
Red.: 2
2 e-
Red/OX
-2
½ O2 +
-2
2 e-
O 20
Gesamt: 2 Cyst-SH + ½ O2
-1 -1
-2
Cyst-S-S-Cyst + H2O
2.3 Eisen
- Fe(III)- Komplex
- oktaedrisch umgeben
von 2 Cystein
blauviolett
2.3 Eisen
Versuch 4:
Enzymatische Wirkung der
Katalase
2.3 Eisen
Auswertung
• Enzymatisch katalysierte Disproportionierung
+1 -1
<Katalase>
2 H2O2(aq)
+1
-2
0
2 H2O + O2(g)
Red
Ox
2.3 Eisen
Mg
Fe
Phytyl
Häm
Chlorophyll
2.4 Magnesium
2.4 Magnesium
• Element der 2. Gruppe
• Tagesbedarf ~ 200 mg
 überschüssiges abführend
• Nahrungsquellen: Getreide, grünes
Blattgemüse
• Funktionen im Körper:
- Baustein von Enzymen
- Regulation des Stofftransportes durch
Membranen
- ZA des Chlorophylls
2.4 Magnesium
Versuch 5 :
Magnesiumnachweis
2.4 Magnesium
Auswertung
H+
Mg
Mg2+ +
2.4 Magnesium
Auswertung
• Nachweis mit Titangelb:
SO3Na
SO3Na
N
Mg2+ +
C
S
H3C
N
N
N
N
hellroter NS
C
H
S
CH3
2.4 Magnesium
Demonstration 2:
Dünnschichtchromatographie
2.4 Magnesium
Auswertung
Carotine
Rf = Laufstrecke Substanz
Laufstrecke Fließmittelfront
Phaeophytin
Chlorophyll a
-Typische Rf-Werte:
 Carotin: 0,82
Chlorophyll b
 Chlorophyll a: 0,61
 Chlorophyll b: 0,45
Xanthophylle
3. Schulrelevanz
3. Schulrelevanz
• 8:
• 10:
• 11/1:
• 12/1:
12/2:
Trennverfahren für Stoffgemische 
Chromatographie
Katalysatoren
Aufbau und Funktion von Böden
Redoxreaktionen
Kohlenstoffverbindungen und funkt.
Gruppen
Technisch und biologisch wichtige
Kohlenstoffverbindungen
3. Schulrelevanz
12/2:
• 13/1:
13/2:
Enzyme: Aufbau und Bedeutung in
Stoffwechselprozessen
Kohlenhydrate: Photosynthese
(Energiestoffwechsel und Zellatmung)
Enzymkinetik: Bedeutung im Stoffwechsel
Wahlthema Komplexchemie
Nahrungsmittel und deren Abbau im Körper
Umweltchemie: chemische Untersuchung
von Stoffen im Alltag (Ionen/Moleküle);
Chromatographische Verfahren
„4. Zusammenfassung“
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.“
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
3. Schulrelevanz
Biologie
• 7/1
• 7/2
Bau einer Zelle einer grünen Pflanze
Bedeutung des Lichtes für grüne Pflanzen:
Experimentelles Arbeiten,
Nachweisreaktionen
für Stärke
Bedeutung der Photosynthese für das Leben
auf der Erde und unsere Ernähung:
Nachweisreaktionen für Zucker, Stärke,
Fett,
Eiweiße
• 9/1
Aufnahme und Verarbeitung von Informationen
im Nervensystem, Schädigung des
Nervensystems durch Gifte, Drogen
3. Schulrelevanz
• 9/2
• 11
• 12/1
12/2
• 13/1
Blut und Immunsystem: Blutgerinnung,
O2-Bindung an Hämoglobin
Membrane, Katalyse (Enzyme),
Transportmechanismen
DNA,RNA: Bausteine
Übersicht über Stoffwechselzusammenhänge:
Energieaufnahme  Photosynthese,
Zellatmung
Regulation  Versuche zur Enzymwirkung
Signalübertragung und Verrechnung:
Nervenzellen, Ruhepotential, Aktionspotential
2) Einführung in die Metalle
Charakteristische Eigenschaften
•
•
•
•
Metallischer Glanz
Elektrische Leitfähigkeit
Wärmeleitfähigkeit
Duktilität
2) Einführung in die Metalle
Erklärung der Eigenschaften
• Elektrische Leitfähigkeit:
- Metallgitter
• Metallischer Glanz:
- Elektronengas
• Duktilität:
- Erhalt der Bindungskräfte
• Wärmeleitfähigkeit:
- Energiezufuhr  Energieweitergabe
2) Einführung in die Metalle
Einteilung der Metalle
Nach Reaktivität
Nach Dichte
Edle
Unedle
Leichte
Schwere
Bsp.: Cu,
Ag, Au, Pt
Bsp.: Na,
Zn, Mg,
Ca
Bsp.: Al,
Mg, Na,
Ca
Bsp.: Pb,
Hg, Cr, Fe
5)1 Blei
Heutige Verwendung des Bleis
• In manchen Ländern noch als Antiklopfmittel
im Benzin
• Bleifarben:
PbCrO4 Chromgelb
PbCrO4 . PbO Chromrot
Pb(OH)2 . 2 PbCO3 Bleiweiß
• Bleiakkumulatoren
7)2 DC von Chlorophyll und Phaeophytin