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Metalle in Lebewesen -Ein Einblick in die Bioanorganische Chemie- Gliederung 1. Was ist Bioanorganische Chemie? 2. Spurenelemente 3. 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 Photosynthese Versuch 4: Chlorophyll als Ionenaustauscher 5. Beispiel eines toxischen Metalls: Blei Versuch 5: Hemmung der α-Amylase 6. Abschlussbetrachtung Was ist Bioanorganische Chemie? Periodensystem des Lebens H Li He 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 Re Os Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ac Ra W Ir Pt 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 Eine Auswahl essentieller Spurenelement Eisen: 4–5g Zink: 0,04 – 0,08 g Kupfer: 2–4g Eisenverbindungen im menschlichen Körper Fe-haltige Fraktion Erwachsener [mg / 70 kg] Hämoglobin/ Myoglobin 3000 Enzyme 430 Transport 10 Depot 800 Gesamt 4240 Funktion des Eisens im Hämoglobin Versuch 1: Einfluss verschiedener Gase auf die Färbung des Hämoglobins Waschflasche 1: Blut + Kohlendioxid Waschflasche 2: Blut + Sauerstoff Waschflasche 3: Blut + Kohlenmonoxid Die sauerstoffbindende Gruppe: das Häm Fe2+ Das Hämoglobinmolekül Bindung von Sauerstoff O O Fe Fe Kohlenmonoxid: ein toxisches Gas Bindung am freien Häm-Komplex O HN C O Fe Fe N N O HN Bindungsaffinität des CO 25 000 x stärker als die des O2 Bindung am Hämoglobin N N NH O HN NH Erzwungene Abknickung C O O Fe Fe N N O O H-Brücken HN Bindungsaffinität des CO 200 x stärker als die des O2 Der Kohlendioxidtransport im Blut CO2 Gewebe CO2 + H2O langsam H2CO3 HCO3- + H+ Plasma Carboanhydrase CO2 + H2O schnell CO2 + Protein-N H2CO3 H H Rotes Blutkörperchen HCO3- + H+ H H+ + Protein-N COO- Auswertung: Versuch 1 Waschflasche 1: Kohlendioxid: Desoxyhämoglobin Waschflasche 2: Sauerstoff: Oxyhämoglobin Waschflasche 3: Kohlenmonoxid: Carboxyhämoglobin Absorptionsspektrum menschlichen Hämoglobins E 0,7 0,6 0,5 Oxyhämoglobin, Desoxyhämoglobin Carboxyhämoglobin 0,4 0,3 0,2 0,1 400 500 600 700 Wellenlänge [nm] Funktion des Eisens in der Atmungskette • Einfache Knallgasreaktion: H2 + ½ O2 ⇌ H2O Δ G = - 235 kJ/mol ADP + Pi ⇌ ATP NADH/H+ + ½ O2 ⇌ H2O + NAD+ Die Elektronentransportkette E° [V] - 0,32 NADH/H+ 2 e- 2 H+ 2 H+ 2 e- 1,13 H2O Chinon Cytochrom b 2 eCytochrom c 2 e- Cytochromoxidase 2 e- ½ O2 + 0,81 ½ O2- Cytochrom e- Fe2+ e- Fe3+ Versuch 2: Ein Modell der Atmungskette (Baumannscher Versuch) H 2O 2 H+ 2 Fe3+ 2 Cys-SH 2 e- Cys-S-S-Cys O2- 2 e- 2 Fe2+ ½ O2 Der Fe(III)-CysteinKomplex Eisengehalte in Nahrungsmitteln [mg/100g] Fisch: 1,0 – 3,0 Rohes Obst/ Gemüse: 0,5 – 4,0 Fleisch/ Wurst: 2,0 – 17,0 Weizenkeime: 9,4 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 Versuch 3: Quantitative Bestimmung von Eisen Feldsalat Kalibriergerade zur Eisenbestimmung 0,6 Extinktion 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 100 200 300 400 Massenkonzentration [µg/100 ml] 500 600 Reaktion 1: Reduktion von Fe3+ O HO +I C HO C +I O O C +III O C +II C C +II + 2 Fe3+(aq)+ 2 H2O(aq) C O +II H HO C H O C + 2 Fe2+(aq)+ 2 H3O+(aq) H HO C H CH2OH (aq) CH2OH (aq) Reaktion 2: Pufferwirkung CH3COO-(aq) + H3O+(aq) B1 S2 CH3COOH(aq) + H2O(aq) S1 B2 Reaktion 3: Komplexierung von Fe2+ Cl- H /N N+ + Fe2+(aq) + 3 H2O(aq) 3 (aq) N/ N/ N/ N/ /N Fe2+ /N /N Fe2+ N/ N/ + 3 H3O+(aq) + 3 Cl-(aq) /N /N (aq) /N Metalle im Zentrum der Photosynthese Licht • Grundgleichung der Photosynthese H2O Licht 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 Strukturformel des Chlorophylls Versuch 4: Chlorophyll als Ionenaustauscher Reaktionen: 1. Ionenaustausch Chlorophyll Chlorophyllin 2. Ausfällen der Cu2+-Ionen 2 Cu2+(aq)+ SO32-(aq)+ 3 H2O(aq) H3O+(aq) Cu+(aq) + SCN-(aq) 2 Cu+(aq) + SO42-(aq) + 2 CuSCN(s)↓ (weiß) 3. Nachweis der Mg2+-Ionen mit Titangelb N N Mg2+ N N Beispiel eines toxischen Metalls: Blei 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) • Bleifarben PbCrO4 Chromgelb PbCrO4 . PbO Chromrot Pb(OH)2 . 2 PbCO3 Bleiweiß • Bleiakkumulatoren 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, Übelkeit Gewichtsabnahme • Symptome im fortgeschrittenen Stadium: Neusynthese von Blut wird gestört (Anämie), Sterilität, Fehlgeburten, geistiges Zurückbleiben in der Wachstumsphase Versuch 5: Hemmung der α- Amylase durch Blei(II) -ionen α-Amylase Stärke (Amylose) Polyiodidionen Zucker (Glucose) Mögliche Reaktionen von Pb2+ mit der Aminosäure Cystein OH + C + H3N C H C O O C H SH SH + O O + Pb2+ H3N CH H H Pb2+ Pb S S C H H C + H3N CH S H O C Pb Pb O O + 2 H+ O OH O C + Pb2+ Pb Pb H3N CH H C H C 2+ + S S OH CH S S C H + H3N H + 2 H+ • Paracelsus (14931541): „Was ist das nit gifft ist? Alle ding sind gifft/ und nichts ohn gifft/ allein die dosis macht das ein ding kein gifft ist.“
