Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht

1. Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht Mag. Katrin EISBACHER, BRG Salzburg katrin.eisbacher@gmx.at Dr. Bernhart RUSO, TU Wien bernhart@ruso.at

2. Evolution Entwickeln von Information

3. Chemische Evolution Hypothesen müssen folgende Punkte klären… • abiogene Entstehung der Biomoleküle • Entstehung sich selbst replizierender Systeme • Entstehung der Zelle • Entstehung der gegenseitigen Abhängigkeit von Funktion und Information • Umweltbedingungen der Erde

4. Übersicht • Kosmochemie • Evolution der Biomoleküle • RNA – DNA • Hyperzyklus

5. Kosmochemie

6. Nukleosynthese • Neue Atomkerne werden durch Kernreaktionen aus schon vorhandenen Teilchen gebildet. • Primordiale Nukleosynthese: Kurz nach dem Urknall entstanden Wasserstoff- und Heliumatome • Stellare Nukleosynthese: im Inneren der Fixsterne

7. vor 14-20 Mrd. Jahren T = 1932 K nach 10-32s Quarks, Leptonen, Gluonen T = 1028 K nach 10-7s Protonen, Neutronen, Antineutronen, Antiprotonen T = 1014 K Rest: Protonen, Neutronen, Elektronen Urknall

8. Primordiale Nukleosyntheseerste Fusionsprozesse • nach 10-2s 1H, 2D, 3He, 4He, 7Li T = 1011 K • 3 Minuten später: p+ + e-→ 1H

9. Erste stellare Kernfusion • 2D +3T → 4He + n0 17,588 MeV • 2D + 2D → 3He + n0 3,268 MeV • 2D + 2D → 3T + p+ 4,03 MeV • 3He + 2D → 4He + p + 18,34 MeV

10. 1H+ + 1H+ → 2H+ + e+ + νe 0,42MeV e+ + e- → 2γ 1,022 MeV 2H+ + 1H+ → 3He2+ + γ 5,49 MeV Proton-Proton-Reaktionen

11. 4He + 4He ↔ 8Be + γ - 91,78 keV  8Be + 4He → 12C + γ + 7,367 MeV 12C + 4He → 16O + γ Drei Alpha Prozess

12. 12C + 1H → 13N + γ+ 1,95MeV 1,3·107 Jahre 13N → 13C + e+ + ve + 1,37 MeV 7 Minuten 13C + 1H → 14N + γ + 7,54 MeV 2,7·106 Jahre 14N + 1H → 15O + γ + 7,35 MeV 3,2·108 Jahre 15O → 15N + e+ + νe + 1,86 MeV 82 Sekunden 15N + 1H → 12C + 4He + 4,96 MeV 1,12·105 Jahre Bethe-Weizsäcker-Zyklus

13. Die Entstehung einzelner chemischer Elemente • Kohlenstoffbrennen • Ne, He, Na, p+, Mg, hf, n0 • Roter Riese • Sauerstoffbrennen • 28Si, 31P, 32S, 31S, ev. Cl, Ar • Weißer Zwerg • Siliziumbrennen • 56Ni, 56Co, 56Fe • Supernova

14. Weißer Zwerg

15. Roter Riese

16. Supernova

17. Sonne

18. 0,3 Sonnenmassen (SM) Weiße Zwerge Schwarze Zwerge 0,3 – 2,3 SM He-Brennen Roter Riese Weißer Zwerg > 2,3 SM Eisen entsteht Supernova Neutronenstern Schwarzes Loch Quarkstern (?) Letzte Brennphasen

19. Synthese von Elementen schwerer als Eisen Li, Be, B-Isotope Supernova

20. Sternentstehung

21. Übersicht • Kosmochemie • Evolution der Biomoleküle • RNA – DNA • Hyperzyklus

22. Beiträge zur Evolution der Biomoleküle von… • Alexander Oparin, Harold C. Urey, Stanley L. Miller, Sidney W. Fox, Thomas R. Cech, Sidney Altman, Walter Gilbert, Günter von Kiedrowski, Manfred Eigen, Julius Rebek jr., John B. Corliss, Günter Wächtershäuser, A. G. Cairns-Smith , David C. Mauerzall, Wolfgang Weigand, Mark Dörr, …

23. Biomoleküle 3 Schritte der präbiotischen Entstehung: • Entstehung einfacher organischer Moleküle aus anorganischen Stoffen. • Entstehung der Grundbausteine komplexer organischer Moleküle aus einfachen organischen Molekülen. • Entstehung der komplexen organischen Moleküle aus den Grundbausteinen.

24. Quellen anorganischer Stoffe • nur reduzierte Formen • C in Methan statt Kohlenstoffoxiden • N in Ammoniak statt in Nitrat • S in Schwefelwasserstoff statt in Sulfat • Energiequellen • UV-Strahlung • vulkanische Prozesse • ionisierende Strahlung • elektrische Entladungen • anaerobe Redox-Prozesse

25. Zusammensetzung der Biomoleküle

26. Entwicklung der Erdatmosphäre • Uratmosphäre • vor 4,56 Mrd. Jahren • H2, He, Methan, Ammoniak

27. Entwicklung der Erdatmosphäre • Erste Atmosphäre • vor 4 Mrd. Jahren • 80% H2O • 10% CO2 • 5-7% H2S • N2, H2, CO, He, Methan, Ammoniak in Spuren

28. Zweite Atmosphäre vor ca. 3 Mrd. Jahren 40000 Jahre Dauerregen gärende, chemolithotrophe Bakterien N2 Carbonate entstehen H2O, CO2, Ar in Spuren Entwicklung der Erdatmosphäre

29. Dritte Atmosphäre vor 2,3 Mrd. Jahren O2 durch Photosynthese Erze Ozon Entwicklung der Erdatmosphäre

30. Bedeutung des Wassers

31. Aminosäuren Lipide Purine Zucker Porphyrine Isoprene Urey-Miller-Experiment

32. Synthese von Adenin aus Aldehyden und Cyanwasserstoff 2 + HCN + H2O → Serin 5 → Ribose 5 HCN → Adenin

33. Die Eisen-Schwefel-Welt nach Wächtershäuser FeS2 + H2→   FeS + H2S exotherm

34. Bildung von Makromolekülen • ATP • Polymerisation von Carbodiimid R-N=C=N-R oder Dicyan N≡C-C≡N z. B. N≡C-C≡N + H2O → R-NH-CO-NH-R

35. Übersicht • Kosmochemie • Evolution der Biomoleküle • RNA – DNA • Hyperzyklus

36. DNA-Vorläufer

37. Konfiguration von DNA

38. Struktur des Phosphodiesters

39. Konformationen der DNA

41. Komplex aus DNA und Proteinen Chromatin

42. Euchromatin und Heterochromatin

43. Heterochromatin konstruktives Heterochromatin viele kurze DNA-Sequenzen liefern keine Proteine, sondern sRNA fakultatives Heterochromatin ein X-Chromosom wird stillgelegt funktionelles Heterochromatin legt Teile des Chromosoms still

44. Histone

45. Chromosomen

46. Molekularer Aufbau der Chromosomen

47. Konfiguration der RNA

48. Funktionen der RNA • mRNA • tRNA • rRNA • hnRNA, snRNA, microRNA, aRNA • Ribiswitches • Ribozyme

49. Struktur der tRNA

50. Ribozyme