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Metalle in Lebewesen

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

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Metalle in Lebewesen

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Presentation Transcript

  1. Metalle in Lebewesen -Ein Einblick in die Bioanorganische Chemie-

  2. 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

  3. Was ist Bioanorganische Chemie?

  4. Periodensystem des Lebens 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

  5. Eine Auswahl essentieller Spurenelement Eisen: 4 – 5 g Zink: 0,04 – 0,08 g Kupfer: 2 – 4 g

  6. Eisenverbindungen im menschlichen Körper

  7. 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

  8. Die sauerstoffbindende Gruppe:das Häm Fe2+

  9. Das Hämoglobinmolekül

  10. Bindung von Sauerstoff Fe Fe

  11. Kohlenmonoxid: ein toxisches Gas Bindung am freien Häm-Komplex Bindungsaffinität des CO 25 000 x stärker als die des O2

  12. Bindung am Hämoglobin Erzwungene Abknickung H-Brücken Bindungsaffinität des CO 200 x stärker als die des O2

  13. Der Kohlendioxidtransport im Blut CO2 Gewebe CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+ langsam Plasma Carboanhydrase CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+ schnell H H CO2 + Protein-N H+ + Protein-N H COO- Rotes Blutkörperchen

  14. Auswertung: Versuch 1 Waschflasche 1: Kohlendioxid: Desoxyhämoglobin Waschflasche 2: Sauerstoff: Oxyhämoglobin Waschflasche 3: Kohlenmonoxid: Carboxyhämoglobin

  15. 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]

  16. Funktion des Eisens in der Atmungskette • Einfache Knallgasreaktion: H2 + ½ O2⇌ H2OΔ G = - 235 kJ/mol NADH/H+ + ½ O2 ⇌ H2O + NAD+ ADP + Pi⇌ ATP

  17. Die Elektronentransportkette E° [V] NADH/H+ - 0,32 2 e- 2 H+ H2O 2 H+ Chinon Cytochrom b 2 e- 2 e- 1,13 Cytochrom c Cytochromoxidase 2 e- 2 e- ½ O2 ½ O2- + 0,81

  18. Cytochrom e- Fe2+ Fe3+ e-

  19. Versuch 2: Ein Modell der Atmungskette (Baumannscher Versuch) H2O 2 H+ 2 Cys-SH 2 Fe3+ O2- 2 e- 2 e- Cys-S-S-Cys 2 Fe2+ ½ O2

  20. Der Fe(III)-Cystein-Komplex

  21. 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

  22. 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

  23. Versuch 3: Quantitative Bestimmung von Eisen Feldsalat

  24. Reaktion 1: Reduktion von Fe3+ +I +II +III +II + 2 Fe3+(aq)+ 2 H2O(aq) + 2 Fe2+(aq)+ 2 H3O+(aq) +I +II (aq) (aq) Reaktion 2: Pufferwirkung CH3COO-(aq) + H3O+(aq) CH3COOH(aq) + H2O(aq) B1 S2 S1 B2

  25. Reaktion 3: Komplexierung von Fe2+ + Fe2+(aq) + 3 H2O(aq) 3 (aq) N/ N/ /N + 3 H3O+(aq) + 3 Cl-(aq) Fe2+ N/ /N (aq) /N

  26. Metalle im Zentrum der Photosynthese Licht • Grundgleichung der Photosynthese Licht 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 H2O

  27. Strukturformel des Chlorophylls

  28. Versuch 4: Chlorophyll als Ionenaustauscher Reaktionen: 1. Ionenaustausch Chlorophyll Chlorophyllin

  29. 2. Ausfällen der Cu2+-Ionen 2 Cu2+(aq)+ SO32-(aq)+ 3 H2O(aq) 2 Cu+(aq) + SO42-(aq) + 2 H3O+(aq) Cu+(aq) + SCN-(aq) CuSCN(s)↓ (weiß) 3. Nachweis der Mg2+-Ionen mit Titangelb N N N Mg2+ N

  30. 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)

  31. Bleifarben • PbCrO4 Chromgelb • PbCrO4. PbO Chromrot • Pb(OH)2. 2 PbCO3 Bleiweiß • Bleiakkumulatoren

  32. 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

  33. Versuch 5: Hemmung der α- Amylase durch Blei(II) -ionen α-Amylase Stärke (Amylose) Zucker (Glucose) Polyiodidionen

  34. Mögliche Reaktionen von Pb2+ mit der Aminosäure Cystein OH + + + O + Pb2+ Pb + 2 H+ SH S S Pb + O

  35. + Pb2+ Pb + + + 2 H+ S S

  36. 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.“

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