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Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht Mag. Katrin EISBACHER, BRG Salzburg Dr. Bernhart RUSO, TU Wien

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Präsentation zum Thema: "Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht Mag. Katrin EISBACHER, BRG Salzburg Dr. Bernhart RUSO, TU Wien"—  Präsentation transkript:

1 Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht Mag. Katrin EISBACHER, BRG Salzburg Dr. Bernhart RUSO, TU Wien

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 Urknall vor Mrd. Jahren T = K nach s Quarks, Leptonen, Gluonen T = K nach s Protonen, Neutronen, Antineutronen, Antiprotonen T = K Rest: Protonen, Neutronen, Elektronen

8 Primordiale Nukleosynthese erste Fusionsprozesse nach s 1 H, 2 D, 3 He, 4 He, 7 Li T = K 3 Minuten später: p + + e - 1 H

9 Erste stellare Kernfusion 2 D + 3 T 4 He + n 0 17,588 MeV 2 D + 2 D 3 He + n 0 3,268 MeV 2 D + 2 D 3 T + p + 4,03 MeV 3 He + 2 D 4 He + p + 18,34 MeV

10 Proton-Proton-Reaktionen 1 H H + 2 H + + e + + ν e 0,42MeV e + + e - 2γ 1,022 MeV 2 H H + 3 He 2+ + γ 5,49 MeV

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

12 Bethe-Weizsäcker-Zyklus 12 C + 1 H 13 N + γ + 1,95MeV 1,3·10 7 Jahre 13 N 13 C + e + + v e + 1,37 MeV 7 Minuten 13 C + 1 H 14 N + γ + 7,54 MeV 2,7·10 6 Jahre 14 N + 1 H 15 O + γ + 7,35 MeV 3,2·10 8 Jahre 15 O 15 N + e + + ν e + 1,86 MeV 82 Sekunden 15 N + 1 H 12 C + 4 He + 4,96 MeV 1,12·10 5 Jahre

13 Die Entstehung einzelner chemischer Elemente Kohlenstoffbrennen –Ne, He, Na, p +, Mg, hf, n 0 –Roter Riese Sauerstoffbrennen – 28 Si, 31 P, 32 S, 31 S, ev. Cl, Ar –Weißer Zwerg Siliziumbrennen – 56 Ni, 56 Co, 56 Fe –Supernova

14 Weißer Zwerg

15 Roter Riese

16 Supernova

17 Sonne

18 Letzte Brennphasen 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 (?)

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

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 CHONSP KohlenhydrateXXX LipideXXXXX ProteineXXXXX NucleotideXXXXX PorphineXXXX

26 Entwicklung der Erdatmosphäre Uratmosphäre –vor 4,56 Mrd. Jahren –H 2, He, Methan, Ammoniak

27 Entwicklung der Erdatmosphäre Erste Atmosphäre –vor 4 Mrd. Jahren –80% H 2 O –10% CO 2 –5-7% H 2 S –N 2, H 2, CO, He, Methan, Ammoniak in Spuren

28 Entwicklung der Erdatmosphäre Zweite Atmosphäre –vor ca. 3 Mrd. Jahren –40000 Jahre Dauerregen –gärende, chemolithotrophe Bakterien –N 2 –Carbonate entstehen –H 2 O, CO 2, Ar in Spuren

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

30 Bedeutung des Wassers

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

32 Synthese von Adenin aus Aldehyden und Cyanwasserstoff –2 + HCN + H 2 O Serin –5 Ribose –5 HCN Adenin

33 Die Eisen-Schwefel-Welt nach Wächtershäuser FeS 2 + H 2 FeS + H 2 S exotherm

34 Bildung von Makromolekülen ATP Polymerisation von Carbodiimid R-N=C=N-R oder Dicyan NC-CN z. B. NC-CN + H 2 O 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

40

41 Chromatin Komplex aus DNA und Proteinen

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

51 Reifung der RNA

52 Umesterung

53 RNA-Welt

54 Übersicht Kosmochemie Evolution der Biomoleküle RNA – DNA Hyperzyklus

55

56 Alternativ betrachtete Möglichkeiten Biomoleküle aus dem Weltall (Exobiologie) Black Smoker Panspermie Religiöse Sichtweisen

57 Quellen Wikipedia Lindner Biologie


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