Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht

Präsentation zum Thema: "Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht"—  Präsentation transkript:

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

2 Entwickeln von Information
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 14-20 Mrd. Jahren nach 10-32s Quarks, Leptonen, Gluonen
Hubble-Bild der 2400LJ entfernten Spiralgalaxie NGC 1512 vor 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

8 Primordiale Nukleosynthese erste 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 ,34 MeV

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

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

12 Bethe-Weizsäcker-Zyklus
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

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 Der Supernova-Überrest LMC N 63A in der Großen Magellanschen Wolke, unserer Nachbargalaxie.

17 Sonne

18 Letzte Brennphasen 0,3 Sonnenmassen (SM) > 2,3 SM 0,3 – 2,3 SM
WD , der erst und auch nur zufällig - entdeckte erste "Schwarze Zwerg" der Milchstraße (in der oberen Ausschnittsvergrößerung rot markiert). Tatsächlich handelt es sich hierbei um einen Weißen Zwerg, der aber als Population II Scheibenstern 12 Milliarden Jahre Zeit zum Auskühlen hatte. Relativ kalt und sehr kompakt - WD ist kleiner als unsere Erde, hat aber fast die Masse der Sonne - sind diese Objekte der "Vorzeit" nur extrem schwierig auszumachen. Der sehr leuchtschwache WD ist mit seinen weniger als 100 Lichtjahren Entfernung astronomisch gesehen aber noch immer gleich vor der "Haustür". 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
C H O N S P Kohlenhydrate X Lipide Proteine Nucleotide Porphine

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

29 Entwicklung der Erdatmosphäre
Dritte Atmosphäre vor 2,3 Mrd. Jahren O2 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
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

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 Hyperzyklus

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

57 Quellen http://www.waschke.de http://www.senckenberg.de/
Wikipedia Lindner Biologie