Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht Mag. Katrin EISBACHER, BRG Salzburg katrin.eisbacher@gmx.at Dr. Bernhart RUSO, TU Wien bernhart@ruso.at
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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
Übersicht Kosmochemie Evolution der Biomoleküle RNA – DNA Hyperzyklus
Kosmochemie
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
Urknall vor 14-20 Mrd. Jahren nach 10-32s Quarks, Leptonen, Gluonen Hubble-Bild der 2400LJ entfernten Spiralgalaxie NGC 1512 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
Primordiale Nukleosynthese erste Fusionsprozesse nach 10-2s 1H, 2D, 3He, 4He, 7Li T = 1011 K 3 Minuten später: p+ + e- → 1H
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
Proton-Proton-Reaktionen 1H+ + 1H+ → 2H+ + e+ + νe 0,42MeV e+ + e- → 2γ 1,022 MeV 2H+ + 1H+ → 3He2+ + γ 5,49 MeV
Drei Alpha Prozess 4He + 4He ↔ 8Be + γ - 91,78 keV 8Be + 4He → 12C + γ + 7,367 MeV 12C + 4He → 16O + γ
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
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
Weißer Zwerg
Roter Riese
Supernova Der Supernova-Überrest LMC N 63A in der Großen Magellanschen Wolke, unserer Nachbargalaxie.
Sonne
Letzte Brennphasen 0,3 Sonnenmassen (SM) > 2,3 SM 0,3 – 2,3 SM WD 0346+246, der erst 1997 - 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 0346+346 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 0346+0246 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 (?)
Supernova Synthese von Elementen schwerer als Eisen Li, Be, B-Isotope
Sternentstehung
Übersicht Kosmochemie Evolution der Biomoleküle RNA – DNA Hyperzyklus
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, …
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.
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
Zusammensetzung der Biomoleküle C H O N S P Kohlenhydrate X Lipide Proteine Nucleotide Porphine
Entwicklung der Erdatmosphäre Uratmosphäre vor 4,56 Mrd. Jahren H2, He, Methan, Ammoniak
Entwicklung der Erdatmosphäre Erste Atmosphäre vor 4 Mrd. Jahren 80% H2O 10% CO2 5-7% H2S N2, H2, CO, He, Methan, Ammoniak in Spuren
Entwicklung der Erdatmosphäre Zweite Atmosphäre vor ca. 3 Mrd. Jahren 40000 Jahre Dauerregen gärende, chemolithotrophe Bakterien N2 Carbonate entstehen H2O, CO2, Ar in Spuren
Entwicklung der Erdatmosphäre Dritte Atmosphäre vor 2,3 Mrd. Jahren O2 durch Photosynthese Erze Ozon
Bedeutung des Wassers
Urey-Miller-Experiment Aminosäuren Lipide Purine Zucker Porphyrine Isoprene
Synthese von Adenin aus Aldehyden und Cyanwasserstoff 2 + HCN + H2O → Serin 5 → Ribose 5 HCN → Adenin
Die Eisen-Schwefel-Welt nach Wächtershäuser FeS2 + H2 → FeS + H2S exotherm
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
Übersicht Kosmochemie Evolution der Biomoleküle RNA – DNA Hyperzyklus
DNA-Vorläufer
Konfiguration von DNA
Struktur des Phosphodiesters
Konformationen der DNA
Chromatin Komplex aus DNA und Proteinen
Euchromatin und Heterochromatin
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
Histone
Chromosomen
Molekularer Aufbau der Chromosomen
Konfiguration der RNA
Funktionen der RNA mRNA tRNA rRNA hnRNA, snRNA, microRNA, aRNA Ribiswitches Ribozyme
Struktur der tRNA
Ribozyme
Reifung der RNA
Umesterung
RNA-Welt
Übersicht Kosmochemie Evolution der Biomoleküle RNA – DNA Hyperzyklus
Hyperzyklus
Alternativ betrachtete Möglichkeiten Biomoleküle aus dem Weltall (Exobiologie) Black Smoker Panspermie Religiöse Sichtweisen
Quellen http://www.waschke.de http://www.senckenberg.de/ http://online-media.uni-marburg.de Wikipedia Lindner Biologie