Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht

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 Präsentation transkript:

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

Entwickeln von Information Evolution Entwickeln von Information

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