-Ein Einblick in die Bioanorganische Chemie- 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 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

Was ist Bioanorganische Chemie?

Periodensystem des Lebens H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac 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

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

Eisenverbindungen im menschlichen Körper Fe-haltige Fraktion Erwachsener [mg / 70 kg] Hämoglobin/ Myoglobin 3000 Enzyme 430 Transport 10 Depot 800 Gesamt 4240

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

Die sauerstoffbindende Gruppe: das Häm Fe2+

Das Hämoglobinmolekül

Bindung von Sauerstoff Fe Fe

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

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

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

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

Absorptionsspektrum menschlichen Hämoglobins 0,7 0,6 0,5 Oxyhämoglobin, Desoxyhämoglobin Carboxyhämoglobin 0,4 0,3 0,2 0,1 400 500 600 700 Wellenlänge [nm]

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

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

Cytochrom e- Fe2+ Fe3+ e-

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

Der Fe(III)-Cystein-Komplex

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

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

Versuch 3: Quantitative Bestimmung von Eisen Feldsalat

Reaktion 1: Reduktion von Fe3+ +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

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

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

Strukturformel des Chlorophylls

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

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

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)

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

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

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

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

+ Pb2+ Pb + + + 2 H+ S S

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.“