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Hinweis

Bei dieser Datei handelt es sich um ein Protokoll, das einen Vortrag im Rahmen des Chemielehramtsstudiums an der Uni Marburg referiert. Zur besseren

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Alle mehr als 700 Protokolle (Anfang 2007) können auf der Seite

http://www.chids.de/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html eingesehen und heruntergeladen werden.

Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel und Staatsexamensarbeiten bereit.

Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007

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Übungen Im Experimentalvortrag für Lehramtskandidaten SS 1998

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Veranstaltungsleiter:

Vortragende:

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Dr. E. Gerstner Prof. H. Perst Dr.J. Butenuth

Silke Alexander

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Chemie in der Schule: www.chids.de

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GLIEDERUNG - INHALTSVERZEICHNIS

Ein Ieitu n9 1

!J Nachweis und Bestimmung eines essentiellen Metalls

im Organismus • Beispiel: Elsen 4

1. Qualitativer Eisennachweis in Schweine- oder Rinderleber 5 2. Quantitative Bestimmung von Eisen in Leber (photometrisch) ...•...•..5

!!J Metalle als Reaktionszentren wichtiger Enzyme 7

1. Eisen in Meerrettich - Peroxidase 7

2.Zinkin Carboanhydrase ...•...9 3. Kupfer in Tyrosinase ...•...•...13 4. Nickel in Urease a • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •16

!!UBiomineralisation • Konstruktion biologischer

Hochleistungsmaterialien 19

1.Hydroxylapatit in Wirbeltierknochen ...•...21

2. Calciumcarbonat in Eierschalen 24

3. Die Natur selbst ist der Versuchsleiter: Ausstellung von

Biomineralien - Hydroxylapatit und Calciumcarbonat 26

Literaturverzelchnls 27

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Einleitung

Das Ziel dieses Vortrags es zu zeigen, daß die Anorganische Chemie noch viel viel mehrist,als nur das Vorkommen, die Gewinnung, die Eigenschaften und die verschiedenen Verbindungen

anorganischer Elemente, als sie im Grundpraktikum studiert werden. Anorganische Elemente spielen in unserem eigenen täglichen Leben - und "leben" ist dabei im wahrsten Sinne des Worteszu verstehen - eine unersetzliche wichtige Rolle. Außerdem soll auch vermittelt werden, daß auch die Biochemie noch viel mehr ist als die ganzen organischen Reaktionszyklen, bei denen ja die anorganischen Metallzentren in den Enzymen die essentielle Rolle spielen.

Der Vortrag gliedert sich in drei Teile:

Teil I: Zunächst soll nachgewiesen werden, daß es im Organismen überhaupt anorganische Elemente gibt und in welchen Größenordnungen sich diese bewegen. Dies soll am Beispiel des Eisens in der Leber von Schweinen oder Rindern gezeigt werden.

Teil11: In diesem Teil wird auf die essentielle Funktion von Metallionen in Enzymenalskatalytisches Zentrum eingegangen. Hierfür wurden vier Experimente ausgesucht mit vier verschiedenen Metallzentren aus dem Bereich der Übergangsmetalle und auch in verschiedenen

Organismen:

Metallzentrum Enzym Vorkommen, Beispiel

Eisen Meerrettich-Peroxidase höhere Pflanzen

Zink Carboanhydrase Mensch, Tier

Kupfer Tyrosinase höhere Pflanzen

Nickel Urease Mikroorganismen

Teil 111: Dieser Abschnitt soll einen Einblick geben in die Faszination der Biomineralisation und in die Unterschiede zwischen anorganischer Mineralisation und was Organismen daraus alles machen.

Der Name "Bioanorganische Chemie" existiert wegen des Irrglaubens, daß organische Stoffe nur aus lebenden Organismen gewonnen werden können, wohingegen anorganische Stoffe 'toteMaterie"sei.

1828 wurde dies durch die berühmte Wöhlersche Harnstoffsynthese aus 'totem"Ammoniumcyanat wider1egt. Seitdem wird unabhängig von der Materialherkunft unter Organik die Chemie der

Kohlenstoff- und Kohlenwasserstoffverbindungen sowie deren Heteroverbindungen mit Sauerstoff, Schwefel und Stickstoff verstanden. Für die Chemie lebender Organismen wurde trotzdem ein eigener Name eingeführt: die Biochemie, die lange Zeit auch nur organische Verbindungen zum Hauptgegenstand hatte. In neuerer Zeit wurde jedoch zunehmend die Bedeutung anorganischer Elemente für biochemische Prozesse entdeckt: die Bioanorganische Chemie war geboren.

DieBioanorganische Chemiewirderst nach 1960 zu einem eigenen Teilgebiet der Chemie: die Isolations- und Reinigungsmethoden werden immer besser, die physikalischen Nachweise (z.B.

Atomabsorptions- und -emissionsspektren) benötigen immer geringere Mengen an Probensubstanz, und immer mehr anorganische Elemente und deren essentielle Bedeutung werden entdeckt und erkannt.

In der Biochemie waren einige anorganische Elemente schon sehr früh bekannt:

- 1669: Phosphor (P4)wird mittels trockener Destillation in Hamrückständen entdeckt;

- 18.Jhd: Pottasche (K₂C0₃₎ wird aus Pflanzen gewonnen;

-1704~ Blutlaugensalze ( K3I4[Fe(CN)6]) werden aus Blut hergestellt;

- 1812: Iodwird in Meeresalgenasche entdeckt;

- 1930: Zink wird eindeutig als Enzymbestandteil gefunden;

- 1970: Nickel wird als Teil mehrerer wichtiger Enzyme nur zufäll:g in Marburg entdeckt.

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Einige Ergebnisse und Entdeckungen in der bioanorganischen Chemie kamen völlig unerwartet und zufällig, z.B. die Ergebnisse an einer Untersuchung von Escherichia coIi, den Darmbakterien, die jeden von uns bewohnen. Es sollte untersucht werden, wie sich diese Bakterien verhalten, wenn sie einem schwachen Wechselstrom ausgesetzt werden. Dazu wurde eineNährpurfertösunq und eine Platin-Elektrode verwendet, von der bekannt ist, daß sie inert ist. Was jedoch mit der scheinbar inerten Platin-Elektrode geschah, von der keinertel Reaktion erwartet wurde, war, daß sie mit den in der Nährlösung vorhandenen Chlorid- und Ammoniumionen in ausreichender Menge einen Komplex bildete: cis-Diamminodichloropfatin(II), kurz cis-Platin. Das Spektakuläre: dieser Komplex hemmte die Zellteilung der Coli-Bakterien!!! Es kam zu fadenfönnigem Wachstum der Zellen, jedoch ohne, daß diese sich teilten - ein Antitumormittel war entdeckt! Verwendet wird dieses cis-Platin seitdem gegen Hoden-, Ovarial-, Blasen- und Lungenkarzinome sowie gegen Tumore im Hals- und Kopfbereich. Das Medikament hat weniger Nebenwirkungen als vergleichbare Medikamente und ist eines der

erfolgreichsten Produkte der amerikanischen Universitäten: seit1970hatesdie unglaubliche Summe von mehr als 55 Mio. US$ eingebracht!

Auch die Entdeckung von Nickel als essentielles Element anaerober Bakterien gehört zu einem dieser großartigen Zufälle(s,Kap.ll, 4 ).

An diesem Beispiel läßt sich ansatzweise erkennen, wie hochgradig interdisziplinär das Forschungsgebiet der Bioanorganischen Chemie ist. Eine Auswahl der anderen beteiligten Fachrichtungen sei hier gegeben:

Anorganik Organik Biochemie Physik

Toxikologie Pharmazie Medizin Biologie

Physiologie Paläontologie Mineralogie

Agrar-Wissenschaften Emährungs-Wissenschaften Material-Wissenschaften

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Die Organismen betreiben zum Teil einen großen Aufwand bei der Aufnahme, der Anreicherung, dem Transport und der Speicherung anorganischenr Elemente. Hier eine Auswahl an Aufgaben, die im Organismus von anorganischen Stoffen übernommen werden:

Katalysatorfunktion als Lewis-Säure oder -Base:

- oft Bedarf an saurer oder basischer Katalyse bei Auf- und Abbaureaktionen organischer Verbindungen

---> physiologischer pH-Wert im Organismus oft vorgegeben,

kaum Spielraum für "Extrembedingungen" für saure oder basische Katalyse (z.8. Blut: pH7)

---> Alternative zu Protonen- oder Hydroxid-Katalyse:

Lewis-Säure - Lewis-Base - Katalyse mit Metallionen in hydrolytisch aktiven Enzymen

Strukturfunktion:

- Aufbau fester Strukturen durch Biomineralisation:

z.B. Hydroxylapatit in Knochen (s.Kap. 111)

- Metallkationen+11+11 gewährleisten Doppelhelixstruktur der DNA als Polyanion, sie vermindern Abstoßung zwischen negativen Nukleotid-Phosphatgruppen Aktivierung kleiner, hochsymmetrischer Moleküle:

- Aktivierung von Molekülen mit hoher Bindungsenergie

--> . z.B. Kohlendioxid: Organismen können problematische Reaktionen nur unter physiologischem pH durchführen: Reduktion von Kohlendioxid zu Methan durch Aktivierung mit Nickel im Enzym; Stickstoff-Fixierung und -Reduktion mit Eisen, MolytxJän und Vanadium im Zentrum

---> Übergangsmetallzentren stellen ungepaarte Elektronen zur Verfügung;

nehmen gleichzeitig Elektronen auf und geben sie wieder ab:

... - Rückbindung

Ladungsträgerfunktion für schnelle Informationsübertragung:

- aktiver Aufbau eines Konzentrationsgradienten über Membranen durch Ionenpumpen ---> Ausschüttung nicht abbaubarer anorganischen Ionen in Nerven und Muskeln Elektronentransoort im Energiehaushalt:

- zum Großteil auf redoxaktive Metallzentren angewiesen

-~....

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Bei den anorganischen Elementen wird häufig von Spurenelementen und Essentiellen Elementen gesprochen. Ein essentielles Element istso definiert, daß wenn ein Mangel an diesemim Körper besteht, es zu Leistungs- und Befindlichkeitsbeeinträchtigungen kommt; fehlt ein essentielles Element imKörpervöllig, so werden schwere irreversible Schäden hervorgerufen.

Beieinem Spurenelement handelt es sich um ein für den Organismus notwendiges Element, dessen täglicher Bedarf 25mg nicht überschreiten darf.

Essentielle Elemente in der menschlichen Nahrung:

Anorganische Empfohlene tägliche Nährstoffzufuhr

Bestandteile für Erwachsene (mg)

K 2000 - 5500

Na 1100 - 3300

Ca 800 - 1200

Mg 300 - 400

Zn 15

Fe 10 - 20

Cu 1,5 - 3

Cr 0,05 - 0,2

Co 0,2

Phosphat 800 - 1000

CI 3200

F 1,5 - 4

I 0,15

Für essentielle Elemente gilt nicht der Grundsatz: "Viel hilft viel", sondern es gibt eine enge

Beziegung zwischen der Konzentration, in der das betreffende Element vorliegt, und dem Effekt auf den Organismus. Liegen essentielle Elemente in einer zu geringen KonzentrationimKörper vor, so kommt es zu Mangelerscheinungen, bei zu hohen Konzentrationen kommt es dagegen zu

Vergiftungserscheinungen und sogar zum Tod, und in dem Bereich dazwischen ist der Organismus gesund.

In diesem Vortrag soll jeweils auf das essentielle Element im Organismus im Allgemeinen und das auf das entsprechende Enzym im besonderen eingegangen werden .

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I. Nachweis und Bestimmung eines essentiellen Metalls im Organismus • Beispiel: Eisen

Eisen ist das häufigste 3d-Metall im menschlichen Körper. Seine wichtige Aufgabe im Haemoglobin als Sauerstoff-Transporter führen dazu, daß es in der relativ großen Menge von 4,2g pro 70kg

Körpergewicht im Organismus vorkommt, die empfohlene tägliche Nährstoffzufuhr liegt bei 10-20mg.

Entdeckt wurde Eisen als essentielles Element im Körper schon im 17.Jhd.

Der menschliche Körper enthält im Durchschnitt 4-5g Eisen. Die Verteilung des Eisens ist wie folgt:

- 730/0im Haemoglobin,

- 16% im Ferritin, der eigentlichen Fe-Reserve, - 3,3°A> im Myoglobin und

-O,2°~in den Enzymen.

Eisen ist essentiell für die -Synthese des Haemoglobins, in dem es als Sauerstoff-Träger fungiert, und für die Synthese wichtiger Enzyme, in denen es als Reaktionszentrum fungiert (s. Kap. 3 ).

Der tägliche Fe-Bedarfliegt bei Männembei 12mg und bei Frauen bei 18mg. Die Form der Darreichung ist wichtig für die Bioverfügbarkeit

- eine geeignete Komplexierung verbessert die Bioverfügbarkeit: z.B. durch organische Säuren wie Zitronensäure, Gluconsäureo.ä.:

- Eisen aus tierischen Nahrungsmitteln ( besonders Innereien) sind besser resorbierbar als Eisen aus pflanzlicher Kost;

- die Resorption wird durch Vitamin Cverbessert, Kaffee und Tee hemmen hingegen die Resorption durch Entstehen schwerlöslicher Gerbstoffkomplexe.

Ein Eisenmangel äußert sich meist in einer Eisenmangelanämie. bei der die Haemoglobin-Bildung durch den Mangel an Fe behindert ist. Es kommt zu:

- Muskelschwäche und Kraftlosigkeit, - Kopfschmerzen,

- Müdigkeit, - Schlafstörungen,

- depressive Verstimmungen,

- Fahler Blässe der Haut und der Schleimhäute.

- Mundwinkelrisse, - brüchigen Fingernägel, - Haarausfall,

- Atemnot und Steigerung der Herzfrequenz in schlimmeren Fällen.

Die Ursachen des Fe-Mangels liegen darin begründet, daß:

- Blutungen auftreten, z.B. versteckte Blutungen im Magen-Darm-Trakt;

- das im Magen aufgenommene Fe mangelhaft ausgenutztwird;

- die Resorption des Fe im Dann mangelhaft ist;

- die Fe-Zufuhr mangelhaft ist, was in unseren Gebieten aber eher selten auftritt.

Außer Eisenmangel kann auch eine Eisenakkumulation zu pathologischen Störungen führen. Die Anreicherung von Eisen kann genetisch bedingt sein: bei der Haematochromatosewirdsehr viel Eisen im Gewebe eingelagert, das dann degeneriert. Die betroffenen Patienten bekommen eine

"südländisch" braune Haut, unbehandelt führt diese Krankheit zum Tode. Als Therapie wird das angereicherte Eisen regelmäßig mit wenig toxischen Komplexbildnern entfernt.

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1. Qualitativer Eisennachweis in Schweine- oder Rinderleber:

Chemikalien:

Durchführung:

Ergebnis:

Rinder- oder Schweineleber (ca. 100-150g) Salzsäure, konzentriert

Gelbes Blutlaugensalz

100-150g Leber werden z.B. in der Küchenmaschine zerkleinert und in eine Porzellanschale gegeben.ImAbzug wird der Leberbrei mit einem

Bunsenbrenner vollständigverascht. Die Leberkohle wird dann in einem Mörser fein gerieben und mit konzentrierter Salzsäure übergossen. Die Mischung wird abfiltriert und das Filtrat mit Wasser etwa 1:1 verdünnt. Zu dieser Lösung werden einige Tropfen einer Lösung von Gelbem

Blutlaugensalz gegeben.

Die Lösung färbt sich blau, es ist Lösliches Ber1iner Blau entstanden.

Fe2+aq + [Fe(CN)e]4-+4K+ _~==~ K₂Fe[Fe(CN)6l _~ +2K+

weiß Autoxidation:

2 K₂Fe[Fe(CN)6J+_1/2O₂+H₂₀ _~------~ 2KFe[Fe(CN)6l+_2~+20H- Lösl.Ber1iner Blau

2. Quantitative Bestimmungvon Fe in Schweine- oder Rinderleber ( photometrisch ):

Chemikalien: Eisen-(II)-Stammlösung Ascorbinsäure

Acetatpuffer Phenanthrolin Natriumacetat

Salzsäure, konzentriert aq bidest

( 1OO~-igeLösung ) (pH 4,5)

(O,5%-ige Lösung )

Durchführung:

AlleLösungen sind mit aq bidest anzusetzen und alle Reagenzien müssen p.a. sein.

Vorbereitung der Leberprobe:

Etwa 10g zerkleinerte Leber werden in einen Porzellantiegel eingewogen und vollständig mit einem Bunsenbrenner verascht. Die erkaltete Asche wird in 20mlkonzentrierter Salzsäure aufgenommen, auf 1-2ml eingeengt und in einen 100rnl Meßkolben abfiltriert. Der Tiegel und das Filterpapier werden mit insgesamt etwa70ml aq bidest gründlich gewaschen, das Waschwasser ebenfalls in den Meßkolben gegeben. Zu dieser Lösung werden etwa 5-6g festes Natriumacetat gegeben, um auf einen pH-Wert vonetwa5

abzupuffem. Dannwird der Meßkolben mit aqbidest auf 100ml aufgefüllt.

Erstellen der Eichkurve:

In 100ml-Meßkolben werden jeweils0,50, 150,250, 350, 450und550IL1 der Fe-(II)-Stammlösungmiteiner Eppendorf-Pipette gegeben. Es werden zuerst jeweils SmI10%-ige Ascorbinsäurelsg. und 20ml Acetatpuffer ( pH 4,5 ) zugegeben. Nach Smin werden 10ml O,5^0k-igePhenanthrolinlsg. und nach weiteren 20minaq bidest bis zur 100ml-Marke dazugegeben.Im Photometer werden die Proben bei 546nm gegen den Blindwert gemessen.

Messen der Leberprobe:

50 oder25ml ( oderbeiBedarfnoch weniger) der erstellten Leberprobe werden in einen 100ml-Meßkolben pipettiert und damit wie beim Ansetzen der Lösungen für die Eichkurve ( s.o. ) verfahren.

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Die erhaltene Extinktion für die Leberprobewirdauf der Eichkurve eingetragen und abgelesen, wieviel Fe die Probe enthielt. Je nach

entnommener Menge aus dem 100rnl-Kolben mußauf die Gesamtmenge der Probe zurückgerechnet werden. Angegeben werden die Werte immer

bezogen auf den Fe-Gehalt in 100g Probenmaterial.

Ergebnis: Bei Zugabe der Phenanthrolin-Lösung bildetsich ein orangerotes 1,1O-Phenanthrolin-Fe(II)-Komplexion.

10P ..g Leber wurden eingewogen und verascht.

r mlwurdenfürdie Extinktions-Bestimmung behandelt.

Der Extinktionswert betrug O,AS'"'8.

Der Fe-Gehalt derS'ml-Probe betrug nach der Eichkurvedaher~1rJ-Lg.

Die Leberprobe enthielt insgesamt ~gx_{~o =~} J-LQ Fe.

In1019Leber sind somit3,Sta9enthalten:

~\) g =\.r fIQFe 1009 =&rfIQFe

Der Literaturwert für Fe-Gehalt der Leber beträgt6,SILQ.

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