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„Metalle in Lebewesen“

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Academic year: 2021

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Experimentalvortrag Anorganische Chemie

„Metalle in Lebewesen“

Birgit Schubert

Ca2+

(2)

Gliederung

1. Allgemeine Einführung 2. Metalle in Lebewesen

2.1 Calcium 2.2 Blei

2.3 Eisen

2.4 Magnesium 3. Schulrelevanz

4. „Zusammenfassung“

(3)

1. Allgemeine Einführung

1. Welche Elemente zählen zu den

Metallen?

(4)

Häufigkeit von 3d-Elementen

1. Allgemeine Einführung

(5)

Häufigkeit von Alkali- und Erdalkalimetallen

1. Allgemeine Einführung

(6)

2. Metalle in Lebewesen

• Vorkommen in Form von Ionen

• Metalle essentiell für Leben

• Schlüsselelement für Leben auf der Erde:

Magnesium

• Menschliche Körper benötigt 14 Metalle

2. Metalle in Lebewesen

(7)

Die 14 essentiellen Metalle für den menschlichen Körper

Metall m [g]/70 kg

Person Metall m [g]/ 70 kg Person

Ca 1000 Sn 0,02

K 140 V 0,02

Na 100 Cr 0,014

Mg 25 Mn 0,012

Fe 4,2 Mo 0,005

Zn 2,3 Co 0,003

Cu 0,072 Ni 0,001

2. Metalle in Lebewesen

(8)

Definition:

Spurenelemente =

chemische Stoffe, von denen kleinste

Mengen (unter 25 mg) vom menschlichen Körper pro Tag benötigt werden, um

lebensnotwendige Stoffwechselfunktionen aufrecht zu erhalten.

2. Metalle in Lebewesen

(9)

Strukturfunktion Regel- und Signalfunktion

Struktur-

aufbau Struktur-

stabilisierung Informations-

leitung Gradienten-

aufbau Regulation

Biologische Funktionen von Metallen

2. Metalle in Lebewesen

(10)

Versuch 1:

Calciumnachweis in Knochen

2.1 Calcium

(11)

Auswertung:

Ca5(PO4)3OH(s) + H3O+(aq) 5Ca2+(aq) + 3 PO43-(aq) + 2 H2O

CH3COOH(aq) + NH4+(aq) + OH-(aq) NH4+(aq) +CH3COO-(aq) + H2O

Ca2+(aq) + C2O42-(aq) CaC2O4(s)

weiß 2.1 Calcium

(12)

Calcium

• Element der 2. Gruppe

• Tagesbedarf ~ 1000 mg

• Nahrungsquellen: Milchprodukte, Hülsenfrüchte, Eier

2.1 Calcium

(13)

• Hauptfunktionen im Körper:

- Knochen- und Zahnbildung - Nerven- und Muskelfunktion - Blutgerinnung

- Konstanthaltung des Ca2+-Spiegels im Blut

• Mangelerscheinungen:

- Vermindertes Wachstum, Verlust von Knochensubstanz

2.1 Calcium

(14)

• Knochen aus Ca5(PO4)3OH

• Hart, schwer löslich

• Menschliche Körper: ~ 9 kg, davon ca. 1kg Ca2+ und 2,5 kg PO43-

• Rest: H2O, Collagen, Na+, K+, Fe3+, Pb2+

• Pb2+-Gehalt im Knochenspiegel:

heute ~ 2 ppm früher bis zu 100 ppm

2.1 Calcium

(15)

Demonstration 1:

Giftige Wirkung des Bleis

2.2 Blei

(16)

Auswertung

• Je größer Pb2+-Konzentration, desto geringer Zellzahl

• Chlorophyllsynthese gehemmt

 verminderte Grünfärbung

2.2 Blei

mit Pb2+

(17)

Blei

• Element der 14. Gruppe

• MAK-Wert: 0,1 mg/m3

• Folgen einer Bleikontamination:

 Anfangsstadium:

Müdigkeit, Erbrechen, Gewichtsverlust, Kopfschmerzen

2.2 Blei

(18)

 Höheres Vergiftungsstadium:

Darmkoliken, Nervosität, Nierenschäden, Schädigung des ZNS, Anämie, Bleisaum am Zahnfleisch, Schädigung der Fertilität

• Retentionszeiten:

im Blut/weichem Gewebe: ~ 1 Monat in Knochen: ~ 30 Jahre

2.2 Blei

(19)

Versuch 2:

Hemmung der α-Amylase

2.2 Blei

(20)

Auswertung:

Amylose

α-Amylase

mK+(aq)+ mI3- (aq) + (C6H10O5)n(aq) mK+(aq)+ "(I3-)m……. (C6H10O5)n(aq)

intensivblau

2.2 Blei

O H

H HO

H

H OH H

OH

O H

O

H HO

H

H OH H

OH

O H

O

H HO

H

H OH H

OH

n

O H

HO

H HO

H

H OH H

OH

O H

O

H HO

H

HO

H OH H

n OH

(21)

Auswertung:

+ Pb2+(aq)

C C C

H H

H

S

+H3N

O O-

Pb + H+(aq)

+ Pb2+(aq)

C C C

O O-

+ H H3N

H H

S

Pb

S C H

H C C H

O O-

NH3+ + 2 H+(aq)

2.2 Blei

C C C

H

H H

+H3N

SH O- O

O

(aq) (aq)

(aq)

(22)

2.3 Eisen

• Element der 8. Gruppe

• Tagesbedarf  Frauen: ~ 14-28 mg, Männer: ~ 5-9 mg

• Im Knochenmark 75% des Fe

• Nahrungsquellen: Fleisch, Kakao, Eier, Getreide, Kaviar

2.3 Eisen

(23)

Eisenproteine

Hämproteine Nichthämproteine

Eisenporphin-

proteine Funktionen Fe-S-

Proteine Funktionen

Hämoglobin Tier. O2-Transport Ferredoxine e--Transfer Myoglobin Tier. O2-Speicherung Nitrogenasen N2-Red zu NH3

Cytochrome e--Transport Fe-Proteine Funktionen

Oxygenasen Oxygenierg. mit O2 Ferritine Tier. Fe-Transport

Oxidasen O2-Red Transferrine Fe-Speicherung

Peroxidasen Ox mit H2O2

Katalasen H2O2-

Disproportionierg.

2.3 Eisen

(24)

• Krankheit

 vermehrte Fe-Speicherung:

- im Gehirn: degenerative Krankheiten - im Pankreas, Leber, Milz, Herz:

Hämochromatase - Krebserkrankungen

 verminderte Fe-Speicherung/Aufnahme:

- Anämie, Thalassämie

- geschwächte Immunabwehr

2.3 Eisen

(25)

Versuch 3:

Atmungskette

2.3 Eisen

(26)

Fe

Atmungskette

2.3 Eisen

SCyst

(27)

-2 +2

+2 +3 +3

-1 -1 -2

Auswertung

1. Ox.: 2 Cyst-SH 2 e- + 2 H+ + Cyst-S-S-Cyst Red.: 2 Fe3+ + 2 e- 2 Fe2+

2. Ox.: 2 Fe2+ 2 Fe3+ + 2 e- Red.: ½ O2 + 2 e- O 2-

Gesamt: 2 Cyst-SH + ½ O2 Cyst-S-S-Cyst + H2O

2 e- 2 e-

0

2.3 Eisen

OX Red/OX Red

-2 0 -1 -1 -2

(28)

blauviolett

- Fe(III)- Komplex

- oktaedrisch umgeben von 2 Cystein

2.3 Eisen

(29)

Versuch 4:

Enzymatische Wirkung der Katalase

2.3 Eisen

(30)

Auswertung

• Enzymatisch katalysierte Disproportionierung 2 H2O2(aq) 2 H2O + O2(g)

+1 -1 +1 -2 0

Red

Ox

<Katalase>

2.3 Eisen

(31)

Häm Chlorophyll

2.3 Eisen

Fe

Phytyl

Mg

(32)

2.4 Magnesium

• Element der 2. Gruppe

• Tagesbedarf ~ 200 mg

 überschüssiges abführend

• Nahrungsquellen: Getreide, grünes Blattgemüse

• Funktionen im Körper:

- Baustein von Enzymen

- Regulation des Stofftransportes durch Membranen

- ZA des Chlorophylls

2.4 Magnesium

(33)

Versuch 5 :

Magnesiumnachweis

2.4 Magnesium

(34)

Auswertung

H+

Mg2++

Mg Mg

2.4 Magnesium

(35)

Auswertung

• Nachweis mit Titangelb:

H3C

N C S

SO3Na

N

N N H

SO3Na

CH3 N

S C

Mg2+ + hellroter NS

2.4 Magnesium

(36)

Demonstration 2:

Dünnschichtchromatographie

2.4 Magnesium

(37)

Auswertung

Laufstrecke Substanz Laufstrecke Fließmittelfront

-Typische Rf-Werte:

Carotin: 0,82

Chlorophyll a: 0,61

 Chlorophyll b: 0,45

Rf =

Carotine

Phaeophytin

Chlorophyll a

Chlorophyll b

Xanthophylle

2.4 Magnesium

(38)

3. Schulrelevanz

• 8: Trennverfahren für Stoffgemische 

Chromatographie

Katalysatoren

• 10: Aufbau und Funktion von Böden

• 11/1: Redoxreaktionen

• 12/1: Kohlenstoffverbindungen und funkt.

Gruppen

12/2: Technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen

3. Schulrelevanz

(39)

12/2: Enzyme: Aufbau und Bedeutung in Stoffwechselprozessen Kohlenhydrate: Photosynthese

(Energiestoffwechsel und Zellatmung)

• 13/1: Enzymkinetik: Bedeutung im Stoffwechsel 13/2: Wahlthema Komplexchemie

Nahrungsmittel und deren Abbau im Körper Umweltchemie: chemische Untersuchung

von Stoffen im Alltag (Ionen/Moleküle);

Chromatographische Verfahren

3. Schulrelevanz

(40)

„4. Zusammenfassung“

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.“

(41)

Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!

(42)

• 7/1 Bau einer Zelle einer grünen Pflanze

• 7/2 Bedeutung des Lichtes für grüne Pflanzen:

Experimentelles Arbeiten, Nachweisreaktionen für Stärke

Bedeutung der Photosynthese für das Leben auf der Erde und unsere Ernähung:

Nachweisreaktionen für Zucker, Stärke,

Fett, Eiweiße

• 9/1 Aufnahme und Verarbeitung von Informationen im Nervensystem, Schädigung des

Nervensystems durch Gifte, Drogen

3. Schulrelevanz

Biologie

(43)

• 9/2 Blut und Immunsystem: Blutgerinnung, O2-Bindung an Hämoglobin

• 11 Membrane, Katalyse (Enzyme), Transportmechanismen

• 12/1 DNA,RNA: Bausteine

12/2 Übersicht über Stoffwechselzusammenhänge:

Energieaufnahme  Photosynthese, Zellatmung

Regulation  Versuche zur Enzymwirkung

• 13/1 Signalübertragung und Verrechnung:

Nervenzellen, Ruhepotential, Aktionspotential

3. Schulrelevanz

(44)

Charakteristische Eigenschaften

• Metallischer Glanz

• Elektrische Leitfähigkeit

• Wärmeleitfähigkeit

• Duktilität

2) Einführung in die Metalle

(45)

Erklärung der Eigenschaften

• Elektrische Leitfähigkeit:

- Metallgitter

• Metallischer Glanz:

- Elektronengas

• Duktilität:

- Erhalt der Bindungskräfte

• Wärmeleitfähigkeit:

- Energiezufuhr  Energieweitergabe

2) Einführung in die Metalle

(46)

Einteilung der Metalle

2) Einführung in die Metalle

Nach Reaktivität Nach Dichte

Edle Unedle Leichte Schwere

Bsp.: Cu,

Ag, Au, Pt Bsp.: Na,

Zn, Mg, Ca Bsp.: Al, Mg, Na, Ca

Bsp.: Pb, Hg, Cr, Fe

(47)

Heutige Verwendung des Bleis

• In manchen Ländern noch als Antiklopfmittel im Benzin

• Bleifarben: PbCrO4 Chromgelb

PbCrO4 . PbO Chromrot

Pb(OH)2 . 2 PbCO3 Bleiweiß

• Bleiakkumulatoren

5)1 Blei

(48)

7)2 DC von Chlorophyll und Phaeophytin

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