Metalle in Lebewesen

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 H

e

Li B e B C N O F N

e N

a

M

g Al Si P S Cl Ar

K C

a Sc Ti V Cr M n

F e

C

o Ni C u

Z n

G a

G e

A s

S

e Br Kr R

b

S

r Y Zr N b

M

o Tc R u

R h

P d

A g

C

d In S n

S

b Te I X e C

s B

a La Hf Ta W Re O s Ir Pt A u H

g Tl P b Bi P o At R n Fr R Essentiell für alle Tiere und Pflanzen a Ac

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

Waschflasche 1:

Blut + Kohlendioxid Waschflasche 2:

Blut + Sauerstoff Waschflasche 3:

Blut + Kohlenmonoxid

Versuch 1: Einfluss verschiedener Gase auf die

Färbung des Hämoglobins

Die sauerstoffbindende Gruppe:

das Häm

Fe ²⁺

Das Hämoglobinmolekül

Bindung von Sauerstoff

O O

Fe Fe

Kohlenmonoxid: ein toxisches Gas

N

HN Fe C O

N

HN Fe

O O Bindung am freien Häm-Komplex

Bindungsaffinität des CO 25 000 x stärker als die des O ₂

N

HN Fe N

NH O O

N

HN Fe N

NH C O

Bindung am Hämoglobin

Bindungsaffinität des CO 200 x stärker als die des O ₂

H-Brücken Erzwungene

Abknickung

O

O

Der Kohlendioxidtransport im Blut

Gewebe

CO ₂ + H ₂ O H ₂ CO ₃ HCO ₃ ^- + H ⁺

CO ₂ + Protein-N H ⁺ + Protein-N

CO ₂ + H ₂ O H ₂ CO ₃ HCO ₃ ^- + H ⁺ CO ₂

Plasma

Rotes Blutkörperchen

Carboanhydr ase

langsa m

schn ell

H

H COO ^-

H

Auswertung: Versuch 1

Waschflasche 1:

Kohlendioxid:Desoxyhämoglobin

Waschflasche 2:

Sauerstoff: Oxyhämoglobin

Waschflasche 3:

Kohlenmonoxid: Carboxyhämoglobin

Absorptionsspektrum menschlichen Hämoglobins

Oxyhämoglobin, Desoxyhämoglobin Carboxyhämoglobin E

400 500 600 700 Wellenlänge [nm]

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Funktion des Eisens in der Atmungskette

• Einfache Knallgasreaktion:

H ₂ + ½ O ₂ H ⇌ 2 O Δ G = - 235 kJ/mol

NADH/H ⁺ + ½ O ₂ ⇌ H 2 O + NAD ⁺

ADP + P _i ATP ⇌

NADH/H ⁺

Chinon

Cytochrom b

Cytochrom c

Cytochromoxidase

½ O ₂ ½ O ^2-

2 e ^-

2 e ^- 2 e ^-

2 e ^-

2 e ^-

2 H ⁺

H ₂ O E° [V]

+ 0,81 - 0,32

1,13

Die Elektronentransportkette

2 H ⁺

Cytochrom

Fe ²⁺ Fe _{e -} ³⁺

e ^-

Versuch 2: Ein Modell der Atmungskette (Baumannscher Versuch)

2 e ^- 2 Cys-SH

Cys-S-S-Cys

2 Fe ³⁺

2 Fe ²⁺

2 e ^-

½ O ₂

O ^2-

H ₂ O

2 H ⁺

Der Fe(III)-Cystein-

Komplex

Eisengehalte in Nahrungsmitteln [mg/100g]

Fisch: 1,0 – 3,0

Fleisch/ Wurst: 2,0 – 17,0

Rohes Obst/

Gemüse: 0,5 – 4,0

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

Kalibriergerade zur Eisenbestimmung

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

0 100 200 300 400 500 600

Massenkonzentration [µg/100 ml]

E x ti n kt io n

C O

C C

H H C

CH

OH HO

HO HO C

O

+ 2 Fe

+ 2 H

O

+ 2 Fe

+ 2 H

O

Reaktion 2: Pufferwirkung

CH ₃ COO ^- _(aq) + H ₃ O ⁺ (aq) CH ₃ COOH _(aq) + H ₂ O _(aq)

+III +II

(aq) (aq)

Reaktion 1: Reduktion von Fe ³⁺

+II

+II +I

+I

B1 S2 S1 B2

C O

C C

H H C

CH

OH HO

C O O

O

Reaktion 3: Komplexierung von Fe ²⁺

N/

N/ /N

/N

N/ /N

Fe

N

/N Cl

H

+ Fe ²⁺ _(aq) + 3 H ₂ O _(aq)

+ 3 H ₃ O ⁺ _(aq) + 3 Cl ^- _(aq)

3

(aq)

(aq)

Fe

/N

/N N/

N/

N/

/N

Metalle im Zentrum der Photosynthese

• Grundgleichung der Photosynthese

Licht

6 CO ₂ + 6 H ₂ O C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6 O ₂

H ₂ O

Licht

Strukturformel des Chlorophylls

Versuch 4: Chlorophyll als Ionenaustauscher Reaktionen:

1. Ionenaustausch

Chlorophyll Chlorophyllin

2 Cu ²⁺ _(aq) + SO ₃ ^2- _(aq) + 3 H ₂ O _(aq) 2 Cu ⁺ _(aq) + SO ₄ ^2- _(aq) + 2 H ₃ O ⁺ _(aq

Cu ⁺ _(aq) + SCN ^- _(aq) CuSCN _(s) ↓ (weiß )

2. Ausfällen der Cu ²⁺ -Ionen

3. Nachweis der Mg ²⁺ -Ionen mit Titangelb

Mg

N N N

N

Verwendung von Blei

• Beimischung im Benzin als Antiklopfmittel in Form von Pb(C ₂ H ₅ ) ₄ und Pb(CH ₃ ) ₄

• Bleirohre

• Rostschutzmittel (Pb ₃ O ₄ )

• Bleigefäße oder Bleiglasuren (PbSiO ₃ ); Bleizucker (Pb(CH ₃ COO) ₂ )

Beispiel eines toxischen Metalls: Blei

• Bleifarben

PbCrO ₄ Chromgelb

PbCrO ₄ ^. PbO Chromrot

Pb(OH) ₂ ^. 2 PbCO ₃ 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

Stärke (Amylose)

α-Amylase

Zucker (Glucose)

Versuch 5: Hemmung der α- Amylase durch Blei(II) -ionen

Polyiodidionen

Mögliche Reaktionen von Pb ²⁺ mit der Aminosäure Cystein

C C C H

H SH

H ₃ N H OH O

C CH C H H

H ₃ N

S O

Pb ²⁺

O

+

S Pb C

CH C O

H ₃ N

O H H

SH

+

OH

+ Pb ^{2+ + O}

S

Pb

Pb O S

+

+ 2 H ⁺

C CH C H H

H ₃ N OH

C CH C H S H

O

Pb ²⁺

S

OH

H ₃ N O

+ Pb +

S S

+ Pb ²⁺

+ 2 H ⁺

• 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.“