A sketch of chemistry behind known carbon-based life on earth

http://www.nap.edu/catalog/11919.html

1. Molekülaufbau und physikalischen Eigenschaften

• Moleküle bestehen aus mehreren Atomen• Atome werden durch Bindungen zusammengehalten

– Kovalente Bindung (Elektronenpaarbindung):

Atome teilen sich ein Elektronenpaar(Nur Valenzelektronen)

Methan - CH4

H2

ValenzstrichformelH-H

H – C – H__H

H

Edelgasregel:

Atome (außer Edelgase) streben eine den Edelgasen gleiche Anzahl anElektronen an. (Edelgaskonfiguration)

Oktettregel (Sonderfall der Edelgasregel):

Atome sind bestrebt Moleküle zu bilden, welche 8 Valenzenlektronen besitzen.

Atombindungen können auch Mehrfachbindungen seinDoppelbindung C=C, C=O, …Dreifachbindungen N N, …---

• Ladungsverteilung führt zu den physikalischen Eigenschaften

– Moleküle mit gleicher Anzahl an Protonen/Elektronen sind elektrisch neutral.

– Allerdings müssen die Elektronen nicht gleichmäßig im 3D-Raum verteilt sein

Dipolmomenten

Elektronegativität:

• Bestimmt durch die Kernladungszahl Z=n*e und dem Atomradius r• Anhaltspunkt für die Polarität• Atome mit ähnlicher EN teilen sich die Elektronen gleichmäßig

Relatives Maß für die Fähigkeit das Bindungselektronenpaar an sich ziehen zu können !

Atomradius: innerhalb einer Periode v.l.n.r. abnehmendinnerhalb einer Gruppe v.o.n.u zunehmend

Elektronegativität: innerhalb einer Periode v.l.n.r zunehmendinnerhalb einer Gruppe v.o.n.u abnehmend

zunehmend

abne

hmen

d

Elektronegativitätsdifferenz (EN)

EN streng genommen nur 0 wenn eine Elementbindung (z.B. H-H) vorliegt.

Faustregel:

EN < 0.5 unpolarEN 0.5 – 1.7 Dipol-MolekülEN > 1.7 Ionenbindung

EN => Partialladungen => Dipolmomenten => Polarität

Bsp.

Große EN

führen zu Partialladungen

O …

EN = 3.44H …

EN = 2.2

EN = 1.24

O …

EN = 3.44H …

EN = 2.2C …

EN = 2.55EN <1.7

Konsequenz:

polare Moleküle bzw. Ionen lassen sich in polaren Lösungsmittel gut lösen!!!

Glucose:

• In Wasser gut löslich

• hydrophil, „Wasser liebend“

Oktan:

• In Wasser nicht löslich

• hydrophob, „Wasser meidend“

2. Molekülreaktionen

• Moleküle mit C-H bzw. C-C Bindungen reagieren bei Standard- temperatur rel. schlecht. (Standardtemperatur: Wasser flüssig bei 1 Atm)

Abhilfe:

d.h. C-Heteroatome aktivieren C-C und C-H Bindungen.

Die wichtigsten Heteroatomen in irdischen biochemischen Reaktionensind:

O, N, S

C-H bzw. C-C Bindungen mit Molekülen, welche C-Heteroatomen beinhalten, reagieren lassen

Bildung und Lösung von Bindungen (Elektronenbewegung)

• Elektrophil: elektronenarme Moleküle; positiv geladen oder besitzen eine positive Partialladung

• Nukleophil: elektronenreiche Moleküle; negativ geladen oder besitzen eine neg. Paritialladung oder ein freies Elektronenpaar

Jedes freie Elektronenpaar kann (prinzipiell) zur Formung einer kovalentenBindung verwendet werden. Reaktionen zw. Nukleophilen und ElektrophilenMolekülen werden mit Pfeilen dargestellt.

Reaction

of the

electrophilic

carbon

of formaldehyde

with

the

nucleophilic

oxygen

of hydroxide

gives

the

hydrate

of formaldehyde. Note the

concerted

formation

of a new

bond

(blue) using

the

unshared

pair of electrons

(also blue) on the

oxygen

nucleophilic

center

with

the

breaking

of a bond

(red). This

bond

breaking

delivers

an unshared

pair of electrons

(red) to the

oxygen

intermediate. These electrons

can

form a new

bond

(red) to an electrophilic

proton.

The

formation

of a new

bond

between

the

oxygen

atom

of a water

molecule

and a proton

to give

the

hydronium

ion. The

red pair of electrons

on the

oxygen

is

originally

unshared

and is

the

pair of electrons

used

to form the

new

bond, which

is

also shown

in red.

Reaktionsfähigkeit von Wasser

• Wasser ist reaktionsfreudig und besitzt ein nukleophiles O-Atom sowie azidische H-Atome

• Reaktionen finden im Wasser quasi immer statt!

• Dadurch können Reaktionen, welche ein H+ benötigen, dieses immer im Wasser finden

• H+ bewegen sich sehr leicht im Wasser, können immer aufgenom- men aber auch verloren werden

Nachteil:– Viele Moleküle sind instabil im Wasser– Moleküle können in Wasser zerfallen– Genetische Moleküle, welche durch Wasser beschädigt

wurden, müssen repariert werden

3. Stabilität von Molekülen

• Stabilität ist abhängig von der Bindungsenergie– Kovalente Bindung

Bindung Energie (kJ/mol)---------------------------------------------

H—H 436H—C 413C—C 348H—N 391N—N 170H—O 366O—O 145C=C 614C—S 272N≡N 945

---------------------------------------------

– Ionenbindungen sind weit schwächer als kovalente Bindung– Wasserstoffbrückenbindungen sind nur ca. 5% so stark

wie typischen kovalente Bindungen

(Wer

te g

ültig

für N

orm

albe

ding

unge

n)D

ruck

-/ T

empe

ratu

rabh

ängi

g

• Stabilität ist temperaturabhängig

Prinzipiell gilt: niedrigere Temperaturen führen zu stabileren Bindungen

– Oberes Temperaturlimit ~600K bei C-basierenden Leben(Kohlenhydrate werden bereits bei weit niedrigeren Temperaturen instabil, weil diese eine C=O Bindung beinhalten)

– Unteres Temperaturlimit nicht vorhanden/bekannt

• Stabilität ist druckabhängig

Prinzipiell gilt: höhere Drücke führen zu stabileren Bindungen

allerdings gilt: kein Leben über ~800K (unabhängig vom Druck)

4. Molekulare Reaktionen in terrestrischen Leben (Metabolismus)

• Metabolismus (Stoffwechsel) beinhaltet den Satz aller chemischen Reaktionen, die innerhalb eines lebenden Systems stattfinden (Molekulare Reaktionen)

• Sind oft formell auf Reaktionen limitiert, welche von Katalysatoren gesteuert/ aktiviert werden

• Führt zu makromolekularer Synthese, welche für die Zellfunktion notwendig ist und zur Synthese von Verbindungen, welche die Interaktion zwischen der Umgebung ermöglichen

• Metabolismus beinhaltet Variationen von wenigen Grundlegenden Reaktionen

glyceraldehyde

Energiebedarf

• Metabolismus kann nicht im thermodynamischen GGW stattfinden• Molekülsynthese und die Erzeugung der Zellen benötigen Energie

Pflanzen – Energie durch Photosynthese aus Photonen

Tiere – Energie aus der Umwandlung von energiereiche Verbindungen, welchedurch die Nahrung aufgenommen wurden

• Energie wird üblicherweise nicht sofort benötigt, sondern gespeichert:

1. Durch Änderung der Konzentration von chemischen Spezies

(verschiedene immer miteinander in einem Reaktionsgleichgewicht auftretende Formen einer Substanz) (z.B. biologische Membrane)

2. In Molekülen (ATP-Adenosintriphosphat)

Die Energie erhalten die Organismen aus deren chemischen Umgebung, welche mitProzessen im Organismus gekoppelt sein müssen.

5. Katalysatoren

• Selbst durch die Aktivierung von C-C, C-H Verbindungen, laufen die Reaktionen sehr langsam ab

• Zur Beschleunigung der Reaktionen kommen Katalysatoren zur Anwendung• Diese können aus der Erbinformation abgeleitet werden und ermöglichen

dadurch die Genetik und den Darwinismus (Evolutionstheorie)

• Biologischen Polymerkatalysatoren nennt man Enzyme• Enzyme sind meist Proteine und diese exzellente Katalysatoren. Typische

Bakterien beinhalten ~2000 Proteinenzyme

• Enzyme steuern die biochemischen Reaktionen (Verdauung, kopieren und transkribieren der Erbinformation (DNA-Polymerase, RNA-Polymerase)

• Proteine verleihen den Zellen Struktur und transportieren Stoffe

Halbwertszeit für Reaktionen im Wasser Reaktion bei 25°C

---------------------------------------------------------------------------------------Hydration von Fumarsäure 7 × 105 JahreTriosephosphatisomerase 2 TageDekarboxylierung von Orotidine 8 × 107 JahreHydrolyse einer Peptidbindung 450 JahreHydrolyse einer Phosphodiesterbindung >13 × 106 Jahre

Beschleunigung zwischen 7 und 19 Größenordnungen

6. Makromolekulare Strukturen in terrestrischem Leben

Makromoleküle bestehen aus mehreren bis zu ca. 100.000 Bausteinen.Viele Funktionen irdischer Organismen werden durch Makromoleküle ermöglicht:

Proteine -> Katalyse, DNA -> Speicherung der vererbbaren Information, Doppellipidmembranen -> Zellkompartimentierung

• DNA ist gut geeignet weil:

– sie aus Doppelsträngen besteht und sich diese ergänzen (einfache Nachbildung)– die Information redundant vorkommt und im Falle einer Beschädigung eines Strangs

die Erbinformation nicht verloren ist– die Wechselwirkung zwischen den Strängen (durch Wasserstoffbrückenbindung)

stark genug ist, um die Struktur zu erhalten, aber nicht zu stark, um die Nachbildung der Stränge zu gewährleisten.

• Proteine sind gut geeignet wegen:

– der strukturellen Eigenschaft des Polymer der Aminosäuren

• die Polyamideverbindung der Proteine ist neutral• die Verbindung hat einen Dipol, um Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden

7. Zellkompartimentierung

Als Zellkompartiment werden in der Biologie verschiedene Räume innerhalb einer Zelle bezeichnet und sind meist von Biomembranen getrennt.

Bsp.: Doppellipidschicht

Führt zu selektiver Perme-abilität

Vorteile einer Komparimentierung:

• erlaubt eine Molekülkonzentration so, dass sich chemischen Reaktionen erhöhen

• erlaubt den Schutz empfindlicher Moleküle vor einer „rauhen“ Umgebung (Wichtig für Organismen in einer hohen bzw. niedrigen pH Umgebung)

• erlaubt den Zellen die Steuerung des Imports von Nährstoffen bzw. des Exports von Produkten, welche die Umgebung steuern bzw. Abfallprodukte

• helfen bei der Erzeugung hoch-energetischer Verbindungen

Zusammenfassung

1. Kovalente Bindungen ist die wesentliche Bindung in terrestrischem Leben

2. Kovalente Bindungen sind sehr stabil (hohe Energie) können durch Aktivierung gebrochen werden

3. Ladung ist der Schlüssel zu den Eigenschaften der Moleküle (Elektronegativität)

4. C-C, C-H Verbindungen sind unpolar -> schwer löslich -> reaktionsarm

5. Molekülreaktionen werden durch Heteroatome angeregt (aktiviert)

6. Wichtigsten Heteroatomen sind: O, N, S

7. Oberstes Temperaturlimit: ~800K

8. Katalysatoren zur Beschleunigung der Reaktionen notwendig

9. Proteine sind exzellente Katalysatoren

10. Zellkompartimentierung erfolgt durch Membrane (hydrophob und hydorphil)

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