Metalle in Lebewesen

-Ein Einblick in die Bioanorganische Chemie-

Gliederung1. Was ist Bioanorganische Chemie?2. Spurenelemente3. 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 PhotosyntheseVersuch 4: Chlorophyll als Ionenaustauscher

5. Beispiel eines toxischen Metalls: BleiVersuch 5: Hemmung der α-Amylase

6. Abschlussbetrachtung

Was ist Bioanorganische Chemie?

Periodensystem des LebensH 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 FraktionErwachsener

[mg / 70 kg]

Hämoglobin/

Myoglobin3000

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

Fe2+

Das Hämoglobinmolekül

Bindung von Sauerstoff

O

O

FeFe

Kohlenmonoxid: ein toxisches Gas

N

HN

Fe

C

O

N

HN

Fe

OO

Bindung am freien Häm-Komplex

Bindungsaffinität des CO 25 000 x stärker als die des O2

N

HN

Fe

N

NH

OO

N

HN

Fe

N

NH

OC

Bindung am Hämoglobin

Bindungsaffinität des CO 200 x stärker als die des O2

H-BrückenErzwungene Abknickung

OO

Der Kohlendioxidtransport im Blut

Gewebe

CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+

CO2 + Protein-N H+ + Protein-N

CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+

CO2

Plasma

Rotes Blutkörperchen

Carboanhydrase

langsam

schnell

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:

H2 + ½ O2 H⇌ 2O Δ G = - 235 kJ/mol

NADH/H+ + ½ O2 ⇌ H2O + NAD+

ADP + Pi ATP⇌

NADH/H+

Chinon

Cytochrom b

Cytochrom c

Cytochromoxidase

½ O2 ½ O2-

2 e-

2 e-

2 e-

2 e-

2 e-

2 H+

H2O

E° [V]

+ 0,81

- 0,32

1,13

Die Elektronentransportkette

2 H+

Cytochrom

Fe2+ Fe3+ e-

e-

Versuch 2: Ein Modell der Atmungskette(Baumannscher Versuch)

2 e-

2 Cys-SH

Cys-S-S-Cys

2 Fe3+

2 Fe2+

2 e-

½ O2

O2-

H2O2 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]

Ex

tin

ktio

n

OC

C

C

H

H

C

CH2OH

HO

HO

CHO

O

+ 2 Fe3+(aq)+ 2 H2O(aq) + 2 Fe2+

(aq)+ 2 H3O+(aq)

Reaktion 2: Pufferwirkung

CH3COO-(aq) + H3O+

(aq) CH3COOH(aq) + H2O(aq)

+III +II

(aq) (aq)

Reaktion 1: Reduktion von Fe3+

+II

+II

+I

+I

B1 S2 S1 B2

OC

C

C

H

H

C

CH2OH

HO

C

O

O

O

Reaktion 3: Komplexierung von Fe2+

N/

N/ /N

/N

N/ /N

Fe2+

N+

/NHCl-

+ Fe2+(aq) + 3 H2O(aq)

+ 3 H3O+(aq) + 3 Cl-(aq)

3(aq)

(aq)

Fe2+

/N

/NN/

N/

N/

/N

Metalle im Zentrum der Photosynthese

• Grundgleichung der Photosynthese

Licht

6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2

H2O

Licht

Strukturformel des Chlorophylls

Versuch 4: Chlorophyll als Ionenaustauscher

Reaktionen:1. Ionenaustausch

Chlorophyll Chlorophyllin

2 Cu2+(aq)+ SO3

2-(aq)+ 3 H2O(aq) 2 Cu+

(aq) + SO42-

(aq) + 2 H3O+

(aq)

Cu+(aq) + SCN-

(aq) CuSCN(s)↓ (weiß)

2. Ausfällen der Cu2+-Ionen

3. Nachweis der Mg2+-Ionen mit Titangelb

Mg2+

N

NN

N

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)

Beispiel eines toxischen Metalls: Blei

• 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, ÜbelkeitGewichtsabnahme

• 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 Pb2+ mit der Aminosäure Cystein

C

C

C

H

H SH

H3N H

OOH

C

CH

C

H

H

H3N

S

O

Pb2+O

+

PbSC

CHC OH3N

O

HH

SH

+

OH

+ Pb2++ O

SPb

Pb

O

S

+

+ 2 H+

C

CH

C

H

H

H3N

OH

C

CH

C

H

HS

O

Pb2+

S

OH

H3N

O

+ +Pb

S S

+ Pb2+

+ 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.“