Chemie für Biologen
Stunde 1: Elemente und Verbindungen
1. Elemente – gibt es - wie im Periodensystem der Elemente zu erkennen – gut 118.
Elemente bestehen nur aus einer einzigen Atomsorte. Dies bedeutet: Elementarer Wasserstoff besteht nur aus Wasserstoffatomen, Das Element Schwefel besteht nur aus Schwefelatomen.
Für die Mehrzahl der Elemente schreibt man in Gleichungen einfache Elementsymbole, z. B.: B.: C, S, P, Mg. Ca, Fe.
Hier lassen sich noch weitere ca. 100 Elemente aufzählen.
Aber: Einige wenige der insgesamt 118 Elemente kommen als zweiatomige Moleküle vor:
Das einfachste Beispiel für ein solches zweiatomiges Molekül ist ein Wasserstoffmolekül, in dem sich zwei Wasserstoffatome verbunden haben.
Hier sind vor allem die gasförmigen Elemente H2, N2, O2 zu nennen („Hals-Nasen-Ohren“). Daneben – für Biologen weniger wichtig – kommen auch die Elemente der VII. Hauptgruppe des Periodensystems in elementarer Form zweitatomig vor: F2, Cl2, Br2.I2
„Biologisch“ wichtige Elemente sind C, H, O , N, S und P, daneben auch die Elemente Ca und Mg und zudem
in geringsten Mengen („Spuren“) auch „Spurenelemente“ wie Fe (Eisen), K und Na.
Die Aufzählung der Spurenelemente ist unvollständig.
Wie merkt man sich die lebensnotwendigen Elemente?
Vielleicht mit dem Merksatz: „ COHN Sei Pfiffig nimm: Ca, Mg und „Spurenelemente“ (wie Fe= Eisen, Natrium und Kalium)
Anmerkung: Cohn war früher - in den
Zeiten, als dieser Merksatz geschaffen wurde – ein weitverbreiteter jüdischer Name!)
Am Rande bemerkt: Selbst „Gifte“ wie das Element Arsen (As) sind in Spuren für den menschlichen Körper nützlich! Hinweise auf mögliche lebenswichtige Funktionen dieses Spurenelementes stammen aus Tierstudien. Bisher konnte die physiologische Rolle von Arsen jedoch nicht klar definiert werden. Möglicherweise kann es den Stoffwechsel von Aminosäuren, beispielsweise von Taurin, beeinflussen.
Vgl.. https://www.centrosan.com/Wissen/Naehrstoff-Lexikon/Spurenelemente/Weitere-nicht-essentielle-Spurenelemente.php
2. Biologisch wichtige Verbindungen
2.1. Erste Beispiele
Diese (118 entdeckten) Elemente können eine (beinahe unendliche Vielzahl) von Verbindungen bilden: Dabei spielen, wie wir später sehen werden, vor allem die Außenelektronen eine Rolle.
Weltweit rieseln deshalb immer neue Substanzen in die Glaskolben der Chemiker - aus der Natur isolierte ebenso wie selbst hergestellte.
Im Juni 2003 hat die stoffliche Artenvielfalt eine Art Schallmauer durchbrochen. 50 Millionen Verbindungen sind in der wissenschaftlichen Literatur inzwischen publiziert. Zum Jahrtausendwechsel waren es noch 22 Millionen, Anfang der achtziger Jahre erst fünf Millionen und 1968 gar nur eine Million Stoffe.
Vgl.: http://www.faz.net/aktuell/wissen/physik-mehr/chemie-wer-zaehlt-die-stoffe-199340.html
Einige Beispiele für biologisch
relevante Verbindungen und Verbindungsklassen:
Bsp.: Grundgleichung für die Photosynthese:
6 CO2 + 6 H2O => C6H12O6 + 6O2
- Man erkennt: Das Element Sauerstoff kommt als zweiatomiges Molekül vor!
- Kohlenstoffdioxid CO2 ist eine einfache Verbindung aus den Elementen C und O
- Wasser H2O ist eine mögliche Verbindung aus den Elementen H und O – Für Experten: Die Elemente H und O können auch noch die Verbindung H2O2 bilden – wie das geht, auch das werden wir in einer späteren Stunde sehen.
Die Pflanzen schaffen es, beim Vorgang der Photosynthese, aus CO2 und H2O die lebensnotwenige Verbindung Glucose herzustellen, die zur Stoffgruppe der Kohlenhydrate gehört.
2.2. Wichtige Verbindungsklassen
2.1. Kohlenhydrate, z.B. die Glucose C6H12O6
- Kohlenhydrate sind Verbindungen, die nur aus den drei Elementen C H und O bestehen. Ein wichtiges Kohlenhydrat ist die z.B. die Glucose (der Traubenzucker) mit der Formel C6H12O6
Für Experten: Zu den wichtigsten Kohlenhydraten zählen die Saccharide (Zucker).
Es wurde angenommen, bei Zuckern handelt es sich um Hydrate (Hydrate = wasserhaltige Verbindungen) des Kohlenstoffs, weshalb Carl Schmitt 1844 den Begriff Kohlehydrate prägte. Saccharide (Zucker) haben oft die allgemeine Formel Cn(H2O)m (wobei n und m für ganze Zahlen stehen).
Im Falle des Traubenzuckers (Glucose) mit der Summenformel C6H12O6 ist n = 6 und m=6. Man kann hier gerne nachrechnen!
Im Falle des Rohr- oder Rübenzuckers (der Saccharose) mit der Summenformel C12H22O11 ist n = 12 und m = 11.
Der Begriff „Kohlenhydrate“ hat durchaus seine Rechtfertigung.
Wenn man Zucker erhitzt, verdampft das ihnen chemisch gebundene Wasser. Der Zucker karamellisiert, er braun und wenn das ganze Wasser verdampft ist, bleibt schwarzer Kohlenstoff übrig.
2.2. Auch Fette, bestehen nur aus den drei Elementen C, H und O, ein Fettmolekül könnte z.B. die Summenformel C57H104O6 besitzen –es macht wenig Sinn, eine solche auswendig zu lernen.
2.3. Wichtig sind auch die Proteine, die überwiegend aus den Elementen C H und O bestehen. In Proteinen kommen aber auch andere Elemente (vor allem N und S) vor!
2.4. Weitere Beispiele für biologisch wichtige
Verbindungen
- Im „Sauerstofftransportprotein“ Hämoglobin ist das Element Eisen (Fe) chemisch gebunden.
- Die Phosphorverbindungen ADP und ATP sind für die Energieversorgung
wichtig
- Im Chlorophyll ist das Element Magnesium chemisch gebunden.
- Das Element Calcium ist für den Aufbau der Knochen wichtig!
- die Natrium-Kalium-Pumpe ist für die Reizleitung in Nervenzellen wichtig
Zusammenfassung: Chemie für
Biologen
Stunde 01: Elemente und
Verbindungen
1. Elemente – gibt gut 118.
Elemente bestehen nur aus einer einzigen Atomsorte.
Für die Mehrzahl der Elemente schreibt man in Gleichungen einfache Elementsymbole, z. B.: B.: C, S, P, Mg. Ca, Fe.
Aber: Wenige Elemente kommen als zweiatomige Moleküle vor:
Hier sind vor allem die gasförmigen Elemente H2, N2, O2 zu nennen („Hals-Nasen-Ohren“).
„Biologisch“ wichtige Elemente
sind: C, H, O , N, P und S, Ca und Mg und „Spurenelemente“ wie Fe (Eisen), K und Na.
Merksatz: „ COHN Sei Pfiffig nimm: Ca, Mg und „Spurenelemente“ (wie Fe= Eisen, Natrium und Kalium)
Cohn = jüdischer Name!
2. Biologisch wichtige Verbindungen
2.1. Erste Beispiele
Die 118 Elemente können Verbindungen bilden:
Bsp:. Grundgleichung für die
Photosynthese:
6 CO2 + 6 H2O => C6H12O6 + 6O2
- Kohlenstoffdioxid CO2: Verbindung aus C und O
- Wasser H2O ist eine Verbindung aus den Elementen H und O –
2.2. Wichtige Verbindungsklassen
2.1. Kohlenhydrate, z.B. die Glucose C6H12O6
2.2. Fette, z.B. C57H104O6
2.3. Wichtig sind auch die Proteine, die überwiegend aus C H und
O, aber auch andere Elemente (vor allem N und S) aufgebaut sind!
2.4. Weitere Beispiele für biologisch wichtige Verbindungen
- Im „Sauerstofftransportprotein“ Hämoglobin ist das Element Eisen (Fe) chemisch gebunden.
- Die Phosphorverbindungen ADP und ATP sind für die Energieversorgung wichtig.