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
Li
He
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
Re
Os
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Fr
Ac
Ra
W
Ir
Pt
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:
4–5g
Zink:
0,04 – 0,08 g
Kupfer:
2–4g
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
Versuch 1:
Einfluss verschiedener Gase auf die
Färbung des Hämoglobins
Waschflasche 1:
Blut
+
Kohlendioxid
Waschflasche 2:
Blut
+
Sauerstoff
Waschflasche 3:
Blut
+
Kohlenmonoxid
Die sauerstoffbindende Gruppe:
das Häm
Fe2+
Das Hämoglobinmolekül
Bindung von Sauerstoff
O
O
Fe
Fe
Kohlenmonoxid: ein toxisches Gas
Bindung am freien Häm-Komplex
O
C
O
Fe
Fe
N
N
HN
O
HN
Bindungsaffinität des CO 25 000 x stärker als die des O2
Bindung am Hämoglobin
N
N
NH
O
NH
Erzwungene
Abknickung
C
OO
Fe
Fe
N
N
HN
O
O
H-Brücken
HN
Bindungsaffinität des CO 200 x stärker als die des O2
Der Kohlendioxidtransport im Blut
CO2
Gewebe
CO2 + H2O
langsam
H2CO3
HCO3- + H+
Plasma
Carboanhydrase
CO2 + H2O
schnell
CO2 + Protein-N
H2CO3
H
H
Rotes Blutkörperchen
HCO3- + H+
H
H+ + Protein-N
COO-
Auswertung: Versuch 1
Waschflasche 1:
Kohlendioxid:
Desoxyhämoglobin
Waschflasche 2:
Sauerstoff:
Oxyhämoglobin
Waschflasche 3:
Kohlenmonoxid:
Carboxyhämoglobin
Absorptionsspektrum menschlichen
Hämoglobins
E
0,7
0,6
0,5
Oxyhämoglobin,
Desoxyhämoglobin
Carboxyhämoglobin
0,4
0,3
0,2
0,1
400
500
600
700
Wellenlänge [nm]
Funktion des Eisens in der
Atmungskette
• Einfache Knallgasreaktion:
H2 +
½ O2
⇌
H2O
Δ G = - 235 kJ/mol
ADP + Pi ⇌ ATP
NADH/H+ + ½ O2 ⇌
H2O + NAD+
Die Elektronentransportkette
E° [V]
- 0,32
NADH/H+
2 e-
2 H+
2 H+
2 e-
1,13
H2O
Chinon
Cytochrom b
2 eCytochrom c
2 e-
Cytochromoxidase
2 e-
½ O2
+ 0,81
½ O2-
Cytochrom
e-
Fe2+
e-
Fe3+
Versuch 2:
Ein Modell der Atmungskette
(Baumannscher Versuch)
H 2O
2 H+
2 Fe3+
2 Cys-SH
2 e-
Cys-S-S-Cys
O2-
2 e-
2 Fe2+
½ O2
Der Fe(III)-CysteinKomplex
Eisengehalte in Nahrungsmitteln
[mg/100g]
Fisch: 1,0 – 3,0
Rohes Obst/
Gemüse: 0,5 – 4,0
Fleisch/ Wurst: 2,0 – 17,0
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
0,6
Extinktion
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
100
200
300
400
Massenkonzentration [µg/100 ml]
500
600
Reaktion 1: Reduktion von Fe3+
O
HO +I
C
HO
C
+I
O
O
C
+III
O
C
+II
C
C
+II
+ 2 Fe3+(aq)+ 2 H2O(aq)
C
O +II
H
HO C H
O
C
+ 2 Fe2+(aq)+ 2 H3O+(aq)
H
HO C H
CH2OH (aq)
CH2OH (aq)
Reaktion 2: Pufferwirkung
CH3COO-(aq) + H3O+(aq)
B1
S2
CH3COOH(aq) + H2O(aq)
S1
B2
Reaktion 3: Komplexierung von Fe2+
Cl-
H
/N
N+
+ Fe2+(aq) + 3 H2O(aq)
3
(aq)
N/
N/
N/
N/
/N
Fe2+
/N
/N
Fe2+
N/
N/
+ 3 H3O+(aq) + 3 Cl-(aq)
/N
/N
(aq)
/N
Metalle im Zentrum der Photosynthese
Licht
• Grundgleichung der Photosynthese
H2O
Licht
6 CO2 + 6 H2O
C6H12O6 + 6 O2
Strukturformel des Chlorophylls
Versuch 4:
Chlorophyll als Ionenaustauscher
Reaktionen:
1. Ionenaustausch
Chlorophyll
Chlorophyllin
2. Ausfällen der Cu2+-Ionen
2 Cu2+(aq)+ SO32-(aq)+ 3 H2O(aq)
H3O+(aq)
Cu+(aq) +
SCN-(aq)
2 Cu+(aq) + SO42-(aq) + 2
CuSCN(s)↓ (weiß)
3. Nachweis der Mg2+-Ionen mit Titangelb
N
N
Mg2+ N
N
Beispiel eines toxischen Metalls: Blei
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)
• 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, Übelkeit
Gewichtsabnahme
• Symptome im fortgeschrittenen Stadium:
Neusynthese von Blut wird gestört (Anämie), Sterilität,
Fehlgeburten, geistiges Zurückbleiben in der
Wachstumsphase
Versuch 5:
Hemmung der α- Amylase durch
Blei(II) -ionen
α-Amylase
Stärke (Amylose)
Polyiodidionen
Zucker (Glucose)
Mögliche Reaktionen von Pb2+ mit der
Aminosäure Cystein
OH
+ C
+
H3N C
H
C
O
O
C
H
SH
SH
+
O
O
+
Pb2+
H3N CH
H
H
Pb2+
Pb
S
S
C
H
H
C
+
H3N CH
S
H
O
C
Pb
Pb
O
O
+ 2 H+
O
OH
O
C
+ Pb2+
Pb
Pb
H3N CH
H
C
H
C
2+
+
S
S
OH
+
CH H3N
S
S
C
H
H
+ 2 H+
• Paracelsus (14931541):
„Was ist das nit gifft
ist? Alle ding sind
gifft/ und nichts ohn
gifft/ allein die dosis
macht das ein ding
kein gifft ist.“

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