Biologie – Biochemie –
Chemie
M. Kresken
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Biologie
• Naturwissenschaft, die sich mit den lebenden Wesen,
d.h. Mensch (Anthropologie), Tier (Zoologie), Pflanze
(Botanik) und Mikroorganismus (Mikrobiologie) sowie
mit ihrem Stoffwechsel und ihrem Verhalten auf Reize,
beschäftigt.
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Chemie
• Naturwissenschaft, die sich mit Substanzen und ihren
Eigenschaften sowie mit Substanzveränderungen
befasst: Analysen und Synthesen, Strukturaufklärung,
Reaktionen…
• Anorganische Chemie, Organische Chemie,
Physikalische Chemie, Lebensmittelchemie,
Petrochemie, Technische Chemie, Umweltchemie…
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Biochemie
• Lehre von den chemischen Vorgängen bei der Atmung,
Verdauung, Fortpflanzung, Bewegung... in Lebewesen
• Untersucht den chemischen Aufbau und die
Stoffwechselvorgänge in pflanzlichen, tierischen und
menschlichen Zellen
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Leben
• „dynamisches Fließgleichgewicht“ (Zitat: Lehninger,
Biochemie)
• Der Organismus stellt kein „geschlossenes
Reaktionsgefäß“ dar, sondern ist „im Fluss der Stoffe“
nach zwei Seiten offen:
Nahrung + O2 → ▓ → CO2 + Abfallprodukte
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Verflechtung der organischen Chemie
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Von der Zelle zum Atom
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Größen
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
10 1 m (10 m) = mittlere Höhe von Bäumen
10 0 m (1 m) = Höhe eines Tisches
10 -1 m (1 dm) = Länge einer Hand
10 -2 m (1 cm) = Breite eines Fingernagels
10 -3 m (1 mm) = Durchmesser von Wassertropfen
10 -4 m (100 µm) = Dicke eines Haares
10 -5 m (10 µm) = Dicke von Blattgold
10 -6 m (1 µm) = Durchmesser von Bakterien
10 -7 m (100 nm) = Durchmesser von Viren
10 -9 m (1 nm) = Durchmesser von Molekülen
10 -10 m (100 pm) = Durchmesser des Wasserstoffatoms
10 -14 m = mittlerer Durchmesser von Atomkernen
10 -15 m = theoretischer Durchmesser des Elektrons
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Größen
• 1 Å (10 -10 m) = Durchmesser des Wasserstoffatoms
• 10 000 Å (10 -6 m) = Durchmesser von Bakterien
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Chemische Zusammensetzung lebender Organismen
Mensch versus Hefezelle
g/100g
Bestandteile
Beispiele
Wasser
Mensch
(70 kg)
Hefezelle
60
65
Stickstoffhaltige
Verbindungen
Nucleinsäuren, Nucleotide,
Proteine, Peptide,
Aminosäuren...
19
18
Fettstoffe (Lipide)
Neutralfette, Phospolipide,
Sterine, Carotinoide
15
0,5
Kohlenhydrate
Polysaccharide, Monosaccharide und Derivate
1
13
Anorganische
Bestandteile
(Mineralien)
K , Na , Mg , Ca , Chlorid,
Phosphat, Carbonat, Sulfat,
Spurenelemente
5
3,5
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+
+
2+
2+
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Biologisch wichtige Elemente
• Von 81 Elementen kommen 15 bei allen Lebewesen vor
• 8-10 weitere Elemente kommen nur in bestimmten
Organismen vor.
Massenanteil wichtiger Hauptgruppenelemente im menschlichen Körper
*
*Spurenelemente: Eisen, Zink, Kupfer, Cobalt, Mangan, Iod, Selen
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Biologisch wichtige Elemente
• Über 99% der Atome im tierischen Organismus
entfallen auf nur vier Elemente: Wasserstoff (H),
Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N).
• Diese Atome sind auch Hauptbestandteile der
organischen Verbindungen.
• Viele Biomoleküle enthalten zusätzlich Schwefel (S)
oder Phosphor (P)
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Aufbau einer Zelle
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Strukturhierarchie in der molekularen
Organisation der Zelle (Bsp. Pflanzenzelle)
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Intermediärstoffwechsel
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Grundlagen der Chemie
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Aufbau der Atome
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Aufbau der Atome
• Die Eigenschaften aller Stoffe gehen auf die Struktur und die
Anordnung der kleinsten Teilchen zurück, aus dem diese Stoffe
bestehen.
• Die kleinsten Teilchen, die chemisch zugänglich sind, sind Atome.
 griechisch atomos: unteilbar
 Daltons Atommodell 1808: Atome werden als winzig kleine
Kugeln betrachtet.
• Mit physikalischen Methoden können Atome weiter zerlegt werden.
 Rutherfordsche Streuversuche: Kern-Hülle-Modell 1911
- Das Atom besteht aus einem winzigen, positiv geladenen
Atomkern und der Atomhülle, in der sich kugelförmige
Elektronen befinden.
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Wichtige Elementarteilchen
Ladung
Relative
Masse
Elektron
-1 (-e)
5 · 10
9,10 · 10
Proton
+1 (+e)
1,0073
1,66 · 10
Neutron
0 (n)
(elektrisch neutral)
1,0087
1,66 · 10
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-4
Absolute Masse (in g)
-28
-24
-24
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Aufbau der Atome
• Die Protonen und Neutronen im Atomkern werden durch starke
Kräfte, den Kernkräften zusammengehalten.
• In verhältnismäßig großen Atomkernen wie Uran und Radium
reichen die Kernkräfte nicht aus und der Kern hat das Bestreben
diese Anordnung zu ändern.
• Die Atomkerne zerfallen,
sie gehen in eine
energetisch günstigere,
stabilere Form über. Dabei
wird meist Energie frei, die
den Kern verlässt und als
radioaktive Strahlung
nachweisbar ist.
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Aufbau der Atome
• Isotope: Atomsorten eines Elementes mit gleicher
Protonen-Anzahl, jedoch unterschiedlicher NeutronenAnzahl (Nuclide)
- griechisch iso: gleich, topo: Ort
• Natürlicher Kohlenstoff (6 Protonen) ist aus
12C (6 n), 13C (7 n) und 14 C* (8 n) gemischt und weist
die Atommasse 12,011 auf.
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Elektronenhülle
• Die Wechselwirkungen zwischen Atomen beruhen auf
Wechselwirkungen zwischen ihren Elektronenhüllen.
• Die Zahl, die räumliche Anordnung und die Energie der
Elektronen in der Atomhülle prägen das chemische
Verhalten, die chemischen Eigenschaften der Stoffe.
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Elektronenhülle
• Bohrsches Atommodell von 1913: Elektronen als punktförmige
Ladungen umkreisen den Atomkern in bestimmten dünnen
Schichten (Schalen)
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Elektronenverteilung
• Jede Schale kann maximal nur eine bestimmte Anzahl
an Elektronen aufnehmen:
- Zahl der Elektronen = 2 x Schalennummer2
- 2 x 12 = 2, 2 x 22 = 8, 2 x 32 = 18 usw.
• Die Besetzung der Schalen mit Elektronen erfolgt von
innen nach außen.
• Jede Schale entspricht einer bestimmten Energiestufe.
Die innerste Schale weist die niedrigste Energie auf.
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Darstellung der Aufenthaltswahrscheinlichkeitsdichte der ersten
(2 Elektronen) und zweiten (8 Elektronen) Elektronenschale
Atomorbitale sind Elektronen-Wellenfunktionen
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Reihenfolge der Besetzung von Atomorbitalen
Schale
Q
P
O
N
M
L
K
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Besetzung von
Atomorbitalen
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Periodensystem der Elemente
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Periodensystem der Elemente
http://www.periodensystem.info/periodensystem/
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Ordnungsprinzip
der Elemente:
← Periode → 1 - 7
↑
Gruppe
I - VIII
M.
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↓
Es gibt 8 Hauptgruppen & 8 Nebengruppen (Übergangselemente)
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Periodensystem der Elemente
(alte Nomenklatur)
• Ordnungszahl:
Anzahl der Protonen bzw. Anzahl der
Elektronen
• Nucleonenzahl (Massenzahl):
Anzahl der Protonen plus Anzahl der
Neutronen*
• Hauptgruppennummer:
Anzahl der Außenelektronen
• Periodennummer:
Anzahl der besetzten Schalen
2
3
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*Chlor kommt in der Natur mit zwei Atomarten (Nucliden) vor, die 18
bzw. 20 Neutronen neben jeweils 17 Protonen im Kern enthalten.
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Periodensystem der Elemente
• Edelgase: Bei den Edelgasen sind die äußersten
Elektronenschalen voll besetzt: He 1s2, Ne 2s2 p6,
Ar 3s2 p6 usw. Sie sind daher extrem reaktionsträge.
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Periodensystem der Elemente
(alte Nomenklatur)
• Biochemisch wichtige Hauptgruppenelemente sind
- 1. Gruppe: Wasserstoff (H), Natrium (Na), Kalium (K)
- 2. Gruppe: Magnesium (Mg), Calcium (Ca)
- 4. Gruppe: Kohlenstoff (C)
- 5. Gruppe: Stickstoff (N), Phosphor (P)
- 6. Gruppe: Sauerstoff (O), Schwefel (S)
- 7. Gruppe: Fluor (F), Chlor (Cl), Iod (I)
• Biochemisch wichtige Nebengruppenelemente sind
- Eisen (Fe), Cobalt (Co), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Chrom
(Cr), Molybdän (Mo), Mangan (Mn)
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Valenzelektronenzahl
• Die Elektronen in der äußersten Schale der Elemente
sind für ihre chemischen und z. T. physikalischen
Eigenschaften verantwortlich.
• Mit Hilfe dieser Elektronen können Elemente verknüpft
werden, d.h. Bindungen (Valenzen) ausbildet werden.
• Man nennt diese Außenelektronen auch
Valenzelektronen.
• Die Valenzelektronen bestimmen somit das chemische
Verhalten der Elemente.
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Oxidationsstufen
• Wird einem neutralen chemischen Element ein
Valenzelektron entrissen, wird es einfach positiv
geladen.
- Es entsteht ein einwertiges Kation.
- Das Element wird oxidiert, seine Oxidationsstufe ist
+1.
• Die Oxidationszahl -1 erhält man, wenn einem
neutralen Element ein Valenzelektron zusätzlich
hinzugefügt wird.
- Es entsteht ein Anion.
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Ionen
• Als Ionen bezeichnet man geladene Teilchen (Atome,
Moleküle):
- Ionen mit Elektronenmangel sind Kationen,
- Ionen mit Elektronenüberschuss sind Anionen.
• Die jeweilige Ladung wird mit dem entsprechenden
Vorzeichen oben rechts an dem Element, Molekül etc.
angegeben, z.B.
23+
Cl , SO4 , Cr
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Metalle und Nichtmetalle
• Die meisten Elemente sind Metalle.
• Metalle haben hohe elektrische Leitfähigkeit, metallischen
Glanz, kleine Elektronegativitäten, Ionisierungspotentiale und
Elektronenaffinitäten.
- Sie können in Säuren den Wasserstoff ersetzen und
Oxide bilden.
- Innerhalb einer Gruppe nimmt der metallische Charakter
von oben nach unten zu.
- Innerhalb einer Periode nimmt der metallische Charakter
von links nach rechts ab.
- Eine „Trennungslinie“ bilden die sogenannten
Halbmetalle B, Si, Ge, As, Te
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Metalle und Nichtmetalle
(alte Nomenklatur)
• Die Metalle der 1. Gruppe werden auch Alkalimetalle
genannt.
• Die Metalle der 2. Gruppe werden auch Erdalkalimetalle
genannt.
• Die Elemente der 6. Gruppe sind die sogenannten
Chalkogene.
• Die Elemente der 7. Gruppe sind die sogenannten
Halogene.
• In der 8. Gruppe stehen die Edelgase.
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Ordnungsprinzip
der Elemente:
← Periode → 1 - 7
↑
Gruppe
I - VIII
M.
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↓
Es gibt 8 Hauptgruppen & 8 Nebengruppen (Übergangselemente)
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Metalle und Nichtmetalle
• Nichtmetalle stehen mit Ausnahme des Wasserstoffs im
Periodensystem eine bis vier Positionen vor einem Edelgas.
- Sie haben relativ hohe Ionisierungspotentiale, relativ
große Elektronenaffinitäten (für die einwertigen Anionen)
und große Elektronegativitätswerte (außer den
Edelgasen).
- Sie können untereinander typisch kovalente
Verbindungen bilden wie CO2, SO2, NO2
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Biochemie_Teil_1_neu - Antiinfectives Intelligence