Stöchiometrie, Elementarteilchen und Dimensionen
Biologische Aspekte
(Vorlesung PK 24.10.2001)
(1) Die Atmung (aerobe/anaerobe Respiration)
unter Energiekonservierung – Umsatz von
Disauerstoff, O2, zu Wasser, H2O – Knallgas-Reaktion
- Kompartimentierung
(2) Elementarteilchen und Reaktionszeiten
(vom Proton und Elektron zum Protein,
Elektronen- und Protonenübertragung;
Dimensionen)
(3) Farbe, Radioaktivität und Magnetismus
(Pigmente, Diagnostik und Therapie, Analytik,
Bildgebung)
(1) Die Atmung (aerobe/anaerobe Respiration)
erklärt am Beispiel der Knallgasreaktion (der Einfachheit halber
alles in der Gasphase)
1 H2 (g) + ½ O2(g) . 1 H2O (g) (1)
stöchiometrisch korrekt, aber chemisch besser wäre
2 H2 (g) + 1 O2(g) . 2 H2O (g) (2)
Summenformel für Wasser H2O (besteht also formal aus 2 H-Atomen
und einem Sauerstoffatom); wichtig die räumliche und
die elektronische Anordnung der Atome im Wassermolekül
O
H H
Organismen, die Disauerstoff verwerten und zu Wasser umsetzen
unter Konservierung von Energie (gespeichert in Form von ATP),
nennt man Aerobier. Organismen, die statt Disauerstoff = O2
andere Moleküle (z.B. Schwefelverbindungen) nehmen, leben
anaerob. Der Mensch ist also ein Aerobier. Mikroorganismen
(Bakterien), die z.B. Sulfat = SO4 2- zu Schwefelwasserstoff = H2S
umsetzen, sind Anaerobier. Es gibt Bakterien, die können
Diwasserstoff = H2 als Brennstoff benutzen, der Mensch nicht. Er
nimmt als Brennstoffe Kohlenstoffverbindungen, z.B. Zucker,
Fette, Eiweisse.
Weitere formale stöchiometrische Reaktionen von Diwasserstoff
und Disauerstoff:
1 H2 (g) + 1 O2(g) . 1 H2O2 (g) (3)
H2O2 = Wasserstoffperoxid; wird gebildet in biologischen
Systemen
1 H2 (g) + 2 O2(g) . 2 HO2 (g) (4)
HO2 bzw. die deprotonierte Form, O2 .- , wird das Superoxidanion
genannt. Ähnlich wie das Wasserstoffatom hat es ein ungepaartes
Elektron. Teilchen mit einem oder mehreren ungepaarten
Elektronen nennen wir Radikale. O2 .- wird gebildet in
biologischen Systemen. Ähnlich wird in biologischen Systemen das
Hydroxylradikal = OH . gefunden, ein besonders aggressives
Teilchen.
1/2 H2 (g) + 1 H2O2(g) . 1 H2O (g) + 1 OH . (g) (5)
(besser 1 H2(g) + 2 H2O2(g) . 2 H2O (g) + 2 OH . (g)) (6)
In biologischen Systemen (Beispiel Mitochondriale Atmungskette
von Aerobiern) werden bevorzugt Protonen und Elektronen
übertragen bei der Energie-Konservierung. Zwei Elektronen
(Achtung: Coulombabstoßung) lassen sich in Form eines
Hydridanions übertragen. Die Freisetzung von H-Atomen wird in
der Regel vermieden.
Wesentliche Bauteile (Redoxenzyme) der mitochondrialen
Atmungskette sind eingebettet in eine Lipidmembran
(fettähnliche nichtwässrige Phase). Es findet somit eine
Kompartimentierung in eine wässrige und in eine nichtwässrige
Phase statt, über die Membran besteht ein Konzentrationsgefälle
von Protonen, H + i und H + a (Protonen innen und Protonen außen,
siehe Schaubild). Cytochrom c Oxidase ist eines dieser
membranständigen Redoxenzyme (Cu,Fe-abhängiges Enzym), in
dessen Aktivzentrum Disauerstoff umgesetzt wird zu Wasser
gemäß folgender Stöchiometrie:
4 H + + 4 e - + 1 O2 + 4 H + i . 2 H2O (g) + 4 H + a (7)
Der Umsatz von Disauerstoff wird benutzt, um Protonen über die
Membran zu pumpen. Cytochrom c Oxidase ist also eine
Protonenpumpe mit speziellen Kanälen gebaut aus Aminosäuren
für die Protonen. Neben Protonenpumpen gibt es auch Pumpen
für andere Ionen wie Na + oder Ca 2+ .
(2) Elementarteilchen und Reaktionszeiten (vom
Proton und Elektron zum Protein, Elektronen- und
Protonenübertragung; Dimensionen)
Diwasserstoff läßt sich formal zerlegen in zwei Protonen und zwei
Elektronen (Gl. 3), oder in ein Proton = H + und ein Hydridanion =
H - (Gl. 4), oder in zwei Wasserstoffatome = H . (Gl. 5).
1 H2 . 2 H + + 2 e - (8)
1 H2 . 1 H + + 1 H - (9)
1 H2 . 1 H . + 1 H . (10)
Chemische/Biochemische Reaktionen finden im Zeitbereich von
Stunden bis Millisekunden (= 1/1000 Sekunde) statt.
Primärreaktionen bei der Photosynthese (Ladungstrennung,
Elektronentransfer) laufen im Femto- bis Picosekundenbereich
(10 -15 bis 10 -12 s) ab, Protonierungsreaktionen im Bereich von
Nanosekunden (10 -9 s).
Die Länge einer O-H Bindung in Wasser beträgt 95.7 pm
(Picometer) =
95.7 x 10 -12 m (Meter); die Wellenlänge elektromagnetischer
Strahlung, z.B. im UV-Bereich, liegt bei 250 nm (Nanometer) =
250 x 10 -9 m (Meter).
Die Masse eines Protons beträgt 1.67 x 10 -24 g (Gramm), die des
Elektrons 9.1 x 10 -28 g (Gramm). Bei biologischen Molekülen (vor
allem bei Makromolekülen) benützt man die Einheit Dalton (1
Da) für die vereinheitlichte atomare Masseneinheit u [ma ( 12 C)/12
. 1.66 x 10 -27 kg]; das biologische Makromolekül Cytochrom c hat
die Masse von ca. 10 kDa, d.h. für ein Mol Cytochrom c in einem
Liter Wasser müßte man ca. 10 kg Cytochrom c abwiegen und
lösen.
Das mittlere Kernvolumen liegt bei ca. 10 -39 cm 3 , das mittlere
Atomvolumen bei ca. 10 -23 cm 3 .
(für mehr Information siehe ‚Größen, Einheiten und Symbole in
der Physikalischen Chemie’, Verlag Chemie, 1996; International
Union of Pure and Applied Chemistry =IUPAC)
(3) Farbe, Radioaktivität und Magnetismus
(Pigmente, Diagnostik und Therapie, Analytik,
Bildgebung)
Eigenschaften wie Farbe, Radioaktivität und Magnetismus von
Teilchen/Verbindungen dienen als wertvolle Sonden zur Analyse
biologischer Systeme und können zur Bildgebung herangezogen
werden (Stichwort Tomographie). In der Medizin können sie zur
Diagnose und Therapie eingesetzt werden.
Charakteristische Farbstoffe in biologischen Systemen sind die
Porphyrine wie Hämoglobin oder Myoglobin, mit Fe als Metall,
oder Chlorophyll, mit Mg als Metall.
Kurzlebige Radionuklide wie 18 F oder 67 Cu können zur
Bildgebung eingesetzt werden; durch Bindung an organische
Moleküle werden sie bioverfügbar gemacht, durch Bindung an
Antikörper können sie ortsspezifisch eingesetzt werden im
Idealfall. 99 Tc ist ein besonders häufig eingesetztes Element für
Diagnostik und Therapie.
Hört sich zwar nicht so an, als wäre es das richtige, aber ich habs wenigstens versucht... Naja, das waren ja auch erst die ersten 5 Seiten *g*
Frab
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