Sieben Moleküle

Die chemischen Elemente und das Leben

Jürgen-Hinrich Fuhrhop, Tianyu Wang

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2012
• ISBN:
  9783527659944
• Auflage: 1
• Thema: Naturwissenschaften
• Thema: Organische Chemie

Es ist Allgemeinwissen: der Mensch besteht zu mehr als 70 Gewichtsprozent aus Wasser - Man erfahrt dies entweder in der Natur auf Waldlehrpfaden oder in der Grundschule... Wasser ist uberlebenswichtig und wird in einem weit verzweigten Rohleitungssystem befordert: den Blut- und Lymphebahnen, vom kleinen Zeh bis in das Sprachzentrum des Hirns. Aber welche Rolle spielt Wasser in der Chemie des Menschen? Der Chemie-Professor Jurgen Fuhrhop und Dr. Tianyu Wang haben die unubersehbare Anzahl chemischer Verbindung auf sieben Lebensmolekule beschrankt. Nach ihrer Auffassung sind diese, von der Evolution auserwahlten Molekule die Trager des menschlichen Lebens. Und die Autoren scheuen weder einen Blick ins Universum, wo die chemischen Elemente herkommen, noch auf die Verfahrenstechnik der Papierherstellung oder des Laserdruckers, die die Glucose nutzen. Menschen ab 15 ihre eigene Chemie anschaulich zu vermitteln, das ist das Ziel. Im Buch werden sowohl funktionierende ("gesunde") wie verstopfte ("kranke") Wasserlaufe dargestellt. Das Kohlenhydrat Glucose bildet Pflanzen und treibt die Hirne an, Lecithinmembranen umhullen biologische Zellen und bauen Stromquellen der Nerven und Muskeln auf. Tyrosin ist der wichtigste molekulare Anker fur Proteine und Arzneimittel, ohne ATP gabe es keinen Gedanken, kein Gefuhl, kein Erlebnis. Oxyham stellt den Sauerstoff der Luft atomar zur Verfugung damit Nahrungstoffe bei 37? C in Wasser verbrennen, Retinal leitet das Licht ins Gehirn und verwandelt es in Strom. Zur Vertiefung des Stoffes werden in jedem Kapitel Fragen gestellt. Die Antworten dazu findet man am Ende des Buches.

Teil 1
Die biologischen Materialien: Flüssiges Wasser, Rohre, Gele und Membranen

1

Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

Alles fließt (Platons Zusammenfassung der Lehre Heraklits)

Wasser: Wandlungsphase eins (I ging, das Chinesische Buch der Wandlungen)

Überblick

1.1 Die Materie des Universums besteht zu 92,4% aus den Protonen (p) und 7,3%α-Teilchen (p₂n₂) der Sterne und den entsprechenden Atomen Wasserstoff und Helium im interstellaren Raum. Die Elemente SCHÖPFeN entstehen zusammen mit etwa hundert anderen zu insgesamt 0,3% in großen Sternen durch Fusion der Protonen (p = H⁺) und Neutronen (n), nachdem die Umwandlung von Protonen in Neutronen und Positronenstrahlung viel Energie freigesetzt hat.

Chemische Bindungen entstehen im interstellaren Raum. Sie entsprechen Elektronenpaaren geringfügiger Masse, aber großer elektromagnetischer Energie, die sich als Wellen in begrenzten Räumen („Orbitalen“) zwischen den Atomkernen bewegen. Das häufigste Molekül des Weltalls ist Wasserstoff, H₂, danach kommt, mindestens hundertmal seltener, das Wasser. Alles Wasser des Weltraums ist sehr kaltes Eis, das flüssige Wasser der Erde bildet eine Ausnahme. Alles Erdwasser stammt aus dem Weltraum. Seine Gesamtmenge ist seit sechs Milliarden Jahren unverändert. Das Sauerstoffmolekül der Luft stammt aus der Biochemie des Wassers auf der Erde und enthält eine Dreifachbindung und zwei ungepaarte Elektronen („Biradikal“) in antibindenden Orbitalen.

1.2 Das Wassermolekül ist eine Pyramide mit einem Volumen von etwa 0,3 nm³. 18 mL oder 1 mol enthalten 6×10²³ Moleküle mit je zwei negativen Elektronenpaaren und zwei positiven Protonen an den Ecken. Das schwere Sauerstoffatom im Zentrum der Wasserpyramide wirkt kaum nach außen, es fixiert lediglich Elektronen und Protonen, die sich über Wasserstoffbrücken erst zu pentameren, eisartigen, dann zu flüssigen hexameren Clustern verbinden. Diese Cluster bestimmen den sehr hohen Siedepunkt, die sehr geringe Viskosität, die Inkompressibilität, die hohe Dichte und die hohe Dielektrizitätskonstante des flüssigen Wassers.

1.3 Am Tage verdampft die Sonne das Wasser der Meere und setzt damit das Klima der Erde in Gang. Das Wasser kondensiert zu Tröpfchen (0–2 km Höhe) und Eiskriställchen (2–12 km Höhe), wenn es sich in der Atmosphäre der Kälte des Weltraums nähert. Winde entstehen, an kalten Bergwänden regnen die Wolken ab und das Wasser sammelt sich in Flüssen, Seen und im Boden. Etwa 3% des Wassers werden zu Süßwasser (10⁷ km³). Wasser ist nicht farblos, sondern schwach blau. Stehendes Wasser hat ab etwa 5 m Tiefe eine Temperatur von 4°C. Abfließendes und wellenbewegtes Wasser wird zur Erzeugung elektrischen Stroms über rotierende Turbinen genutzt.

1.4 Trinkwasser wird über unterirdische Rohrsysteme mit Pumpen zu den Menschen in den Städten gefördert, über Kanalsysteme in Abwasserbecken geleitet, dort gereinigt und wieder in die Flüsse geleitet. Im Menschen fließt das vom Herzen gepumpte Blut vorwiegend in Kapillaren.

1.5 Kochsalz und andere Salze zerfallen im Wasser in elektrisch geladene Teilchen (Ionen), die für Nerven- und Muskelströme in Gehirn und Körper der Tiere verantwortlich sind.

1.1 SCHÖPFeN: Protonen, Wasserstoff, Sauerstoff und Elektronen

Die sieben Atome oder Elemente, aus denen die sieben Moleküle bestehen, wurden von den Alchemisten und Chemikern Schwefel (engl. sulphur), Kohlenstoff (carbon), Wasserstoff (hydrogen), Sauerstoff (oxygen), Phosphor (phosphorus), Eisen (iron) und Stickstoff (nitrogen) getauft und haben als Symbol dazu die weltweit gebräuchlichen Abkürzungen S, C, H, O, P, Fe, N bekommen. Jedes dieser Atome hat einen Atomkern, der aus den Sternen stammt und eine Atomschale, die mit Elektronen aus dem interstellaren Raum gefüllt ist. Masse und Energie des Universums sind in den Sternen konzentriert, der interstellare Weltraum ist eine kalte Leere mit Staub und Strahlung und Planeten wie der Erde.

Die Erde hat vor sechs Milliarden Jahren viele Wassermoleküle aus dem Weltall an der Oberfläche gesammelt und etwa zwei Milliarden Jahre später begonnen, im warmen Sonnenschein Bäume, Gehirne und viele andere organisierte Systeme aus Wasser und den sieben Elementen entstehen zu lassen. Wie das geschehen konnte, wird wohl ewig ungeklärt bleiben. Im Laufe der Menschheitsgeschichte jedenfalls ist mit den sieben Molekülen nichts passiert: Es waren von Anfang an dieselben mit immer den gleichen Funktionen. Nie wird man mit letzter Gewissheit erfahren, wie die Evolution vor Milliarden Jahren begann und ablief. In Bezug auf die Entstehung der Elemente aber genügt die Beobachtung der Sterne von heute unter der vernünftigen Annahme, dass dort seit sechs Milliarden Jahren die gleichen Prozesse ablaufen. Ein ähnliches „Prinzip des Aktualismus“ gilt für die Entstehung der Erdkruste und des Erdinneren. Die Gegenwart ist ein Fenster zur Vergangenheit – Erosion, Klima und Vulkanismus, Physik und Chemie der Sterne und des interstellaren Raums sind elementar einfach und werden von immer den gleichen chemischen und physikalischen Gesetzen gesteuert. Gesteinsschichten und Gebirge, die heute langsam wachsen oder verschwinden, haben das schon immer so getan. Die astronomische und geologische Geschichtsschreibung ist deshalb glaubwürdig und nachvollziehbar, wenn man von der unvorstellbaren Umwandlung von Energie zu Protonen in einem einzigen „Urknall“ einmal absieht.

Über die Herkunft des Atomkerns des Wasserstoffs, H⁺, ist nichts weiter zu sagen, als dass er als Proton (p) „schon immer da“ war. In allen Sternen liegt dieser einfachste aller Bausteine der Materie als nackter Atomkern vor, daher auch die Bezeichnung „Proton“ (griech. protyl, „Urstoff“). Aus ihm sind alle anderen Atomkerne durch Fusion in den Sternen entstanden. Heute besteht die Materie des Weltalls zu 92,4 Gewichtsprozent aus Protonen mit einem Durchmesser von etwa einem Femtometer (10^–15 m). Das Proton trägt eine positive elektrische Elementarladung und hat die relative Atommasse Eins. Alle anderen Atomarten sind Vielfache der Elementarmasse des Protons. Auch zwei von drei Atomkernen des Wassers, H₂O, sind Protonen.

Bei Sternentemperaturen von tausenden bis Milliarden Grad und bei der extrem dichten Packung der Protonen in den Sternen werden die Abstoßungskräfte zwischen den positiven Ladungen so groß, dass das Proton zerfällt: Ein positiv geladenes Positron mit viel Energie und kaum Masse wird abgestrahlt, zurück bleibt ein elektroneutrales, stabileres Neutron (n). Positronen sind 2000-mal leichter als Protonen; Positronenstrahlung ist energiereich mit einer Wellenlänge von etwa 10^–12 m, 100 000-mal energiereicher als die energiereichste ultraviolette Strahlung der Sonne mit einer Wellenlänge von etwa 10^–7 m oder 100 nm (1 nm = 10^–9 m). Das Positron existiert auf der Erde nicht, aber man kann es in Cyclotrons künstlich herstellen und benutzen, um die Wanderung des Wassers und der Glucose im Gehirn und im Körper zu verfolgen (Seite 51f und 102f).

Das Neutron (n) reagiert in den Sternen spontan mit einem zweiten Proton zu einem Deuteron (pn; griech. deutero, „das Zweite“). Die einfachste und häufigste „Fusion“ der Atomkerne in den Sternen ist damit erfolgt. Es folgt eine weitere Fusion zweier Deuteronen zu α-Teilchen (p₂n₂) oder Heliumkernen He²⁺. Das ist alles, was die meisten Sterne, zum Beispiel unsere Sonne, können: Sie verschmelzen Wasserstoff- zu Heliumkernen und setzen dabei viel Energie frei. 99,7% der Masse des Weltalls sind damit erfasst: 92,4% sind die „ursprünglichen“ Wasserstoffkerne, 7,3% sind Heliumkerne aus dieser einen Fusion. Dabei gilt immer, dass man Reaktionen im Universum nie in der Vergangenheitsform schildern sollte, denn sie laufen – wie schon gesagt – heute genauso ab wie vor Milliarden Jahren (Abb. 1.1).

Die nächsten Elemente des Alls stammen aus dem CNO-Fusionszyklus in den großen Sternen. Kohlenstoff (₆C), Stickstoff (₇N) und Sauerstoff (₈O) stammen aus der Fusion von zwei ⁴He-Kernen zum kurzlebigen Berylliumkern ⁸Be, der zunächst ein weiteres α-Teilchen (p₂n₂) aufnimmt und Kohlenstoff ¹²C bildet. Aus ¹²C und pn wird dann Stickstoff ¹⁴N, aus ¹²C und Deuterium p₂n₂ wird Sauerstoff, ¹⁶O. Die links tief gestellte Zahl gibt hier die Zahl der Protonen im Kern oder, deutscher, die „Ordnungszahl“ der Elemente an, die links hochgestellte Zahl die Masse des Kerns, also die Summe aus Protonen und Neutronen. Die tief gestellten Zahlen sind identisch mit der Reihenfolge im Periodensystem, das wir hier nicht besprechen, weil wir es nicht brauchen.

Abb. 1.1 Im Kern der Sonne und anderer Sterne kollidieren zwei Protonen H⁺ und erzeugen ein Deuteron, in dem ein Proton und ein Neutron dicht nebeneinander liegen. Die andere positive Ladung wird in Form eines Positrons e⁺ abgestrahlt. (Das Positron ist das Antiteilchen des Elektrons.)

Die vier Elemente H, C, N und O genügen bereits, um die Wände der biologischen Wasserrohre, die Zellmembranen und Proteine der Bäume und Menschen, zu formen; zum Aufbau der Pflanzen fehlt eigentlich nur noch Magnesium, ₁₂Mg, das häufigste Metall im Weltall. Für die Nerven- und Muskelströme brauchen wir außerdem ₁₅Phosphor, ₁₁Natrium, ₁₉Kalium und ₂₀Calcium, wobei sich Calciumphosphat für Knochen und Zähne als unübertrefflich erwies.

Nach der Bildung der α-Teilchen (Heliumkerne) und der Atomkerne von C, N, O kollabieren die großen Sterne und erhitzen sich weiter. Neue Zyklen beginnen, denen jetzt Kohlenstoff-, Neon-, Sauerstoff- und Silicium-Kerne als Ausgangsstoffe dienen, wobei die letzen drei der sieben Elemente, nämlich Phosphor (₁₅P), Schwefel (₁₆S), und Eisen (₂₆Fe), ebenso wie Natrium (₁₁Na), Magnesium (₁₂Mg), Kalium (₁₉K), und Calcium (₂₀Ca) gebildet werden. All das läuft träge ab, die Ausbeuten sind miserabel. Die Sterne, auch die schweren und sehr heißen, bleiben überwiegend (99,7%!) bei Protonen und Heliumkernen stehen, ihre Zusammensetzung ähnelt der der Sonne. Nur die Zwischenstufe der Deuteronen, pn = ²H⁺, ist bei der Kernfusion einigermaßen aktiv und sorgt für schwere Elemente mit gerader Massenzahl.²⁶Eisen ist das letzte Element, mit dessen Bildung die Sterne noch Energie gewinnen, das also „freiwillig“ hergestellt wird. Danach kommen Cobalt (²⁷Co) und Nickel (²⁸Ni), für deren Bildung schon ein wenig Energie zugeschossen werden muss. Die schweren Elemente wie Platin, Gold, Quecksilber und Blei kosten die Sterne sehr viel Energie, werden in Fusionen nur selten erreicht und zerplatzen außerdem in heißen Sternen leicht wieder. Wasserstoff- und Heliumkerne dominieren deshalb die Weltallmaterie; die leichten Elemente bis zum Eisen sind tausend- (CNOSFe) bis millionenfach (P) seltener und die schweren Elemente jenseits vom Eisen gar milliardenfach weniger vorhanden als Protonen.

Das häufigste Metall ist merkwürdigerweise nicht das erste Metall mit einer geraden Ordnungszahl (Beryllium, ₄Be, das aus reaktionsfreudigen Deuteronen direkt zugänglich ist, aber in großer Hitze leicht zerfällt) sondern gleichauf das zweite und dritte, Magnesium und Eisen, ₁₂Mg und ₂₆Fe. Magnesium wurde in der Evolution zum Metall des Chlorophylls, das in Photosynthese Sauerstoffmoleküle, O₂, produziert, Eisen lagerte sich in den Blutfarbstoff Häm ein, der das gleiche Sauerstoffmolekül zur Verbrennung der Nahrungsstoffe in Mensch und Tier nutzt (Abb. 1.2).

Die Atomkerne SCHOPFeN sind damit im Weltall vorhanden. Die Sterne haben materiell beigesteuert, was sie konnten, um Voraussetzungen für die biologische Evolution auf der Erde zu schaffen. Nun dampfen die Atomkerne ins kalte Universum ab, treffen auf „Weltraumstrahlung“ mit einem hohen Anteil negativ geladener Elektronen und fangen diese, weit entfernt von den heißen Sternen, in einer „Schale“ um den Kern herum ein. Atomkerne werden so zu Atomen, dann zu Molekülen. Das Eintreten der Elektronenpaare in die Atomschale symbolisieren wir in diesem Buch durch einen Doppelpunkt im Zentrum von SCHOPFeN und erhalten so das in der deutschen Sprache bildhaftsuggestive Wort „SCHÖPFeN“ für die sieben Atombausteine des Lebens.

Das I-Ging-Schöpfungsspiel der Chinesen mit Yin und Yang hat damit begonnen, wobei Yin der primären Kraft der Ausdehnung des Universums entspricht, Yang der des Zusammenziehens. Die schweren, massehaltigen Atomkerne (Yang) haben einen zusammenziehenden (zentripetalen) Effekt und ziehen die leichten Elektronen (Yin) an. Die Wellenstrahlung der Elektronen wirkt zentrifugal, strebt Raumausfüllung an (Yin). Kerne liegen innen (Yang), die Elektronen außen (Yin), Kerne sind harte (Yang) Materie, Elektronen haben einen weichen (Yin), diffusen Wellencharakter, Elektronen sind negativ (Yin) geladen und tendieren zu chemischen Bindungen, zu „sozialem“ (Yin) Kontakt mit Nachbarn. Kernen ist die Chemie fremd, sie führen ein abgeschirmtes Eigenleben (Yang) (Abb. 1.3).

Wir kommen zur Chemie, zum Spiel der Elektronen miteinander, das Atome aneinander bindet, sie zu Molekülen zusammenfügt. Elektronen haben den gleichen Doppelcharakter wie die Positronen: sie sind einerseits leichte Teilchen mit einer Ladung und einer unbegrenzten Lebensdauer, die sich mit Magnetfeldern beschleunigen und mit Wasser hydratisieren lassen. Andererseits sind Elektronen eine energiereiche Wellenstrahlung mit einer Wellenlänge von 10^–12 m oder 1 pm (1 pm = 10^–12 m). Im Atom wiegen die Elektronen fast nichts und bewegen sich mit Geschwindigkeiten von 3000 km/s. Nahe an den Atomkerne schwirren sie als „Elektronenwolken“ und bilden chemische Bindungen zwischen den Atomkernen aus. Aus zwei Wasserstoffatomen wird so zum Beispiel ein Wasserstoffmolekül, H₂. Die Elektronen lokalisieren sich dabei entwe der als einzelne Elektronen oder als ein Elektronenpaar in definierten Raumsegmenten („Orbitalen“), die etwa 2000-mal größer sind als der Atomkern. Zu den Elektronenpaaren in einem einzigen Orbital kommt es trotz der elektrostatischen Abstoßung gleicher Ladungen. Diese „Elektronenkorrelation“ wird in den Modellen der Quantenmechanik in erster Näherung gegenüber der Wechselwirkung der Elektronen mit dem unbeweglichen Kern einfach vernachlässigt oder nur in Form einer geringfügigen „Abschirmung“ der Kernladung durch benachbarte Elektronen berücksichtigt. Wenn der abstoßende Effekt zwischen den Elektronen so gering ist, würde man natürlich nicht nur zwei, sondern mehrere Elektronen in kernnahen Orbitalen erwarten. Das wiederum ist deshalb nicht der Fall, weil die Elektronen in einem Orbital alle gleiche Energie haben, sich aber durch wenigstens eine Quantenzahl unterscheiden müssen – sonst wären sie identisch. Diese Quantenzahl heißt „Spinquantenzahl“ und ihr Betrag ist bei Elektronen entweder +¹/₂ oder –¹/₂. (Modell: Das Elektron rotiert um eine gedachte Achse links oder rechts herum.) Da nur diese beiden Werte möglich sind, können sich immer nur zwei Elektronen in einem Energieraum aufhalten. Akzeptiert man diese Modellvorstellung, kann man sich anschaulich vorstellen, dass die Elektronen auf Grund ihrer schnellen Bewegung um den Kern und einer Rotation um die eigene Achse ein magnetisches Moment komplizierter Struktur erzeugen, das ein positives oder negatives Vorzeichen haben kann. Die geringe Abstoßung zwischen den beweglichen Ladungen könnte dann durch magnetische Anziehung aufgehoben werden. Der langen Rede kurzer Sinn:Chemische Bindungen bestehen aus Elektronenpaaren zwischen Atomkernen. Es gibt sie nur im interstellaren Raum, nicht in den Sternen (Abb. 1.4).

Abb. 1.2 Relative Häufigkeit der Elemente der Sonne bis zum Zink. Sie wurde aus dem Emissionsspektrum dieses Sterns abgeleitet. Wasserstoff ist zehnmal häufiger als Helium und 10¹⁰-mal häufiger als Beryllium (Be). Fünf Elemente unserer sieben Moleküle sind etwa 10³-bis 10⁴-mal seltener als H, P ist 10⁶-mal seltener. Die...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Title
• Copyright
• Vorwort
• Einleitung: SCHÖPFeN und Waglule Tyatohre
• Teil 1 Die biologischen Materialien: Flüssiges Wasser, Rohre, Gele und Membranen
• Teil 2 Molekulare Module für chemische Wechselwirkungen, Nerven, Muskeln, Atmung und das Sehen
• Epilog: Mit unseren sieben Molekülen erreichen wir viel
• Anhang: Stichworte zur Lösung der Aufgaben
• Register