Lebenswichtige Elemente (1)

Chemische Elemente können nicht weiter zerlegt werden und sind essentiell für biologische Prozesse. Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel sind die Grundelemente des Lebens. Erfahre, warum diese Elemente so wichtig sind und wie sie in Stoffgruppen wie Lipiden, Kohlenhydraten, Proteinen und DNA vorkommen. Interessiert? Das und vieles mehr im folgenden Text!

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Inhaltsverzeichnis zum Thema Lebenswichtige Elemente (1)

Elemente des Lebens – Chemie
Lebenswichtige Elemente
Chemische Evolution
- Periodensystem des Lebens
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Stöchiometrische Wertigkeit

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Elektronegativität – Abhängigkeit von der Stellung im Periodensystem der Elemente

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Lebenswichtige Elemente (1)

Lebenswichtige Elemente (2)

Elemente des Lebens – Chemie

Ständig ist in der Chemie von Elementen und vom Periodensystem der Elemente die Rede. Hast du dich schon einmal gefragt, was ein chemisches Element eigentlich ist? Ein chemisches Element ist ein Reinstoff, der durch chemische Methoden nicht in weitere Bestandteile zerlegt werden kann. Welche chemischen Elemente gibt es und welche davon sind im menschlichen Körper zu finden? Mit diesen Fragen beschäftigt sich der folgende Text.

Lebenswichtige Elemente

Es sind insgesamt 118 chemische Elemente bekannt. Von all diesen Elementen kommen 81 stabil in der Natur vor. Angeordnet sind die Elemente im Periodensystem der Elemente. Chemische Elemente, die sich ähnlich verhalten, stehen im Periodensystem in direkter Nachbarschaft. Die Abkürzungen der Elemente ergeben sich in vielen Fällen aus dem ersten oder den ersten beiden Buchstaben des lateinischen Namens des chemischen Elements. Es gibt aber auch Ausnahmen. 22 Elemente sind für den menschlichen Stoffwechsel wichtig. Sechs Elemente bilden die Elemente des Lebens.

Kohlenstoff ($\ce{C}$), Wasserstoff ($\ce{H}$), Stickstoff ($\ce{N}$), Sauerstoff ($\ce{O}$), Phosphor ($\ce{P}$) und Schwefel ($\ce{S}$) sind die Grundelemente des Lebens.

Aus diesen elementaren Stoffen setzen sich Lipide, Kohlenhydrate, Proteineund die DNA zusammen. Diese Stoffgruppen sind die Bausteine aller Lebewesen. Ohne diese Elemente ist ein Leben auf der Erde nicht möglich. Warum gerade diese sechs Elemente und was für Eigenschaften müssen Elemente haben, damit sie an der Entstehung des Lebens beteiligt sein können? Die Antwort auf diese Fragen gibt die Betrachtung der chemischen Evolution.

Chemische Evolution

Damit Elemente an Stoffwechselprozessen beteiligt sein können, müssen sie in ausreichender Menge in der Erdkruste vorhanden sein. Seltene Stoffe können nicht in allen Lebewesen vorkommen, da ihre Bioverfügbarkeit zu gering ist. Eine weitere Bedingung, die Elemente erfüllen müssen, ist die Gestalt- und Stoffwechseldynamik. Darunter wird verstanden, dass die Elemente Reaktionen eingehen können, die Stoffwechselprozesse unterstützen.

Zu den Stoffwechselprozessen zählen alle Reaktionen, die am Aufbau, Umbau und Abbau von Stoffen beteiligt sind. Im Folgenden lernst du die Stoffe kennen, die diese beiden Bedingungen erfüllen.

Periodensystem des Lebens

Die Stoffe, die für Lebewesen eine Rolle spielen und eine Bedeutung für den Stoffwechsel haben, sind in folgender Abbildung eines Periodensystem des Lebens dargestellt. Die Position der Elemente entspricht der Stellung im Periodensystem der Elemente:

Periodensystem des Lebens, 26 Elemente des Körpers

Im Folgenden werden die biochemisch wichtigen Elemente etwas genauer betrachtet. Neben den bereits erwähnten sechs Grundelementen des Lebens sind auch die Mineralstoffe und Spurenelemente für den menschlichen Organismus von großer Bedeutung. Diese Elemente müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Mineralstoffe weisen im Körper eine Konzentration von mehr als $\pu{50mg/kg}$ auf, Spurenelemente weniger als $\pu{50mg/kg}$. In folgender Tabelle sind die für den menschlichen Stoffwechsel essenziellen Mineralstoffe und Spurenelemente aufgelistet:

Mineralstoffe	Spurenelemente
Natrium ($\ce{Na}$), Magnesium ($\ce{Mg}$), Phosphor ($\ce{P}$), Schwefel ($\ce{S}$), Chlor ($\ce{Cl}$), Kalium ($\ce{K}$), Calcium ($\ce{Ca}$)	Chrom ($\ce{Cr}$), Mangan ($\ce{Mn}$), Eisen ($\ce{Fe}$), Cobalt ($\ce{Co}$), Kupfer ($\ce{Cu}$), Zink ($\ce{Zn}$), Selen ($\ce{Se}$), Jod ($\ce{I}$), Molybdän ($\ce{Mo}$)

Mineralstoffe und Spurenelemente spielen in vielen Stoffwechselvorgängen eine entscheidende Rolle, beispielsweise als Bestandteile von Enzymen, Hormonen oder bei der Signalweiterleitung im Nervensystem oder zwischen Zellen.

Dieses Video

In diesem Video erfährst du, was ein Element ist. Du lernst etwas über die Elemente des Lebens. Nach dem Betrachten des Videos hast du genügend Wissen, um Arbeitsblätter zum Thema zu bearbeiten. Viel Spaß!

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um biochemisch und medizinisch wichtige Elemente. Als Vorkenntnisse solltet ihr einen Überblick über das Periodensystem der Elemente besitzen. Ihr solltet wissen, was Hauptgruppen sind und Nebengruppen. Außerdem solltet ihr wissen, was ein chemisches Element ist. Mein Ziel ist es, euch eine klare Darstellung des Problems zu vermitteln und eine anschauliche Übersicht über die entsprechenden Elemente zu präsentieren. Dieses Video ist Teil 1 von 2 Videos. Den Film habe ich in 4 Abschnitte untergliedert. 1. Wie viele Elemente sind wichtig? 2. Chemische Evolution 3. "Periodensystem des Lebens" 4. Zusammenfassung 1. Wie viele Elemente sind wichtig? Das Periodensystem der Elemente hat eine ganze Reihe von Vertretern: Wasserstoff, Helium, Lithium, Berillium, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Flur, Neon, Natrium, Magnesium, Aluminium, Silicium, Phosphor, Schwefel, Chlor, Argon, Kalium, Calcium, Scandium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink... Im Ganzen treffen wir im Periodensystem der Elemente 81 stabile Elemente an. Der Mensch benötigt für sich und seine Lebensprozesse davon nur etwa 20 Vertreter. Diese Elemente kommen meist nur in gebundener Form vor. Ausnahmen sind dabei die Hauptbestandteile der Luft: die Gase Stickstoff und Sauerstoff. 2. Chemische Evolution Das Leben und damit der Mensch haben ihre Elemente, die sie für ihre Existenz benötigen, alle aus der Erdkruste geschöpft. Ob diese Elemente nun zum Tragen kommen, hängt von 2 Faktoren ab: Das eine ist die Bioverfügbarkeit, d. h., ob diese Elemente in ausreichender Menge in der Erdkruste vorhanden sind. Das zweite ist, ob diese Elemente in der Lage sind, die Bedingungen für Gestalt- und Stoffwechseldynamik zu erfüllen. Das bedeutet, ob sie Reaktionen eingehen können, die die Lebensprozesse unterstützen. Wenn diese Bedingungen vorhanden sind, kann das entstehen, was wir als Leben bezeichnen. Ist die Bioverfügbarkeit vorhanden, so entscheiden Gestalt- und Stoffwechseldynamik über die tatsächliche Verwendung. Salze, wie Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Magnesiumchlorid oder Calciumchlorid und deren Ionen, hatten von vornherein gute Chancen für die Verwendung in Lebensprozessen. Von vornherein chancenlos waren die Verbindungen der chemischen Elemente Aluminium, Silicium und Titan, da sie größtenteils, vor allem die Oxide, nur sehr schwer wasserlöslich sind. Daher können sie keine Lebensprozesse unterstützen. Es ist plausibel sich vorzustellen, dass die chemische Evolution im Ganzen 3 Schritte durchlaufen hat. Auf der 1. Stufe musste man ein bestimmtes Element für die Entwicklung des Lebens als eine tragbare Verunreinigung werten. Im Laufe der Zeit entwickelte es sich zu einem nützlichen Element. Fest integriert in fundamentale Lebensprozesse, wurde es schließlich ein notwendiges Element. 3. "Periodensystem des Lebens" Für die Entwicklung eines "Periodensystems des Lebens" habe ich das Periodensystem der Elemente mit seinem oberen Teil und leeren Kästchen vorbereitet. Wir erinnern uns, dass die beiden ersten Gruppen aus Hauptelementen bestehen. Danach folgen 10 Gruppen mit Nebengruppenelementen. Die verbleibenden 6 Gruppen sind wieder Hauptgruppenelemente. Es ist sinnvoll, die zu besprechenden Elemente in 3 Gruppen zu unterteilen: Mit grüner Schrift möchte ich die biochemisch wichtigen Elemente eintragen. Die pharmakologisch oder toxikologisch bedeutsamen Elemente werde ich blau markieren. Elemente, die außerdem in Naturstoffen bzw. Lebewesen vorkommen, werde ich mit schwarzer Farbe aufschreiben. Beginnen wir also mit den biochemisch wichtigen Elementen. Das sind Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Fluor. Außerdem gehören dazu: Natrium, Magnesium, Silicium, Phosphor, Schwefel und Chlor. Und schließlich Kalium, Calcium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Kupfer, Zink, Arsen, Selen und Jod. Zu den pharmakologisch oder toxikologisch bedeutsamen Elementen zählen Lithium, Ternecium, Silber, Cadmium und Barium. Außerdem gehören dazu: Platin, Gold, Quecksilber, Blei und Polonium. Als 3. schließlich die Elemente, die außerdem in Naturstoffen bzw. Lebewesen vorkommen. Das sind 5: Bor, Aluminium, Nickel, Brom und Vanadium. Wir wollen die Ergebnisse nun kurz zusammenfassen: Die chemischen Elemente für das Leben werden aus der Erdkruste gewonnen. Das sind 22 von insgesamt 81 stabilen Elementen des Periodensystems der Elemente. Diese Elemente benötigen wir unbedingt als Mensch. Diese 22 Elemente treten hauptsächlich in Verbindungen auf. Ausnahmen stellen die hauptsächlichen Bestandteile der Atmosphäre dar: die Gase Stickstoff und Sauerstoff. Es ist plausibel anzunehmen, dass ein chemisches Element sich über 3 Nutzungsstufen zum lebensnotwendigen Element entwickelt hat. Über die Stufen tragbare Verunreinigung, nützliches Element und notwendiges Element. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.

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Die Autor*innen

André Otto

Lebenswichtige Elemente (1)

lernst du in der 7. Klasse - 8. Klasse

Lebenswichtige Elemente (1) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Lebenswichtige Elemente (1) kannst du es wiederholen und üben.

Beschreibe die chemische Evolution der Elemente.

Tipps

In Verbindungen sind mehrere Elemente enthalten.

Lösung

Jedes chemische Element hat unterschiedliche Eigenschaften und kommt unterschiedlich häufig auf der Erde vor. Bei der Entwicklung des Lebens auf der Erde spielen beide Faktoren eine wichtige Rolle.
Elemente können schädlich für Organismen sein. Häufig stören sie dann wichtige Abläufe im Körper, weil sie in chemische Prozesse eingreifen. Sie ähneln anderen Elementen, auf Grund ihrer anderen Eigenschaften reagieren sie jedoch anders und bringen so die Chemie des Organismus durcheinander.
Bei häufig vorkommenden Elementen ist es daher für die Organismen wichtig, mit diesen Elementen umgehen zu können. Es entwickeln sich Mechanismen, die diese Elemente weniger giftig für den Körper machen.
Kann der Organismus die Eigenschaften des Elements zu seinem Vorteil verwenden, entwickelt sich das Element zu einem nützlichen Element. Es wird nun vom Organismus verwendet. Gibt es kein anderes Element, welches über diese nützlichen Eigenschaften verfügt, wird das Element im Laufe der Zeit zu einem notwendigen Element. Das Element kann nun durch kein anderes Element ersetzt werden.
Benenne biochemisch und pharmakologisch wichtige Elemente.

Tipps

Nicht alle rot markierten Elemente sind biochemisch oder pharmakologisch wichtig!

Lösung

Von den 81 natürlich auf der Erde vorkommenden Elementen sind etwa 20 lebenswichtig und von biochemischer Bedeutung. Diese Elemente sind teilweise am Aufbau der großen, strukturgebenden Kohlenhydrate beteiligt, teilweise sind sie wichtig für die Wirksamkeit von Enzymen, und teils sind sie wichtige Elektrolyte, die den Salzhaushalt des Körpers steuern.
Für die strukturgebenden Kohlenhydrate, die bei allen Lebewesen den Hauptteil ausmachen, sind die Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff die grundlegenden Elemente. Für die Wirkungsweise von Enzymen ist zum Beispiel das Nebengruppen-Element Cobalt wichtig. Chlorid- und Magnesium-Ionen spielen eine Rolle beim Salzhaushalt aller Lebewesen.
Barium und Blei sind im allgemeinen giftig für Organismen. Trotzdem haben sie, genau wie Silber, eine gewisse pharmakologische Bedeutung. Oft können giftige Substanzen, in geringen Mengen und gezielt eingesetzt, eine heilsame Wirkung haben.
Die übrigen rot markierten Elemente spielen keine Rolle in biologischen Systemen.
Erkläre die chemische Evolution des Elements Cobalt.

Tipps

Voraussetzung für die chemische Evolution eines Elementes ist, dass es für die Lebewesen verfügbar ist.

Lösung

Wie viele Schwermetalle kann auch Cobalt sehr gefährlich für die meisten Lebewesen sein. Das liegt daran, dass es in Stoffwechselprozesse eingreift. Es zerstört Enzyme, indem es deren Struktur ändert. Außerdem bewirkt es Schädigungen am Erbgut und ruft so Mutationen und Fehlbildungen hervor.
Dennoch ist Cobalt ein lebenswichtiges Element, das die Funktion einiger wichtiger Enzyme gewährleistet. Es ist in einigen B-Vitaminen enthalten und muss regelmäßig von Menschen aufgenommen werden.
Im Laufe der Zeit muss Cobalt zu seiner heutigen wichtigen Stellung gekommen sein. Zunächst ist es ungewollt aufgenommen worden. Da sich dies nicht verhindern ließ, mussten die Lebewesen Wege finden, um mit dem Cobalt umzugehen. Dazu wurde es von Proteinen gebunden und unschädlich gemacht. Im Laufe der Zeit hat es dann wahrscheinlich andere Metalle, die in Enzymen enthalten waren, ersetzt und sich so als nützlich erwiesen. Durch Veränderungen der Enzyme wurde Cobalt schließlich unersätzlich für die Funktion der Enzyme.
Stelle Verbindungen für ein Düngemittel zusammen.

Tipps

Zum Wachstum werden nur die biochemisch wichtigen Elemente benötigt.

Lösung

Der Dünger sollte die lebenswichtigen Elemente enthalten, die die Pflanze nicht aus der Luft oder dem Wasser gewinnen kann. Zucker $(C_6H_{12}O_6)$ produziert die Pflanze selbst, dieser enthält Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Dieser Stoff braucht nicht im Dünger enthalten zu sein. $CdBr_2$ enthält Cadmium und Brom. Beide Stoffe werden nicht zum Wachsen benötigt, außerdem ist der Stoff stark giftig. Dieser Stoff hat daher nichts im Dünger verloren. Das Gleiche gilt auch für Quecksilber $(Hg)$.
Der Stoff $K_2O$ enthält das lebenswichtige Kalium und ist daher gut als Bestandteil des Düngers geeignet. Ebenfalls gut geeignet ist $P_2O_5$, da es Phosphor enthält. Magnesium wird von den Pflanzen zur Herstellung des grünen Blattfarbstoffs Chlorophyll benötigt, daher sollte der Stoff $MgSO_4$ ebenfalls im Dünger enthalten sein.
Stickstoff ist zwar in der Luft enthalten, kann aber in Form von $N_2$ von den meisten Pflanzen nicht verwertet werden. Daher muss eine Stickstoffquelle im Dünger enthalten sein. Dafür eignet sich der Stoff $NH_4NO_3$ hervorragend, da er sehr viel Stickstoff enthält.
Gib an, welche Elemente als Einzige in reiner Form verfügbar sind.

Tipps

Die Atmosphäre enthält Elemente in Form von Gasen.

Lösung

In der Erde und in den Ozeanen kommen die chemischen Elemente nur in ganz seltenen Ausnahmefällen in reiner Form vor – zum Beispiel reiner Schwefel in Vulkanen. Dies ist so selten, dass diese von Organismen nicht genutzt werden können. Daher sind alle Lebewesen darauf angewiesen, die notwendigen Elemente aus den Verbindungen, die in den Ozeanen gelöst sind oder in der Erde enthalten sind, zu beziehen.
In der Atmosphäre jedoch liegen einige gasförmige Elemente in reiner Form vor. Im Wesentlichen besteht die Atmosphäre aus Stickstoff-Molekülen $(N_2)$ und Sauerstoff-Molekülen $(O_2)$. Beide sind unersätzlich für alle Lebewesen und können in reiner Form aus der Atmosphäre bezogen werden.
Begründe die geringe biochemische Bedeutung der Edelgase.

Tipps

Der Gehalt der Atmosphäre an Argon ist etwa 20 mal so hoch wie der an Kohlendioxid, welches für Pflanzen die einzige Quelle von Kohlenstoff ist.

Lösung

Argon ist der drittgrößte Bestandteil der Luft, die wir alle atmen. Dieses Edelgas ist damit in mehr als ausreichendem Maß vorhanden und könnte von den Lebewesen genutzt werden. Es liegt nur in reiner Form in der Natur vor, doch auch Sauerstoff wird in reiner Form von uns aufgenommen und verwertet.
Der Grund dafür, dass Edelgase keine Rolle in biologischen Systemen spielen, liegt in ihrem chemischen Verhalten. Edelgase sind extrem reaktionsträge und liegen daher in der Natur nie in Verbindungen vor. Damit eignen sie sich nicht zum Aufbau von Stoffen. Für die Gestalt- und Stoffwechseldynamik spielen sie daher keine Rolle, da sie nicht verwertet werden können. Da Edelgase keinerlei Wechselwirkungen mit Biomolekülen eingehen, können sie auch nicht verwertet werden.