Lebenswichtige Elemente (1)

Lebenswichtige Elemente (1) Übung

• 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.