Chemie Zusammenfassung JII.1 #1

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1 hemie Zusammenfassung JII.1 #1 Aminosäuren Aminosäuren haben viele verschiedene Eigenschaften und einen festen Aufbau. Da dies alles kompliziert ist einzeln zur erklären, versuche ich es einfach am Beispiel des Glycins. Ich rede hier auch nur von den L- -Aminosäuren, weil dass die Einzigen sind, die in unserem Körper vorkommen Aufbau und funktionelle Gruppen Aminosäuren haben zwei Funktionelle Gruppen. Die erste ist eine arboxylgruppe ( rot markiert). Die zweite Gruppe ist eine Aminogruppe ( 2 blau markiert). Auch der ame Aminosäure lässt sich über die funktionellen Gruppen herleiten. Der erste Teil kommt von der Aminogruppe klar. Die arboxylgruppe ist eine Säuregruppe, man findet sie bei den meisten organischen Säuren (Ethansäure, ) daher der zweite Teil: Säure. (Typische Frage in der Klausur: Erklären Sie, wie es zu dem Begriff Aminosäure kommt!) Aminosäuren sind eine ganze Gruppe von Elementen. In der Abbildung sieht man die einfachste Aminosäure: Glycin. Andere Aminosäuren ergeben sich, indem man das grün markierte Wasserstoff- Atom durch einen anderen Rest ersetzt. Eigenschaften Die Eigenschaften des Glycins sind relativ ähnlich zu denen der Essigsäure (sie ähneln sich auch im Aufbau). Die wesentlichen Änderungen sind: Glycin ist bei Raumtemperatur fest und kristallin, der sich erst bei 230 zersetzt. Löst man Glycin in Wasser, hat die Lösung nur einen leicht sauren harakter und leiten den Strom schlecht Zwitterionen Diese Eigenschaften sind zunächst schwierig zu erklären, vor allem der salzartige harakter, der normalerweise nur auftritt, wenn Ionen vorhanden sind. Erklärt wird dies über sogenannte Zwitterionen. Dabei passiert folgendes. Der gelb markierte Wasserstoff wird ohne seine Bindungselektronen an den Stickstoff gegeben. Die Konsequenz, der Sauerstoff ist einfach negativ geladen und der Stickstoff einfach positiv. Aus der arboxylgruppe wird eine arboxylatgruppe, aus der Aminogruppe eine Ammoniumgruppe. un können wir auch die Eigenschaften erklären. Der hohe Schmelzpunkt setzt voraus, dass es starke Wechselwirkungskräfte gibt diese sind die Wechselwirkungen zwischen den markierten ionisierten Atomen in der Abbildung. Die kristalline Struktur entsteht nur bei Ionen die haben wir jetzt und somit ist auch der Punkt erledigt. Seite 1

2 Selbst wenn wir Ionen haben, leitet Glycin den Strom schlecht. Dies liegt daran, dass bei der Ionisierung keine freien oder lockeren Elektronen oder Protonen auftreten. Von daher richten sich die Moleküle zwar nach der Stromquelle aus, leiten aber den Strom nicht. Der leicht saure harakter entsteht, wenn der überflüssige Wasserstoff der Ammoniumgruppe an das Wasser abgegeben wird, sodass xonium-ionen (rot markiert) entstehen. Da dies allerdings nur sehr selten passiert haben wir auch nur geringere p- Veränderung und nur eine geringe Leitfähigkeit. Weiterhin gibt es auch eine Gegenreaktion (ist ja ein chemisches Gleichgewicht). Weiterhin kann die Gruppe sowohl als Säure als auch als Base reagieren (Begriff: Ampholyt), daher können auch ydroxid-ionen entstehen, die andere xonium-ionen ausgleichen, indem sie mit ihnen zu Wasser reagieren. Titration von Glycin Die Titrationskurve von Glycin ist in drei verschiedenen Bereichen interessant. Dazu muss man wieder überlegen, was denn passiert. Zunächst stellt man eine stark saure Lösung (bspw. über Salzsäure) her. Dabei entstehen viele xonium Ionen. Das hat zur Konsequenz, dass je ein Wasserstoff pro xonium-ion an die arboxylatgruppe gehen kann und dort die negative Ladung am Sauerstoff ausgleichen (Reaktion I). Ganz links auf dem Diagramm haben wir also vor allem Glycin in der grün markierten Form. Geben wir jetzt mehr und mehr ydroxid-ionen hinzu können diese zunächst alle ihr Wasserstoff vom überflüssigen Wasserstoff an der arboxylatgruppe klauen (Reaktion II). Wie man auf der rechten Seite erkennen kann haben wir zunächst keine sauren oder basischen Stoffe die entstehen und den p-wert verändern. Logische Konsequenz keine p-änderung und ein Puffersystem zwischen dem grün und dem blau markierten Glycin. Irgendwann reicht der Vorrat an grünem Glycin (das grün markierte halt) nicht mehr aus und die ydroxid-ionen werden nicht abgefangen und bringen den p-wert direkt. un entsteht der im Diagramm zu erkennende isoelektrische Punkt. ier liegt fast nur blaues Glycin vor! Es sind kaum Kationen oder Anionen des Glycins vorhanden (das wären das grüne und rote Glycin). Geben wir nun immer mehr ydroxid-ionen hinzu steigt der p soweit, dass auch der Wasserstoff von der Ammoniumgruppe abgegeben werden kann. Dieser geht direkt ans ydroxid-ion und es entsteht wieder Wasser (Reaktion III). Auch hier entstehen wieder keine sauer oder basisch wirkenden Teilchen und daher ist auch dieser Teil der Reaktion ein Puffersystem! Seite 2

3 Reaktion I Reaktion II Reaktion III Einteilung Im Körper kommen insgesamt 20 Aminosäuren vor (darunter auch Glycin). Einige davon sind essentiell, das bedeutet, dass der Körper sie nicht selbst herstellen kann. Diese Aminosäuren (bspw. Valin) müssen dem Körper extern zugeführt werden. achweis Der achweis von Aminosäuren läuft über ein bestimmtes chemisches Molekül 2 namens inhydrin. Man sieht es auf der linken Seite der unten stehenden Reaktion. Die Reaktion ist zugegebenermaßen nicht ganz vollständig, aber das wichtigste steht drin. Was hierbei passiert ist folgendes. Die beiden inhydrin-moleküle verbinden sich, indem sie sich den Stickstoff aus den Aminosäuren nehmen fehlt dieser Stickstoff, kann das Produkt nicht entstehen, klar. Das violett markierte Produkt ist ein violetter Farbstoff. Also tritt eine violette Färbung in inhydrin-lösung auf, so ist der getestete Stoff eine Aminosäure. R 2 Seite 3

4 Peptide Peptidbindung Wenn zwei (oder mehrere) Aminosäuren miteinander reagieren, entsteht ein Peptid. Dabei passiert folgendes. Die ydroxylgruppe der ersten Aminosäure reagiert mit einem Wasserstoff der Aminogruppe der zweiten Aminosäure zu Wasser. un kann sich das Kohlenstoffatom der arboxylgruppe der ersten Aminosäure mit dem Stickstoffatom der Aminogruppe der zweiten Aminosäure verbinden. Es entsteht ein Dipeptid. Als Peptidbindung oder Peptidgruppe bezeichnet man nun den grün markierten Teil der Reaktion. Glycin Glycylphenylalanin 2 2 Wasser Phenylalanin omenklatur Generell wird unterschieden zwischen ligopeptiden, also Peptiden mit nicht mehr als 10 Aminosäuren und Polyypeptiden, Peptiden mit mehr als 10 Aminosäuren. Kleinere Moleküle kann man auch noch als Dipeptide (2 AS) oder Tripeptide (3 AS) bezeichnen. un bekommt jedes Peptid einen amen, indem man die einzelnen Aminosäuren aneinanderreiht. Dabei beginnt man mit der Aminosäure, die noch eine vollständige Aminogruppe hat und endet mit der, die eine vollständige arboxylgruppe hat. Bei allen Aminosäuren (außer bei der Letzten) wird nun die Endung (meistens il) durch die Endung yl ersetzt. ahezu alle wichtigen Peptide haben allerdings einen Trivialnamen, weil niemand eine Abfolge von 100 Aminosäuren auswendig lernt. Ein Beispiel hierfür wäre ämoglobin (der Blutfarbstoff), den man hier links sieht. Die Aminosäuren werden häufig auch abgekürzt über die ersten drei Buchstaben des amens. Struktur Primärstruktur Die Primärstruktur ist relativ einfach zu verstehen, die bezeichnet einfach die Abfolge der einzelnen Aminosäuren innerhalb des Proteins (bspw.: Val-Gly-Phe- ) Sekundärstruktur Auch die Sekundärstruktur ist simpel. Sie bezeichnet die räumliche Anordnung von einigen Aminosäuren. Üblich sind Faltblattstruktur (links) oder die elix (rechts) Seite 4

5 Tertiärstruktur Als Tertiärstruktur bezeichnet man die räumliche Form einer Peptidkette, eines Moleküls. Sie besteht meistens aus mehreren Faltblatt- und elix-strukturen, kann aber auch eine eigene elix sein. Typisch dafür wäre das linke Bild bei den Sekundärstrukturen (es steht dort nur um die elix einmal zu zeigen). Es gibt noch vier weitere Faktoren, die diese Struktur verändern. ier sind sie nach Stärke sortiert (von stark nach schwach): Disulfidbrücken (können zwischen zwei ystein-resten entstehen) Ionenbindungen zwischen funktionellen Gruppen Wasserstoffbrücken Van-der-Waals-Kräfte ys 2 Asp Asn Phe S S ys Asn Phe Lys Quartärstruktur Manchmal wirken mehrere Peptidketten zusammen in einem Protein, die gesamte Funktionseinheit hat wieder eine neue räumliche Ausdehnung und Form, die Quartärstruktur. Man sieht sie oben beim ämoglobin schon einmal. Denaturierung Denaturieren bedeutet bei Proteinen soviel wie kaputt machen. Man zerstört also mindestens eine der vier Strukturen (meist eine der oberen). Was kann dabei passieren. Es können beispielsweise die Disulfidbrücken oder Wasserstoffbrücken durch Wärme aufgebrochen werden. Ammonium- oder arboxylgruppen können mit ydroxid- oder xonium-ionen zu ungeladenen Teilchen reagieren. Man kann Proteine aussalzen oder mit Schwermetallionen (Blei, Quecksilber, ) vergiften. In jedem Fall geht die biologische Funktion des Proteins verloren und das ist das entscheidende bei der Denaturierung. Enzyme Ich habe in der Stunde, als die Vorträge waren leider gefehlt und ich hab mir die Informationen leider noch nicht geholt, Wenn irgendjemand so eine kurze Zusammenfassung einscannen und schicken könnte, würd ich mir das mal anschauen und hier dann reinstellen. Seite 5

6 ukleinsäuren Auszug aus einer Zusammenfassung in Biologie (2std-Sp) vereinfacht Aufbau und Struktur der DA Die DA besteht aus einem Doppelstrang. Den äußeren Rand der DA bilden zwei Stränge an denen sich Zucker (Desoxyribose) und ein Phosphat-Rest sich abwechseln. An den Zuckern dockt eine von vier möglichen Basen an: Adenin, ytosin, Guanin oder Thymin. Zwei ähnliche Basen bilden untereinander Wasserstoffbrücken. So bilden Adenin und Thymin zwei Wasserstoffbrücken und Guanin und ytosin dazu im Gegensatz drei. So entsteht eine Sprossenleiterstruktur in der die Basen die einzelnen Sprossen darstellen und die Phosphat-Reste mit den Zuckern den äußeren Rand. Verdreht man diese Sprossenleiter entsteht die für die DA klassische Doppelhelix. In dieser Form befindet sich die DA normalerweise. ier nochmal die Basen abgebildet mit hemischen Aufbau. Zu Unterscheiden sind die Basen an zwei Kriterien: Adenin und Thymin bauen 2 Wasserstoffbrücken (gestrichelte Linien) auf, Guanin und ytosin dagegen zwei. Weiterhin bestehen Adenin und Guanin aus zwei Ringen, Thymin und ytosin dagegen nur aus einem Ring. Dort wo in der Formel Bindung steht ist später in der DA die Desoxyribose, der Zucker. Ablauf der Replikation Adenin Bindung Bindung Guanin Thymin Bindung Bindung ytosin Erstellen einer Replikationsblase Andocken eines Primers Erstellen des komplementären Strangs Ligase verbindet die einzelnen Stücke wieder zusammen Das Enzym elicase bricht die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen auf und es bildet sich so eine Lücke zwischen den beiden Strängen Ein kleines Molekül bestehend aus 3 Basen dockt sich an der passenden Stelle am DA-Strang an. Dieser Primer bildet die Ansatzstelle für die DA-Polymerase Das Enzym DA- Polymerase setzt sich auf die DA am Primer und läuft sie ab. Dabei bedient sie sich der Basen im Zellplasma und fügt diese passend an Fragmente werden wieder "zusammengeklebt" Seite 6

7 Ablauf der Proteinbiosynthese. Als Proteinbiosynthese bezeichnet man den Weg von der DA zum fertigen Protein. Dieser weg wird in zwei Schritte unterschieden. Einmal in die Transkription, in welcher aus der DA die sogenannte mra erstellt wird und in die Translation, wo aus der mra mittels der tra eine Kette von Aminosäuren erstellt wird, also ein Protein. Im Grundsatz läuft die Proteinbiosynthese wie im Folgenden beschrieben ab, jedoch gibt es Unterschiede zwischen Eukaryoten und Prokaryoten die weiter hinten ebenfalls nochmal erläutert sind. Wichtig bei der Proteinbiosynthese ist, dass der genetische ode in Tripletts verschlüsselt, so stehen 3 Tripletts immer für eine Aminosäure. Weiterhin ist der ode universell und gilt damit in allen Lebewesen. Zusätzlich wird er kommafrei gelesen und nicht überlappend, d.h. die Ribosomen und Polymerase-Enzyme machen keine Pause beim Lesen und lesen auch keine Abschnitte mehfach. Transkription Erstellung einer Blase mittels dem Enzym elicase Andocken der RA- Polymerase und Bildung der mra Die Ligase verbindet die beiden Stränge der DA Die mra läuft durch die Ribosomen Sobald das Startcodon vom Ribosom erkannt wird (Triplett AUG) docken tras an Pro Triplett dockt eine entsprechende tra mit Aminosäure an. Eine lange Kette entsteht Gelangt das Ribosom an ein Stopp-odon(UAG, UAA, UGA) gelangt, wird beendet! Das Protein ist fertig Aromate Das bekannteste Aromat ist selbstverständlich das Benzol. Von daher erst ein paar Informationen über das Benzol und anschließend dann über Aromate im Generellen. Benzol Eigenschaften und Verwendung Benzol ist eine klare, bewegliche, stark lichtbrechende Flüssigkeit, die schlecht in Wasser löslich ist. Benzol brennt schnell und mit stark rußender Flamme. Für den Menschen ist es sehr gefährlich, da kanzerogen und giftig! Benzol riecht gut daher ursprünglich der ame (Aromat für wohlriechend, Aroma) Ausgangstoff für Kunststoffindustrie und auch in Kraftstoffen vorhanden Seite 7

8 Aufklärung der Strukturformel des Benzols 1. Stark rußende Flamme Dieser erste inweis brachte die hemiker zur damaligen Zeit darauf, dass es ein ungesättigter Kohlenwasserstoff sein muss. Sogar mehrfach ungesättigt. Der Verdacht fällt daher auf Doppelbindungen. 2. achweis mit Brom gelingt nicht (siehe auch unten: Elektrophile Substitution) Brom reagiert mit Benzol nicht in einer Additionsreaktion, es werden aber Wasserstoff-Atome durch Brom ersetzt. Bei kettenförmigen Molekülen können hier immer mehrere Produkte entstehen. Beim Benzol entstand nur ein Produkt. Daher der Verdacht, dass Benzol kreisförmig ist! 3. Bindungslänge und Enthalpie Betrachtet man die Bindungslänge im Benzol-Molekül zwischen zwei Atomen, so erkennt man, dass sie zwischen Doppelbindung und Einfachbindung liegt. Daher kamen die hemiker darauf, dass es eine Art 1,5-fach-Bindung gibt. 4. ydratisierungsenthalpien Man kann die ydratisierungsenthalpien von yclohexan, yclohexadien und yclohexatrien vergleichen. ormalerweise müsste diese ydratisierungsenthalpie in gleich großen Schritten ansteigen. Allerdings ist der Abstand zwischen yclohexadien und trien zu klein. Zusätzlich kommem beim yclohexatrien teilweise verschiedene Enthalpien mit einer Schwankung von bis zu 151 kj/mol raus. Die leitete zu der Annahme, dass sich irgendwas im Molekül bewegt. 5. Kekulé ist der ame des hemikers der das ganze schlussendlich aufgelöst hat. Er sagt, dass es eine Mesomerie zwischen zwei Formen des Benzols gibt. Die 6 Elektronen aus den Doppelbindungen können sich (mehr oder weniger) frei innerhalb des Rings bewegen. Sie werden als π-elektronen bezeichnet. Man zeichnet nicht mehr die Doppelbindungen, sondern man macht die 6 Elektronen über einen Kreis innerhalb des 6er-Rings deutlich. Die Struktur des Benzols war aufgeklärt. Elektrophile Substitution S E Bei der Reaktion von Brom mit Brom findet eine elektrophile Substitution statt. Diese läuft nur ab, wenn ein Katalysator (Eisenbromid) vorhanden ist. Dieser entsteht, wenn man Eisen zum Brom gibt. Dabei läuft folgende Reaktion ab: 2 Fe 3 Br 2 2 FeBr 3 Reaktion I - Katalysator-Bildung Dieser Katalysator kann sich nun vom Brom ein Brom- Teil klauen, sodass folgende Reaktion abläuft, die die gesamte Reaktion eigentlich erst auslöst: FeBr 3 Br Br FeBr 4 - Br Reaktion II - Auslöser Seite 8

9 un kommt es zur entscheiden Reaktion. Das übrige Brom-Ion aus der letzten Reaktion will Elektronen. Die findet es am ehesten bei den 6 π -Elektronen im Benzol. Dorthin wird es angezogen, sodass ein π-komplex entsteht: Br Br Reaktion III - Bildung des PI-Komplexes Das Brom klaut sich jetzt von den 6 π-elektronen welche und bindet sich an einen der Kohlenstoffe. Es entsteht ein sogenannter σ-komplex: Br Br Reaktion IV - Bildung des Sigma-Komplexes Jetzt muss nur noch der Katalysator wieder hergestellt werden. Dazu wird der Wasserstoff aus dem Sigma-Komplex abgespalten, der dann mit dem FeBr 4 - wieder reagieren kann. Die Elektronen der Bindung zum -Atom bleiben beim Benzol und gehen zu den π-elektronen zurück. Br FeBr 4 - FeBr 3 Br Br Reaktion V - Bildung des Endproduktes und Wiederherstellung des Katalysators Das Endprodukt ist entstanden. Das ebenprodukt (Br) lässt sich über den p-wert nachweisen! Diese Reaktion wird als elektrophile (weil das Bromit-Ion auf die Elektronen geht, das Ion also Elektronen (elektro) freundlich (phil) ist) Substitution (das Wasserstoff wird ersetzt durch Brom ersetzen=substituieren). Bedingungen für Aromate Auch die Aromate sind eine riesige Stoffgruppe, in der Benzol nur ein Vertreter ist. Es gibt mehrere Bedingungen für ein Aromat. Ich liste sie hier einfach nur auf, weil wir haben es ja ehrlich gesagt in der letzten Stunde erst genügend Beispiele gemacht (das hier rechts sind übrigens auch alles Aromate). Die Bedingungen sind: Erfüllung der ückel-regel (4n2 Ringelektronen n=0,1,2, ) Es müssen Grenzformeln formulierbar sein (zumindest früher:) wohlriechender Geruch Seite 9

10 Das war s neun Seiten hemie. Es ist einiges an Stoff, wenn es auch nur wenig scheint. Ich hab ehrlichgesagt wenig Ahnung was genau sie in der Klausur fragen will aber wir werden es sehen. Ich würd momentan tippen auf die Titrationskurve und die elektrophile Substitution und dann noch ein Bisschen was drum herum. Wie immer bei Fehlern/Fragen/Anregungen/eigenen Zusammenfassunen und einem Aufschrieb über das mir fehlende Thema ;) dürft ihr mir gerne eine Mail schreiben (fsure@web.de). Ansonsten wünsche ich euch noch ein schönes Restwochenende und schon einmal viel Glück bei der Klausur am Dienstag. Und anschließend dann schöne Ferien falls man sich nicht mehr sieht. Gruß. Florian Seite 10