Chemie fur Biologen: Praktikum und Theorie

298 Pages·1999·9.81 MB·German

by  Prof. Dr. phil. Hartmut Follmann

Teubner StudienbOcher Chemie
H. Folimann/W. Grahn
Chemie fUr Biologen
Teubner Studienbucher Chemie
Herausgegeben von
Prof. Dr. rer. nat. Christoph Eischenbroich. Marburg
Prof. Dr. rer. nat. Friedrich Hensel, Marburg
Prof. Dr. phil. Henning Hopf, Braunschweig
Die Studienbucher der Reihe Chemie sollen in Form einzel
ner Bausteine grundlegende und weiterfuhrende Themen
aus allen Gebieten der Chemie umfassen. Sie streben nicht
die Breite eines Lehrbuchs oder einer umfangreichen Mo
nographie an, sondern soli en den Studenten der Chemie -
aber auch den bereits im Berufsleben stehenden Chemiker
- kompetent in aktuelle und sich in rascher Entwicklung be
findende Gebiete der Chemie einfOhren. Die Bucher sind
zum Gebrauch neben der Vorlesung, aber auch - da sie
haufig auf Vorlesungsmanuskripten beruhen - anstelle von
Vorlesungen geeignet. Es wird angestrebt, im Laufe der Zeit
aile Bereiche der Chemie in derartigen Lehrbuchern vorzu
stellen. Die Reihe richtet sich auch an Studenten anderer
Naturwissenschaften, die an einer exemplarischen Darstel
lung der Chemie interessiert sind.
Chemie fur Biologen
Praktikum und Theorie
Von Prof. Dr. phil. Hartmut Follmann
Universitat Gesamthochschule Kassel
und Prof. Dr. rer. nat. Walter Grahn
Technische Universitat Braunschweig
2., durchgesehene Auflage
83
B. G. Teubner Stuttgart· Leipzig 1999
Prof. Dr. phil. Hartmut Folimann
Geboren 1936 in Kassel, Studium in Marburg, Promotion in Orga
nischer Chemie bei K. Dimroth 1964. Postdoc-Tatigkeit bei H.P'C.
Hogenkamp (Dept. of Biochemistry, University of Iowa, Iowa City,
USA) bis 1970, Habilitation fi.ir Biochemie 1972. Professor fi.ir
Biochemie an der Philipps-Universitat Marburg seit 1973, an der
Universitat Gesamthochschule Kassel seit 1988. Gastprofessuren
an der University of California, Berkeley, und der University of
Minnesota, Minneapolis (1979, 1991). Arbeitsgebiet: Ribo- und
Desoxyribonucleotide, Dicysteinproteine.
Prof. Dr. rer. nat. Walter Grahn
Geboren 1942 in Wien, Studium der Chemie und der Geschichte in
Marburg, Promotion in Organischer Chemie (Farbstoffe) bei C.
Reichardt 1971, Habilitation in Organischer Chemie 1979. Univer
sitat Gesamthochschule Siegen 1979 bis 1981. Umhabilitation an
die Technische Universitat Braunschweig 1981, Akademischer
Direktor 1985, apl. Professor fi.ir Organische Chemie 1995.
Arbeitsgebiet: Entwicklung organischer Materialien.
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Follmann, Hartmut:
Chemie fUr Biologen : Praktikum und Theorie / von Hartmut
Follmann und Walter Grahn. - 2., durchges. Aufl. - Stuttgart; Leipzig
: Teubner, 1999
(Teubner-StudienbOcher : Chemie)
ISBN-13: 978-3-519-13514-2 e-ISBN-123: 978-3-322-80146-3
001: 10.10071978-3-322-80146-3
Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschOtzt. Jede
Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne
Zustimmung des Veri ages unzulassig und strafbar. Das gilt besonders fUr
Vervielfaltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeiche
rung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
© B. G. Teubner, Stuttgart 1997
Wozu Chemie fur Biologen ?
Samtliche Lebewesen bestehen aus chemischer Materie. Sie stehen in Stoff- und
Energieaustausch mit der unbelebten, anorganisch-mineralischen Oberflache der
Erde und ihrer Atmosphiire, und die Wechselwirkungen der Stoffe und Strukturen
in lebenden Zellen und zwischen Organismen folgen ebenfalls chemischen und
physikalischen Gesetzen. Es ist also leicht, die Bedeutung von Chemie fur die
Biowissenschaften prinzipiell zu begriinden; es ist keineswegs leicht, den dafur
benotigten Aussclmitt und Urnfang der Chemie genau zu definieren, und schon
gar nicht, die in einem biologisch interessanten Einzelfall tatsachlich ablaufenden
chemischen Reaktionen - etwa zwischen einer Pflanze und einem Schadstoff -
vorherzusagen.
Die Schwierigkeiten, ein ausgewogenes Verhiiltnis zwischen Chemie und Bio
logie zu tinden, sind groB. In der wissenschaftlichen Praxis kommen sich beide
seit langem immer naber, aber sie werden getrennt gelehrt, und jedes Fach erfor
dert schon fur sich aHein uberaus groBes Faktenwissen. Selbst als
"Hilfswissenschaft" des Biologen muB Chemie heute immer mehr, bisher ver
nachlassigbare Elemente berucksichtigen: FUr die Leberfunktion von Tier und
Mensch ist beispielsweise Selen im Enzym Glutathionperoxidase essentiell, und
die Entdeckung der Stickstoff-Fixierung mit Vanadium neben der schon bekann
ten Rolle von Molybdan im Enzym Nitrogenase war vor Jahren eine kleine Sen
sation. Es gibt kein Patentrezept, dieses zunehmende Wissen zu bewaltigen.
Die traditionell verschiedenen Denkweisen von Biologie und Chemie - hie
"belebte" Natur, da "nur" tote Materie - sind auch objektiv nicht einfach zusam
menzufiihren. Wir kennen inzwischen viele biochemische Mechanismen von
Stoffwechsel und Genetik in lebenden Zellen bis ins atomare Detail und ahnen
molekulare Zusanunenhange selbst in so komplexen Bereichen wie Zelldiffe
renzierung, Energieproduktion oder Signalverarbeitung. Jedoch bestehen diese
chemischen Systeme aus so vielen, so groBen und oft ungewohnlich gebauten
MolekUlen, daB sie rein praktisch-analytisch noch nicht vollkommen beschriehen
und erst recht nicht physikalisch-chemisch in ihren GesetzmaBigkeiten hehandelt
werden konnen. Da vennutet heute noch mancher, daB Lebewesen eben doch
"anderen" Gesetzen gehorchen und daB die Beschiiftigung mit Chemie ohnehin
muBig sei. Diese Vennutung ist mit Sicherheit falsch. Biologen konnen nicht auf
Chemie verzichten, schon aus praktischen Grunden nicht und auch grundsatzlich,
zum Erkenntnisgewinn, nicht.
Welche chemischen Grundlagen sind fur wissenschaftliche Arbeit in Biologie,
Mikrobiologie oder Biochemie wirklich unumganglich? Etwa die folgenden:
6 Wozu Chemie fur Biologen ?
• Praktische Kenntnisse der irn Labor und irn Freiland sHindig benotigten Sauren
und Basen, Puffer, Oxidations- und Reduktionsmittel, Komplexbildner, Konser
vierungsstoffe, der Reaktionen und Reagentien zur Bestimmung zentraler Meta
boliten wie Glucose, Aminosauren oder energiereiche Phosphate. Es muB klar
sein, wie diese Chemikalien mit Biomolekiilen reagieren und warum.
• Einige Eigenschaften und Reaktionsweisen der fur organisches Leben essen
tiellen anorganischen Verbindungen von Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff,
Schwefel, Phosphor, Eisen, Magnesium, Calcium und einigen anderen Metallen.
Neben den zum Aufbau der Biosphare "richtigen" Reaktionen sollten auch chemi
sche Prozesse verstanden werden, die zu saurem Regen, zur Eutrophierung von
Gewassem oder anderen schadlichen Konsequenzen fiihren.
• Kenntnisse deIjenigen Stofiklassen der Organischen Chemie, die uns in Natur
stoffe n und irn Stofi'wechsel standig begegnen: Organische Sauren und Basen,
Alkohole, Carbonylverbindungen, einige Aromaten und Heterocyclen, Farbstoffe;
femer der wichtigsten Typen chemischer Bindungen, Reaktionen und Katalyse.
Moglichkeiten zur Identifizierung organischer Verbindungen durch chemische,
chromatographische und spektroskopische Verfahren sollen in einzelnen
markanten Fallen (z. B. fur Aldehyde oder Aminosauren) bekannt sein, aber
bleiben i.a. der Biochemie und speziellen Naturstoffanalytik vorbehalten.
• SchlieBlich Vertrautheit mit den Eigenschaften einiger einfacher organischer
Substanzen, die als Monomere und Polymere Zellen aufbauen und am Leben er
halten: Fette, Zucker, Aminosauren und Proteine. Unser Praktikum soll Grund
lagen fur ein Biochemisches Praktikum legen.
Chemie ist durch ihre unentbehrliche Formelsprache keine leicht zu verarbeitende
Materie, und selbst die hier skizzierte, begrenzte Auswahl ist kein geringes Pro
gramm. Es erfordert neben der praktischen Arbeit den Besuch von V orlesungen
und das Studium von Lehrbiichem. Das Praktikumsbuch ist allerdings so ange
legt, daB man beirn Fehlen von chemischen Vorkenntnissen notfalls hier ein
Minimalwissen erwerben kann, das fur manche biologischen Arbeitsfelder aus
reichend sein mag. Dann miissen Sie aber die Theorie dieses Buches vollstandig
durcharbeiten, die Ubungsaufgaben losen und irn Praktikum und Seminaren den
Umgang mit chemischen Problemen so oft wie moglich iiben.
Der Chemie steht in Studienplanen fur Biologie an verschiedenen Orten verschie
den viel Zeit und Spielraum zur Verfiigung. Das Buch kann fur ein komplettes
einsemestriges Chemiepraktikum wie auch fur separate Praktika in Anorganischer
(Allgemeiner) und Organischer Chemie benutzt werden. An einigen Stellen (z.B.
Nichtmetalle und Metalle; Farbstoffe; Chemie in Alltag und Umwelt) enthalt es
thematisch unterschiedliche, aber irn Lernzweck verwandte Versuche, unter
denen eine Auswahl getroffen werden kann; Praktikumsleiter, Assistentinnen und
Wozu Chemie fur Biologen? 7
Assistenten mogen jeweils individuell entscheiden, welche Versuche und
Analysen ggf. fortfallen diirfen. Die Kapitel uber Enzymkatalyse und Proteine
konnen verkUrzt werden, wenn der Stoff in einem Biochemischen Praktikum
behandelt wird.
Die Tabellen im Anhang dieses Buches enthalten Infonnationen, die uber das
Studium hinaus fur Sie im Alltag eines Biologie-Labor nutzlich sein konnen, der
zunehmend von chemischen Analysen und Verfahren gepragt ist. Ferner sind im
Anhang empfehlenswerte Bucher und Nachschlagewerke zum vertieften Studium
chemischer Zusammenhange in Theorie und Praxis aufgefuhrt.
Wir widmen das Buch Emanuel Pfeil und Ernst Gerstner, die schon vor vielen
Jahren an der Universitat Marburg eine sinnvolle Chemie-Ausbildung fur Bio
logen praktiziert haben und deren Praktikumsanleitung einigen Versuchen zu
grunde liegt. Zahlreichen anderen Fachkollegen danken wir fur Anregungen.
Besonderer Dank gebUhrt Martina Wille fur die perfekte Textgestaltung.
In der hier vorliegenden 2. Auflage sind Druckfehler korrigiert, die Literatur
angaben aktualisiert und andere kleine Verbesserungen eingefugt worden.
Allen Studierenden wUnschen wir eine doppelte Erkenntnis: Chemie kann man
verstehen, und sie kann - ebenso wie das eigene Fach - sogar SpaB machen.
Kassel und Braunschweig, Dezember 1998 H. Follmann, W. Grahn
Inhaltsverzeichnis
Wozu Chemie fUr Biologen ? 5
1 Allgemeine Chemie 15
1.1 Arbeiten im Chemischen Laboratorium 15
Sicherheitsvorschriften 15
Entsorgung 18
Laboratoriumspraxis 18
Versuche:
1.1.1 Bunsenbrenner 20
1.1.2 Glasbearbeitung 21
1.2 Stoffe, Losungen und Mischungen 23
Definition der Stoffmenge und Konzentration 23
Ursache chemischer Reaktionen und Zustandsanderungen 25
Interrnolekulare Kriifte 27
Losungen und Mischungen 30
Loslichkeitsprodukt 34
Verteilungsgleichgewichte 37
Versuche:
1.2.l Losen von Salzen unter Warrneumsatz 31
1.2.2 Umkristallisieren von Kaliumperchlorat 31
1.2.3 Loslichkeit von po1aren und unpolaren Substanzen 32
1.2.4 Biomo1ekiile in Losung 33
1.2.5 Verschiebung der Los1ichkeit durch gleichionigen Zusatz 36
1.2.6 Kalkgleichgewicht 36
1.2.7 Diffusion und Dialyse 37
1.2.8 Verteilung von lod zwischen zwei Phasen 38
1.3 Sauren, Basen und Puffer 41
Das Massenwirkungsgesetz 41
Protonenubertragungen 42
Starke und schwache Sauren und Basen 44
Pufferlosungen 46
Saure-Base-Titrationen, Titrationskurven 47
Versuche:
1.3.1 Herstellung und Titration von 1 N NaOH und 1 N Essigsaure 49
1.3.2 Titrationskurve 51
1.3.3 Herstellen von Puffem 51
1.3 .4 Abhangigkeit einer Enzymreaktion vom pH- Wert 53
10 Inhaltsverzeichnis
1.4 Redoxreaktionen 55
Oxidationszahlen 56
Aufstellen von Redoxgleichungen 57
Galvanische Elemente und Elektrolyse 58
Spannungsreihe, Standard-Reduktionspotentiale 61
Nemstsche Gleichung 64
Versuche:
1.4.1 Spannungsreihe der Metalle 62
1.4.2 Lokalelement 63
1.4.3 pH-Abhiingigkeit des Redoxpotentials 66
1.4.4 Wasserstoffperoxid als redoxamphoteres System 66
1.4.5 Redoxreaktionen in der MaBanalyse: Iodometrie 67
2 Anorganische Chemie 71
Periodensystem der Elemente 70
Biologisches Vorkommen der Elemente 73
2.1 Nichtmetalle 75
Halogene 75
Schwefel 79
Stickstoff 81
Phosphor 84
Kohlenstoff 85
Versuche
2.1.1 Halogenfreisetzung aus Halogeniden 76
2.1.2 Hypochlorit-Bildung durch Disproportionierung 77
2.1.3 SilberhalogenidfallUngen 77
2.1.4 Nachweis von Fluorid 78
2.1.5 Analytik der Halogenide nebeneinander 79
2.1.6 Schwefelverbindungen 80
2.1.7 Eigenschaften von Ammoniumsalzen 81
2.1.8 Reaktionen von Nitrat und Nitrit 82
2.1.9 Phosphatnachweis 84
2.1.10 Carbonat und Hydrogencarbonat 85
2.2 Metalle der Hauptgruppen
Alkalimetalle 87
Erdalkalimetalle 91
Aluminium 93
Blei 96
Inhaltsverzeichnis 11
Versuche:
2.2.1 Metallisches Natrium und Magnesium 88
2.2.2 Flammenfarbung der Alkali-und Erdalkalimetalle 89
2.2.2 Schwerlosliche Kaliumsalze 90
2.2.4 Schwerlosliche Verbindungen der Erdalkalimetalle 91
2.2.5 Kalk und Gips 92
2.2.6 Loslichkeitsverhalten von Aluminiumverbindungen 94
2.2.7 Aluminium-Nachweis 95
2.2.8 Alaunbildung 96
2.2.9 Fallung von Bleisulfid und Bleifarben 97
2.2.10 Redoxreaktionen von Blei -Prinzip des Bleiakkumulators 98
2.3 Ubergangsmetalle und Komplexverbindungen 100
Komplex-oder Koordinationsverbindungen 100
Geometrie und Isomerie von Komplexen 103
Stabilitat von Komplexen 109
Chemische Bindung in Komplexen 111
Farbigkeit von Komplexen 114
Chelatkomplexe 114
Weitere Eigenschaften von Ubergangsmetallen 118
Versuche:
2.3.1 Komplexe undReaktionen des Kupfers 104
2.3.2 Komplexe des Eisens 106
2.3.3 Cobaltkomplexe als Feuchtigkeitsindikator 107
2.3.4 Herstellung von Chloropentammincobalt(III)chlorid 108
2.3.5 Acetylaceton als Chelatligand 115
2.3.6 Chlorophyll als Magnesium-Komplex 116
2.3.7 Loslichkeit und Reaktionen von Mangan, Eisen und Zink 119
2.3.8 Reaktionen und Komplexe des Silbers 121
3 Organische Chemie 125
Kohlenstoffgeruste und funktionelle Gruppen 126
Namen organischer Verbindungen 128
Bindungsarten und raumliche Struktur 130
Stereoisomerie in organischen Molekiilen 133
Ubungsaufgaben 138
3.1 Methoden der Organischen Chemie 141
Destillieren 142
Verhalten von Stoffgemischen 143
Praxis des Destillierens 145
Extrahieren 149
Umkristallisieren 150