Biologie und Chemie für Schülerinnen und Schüler am Gymnasium

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Sonnenblumen

1. Komplexverbindungen in der Natur

Natriumchlorid ist Kochsalz Viele anorganische Verbindungen sind aus zwei bis drei chemischen Elementen aufgebaut. Diese Zusammensetzung erkennt man an der chemischen Formel. Ich denke an Salze wie Natriumchlorid mit der Formel NaCl oder an Calciumsulfat mit der Formel CaSO4. Die soeben genannten Verbindungen sind Ionensubstanzen, sie bestehen aus Ionen und zwischen den Ionen herrschen Anziehungskräfte, die Ionenbindungen. Aber auch Molekülsubstanzen wie Chlorwasserstoff mit der Formel HCl oder Ammoniak mit der Formel NH3 sind nur jeweils aus zwei Elementen aufgebaut. Innerhalb der Moleküle herrscht zwischen den Atomen jeweils eine polare Atombindung vor.

Anders die Komplexverbindungen. Sie bestehen nicht nur aus mehr als zwei Elementen, sondern sie sind auch räumlich komplizierter als die einfachen anorganischen Verbindungen aufgebaut.

Blätter einer Geranie Komplexverbindungen haben große Bedeutung in der Technik und in der Natur.

Sie werden in der Metallgewinnung, in der Petrolchemie (Erdölchemie) aber auch in der analytischen Chemie genutzt.

Eine Komplexverbindung ist das Blattgrün, das Chlorophyll.

Das Chlorophyll ist eine Verbindung, die aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, sowie aus Stickstoff und Magnesium besteht. Bei Pflanzen kommen hauptsächlich zwei Arten von Chlorophyll vor: Chlorophyll a und Chlorophyll b.

Die Struktur von Chlorophyll a unterscheidet sich nur geringfügig von der Struktur des Chlorophyll b. Beide Arten der Chlorophyllmoleküle bestehen jeweils aus einem Ring, einer Komplexverbindung, in dessen Zentrum ein Magnesiumatom liegt. An diesem Ring hängt ein "Schwanz", ein Kohlenwasserstoffrest (das ist eine Kette vieler Kohlenstoffatome, die mit Wasserstoffatomen verbunden sind). Mit diesem "Schwanz" ist das Chlorophyllmolekül in Proteinmolekülen (oder Eiweißmolekülen) der Membran (das ist eine dünne Haut) eines Chloroplasten eingebunden. Chlorophyll b besitzt an einer Stelle statt einer Methylgruppe (-CH33) eine Aldehydgruppe (-CHO).

Chloroplasten sind winzige Bestandteile pflanzlicher Zellen, in denen die Photosynthese stattfindet. Die Membran der Chloroplasten ist mit Proteinmolekülen durchsetzt. An diesen Proteinmolekülen sind die Chlorophyllmoleküle gebunden.

Chlorophyll (Chl) ist an der Photosynthese beteiligt. Chlorophyll selbst kann sich an den chemischen Prozessen der Photosynthese nicht beteiligen, aber es kann angeregt werden, und zwar durch Lichtenergie. Dieses angeregte Chlorophyll (Chl*) ist jetzt ein gutes Reduktionsmittel. Das heißt, im Verlauf einer Redoxreaktion (und das ist die Photosynthese) kann das angeregte Chlorophyll ein Elektron an ein Oxidationsmittel (Om) abgeben. Dadurch wird das Oxidationsmittel selbst zum Reduktionsmittel (Rm) und nimmt ebenfalls an der Redoxreaktion teil.

Die vereinfachte chemische Gleichung für die beschriebene Oxidation sieht dann so aus:

Chl* → Chl+ + e-

Die vereinfachte chemische Gleichung für die beschriebene Reduktion sieht dann so aus:

Om + e- → Rm

Die Photosynthese selbst ist dann ein komplizierter Prozess der Umwandlung von Kohlenstoffdioxid und Wasser in Glukose und Sauerstoff. Sie stellt eine Abfolge vieler Redoxreaktionen dar, die in mehreren Teilprozessen ablaufen.

Blutbank in Leipzig Ein zweites Beispiel für eine Komplexverbindung, die in der Natur eine große Rolle spielt, ist das Hämoglobin. Eigentlich müsste es Hämoglobine heißen. Denn es ist eine Gruppenbezeichnung für sauerstoffübertragende und sauerstoffspeichernde Verbindungen, den so genannten Hämoproteinen.

Bei allen Hämoglobinen ist ein Häm an eine Peptidkette (das ist eine Kette von miteinander verbundenen Aminosäuren) gebunden.

Die Hämoglobine des Blutes der Knochenfische, der Lurche, Vögel und Säugetiere bestehen aus vier Hämen und Peptidketten. Je zwei Peptidketten sind identisch. Diese Ketten mit den Häm — Molekülen sind stark verknäuelt und sind Bestandteil der roten Blutkörperchen (Erythrocyten).

Das Häm ist eine Komplexverbindung, in dessen Zentrum ein Eisen(II)—Atom sitzt. Dieses Eisen(II)-Atom steht im Zentrum ("Zentralatom") eines Porphyrinringes (ein Porphyrinring besteht aus mehreren Ringen von Kohlenwasserstoffverbindungen mit Stickstoffatomen). Von diesem Ring gehen vier Bindungen zu den Peptidketten aus. Die fünfte Bindungsstelle ist durch einen Histidinring (das ist eine Aminosäure mit ringförmigen Anteil) besetzt. An die sechste Bindungsstelle kann ein Sauerstoffmolekül O2 reversibel gebunden werden. Dadurch erfolgt eine Oxidation des Zentralatoms (Eisen) und aus den Häm entsteht das Hämin. Dadurch ergibt sich der Sauerstofftransport des Blutes. Dies lässt sich durch folgende einfache Reaktionsgleichung verdeutlichen:

Hb + O2 → HbO2

Außer Sauerstoff kann das Häm zum Beispiel auch Kohlenstoffmonoxid binden. Die Affinität für Kohlenstoffmonoxid ist bei Säugetieren 200 mal größer als für Sauerstoff. Daraus ergibt sich die Giftigkeit des Kohlenstoffmonoxids für Mensch und Säuger.

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Merksatz

Chlorophyll kommt in den Chloroplasten in pflanzlichen Zellen vor und ist eine Komplexverbindung, die für die Photosynthese eine wichtige Rolle spielt. Hämoglobin ist eine Komplexverbindung, sie kommt in den Erythrocyten im Blut vor und ist für den Sauerstofftransport im Blut verantwortlich.

Lesen Sie hier weiter, in Stoffe komplexer Natur zu
Punkt 2 Der Aufbau und die Nomenklatur von Komplexverbindungen