Chemie der Biologie: Basis und Ursprung der Evolution

Description

Lebewesen unterscheiden sich durch ihre chemische Basis. Somit ist das Wissen um die Eigenschaften der Elemente und die Wechselwirkungen der daraus entstehenden Verbindungen Voraussetzung für das Verständnis der Biologie. Die Chemie beantwortet die Fragen, warum unter den über 100 Elementen des Periodensystems (PSE) der Kohlenstoff und nicht das Silicium das dominierende Element in der Biologie ist und warum Edelmetalle, wie Gold und Silber, keine Rolle spielen. Das PSE gibt Auskunft darüber, warum die Phosphorsäure und nicht die Schwefelsäure als Brücke in den Polynucleinsäuren fungiert und warum sich die DNA aus der RNA entwickeln musste. Gleichzeitig macht nur die Chemie deutlich, warum die D-Glucose so zentral beim Aufbau von Biopolymeren wie Cellulose und Glycogen ist und weshalb der Citratzyklus in sich logisch geschlossen und alternativlos ist. Biochemie ist ebenfalls eine Synthesechemie, die sich von der „menschengemachten“ Synthesechemie „nur“ hinsichtlich der Rahmenbedingungen unterscheidet. Aus der Vielzahl der Elemente des PSE und der fast unendlichen Anzahl von chemischen Verbindungen werden einzelne selektiert. Die Selektion erfolgt aufgrund der Umweltbedingungen auf der Erde, wie moderate Temperaturen, vorzugsweise Atmosphärendruck, Lösungsmittel Wasser und als primärer Reaktionspartner Sauerstoff. Es wird die Hypothese entwickelt, dass der Leitgedanke der modernen Biologie, die Evolutionstheorie, ihre Wurzeln in der zugrundeliegenden Chemie hat. Damit wird der Darwinismus vom biologischen Kopf auf die chemischen Füße gestellt. Zum Beispiel ist die Wirkung von Phenolen als Radikalfänger a priori chemisch, ehe daraus biologische Phänomene als Distinktionsunterschiede bei farbigen Blütenpflanzen evolvieren konnten. Das Buch entwickelt eine völlig neue, chemiezentrierte Sicht auf die „belebte Natur“ und fordert zu einer veränderten, biologisch orientierten Chemiedidaktik in Schulen und Universitäten heraus. Vorwort Inhaltsverzeichnis 1 Das Periodensystem der Elemente und grundlegende Konsequenzen für den Aufbau von Naturstoffen und den Ablauf biochemischer Prozesse 1.1 Elemente des Periodensystems 1.2 Biologisch relevante Elemente, deren singuläre Rollen sich aus intrinsischen Eigenschaften im Rahmen des Periodischen Systems der Elemente (PSE) ableiten lassen 1.2.1 Atomradien 1.2.2 Ionenradien und Ionisierungsenergien 1.2.3 Elektronenaffinität 1.2.4 Löslichkeit in Wasser 1.2.5 Reaktivität gegenüber Sauerstoff: Oxide, Hydroxide und Oxosäuren 1.2.6 Elektronegativität 1.2.7 Element-Element-Einfachbindungen 1.2.8 Verzweigungen von Ketten 1.2.9 Stöchiometrische Wertigkeiten, Element-Wasserstoff-Verbindungen, Molekülgeometrien 1.2.10 Molekülgeometrien als Evolutionskriterium 1.2.11 Wasserstoffbrücken 1.2.12 Nucleophilie 1.2.13 Oxidationszahlen und Sauerstoffverbindungen 1.2.14 Ester von anorganischen Säuren und ihr Evolutionspotenzial 2 Extrinsische Eigenschaften, die das Vorkommen von Elementen im biologischen Kontext begünstigen 2.1 Die Häufigkeit des Vorkommens des betreffenden Elements und dessen Verbreitung auf der Erde 2.2 Reaktivität unter den Bedingungen auf der Erde 2.2.1 Reaktionen mit Wasser und die elektrochemische Spannungsreihe 2.2.2 Die Rolle des Sauerstoffs 2.2.3 Die Löslichkeit in Wasser: Oxide, Hydroxide, Salze und Komplexverbindungen 2.2.4 Biokatalyse durch Enzyme 3 Die Derivatisierung anorganischer Verbindungen mit Kohlenstoffresten 3.1 Wasser, Alkohole und Ether 3.2 Ammoniak und Amine 3.3 Carbonsäureamide 4 Die singulären Eigenschaften des Kohlenstoffs als Grundlage für die Entstehung von Leben 4.1 Die Redoxchemie des Kohlenstoffs 4.1.1 C–C-Knüpfungsreaktionen 4.1.2 Dehydrierung von Alkanen 4.1.3 Organische Peroxide 4.1.4 Alkohole 4.1.4.1 Entstehungsmöglichkeiten 4.1.4.2 Die Oxidation von Alkoholen und die Entstehung von Carbonylverbindungen 4.1.5 Carbonylverbindungen – Aldehyde und Ketone 4.1.5.1 Bildung und Eigenschaften der Carbonylgruppe 4.1.5.2 Reaktionen von Carbonylverbindungen 4.1.6 Carbonsäuren 4.1.7 Kohlensäure und Derivate 5 Von chemischen Strukturen und einzelnen Reaktionen zu komplexen biochemischen Netzwerken 6 Determiniertheit, Flexibilität und Kontingenz in der Biochemie 7 „Synthesechemie“ versus Biochemie Weiterführende Literatur Stichwortverzeichnis