Bioelemente und anorganische Biomoleküle

Erklären Sie den Unterschied zwischen primären Bioelementen, sekundären Bioelementen und Spurenelementen und nennen Sie für jede der drei Gruppen ein konkretes Beispiel.

Betrachten Sie das Balkendiagramm zur Häufigkeit der wichtigsten Bioelemente in Lebewesen. Geben Sie an, zu welcher Gruppe von Bioelementen die vier häufigsten Elemente gehören, welchen Anteil an der lebenden Materie sie zusammen ungefähr ausmachen und warum sie für den Aufbau von Biomolekülen unverzichtbar sind.

Sie können die Aufgabe auf Papier bearbeiten und ein Foto Ihrer Antwort senden.

Im Labor wird die Elementzusammensetzung (% der Trockenmasse) zweier unbekannter Proben analysiert:

• Probe 1: Sauerstoff 62,4 %, Kohlenstoff 19,8 %, Wasserstoff 9,5 %, Stickstoff 3,1 %, Calcium 1,4 %, Eisen 0,005 %, Zink 0,003 %.

• Probe 2: Sauerstoff 46,6 %, Silicium 27,7 %, Aluminium 8,1 %, Eisen 5,0 %, Calcium 3,6 %, Kohlenstoff 0,03 %.

1. a) Leiten Sie begründet ab, welche der Proben von lebender Materie und welche aus der Erdkruste stammt. Begründen Sie Ihre Entscheidung mit den physikalisch-chemischen Eigenschaften des Kohlenstoffs, die ihn besser als Silicium zum Aufbau von Biomolekülen geeignet machen.
2. b) Ordnen Sie anhand der Daten der biologischen Probe deren Elemente nach ihrer relativen Häufigkeit in primäre und sekundäre Bioelemente sowie Spurenelemente ein.
3. c) Begründen Sie, warum ein Spurenelement wie Zink für die Aufrechterhaltung des Zelllebens so unverzichtbar ist wie Kohlenstoff, obwohl es in tausendfach geringerem Anteil vorkommt.

Nennen Sie zwei Funktionen des Wassers in Lebewesen, die sich unmittelbar aus seiner Polarität ergeben, und erklären Sie jede kurz.

Anders als fast alle Flüssigkeiten, deren Dichte beim Abkühlen bis zum Erstarren stetig zunimmt, erreicht Wasser seine größte Dichte bei 4 °C (1,000 g/cm³) und sinkt beim Gefrieren bei 0 °C auf 0,917 g/cm³.

1. a) Erklären Sie die molekulare Ursache dieser Dichteanomalie des Wassers, indem Sie beschreiben, wie sich die Wasserstoffbrückenbindungen beim Übergang von flüssigem Wasser zu Eis neu anordnen.
2. b) Stellen Sie sich ein hypothetisches Szenario vor, in dem Wasser diese Anomalie nicht zeigte und Eis dichter wäre als flüssiges Wasser. Sagen Sie begründet voraus, wie sich ein 20 m tiefer Bergsee in einem Winter mit Temperaturen von -10 °C thermisch und physikalisch entwickeln würde, und begründen Sie, wie sich das auf das Überleben benthischer und nektonischer Wasserorganismen auswirken würde.

Setzen Sie die hohe Wärmekapazität des Wassers in Beziehung zur Thermoregulation von Organismen und nennen Sie ein Beispiel, das diese Funktion an einem konkreten Lebewesen zeigt.

Eine Zelle reichert im Inneren $\text{K}^+$-Ionen an und hält $\text{Na}^+$-Ionen im Außenraum. Erklären Sie, in welcher Form diese Mineralsalze im Zellmilieu vorliegen (gelöst oder ausgefällt), und nennen Sie zwei Funktionen, die sie erfüllen können.

Das menschliche Skelett enthält Calciumsalze in ausgefällter Form. Nennen Sie ein konkretes Mineralsalz, das daran beteiligt ist, und erklären Sie, welchen Vorteil es bietet, dass es ausgefällt statt gelöst vorliegt.

In einer experimentellen Hydrokultur wird die Wirkung von Bioelementmangel an Tomatenkeimlingen untersucht. Gruppe 1 wächst in einem stickstofffreien Medium, Gruppe 2 in einem eisenfreien Medium. Nach zwei Wochen zeigen beide Gruppen starke Chlorose und Wachstumsstillstand. Ein Schüler behauptet, die Folgen in Gruppe 2 müssten im Vergleich zu Gruppe 1 unbedeutend sein, da Stickstoff etwa 3 % der Trockenmasse der Pflanze ausmache (primäres Bioelement), Eisen dagegen weniger als 0,01 % (Spurenelement).

1. a) Widerlegen Sie das Argument des Schülers, indem Sie den grundlegenden Unterschied zwischen der biologischen Rolle der primären Bioelemente und der der Spurenelemente erklären.
2. b) Begründen Sie auf biochemischer Ebene, warum der Mangel an einer so winzigen Menge Eisen die Chlorophyllsynthese und die Fotosynthese ähnlich stark blockiert wie der Stickstoffmangel.