Die Rolle von Metallen in lebenden Organismen zählt zu den spannendsten Schnittstellen zwischen Chemie, Biologie und Medizin. Längst ist klar: Ohne Eisen, Zink, Kupfer oder Magnesium könnten zentrale Lebensprozesse wie Atmung, Zellteilung oder Signalübertragung nicht stattfinden. Gleichzeitig stellen toxische Metalle wie Blei oder Quecksilber eine ernste Gefahr für Gesundheit und Umwelt dar.
Welche Elemente sind für den menschlichen Organismus tatsächlich unentbehrlich – und warum? Wie beeinflussen metallhaltige Verbindungen Enzyme, Gewebe und ganze Stoffwechselwege? Und in welchem Maße lassen sich diese Erkenntnisse für Diagnostik und Therapie nutzen?
Diesen und vielen weiteren Fragen geht Hans Schön in seinem Lehrbuch „Bioanorganische Chemie. Ein Lehrbuch für Medizin und Biowissenschaften“ nach. Auf anschauliche Weise verbindet er chemische Grundlagen mit medizinischer Anwendung und vermittelt ein systematisches Verständnis der bioanorganischen Prozesse im menschlichen Körper. Zahlreiche Tabellen, Reaktionsschemata und klinische Beispiele machen das Werk zu einer wertvollen Orientierung für Studierende, Lehrende und Fachkräfte aus Medizin, Biologie und Pharmazie – und für alle, die verstehen wollen, wie eng Leben und Metalle miteinander verbunden sind.
Inhaltsverzeichnis des Lehrbuchs
- 1 Einleitung
- 2 Wichtige Elemente in der Bioanorganischen Chemie
- 2.1 Mengenelemente
- 2.2 Essentielle Spurenelemente
- 2.3 Nicht-essentielle, aber potenziell biologisch aktive Spurenelemente
- 2.4 Toxische und pharmakologisch wirksame Metalle ohne essentielle Funktion
- 3 Elemente der 1. Hauptgruppe – Alkalimetalle
- 3.1 Einleitung zu den Alkalimetallen
- 3.1.1 Periodensystematische Einordnung
- 3.2 Wasserstoff (H)
- 3.2.1 Vorkommen und chemische Besonderheiten
- 3.2.2 Rolle von Wasserstoffionen (H⁺) im Säure-Basen-Haushalt
- 3.2.3 Protonentransport in biologischen Membranen
- 3.2.4 Bedeutung des pH-Werts in der klinischen Praxis
- 3.2.5 Wasserstoffperoxid (H₂O₂) und freie Radikale
- 3.2.6 Zusammenfassung
- 3.3 Lithium (Li)
- 3.3.1 Vorkommen und pharmakologische Verwendung
- 3.3.2 Wirkmechanismus bei bipolaren affektiven Störungen
- 3.3.3 Lithium in der Neurobiologie
- 3.3.4 Nebenwirkungen und toxikologische Aspekte
- 3.3.5 Lithium in Nahrung und Umwelt
- 3.3.6 Zusammenfassung
- 3.4 Natrium (Na)
- 3.4.1 Physiologische Verteilung und Transportmechanismen
- 3.4.2 Rolle bei der Erregungsleitung und Osmoregulation
- 3.4.3 Natrium in der klinischen Diagnostik
- 3.4.4 Bedeutung in Ernährung und Infusionstherapie
- 3.4.5 Na⁺/K⁺-ATPase als zentraler Mechanismus
- 3.4.6 Zusammenfassung
- 3.5 Kalium (K)
- 3.5.1 Zelluläre Verteilung und Membranpotenzial
- 3.5.2 Rolle bei Muskel- und Nervenfunktion
- 3.5.3 Klinische Relevanz: Hypo- und Hyperkaliämie
- 3.5.4 Kaliumverluste bei Diuretika und gastrointestinalen Erkrankungen
- 3.5.5 Kalium in der Ernährung und Supplementation
- 3.5.6 Zusammenfassung
- 3.6 Rubidium (Rb) und Cäsium (Cs)
- 3.6.1 Chemische Eigenschaften und biologische Ähnlichkeit zu Kalium
- 3.6.2 Experimentelle Bedeutung in der Biochemie und Zellphysiologie
- 3.6.3 Rubidium-82 in der Nuklearmedizin
- 3.6.4 Cäsium in der Forschung und Toxikologie
- 3.6.5 Zusammenfassung
- 3.7 Francium (Fr)
- 3.7.1 Systematische Einordnung und Eigenschaften
- 3.7.2 Biologische Bedeutung: keine physiologische Funktion
- 3.7.3 Radiotoxikologische Relevanz
- 3.7.4 Zusammenfassung
- 3.8 Vergleichende Übersicht der Alkalimetalle
- 3.1 Einleitung zu den Alkalimetallen
- 4 Elemente der 2. Hauptgruppe – Erdalkalimetalle
- 4.1 Einleitung zu den Erdalkalimetallen
- 4.1.1 Periodensystematische Einordnung
- 4.1.2 Chemisch-physikalische Eigenschaften
- 4.1.3 Reaktivität und biologische Stabilität
- 4.1.4 Vergleichende Übersicht der Erdalaklimetalle
- 4.1.5 Zusammenfassung
- 4.2 Beryllium (Be)
- 4.2.1 Chemische Eigenschaften und Verhalten
- 4.2.2 Keine physiologische Funktion – toxikologische Einordnung
- 4.2.3 Berylliose – Berufskrankheit durch Inhalation
- 4.2.4 Weitere Anwendungen und Schutzmaßnahmen
- 4.2.5 Zusammenfassung
- 4.3 Magnesium (Mg)
- 4.3.1 Physiologische Verteilung und Transport
- 4.3.2 Magnesium als Enzymkofaktor
- 4.3.3 Klinische Bedeutung bei Muskel- und Nervenfunktion
- 4.3.4 Medizinisch relevante Magnesiumverbindungen
- 4.3.5 Zusammenfassung
- 4.4 Calcium (Ca)
- 4.4.1 Verteilung im Körper: Knochen, Plasma, intrazellulär
- 4.4.2 Calcium und Zelluläre Signaltransduktion
- 4.4.3 Calciumregulation: Vitamin D, Parathormon, Calcitonin
- 4.4.4 Klinische Bedeutung: Hypo- und Hyperkalzämie
- 4.4.5 Medizinisch relevante Calciumverbindungen
- 4.4.6 Zusammenfassung
- 4.5 Strontium (Sr)
- 4.5.1 Chemische Eigenschaften und Vergleich mit Calcium
- 4.5.2 Strontium im Knochen – Ionenaustausch und Mineralisation
- 4.5.3 Pharmakologischer Einsatz: Strontiumranelat
- 4.5.4 ⁹⁰Sr – eine Gefahr im atomaren Fallout
- 4.5.5 Zusammenfassung
- 4.6 Barium (Ba)
- 4.6.1 Chemische Eigenschaften und Verbindungen
- 4.6.2 Barium als Röntgenkontrastmittel
- 4.6.3 Toxizität wasserlöslicher Bariumverbindungen
- 4.6.4 Anwendungen, Sicherheit und Entsorgung
- 4.6.5 Zusammenfassung
- 4.7 Radium (Ra)
- 4.7.1 Historie: Entdeckung und frühe medizinische Nutzung
- 4.7.2 Chemische Eigenschaften und biologische Analogie zu Calcium
- 4.7.3 Moderne Anwendung: Radium-223 in der Nuklearmedizin
- 4.7.4 Strahlenschutz und radiotoxikologische Bewertung
- 4.7.5 Zusammenfassung
- 4.8 Vergleichende Übersicht der Erdalkalimetalle
- 4.1 Einleitung zu den Erdalkalimetallen
- 5 Medizinisch und biologisch wichtige Übergangsmetalle
- 5.1 Einleitung: Übergangsmetalle im biologischen System
- 5.2 Übersicht relevanter Übergangsmetalle
- 5.3 Eisen (Fe)
- 5.3.1 Chemische Eigenschaften und biologische Spezifizierung
- 5.3.2 physiologische Funktionen und eisenhaltige Proteine
- 5.3.3 Eisenstoffwechsel: Aufnahme, Transport, Regulation
- 5.3.4 Eisenmangel und Eisenüberladung
- 5.3.5 Zusammenfassung
- 5.4 Kupfer (Cu)
- 5.4.1 Chemische Eigenschaften und Verbindungen
- 5.4.2 Biologische Funktion im menschlichen Organismus
- 5.4.3 Kupfermangel und Kupferüberschuss
- 5.4.4 Bedeutung in Diagnostik, Zahnmedizin und Materialkunde
- 5.4.5 Zusammenfassung
- 5.5 Zink (Zn)
- 5.5.1 Chemische Eigenschaften und biologische Bindungsformen
- 5.5.2 Biochemische Funktion und Enzymbeteiligung
- 5.5.3 Zinkmangel: Ursachen, Symptome, Folgen
- 5.5.4 Therapeutischer Einsatz und Supplementierung
- 5.5.5 Bedeutung in Zahnmedizin und Materialkunde
- 5.5.6 Zusammenfassung
- 5.6 Mangan (Mn)
- 5.6.1 Chemische Eigenschaften und Verbindungen
- 5.6.2 Kaliumpermanganat: Oxidationsmittel und Nachweisreagenz
- 5.6.3 Biologische Funktion und Enzymatische Bedeutung
- 5.6.4 Toxikologie: Manganismus und Permanganatvergiftung
- 5.6.5 Zusammenfassung
- 5.7 Kobalt (Co)
- 5.7.1 Chemische Eigenschaften und Verbindungen
- 5.7.2 Biologische Funktion: Vitamin B₁₂ (Cobalamin)
- 5.7.3 Kobaltmangel: Ursachen und Folgen
- 5.7.4 Toxikologie und Materialverwendung
- 5.7.5 Zusammenfassung
- 5.8 Molybdän (Mo)
- 5.8.1 Chemische Eigenschaften und technische Verwendung
- 5.8.2 Biologische Funktion im menschlichen Organismus
- 5.8.3 Molybdänmangel und genetische Störungen
- 5.8.4 Molybdänaufnahme und Ernährung
- 5.8.5 Zusammenfassung
- 5.9 Wolfram (W)
- 5.9.1 Chemische Eigenschaften und technische Verwendung
- 5.9.2 Biologische Bedeutung in Mikroorganismen
- 5.9.3 Toxikologie und gesundheitliche Risiken
- 5.9.4 Bedeutung in der Medizintechnik
- 5.9.5 Zusammenfassung
- 5.10 Nickel (Ni)
- 5.10.1 Chemische Eigenschaften und industrielle Bedeutung
- 5.10.2 Biologische Funktion – begrenzt und artspezifisch
- 5.10.3 Toxikologie und gesundheitliche Risiken
- 5.10.4 Bedeutung in Medizin und Zahnmedizin
- 5.10.5 Zusammenfassung
- 5.11 Vanadium (V)
- 5.11.1 Chemische Eigenschaften und typische Verbindungen
- 5.11.2 Biologische Funktion bei Menschen, Tieren und Pflanzen
- 5.11.3 Experimentelle medizinische Bedeutung
- 5.11.4 Toxikologie und Umweltrelevanz
- 5.11.5 Bedeutung in Technik und Materialkunde
- 5.11.6 Zusammenfassung
- 5.12 Technetium (Tc)
- 5.12.1 Allgemeine Eigenschaften und Entdeckung
- 5.12.2 Nuklid Tc-99m: Eigenschaften und Zerfall
- 5.12.3 Medizinische Anwendung in der Nuklearmedizin
- 5.12.4 Bedeutung in der Schilddrüsendiagnostik
- 5.12.5 Strahlenschutz und Handhabung
- 5.12.6 Zusammenfassung
- 5.13 Platin (Pt)
- 5.13.1 Chemische Eigenschaften und medizinisch-technische Relevanz
- 5.13.2 Platin in der Krebstherapie
- 5.13.3 Nebenwirkungen und Toxikologie
- 5.13.4 Zusammenfassung
- 5.14 Gadolinium (Gd)
- 5.14.1 Chemische Eigenschaften und Klassifikation
- 5.14.2 Medizinische Anwendung in der MRT
- 5.14.3 Sicherheitsaspekte und gadoliniumassoziierte Risiken
- 5.14.4 Toxikologie und Umweltaspekte
- 5.14.5 Zusammenfassung
- 5.15 Quecksilber (Hg)
- 5.15.1 Chemische Eigenschaften und Besonderheiten
- 5.15.2 Quecksilberverbindungen und deren Verwendung
- 5.15.3 Toxikologie: Akute und chronische Quecksilbervergiftung
- 5.15.4 Umweltaspekte und Bioakkumulation
- 5.15.5 Zusammenfassung
- 6 Elemente der 3. Hauptgruppe – Die Borgruppe
- 6.1 Einleitung zur 3. Hauptgruppe
- 6.2 Bor (B)
- 6.2.1 Chemische Eigenschaften und Vorkommen
- 6.2.2 Biologische Rolle und medizinische Bedeutung
- 6.2.3 Historische medizinische Verwendung von Borsäure
- 6.2.4 Toxikologie und Sicherheitsbewertung
- 6.2.5 Industrielle und technische Anwendungen
- 6.2.6 Bor-Diester mit Polyolen – chemische Grundlagen und biologische Bedeutung
- 6.2.7 Zusammenfassung
- 6.3 Aluminium (Al)
- 6.3.1 Chemische Eigenschaften und Vorkommen
- 6.3.2 Technische und pharmazeutische Verwendung
- 6.3.3 Biologische Relevanz und Toxizität
- 6.3.4 Aluminium in Impfstoffen und Kosmetika
- 6.3.5 Zusammenfassung
- 6.4 Gallium (Ga)
- 6.4.1 Chemische Eigenschaften und periodensystematische Stellung
- 6.4.2 Biologische Bedeutung und Eisenmimikry
- 6.4.3 Medizinische Anwendung – Diagnostik und Onkologie
- 6.4.4 Toxikologie und Sicherheit
- 6.4.5 Technische und diagnostische Bedeutung
- 6.4.6 Zusammenfassung
- 6.5 Indium (In)
- 6.5.1 Chemische Eigenschaften und Einordnung
- 6.5.2 Medizinische Bedeutung – Indium in der Nuklearmedizin
- 6.5.3 Biologische Eigenschaften und Toxikologie
- 6.5.4 Technische Relevanz
- 6.5.6 Zusammenfassung
- 6.6 Thallium (Tl)
- 6.6.1 Chemische Eigenschaften und Inertpaareffekt
- 6.6.2 Biologische Mimikry von Kalium (K⁺)
- 6.6.3 Toxikologie und Vergiftungserscheinungen
- 6.6.4 Nuklearmedizinische Anwendung – Tl-201-Szintigrafie
- 6.6.5 Umweltrelevanz und gesetzliche Lage
- 6.6.6 Zusammenfassung
- 6.7 Vergleichende Übersicht der Borgruppe (3. Hauptgruppe)
- 7 Elemente der 4. Hauptgruppe – Die Kohlenstoffgruppe
- 7.1 Einleitung zur 4. Hauptgruppe
- 7.2 Kohlenstoff (C)
- 7.2.1 Chemische Eigenschaften und elementare Formen
- 7.2.2 Natürliches Vorkommen und Verbindungen
- 7.2.3 Kohlenstoffdioxid (CO₂) – Bedeutung und Eigenschaften
- 7.2.4 Kohlenmonoxid (CO) – hochtoxisch und klinisch bedeutsam
- 7.2.5 Medizinisch-pharmazeutische Anwendungen von Carbonaten
- 7.2.6 Isotope: ¹²C, ¹³C, ¹⁴C – Bedeutung in Forschung und Medizin
- 7.2.7 Zusammenfassung
- 7.3 Silicium (Si)
- 7.3.1 Chemische Eigenschaften und natürliches Vorkommen
- 7.3.2 Siliciumverbindungen – Glas, Wasserglas und Kieselsäuren
- 7.3.3 Silikate und Asbest – Struktur und Gefahren
- 7.3.4 Silicone – synthetische Siliciumverbindungen
- 7.3.5 Toxikologie – Silicose und Asbestose
- 7.3.6 Zusammenfassung
- 7.4 Germanium (Ge)
- 7.4.1 Chemische Eigenschaften und periodensystematische Stellung
- 7.4.2 Natürliches Vorkommen und Gewinnung
- 7.4.3 Biologische Bedeutung und medizinische Anwendung
- 7.4.4 Technische und elektronische Bedeutung
- 7.4.5 Toxikologie und Sicherheitsaspekte
- 7.4.6 Zusammenfassung
- 7.5 Zinn (Sn)
- 7.5.1 Chemische Eigenschaften und periodensystematische Stellung
- 7.5.2 Verwendung in Technik und Werkstoffen
- 7.5.3 Anorganische und organische Zinnverbindungen
- 7.5.4 Biologische Relevanz und Toxikologie
- 7.5.5 Zinn in der Zahnmedizin
- 7.5.6 Zusammenfassung
- 7.6 Blei (Pb)
- 7.6.1 Chemische Eigenschaften und Stellung im Periodensystem
- 7.6.2 Technische Verwendung und wichtige Verbindungen
- 7.6.3 Biologische Wirkung und Toxizität
- 7.6.4 Nachweis und Diagnostik
- 7.6.5 Therapie und Prävention
- 7.6.6 Zusammenfassung
- 7.7 Vergleichende Übersicht der Kohlenstoffgruppe (4. Hauptgruppe)
- 8 Elemente der 5. Hauptgruppe – Die Stickstoffgruppe
- 8.1 Einleitung zur 5. Hauptgruppe
- 8.2 Stickstoff (N)
- 8.2.1 Chemische Eigenschaften und Bindungsverhalten
- 8.2.2 Biologische Funktion und physiologische Relevanz
- 8.2.3 Anorganische Stickstoffverbindungen von medizinischer Relevanz
- 8.2.4 Umweltrelevanz und toxikologische Aspekte
- 8.2.5 Zusammenfassung
- 8.3 Phosphor (P)
- 8.3.1 Chemische Eigenschaften und Modifikationen
- 8.3.2 Biologische Funktion und physiologische Relevanz
- 8.3.3 Energiereiche Phosphate und ihre biologische Funktion
- 8.3.4 Phosphate in Medizin, Ernährung und Technik
- 8.3.5 Phosphorige Säure – chemische Grundlagen
- 8.3.6 Toxikologie und Sicherheit
- 8.3.7 Zusammenfassung
- 8.4 Arsen (As)
- 8.4.1 Chemische Eigenschaften und Verbindungen
- 8.4.2 Medizinische Verwendung und historische Bedeutung
- 8.4.3 Toxikologische Wirkung und Vergiftungsbilder
- 8.4.4 Umweltrelevanz, Exposition und Prävention
- 8.4.5 Zusammenfassung
- 8.5 Antimon (Sb)
- 8.5.1 Chemische Eigenschaften und Verbindungen
- 8.5.2 Medizinische Anwendung und historische Bedeutung
- 8.5.3 Toxikologische Aspekte
- 8.5.4 Umweltrelevanz und industrielle Verwendung
- 8.5.5 Zusammenfassung
- 8.6 Bismut (Bi)
- 8.6.1 Chemische Eigenschaften und Verbindungen
- 8.6.2 Medizinische Verwendung und Pharmakologie
- 8.6.3 Toxikologische Aspekte
- 8.6.4 Umweltrelevanz und industrielle Bedeutung
- 8.6.5 Zusammenfassung
- 8.7 Vergleichende Übersicht der Stickstoffgruppe (5. Hauptgruppe)
- 9 Elemente der 6. Hauptgruppe – Die Chalkogene
- 9.1 Einleitung zur 6. Hauptgruppe (Chalkogene)
- 9.2 Sauerstoff (O)
- 9.2.1 Periodensystematische Stellung und Isotopie
- 9.2.2 Physikochemische Eigenschaften
- 9.2.3 Biologische Rolle und Redoxfunktion
- 9.2.4 Medizinische Anwendung und klinische Relevanz
- 9.2.5 Ozon, Radikale und Umweltaspekte
- 9.2.6 Zusammenfassung
- 9.3 Schwefel (S)
- 9.3.1 Periodensystematische Stellung und Vorkommen
- 9.3.2 Physikochemische Eigenschaften
- 9.3.3 Wichtige anorganische Schwefelverbindungen in biologischen, toxikologischen und medizinischen Kontexten
- 9.3.4 Oxosäuren und Salzsystematik des Schwefels
- 9.3.5 Biochemische Funktionen in Proteinen und Coenzymen
- 9.3.6 Medizinische Anwendungen und klinische Relevanz
- 9.3.7 Toxikologie und Umweltmedizin
- 9.3.8 Zusammenfassung
- 9.4 Selen (Se)
- 9.4.1 Periodensystematische Stellung und Vorkommen
- 9.4.2 Physikochemische Eigenschaften
- 9.4.3 Oxosäuren und Salzsystematik des Selens
- 9.4.4 Biochemische Funktionen in Enzymen und Coenzymen
- 9.4.5 Medizinische Anwendungen und klinische Relevanz
- 9.4.6 Toxikologie und Umweltmedizin
- 9.4.7 Zusammenfassung
- 9.5 Tellur (Te)
- 9.5.1 Periodensystematische Stellung und Vorkommen
- 9.5.2 Physikochemische Eigenschaften
- 9.5.3 Oxosäuren und Salzsystematik des Tellurs
- 9.5.4 Biochemische und pharmakologische Aspekte
- 9.5.5 Medizinisch-toxikologische Relevanz
- 9.5.6 Umweltmedizinische Aspekte
- 9.5.7 Zusammenfassung
- 9.6 Polonium (Po)
- 9.6.1 Periodensystematische Stellung und Vorkommen
- 9.6.2 Physikochemische Eigenschaften
- 9.6.4 Biologische Funktion und medizinische Relevanz
- 9.6.5 Toxikologie und Strahlenwirkung
- 9.6.6 Umweltmedizin und radiologische Relevanz
- 9.6.7 Zusammenfassung
- 9.7 Vergleichende Übersicht der Chalkogene
- 10 Elemente der 7. Hauptgruppe – Die Halogene
- 10.1 Einleitung zur 7. Hauptgruppe – Eigenschaften und Bedeutung der Halogene
- 10.1.1 Periodensystematische Einordnung und chemische Eigenschaften
- 10.1.2 Physikochemische Eigenschaften
- 10.1.3 Reaktivität in biologischen Systemen
- 10.1.4 Übersicht zur biologischen und medizinischen Relevanz
- 10.2 Fluor (F)
- 10.2.1 Periodensystematische Stellung und Vorkommen
- 10.2.2 Physikochemische Eigenschaften
- 10.2.3 Reaktivität in biologischen Systemen
- 10.2.4 Medizinische Anwendung und klinische Relevanz
- 10.2.5 Toxikologie
- 10.2.6 Umweltmedizinische Aspekte
- 10.2.8 Wesentliche organische Fluorverbindungen
- 10.2.8 Zusammenfassung
- 10.3 Chlor (Cl)
- 10.3.1 Periodensystematische Stellung und Vorkommen
- 10.3.3 Reaktivität in biologischen Systemen
- 10.3.4 Medizinische Anwendung und klinische Relevanz
- 10.3.5 Toxikologie von Chlorverbindungen
- 10.3.6 Umweltmedizinische Aspekte
- 10.3.7 Zusammenfassung
- 10.4 Brom (Br)
- 10.4.1 Periodensystematische Stellung und Vorkommen
- 10.4.2 Physikochemische Eigenschaften
- 10.4.3 Reaktivität in biologischen Systemen
- 10.4.4 Medizinische Anwendung und klinische Relevanz
- 10.4.5 Toxikologie
- 10.4.6 Umweltmedizinische Aspekte
- 10.4.7 Zusammenfassung
- 10.5 Iod (I)
- 10.5.1 Periodensystematische Stellung und Vorkommen
- 10.5.2 Physikochemische Eigenschaften
- 10.5.3 Reaktivität in biologischen Systemen
- 10.5.4 Medizinische Anwendung und klinische Relevanz
- 10.5.5 Toxikologie
- 10.5.6 Umweltmedizinische Aspekte
- 10.5.7 Zusammenfassung
- 10.6 Astat (At)
- 10.6.1 Periodensystematische Stellung und Vorkommen
- 10.6.2 Physikochemische Eigenschaften
- 10.6.3 Reaktivität in biologischen Systemen
- 10.6.4 Medizinische Anwendung und klinische Relevanz
- 10.6.5 Toxikologie
- 10.6.6 Umweltmedizinische Aspekte
- 10.6.7 Zusammenfassung
- 10.7 Vergleichende Übersicht der Halogene (F–At)
- 10.1 Einleitung zur 7. Hauptgruppe – Eigenschaften und Bedeutung der Halogene
- 11 Elemente der 8. Hauptgruppe – Die Edelgase
- 11.1 Einleitung zu den Elementen der 8. Hauptgruppe – Die Edelgase
- 11.1.1 Periodensystematische Einordnung und chemische Besonderheiten
- 11.1.2 Physikalisch-chemische Eigenschaften der Edelgase
- 11.1.3 Chemische Reaktivität und Ausnahmen
- 11.1.4 Medizinisch-biologische Bedeutung der Edelgase
- 11.1.5 Zusammenfassung der Gruppeneigenschaften
- 11.2 Helium (He)
- 11.2.1 Periodensystematische Stellung und Vorkommen
- 11.2.2 Physikochemische Eigenschaften
- 11.2.3 Reaktivität in biologischen Systemen
- 11.2.4 Medizinische Anwendung und klinische Relevanz
- 11.2.5 Toxikologie
- 11.2.6 Umweltmedizinische Aspekte
- 11.2.7 Zusammenfassung
- 11.3 Neon (Ne)
- 11.3.1 Periodensystematische Stellung und Vorkommen
- 11.3.2 Physikochemische Eigenschaften
- 11.3.3 Reaktivität in biologischen Systemen
- 11.3.4 Medizinische Anwendung und klinische Relevanz
- 11.3.5 Toxikologie
- 11.3.6 Umweltmedizinische Aspekte
- 11.3.7 Zusammenfassung
- 11.4 Argon (Ar)
- 11.4.1 Periodensystematische Stellung und Vorkommen
- 11.4.2 Physikochemische Eigenschaften
- 11.4.3 Reaktivität in biologischen Systemen
- 11.4.4 Medizinische Anwendung und klinische Relevanz
- 11.4.5 Toxikologie
- 11.4.6 Umweltmedizinische Aspekte
- 11.4.7 Zusammenfassung
- 11.5 Krypton (Kr)
- 11.5.1 Periodensystematische Stellung und Vorkommen
- 11.5.2 Physikochemische Eigenschaften
- 11.5.3 Reaktivität in biologischen Systemen
- 11.5.4 Medizinische Anwendung und klinische Relevanz
- 11.5.5 Toxikologie
- 11.5.6 Umweltmedizinische Aspekte
- 11.5.7 Zusammenfassung
- 11.6 Xenon (Xe)
- 11.6.1 Periodensystematische Stellung und Vorkommen
- 11.6.2 Physikochemische Eigenschaften
- 11.6.3 Reaktivität in biologischen Systemen
- 11.6.4 Medizinische Anwendung und klinische Relevanz
- 11.6.6 Umweltmedizinische Aspekte
- 11.6.7 Zusammenfassung
- 11.7 Radon (Rn)
- 11.7.1 Periodensystematische Stellung und Vorkommen
- 11.7.2 Physikochemische Eigenschaften
- 11.7.3 Reaktivität in biologischen Systemen
- 11.7.4 Medizinische Anwendung und klinische Relevanz
- 11.7.5 Toxikologie
- 11.7.6 Umweltmedizinische Aspekte
- 11.7.7 Zusammenfassung
- 11.8.1 Zusammenfassende Bewertung:
- 11.1 Einleitung zu den Elementen der 8. Hauptgruppe – Die Edelgase
- Weiterführende Literatur
Zielsetzung & Themen
Dieses Lehrbuch zur Bioanorganischen Chemie verfolgt das Hauptziel, die bioanorganischen Grundlagen systematisch und praxisnah zu vermitteln, ohne dabei auf chemische Präzision und Tiefe zu verzichten. Die Forschungsfrage konzentriert sich darauf, die Struktur, Funktion und Reaktivität von anorganischen Elementen in lebenden Organismen zu verstehen und deren biologische sowie medizinische Relevanz aufzuzeigen.
- Rolle von Metallen und anorganischen Verbindungen in biologischen Systemen.
- Verständnis physiologischer Prozesse, diagnostischer Verfahren und therapeutischer Anwendungen in der Medizin.
- Fokus auf essentielle Spurenelemente, toxikologisch relevante Stoffe und therapeutisch eingesetzte Substanzen.
- Untersuchung der metallbasierten Katalyse in Metalloenzymen und der Toxizität von Schwermetallen.
- Entwicklung metallhaltiger Arzneistoffe wie Cisplatin und Kontrastmittel.
- Systematische Darstellung nach dem Periodensystem mit biologischen, pathophysiologischen und medizinischen Bezügen.
Auszug aus dem Buch
1 Einleitung
Die Bioanorganische Chemie ist ein interdisziplinäres Teilgebiet der Chemie, das an der Schnittstelle von klassischer anorganischer Chemie, Biochemie und Medizin liegt. Sie beschäftigt sich mit der Rolle von Metallen und anorganischen Ionen in biologischen Systemen. Anders als die Bioorganische Chemie, die sich primär mit kohlenstoffbasierten Molekülen befasst, richtet sich der Fokus hier auf Elemente außerhalb der organischen Hauptgruppe, insbesondere auf die Übergangsmetalle und essentielle Spurenelemente.
Ziel der bioanorganischen Chemie ist es, die Struktur, Funktion und Reaktivität von anorganischen Elementen in lebenden Organismen zu verstehen. Dabei werden sowohl natürlich vorkommende Metallionen, die für die Funktion von Enzymen und Proteinen unentbehrlich sind, als auch exogene anorganische Verbindungen wie Medikamente, Diagnostika oder Toxine untersucht.
Ein klassisches Beispiel ist das Eisen (Fe) im Hämoglobin, das den reversiblen Sauerstofftransport im Blut ermöglicht. Ebenso bedeutend ist Zink (Zn) als Bestandteil zahlreicher Enzyme oder Kupfer (Cu) in der mitochondrialen Atmungskette. Die Bioanorganische Chemie analysiert dabei nicht nur, wo und wie Metalle im Körper vorkommen, sondern auch wie sie biologisch reguliert, transportiert, gespeichert und ausgeschieden werden.
Charakteristika der bioanorganischen Chemie:
- Sie verbindet anorganisch-chemische Konzepte wie Ligandentheorie, Komplexbildung und Koordinationsgeometrien mit biologischen Systemen.
- Sie untersucht die metallbasierte Katalyse in Metalloenzymen.
- Sie analysiert die Toxizität von Schwermetallen sowie deren Entgiftung im Organismus.
- Sie liefert die Grundlage für die Entwicklung von metallhaltigen Arzneistoffen wie Cisplatin oder Kontrastmitteln wie Gadolinium-Komplexe.
Durch die zunehmende Bedeutung metallhaltiger Wirkstoffe und diagnostischer Systeme in der Medizin ist die Bioanorganische Chemie heute ein zentraler Bestandteil der medizinisch-chemischen Ausbildung. Ein grundlegendes Verständnis der anorganischen Chemie – insbesondere der Elementeigenschaften, Oxidationsstufen, Ligandenbindung und Komplexstruktur – ist hierfür unverzichtbar.
Von besonderem Interesse in der medizinischen und naturwissenschaftlichen Ausbildung sind jene chemischen Elemente und ihre Verbindungen, die als sogenannte Bioelemente eine zentrale Rolle im Aufbau und in der Funktion lebender Organismen spielen. Obwohl heute 118 chemische Elemente bekannt sind, ist nur ein vergleichsweise kleiner Teil davon tatsächlich am Aufbau biologischer Systeme beteiligt. Die Elemente mit den Ordnungszahlen 1 bis 94 kommen auf der Erde in natürlicher Form vor, jedoch meist gebunden in chemischen Verbindungen und teils nur in sehr geringen Spuren.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Stellt die Bioanorganische Chemie als interdisziplinäres Feld vor, das die Rolle anorganischer Elemente in biologischen Systemen und deren medizinische Relevanz untersucht.
2 Wichtige Elemente in der Bioanorganischen Chemie: Klassifiziert Elemente nach ihrer biologischen Funktion (Mengenelemente, essentielle Spurenelemente, nicht-essentielle, aber aktive Spurenelemente, toxische/pharmakologisch wirksame Metalle) und deren Bedeutung für den menschlichen Organismus.
3 Elemente der 1. Hauptgruppe – Alkalimetalle: Beschreibt die chemischen und biologischen Eigenschaften der Alkalimetalle (H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), ihre physiologische Rolle und medizinische Anwendungen.
4 Elemente der 2. Hauptgruppe – Erdalkalimetalle: Erläutert die Eigenschaften der Erdalkalimetalle (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra), ihre essentielle biologische Rolle, toxikologische Aspekte und medizinische Anwendungen.
5 Medizinisch und biologisch wichtige Übergangsmetalle: Behandelt die Chemie, biologische Funktion und medizinische Relevanz der d-Block-Elemente wie Eisen, Kupfer, Zink, Mangan, Kobalt, Molybdän und Platin.
6 Elemente der 3. Hauptgruppe – Die Borgruppe: Stellt die Elemente Bor, Aluminium, Gallium, Indium und Thallium vor, ihre chemischen und biologischen Eigenschaften sowie ihre toxikologische und medizinische Bedeutung.
7 Elemente der 4. Hauptgruppe – Die Kohlenstoffgruppe: Beschreibt die chemischen und biologischen Aspekte von Kohlenstoff, Silicium, Germanium, Zinn und Blei, einschließlich ihrer Rolle als Bioelemente und ihrer toxikologischen Relevanz.
8 Elemente der 5. Hauptgruppe – Die Stickstoffgruppe: Fokussiert auf Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon und Bismut, ihre Rolle im Stoffwechsel, ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften und toxikologischen Profile.
9 Elemente der 6. Hauptgruppe – Die Chalkogene: Untersucht Sauerstoff, Schwefel, Selen, Tellur und Polonium hinsichtlich ihrer essentiellen Funktionen, ihrer Redoxchemie und ihrer umweltmedizinischen Aspekte.
10 Elemente der 7. Hauptgruppe – Die Halogene: Beschreibt Fluor, Chlor, Brom, Iod und Astat, ihre chemischen Eigenschaften, ihre physiologischen und toxikologischen Wirkungen sowie ihre Anwendungen in Medizin und Technik.
11 Elemente der 8. Hauptgruppe – Die Edelgase: Erläutert die physikalisch-chemischen Eigenschaften und die begrenzte medizinisch-biologische Bedeutung der Edelgase (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), ihre Toxikologie und Umweltrelevanz.
Schlüsselwörter
Bioanorganische Chemie, Metalle, Spurenelemente, Toxizität, Pharmakologie, Hämoglobin, Enzyme, Redoxreaktionen, Periodensystem, Medizinische Diagnostik, Nuklearmedizin, Schwermetalle, Umweltaspekte, Proteinstruktur, Signaltransduktion.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Diese Arbeit befasst sich mit der Bioanorganischen Chemie, einem interdisziplinären Feld, das die Rolle von Metallen und anorganischen Verbindungen in biologischen Systemen sowie deren Relevanz für Medizin und Biowissenschaften untersucht.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themenfelder umfassen die physiologischen Prozesse, diagnostischen Verfahren und therapeutischen Anwendungen von anorganischen Elementen, die Analyse essentieller Spurenelemente, die Toxikologie von Schwermetallen und die Entwicklung metallhaltiger Arzneistoffe.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist es, die bioanorganischen Grundlagen systematisch und praxisnah zu vermitteln, insbesondere das Verständnis der Struktur, Funktion und Reaktivität anorganischer Elemente in lebenden Organismen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Das Buch verfolgt einen systematischen Ansatz, der die Elemente nach dem Periodensystem gliedert und ihre chemischen Eigenschaften, biologischen Funktionen, pathophysiologischen Implikationen und medizinischen Anwendungsfelder tiefgehend analysiert.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt detailliert die Elemente der Hauptgruppen 1 bis 8 sowie die medizinisch und biologisch wichtigen Übergangsmetalle, wobei für jedes Element chemische Eigenschaften, physiologische Bedeutung, Toxikologie und medizinische bzw. technische Anwendungen beleuchtet werden.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird charakterisiert durch Schlüsselwörter wie Bioanorganische Chemie, Metalle, Spurenelemente, Toxizität, Pharmakologie, Hämoglobin, Enzyme, Redoxreaktionen, Periodensystem, Medizinische Diagnostik, Nuklearmedizin, Schwermetalle, Umweltaspekte, Proteinstruktur und Signaltransduktion.
Warum besitzt Lithium keine anerkannte essentielle Funktion, ist aber medizinisch bedeutsam?
Obwohl Lithium im menschlichen Körper keine essentielle Funktion aufweist und kein klinisch relevanter Mangel festgestellt wurde, entfaltet es ausgeprägte pharmakologische Wirkungen und wird erfolgreich in der Langzeittherapie bipolarer affektiver Störungen eingesetzt, indem es Signalübertragung, Neurotransmitterfreisetzung und Genexpression moduliert.
Welche besonderen Eigenschaften machen Übergangsmetalle vielseitig in biologischen Systemen?
Übergangsmetalle sind aufgrund ihrer Valenzelektronen in unvollständig besetzten d-Orbitalen vielseitig einsetzbar; sie weisen variable Oxidationsstufen auf, bilden stabile Komplexverbindungen, sind oft farbig und zeigen katalytische, redoxaktive sowie magnetische Eigenschaften, die sie zu Zentralionen von Metalloenzymen und Redoxkatalysatoren machen.
Inwiefern ist Strontium-90 eine Gefahr im atomaren Fallout?
Strontium-90 ist ein radioaktives Beta-strahlendes Isotop mit einer langen Halbwertszeit von ca. 28,8 Jahren. Es wird vom Organismus analog zu Calcium in den Knochen eingebaut und nicht differenziert, was zu einer jahrzehntelangen Einlagerung im Skelett und damit verbundenen Schäden am Knochenmark sowie einem erhöhten Risiko für Leukämie und Osteosarkome führt.
Warum ist Kohlenmonoxid (CO) hochtoxisch und klinisch bedeutsam?
Kohlenmonoxid (CO) ist hochtoxisch, da es farb-, geruch- und geschmacklos ist und mit 300-fach höherer Affinität an Hämoglobin bindet als Sauerstoff, wodurch der Sauerstofftransport blockiert und eine zelluläre Hypoxie verursacht wird. Zudem hemmt es selektiv die Cytochrom-c-Oxidase der mitochondrialen Atmungskette, was zu Erstickung und Tod führen kann.
- Citation du texte
- Hans Schön (Auteur), 2025, Bioanorganische Chemie, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1651314
