Chemie des Sehens

Chemie des Sehens Übung

• Bestimme, ob folgende Doppelbindungen E- oder Z-konfiguriert sind.

  Tipps

  Das Symbol E steht für entgegen.

  Eine E-Doppelbindung wird auch als trans-Doppelbindung bezeichnet.

  Die Doppelbindung ist cis-konfiguriert.

  Lösung

  Bei Doppelbindungen ist die Rotation um die Kernverbindungsachse normalerweise dadurch gehemmt, dass bei der Rotation eine Entkopplung der p-Elektronen aus den $\pi$-Bindungen erfolgen muss. Bei Polyenen, wie dem obigen Retinal, führt die Konjugation über fünf Doppelbindungen dazu, dass die Drehung um die Achse erleichtert wird (die Doppelbindungen sind geschwächt).

  Bei Alkenen, die mehr als einen Substituenten tragen, ergibt sich durch die Anordnung der Substituenten die sogenannte E/Z-Isomerie. Um herauszufinden, welches Isomer vorliegt, werden die Prioritäten auf jeder Seite der Doppelbindung bestimmt. Dabei erhalten die Reste mit dem schwereren Atom oder der längeren Kette die kleinere Priorität (1). Ein H-Atom erhält immer die größte Priorität (bei Doppelbindungen 2).

  Zeigen die Substituenten mit Priorität 1 auf die gleiche Seite (zusammen = Z), so ist es eine cis-Doppelbindung. Zeigen die Reste mit der niedrigsten Priorität in entgegengesetzte (entgegen = E) Richtungen, so handelt es sich um eine trans-Doppelbindung.

• Bestimme die Reaktion, die mit dem Sehprozess verbunden ist.

  Tipps

  Der Reaktionstyp der gesuchten Reaktion erfolgt aufgrund der Schwächung der Doppelbindung durch die Konjugation von fünf Doppelbindungen.

  Zum Sehen wird Licht benötigt.

  Quantenmechanisch wird die Energie des Lichtes durch das Produkt des Plankschen Wirkungsquantums und der Frequenz beschrieben.

  Lösung

  Das 11-cis-Retinal kann durch Umsetzung mit Opsin-$NH_2$ in ein Imin überführt werden, welches RHODOPSIN Z genannt wird. Wenn dieses durch Lichtzufuhr ($h \cdot v$) in das RHODOPSIN E umgewandelt wird, so bewirkt die Änderung der Molekülstruktur einen Nervenimpuls - den Sehvorgang.

• Zeige, wie im Körper das Vitamin A in das Z-Retinal überführt wird.

  Tipps

  Vitamin A ist eine all-trans-Verbindung.

  Lösung

  Vitamin A wird auch als all-trans-Retinol bezeichnet und ist ein Terpen, in dem alle Doppelbindungen E-konfiguriert sind. Um aus dem E-Isomer letztendlich das 11-Z-Retinal zu erzeugen, muss zunächst mithilfe von Enzymen eine Isomerisierung vom all-trans-Retinol zum 11-cis-Retinol erfolgen.

  Anschließend wird das 11-cis-Retinol durch das im Körper vorhandene Coenzym Nicotinamidadenindinukleotid ($NAD^+$) zum Aldehyd - dem (11Z)-Retinal - oxidiert.

• Erkläre den Ablauf vom Sehprozess.

  Tipps

  Der Nervenimpuls entsteht durch eine Änderung in der Molekülstruktur.

  Bei fast allen Reaktionsschritten wird ein wichtiges Protein verwendet, welches angelagert oder abgespalten wird (leerer Kasten in der Mitte).

  Lösung

  Das 11-cis-Retinal kann durch Umsetzung mit Opsin-$NH_2$ in ein Imin überführt werden, welches RHODOPSIN Z genannt wird.

  • $\text{(11Z)-Retinal} \xrightarrow{Opsin-NH_2} \text{RHODOPSIN Z}$

  Wenn das RHODOPSIN Z durch Lichtzufuhr ($h \cdot v$) in das RHODOPSIN E umgewandelt wird, so bewirkt die Änderung der Molekülstruktur einen Nervenimpuls - den Sehvorgang.

  • $\text{RHODOPSIN Z} \xrightarrow{h \cdot v} \text{RHODOPSIN E}$

  Dabei wird das RHODOPSIN E unter Freigabe von OPSIN-$NH_2$ und Wasser in das 11-trans-Retinal überführt.

  • $\text{RHODOPSIN E} \xrightarrow{H_2O} \text{Opsin}-NH_2 ~+~\text{(11E)-Retinal}$

  Um den Kreislauf des Sehvorgangs zu schließen, kann dieses durch ein Enzym wieder zurück in das 11-cis-Retinal umgewandelt werden.

  • $\text{(11E)-Retinal} \xrightarrow{Enzym} \text{(11Z)-Retinal}$

• Benenne folgende Verbindungen.

  Tipps

  Ein Z-Alken kann auch als cis-Alken bezeichnet werden.

  Die Isomerisierung von RHODOPSIN bewirkt einen Nervenimpuls - den Sehvorgang.

  Lösung

  Obigen Verbindungen sind am Sehprozess beteiligte Verbindungen:

  Das Vitamin A (all-trans-Retinol) ist der Stoffklasse der Terpene und Alkohole (Hydroxylgruppe) zuzuordnen. Aus diesem Vitamin, welches über die Nahrung aufgenommen wird, wird durch Oxidation das 11-cis-Retinal erzeugt. Das (11Z)-Retinal steht über eine Isomerisierung mit dem 11-trans-Retinal im Gleichgewicht.

  Bei Alkenen, die mehr als einen Substituenten tragen, ergibt sich durch die Anordnung der Substituenten die sogenannte E/Z-Isomerie. Um herauszufinden, welches Isomer vorliegt, werden die Prioritäten auf jeder Seite der Doppelbindung bestimmt. Zeigen die Prioritäten einer Zahl in dieselbe Richtung, so erhält man das Z-Isomer, umgekehrt erhält man das E-Isomer.

  Das 11-cis-Retinal kann durch Umsetzung mit Opsin-$NH_2$ in ein Imin überführt werden, welches RHODOPSIN Z genannt wird. Wenn dieses in das RHODOPSIN E umgewandelt wird, so bewirkt die Änderung der Molekülstruktur einen Nervenimpuls - den Sehvorgang.

• Gib den Grundbaustein der Stoffklasse der Terpene an.

  Tipps

  Der Grundbaustein ist ein Dien.

  Der Grundbaustein entsteht bei der Umsetzung von Aceton mit Acetylen mit erstens Natriumamid und zweitens Reduktion mit Wasserstoff und Wasserabspaltung.

  Bei der Umsetzung von Aceton mit Acetylen und Natriumamid entsteht nebenstehende Verbindung.

  Lösung

  Terpene sind eine Stoffklasse in der organischen Chemie, die aus zwei oder mehr Isopreneinheiten (2-Methyl-buta-1,3-dien) aufgebaut sind. Isopren ist ein Dien, welches aus Aceton und Acetylen synthetisiert werden kann (s. Grafik).

  Die erzeugten Isopreneinheiten können beispielsweise in einer [4+2]-Cycloaddition (Diels-Alder-Reaktion) zum cyclischen Terpen Limonen dimerisieren. Das obige Vitamin A ist ein Diterpen, da es sich aus vier Einheiten Isopren zusammensetzt. Entsprechend lassen sich die Strukturen aller Terpene nach der „Isopren-Regel“ zerteilen:

  $\begin{array}{c|c} n \cdot \text{Isopren} & \text{Silbe-} \\ \hline 1 & \text{Hemi-} \\ \hline 2 & \text{Mono-} \\ \hline 3 & \text{Sesqui-} \\ \hline 4 & \text{Di-} \\ \hline 5 & \text{Sester-} \\ \end{array}$