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Was ich mit Ihnen in dieser Woche gerne machen möchte, ist Sie auf eine Reise ins Innere der Zelle zu den allerkleinsten Einheiten mitzunehmen und zwar zu den Bausteinen des Lebens. Wir fangen zunächst mal sehr klein an, nämlich mit einzelnen Atomen, chemischen Bindungen und wie sich das Ganze zusam...

Was ich mit Ihnen in dieser Woche gerne machen möchte, ist Sie auf eine Reise ins Innere der Zelle zu den allerkleinsten Einheiten mitzunehmen und zwar zu den Bausteinen des Lebens. Wir fangen zunächst mal sehr klein an, nämlich mit einzelnen Atomen, chemischen Bindungen und wie sich das Ganze zusammensetzt zu Molekülen. Damit werden wir uns heute beschäftigen in dieser Doppelstunde und am Donnerstag wird das Thema sein, universell konservierte Bausteine der Zelle. Das sind also, wie Sie auch schon von Frau Prof. Vorhold erfahren haben, zum Teil außerordentlich alte Building Blocks, die schon oftmals vor der Aufspaltung in Bakterien, Archäen und Eukaryonten sich entwickelt haben und dementsprechend von elementarer Bedeutung, universaler Bedeutung für die Biologie sind. Und daher ist es sehr wichtig, diese Bausteine etwas systematischer kennenzulernen. Wir werden uns dann noch ansehen, wie diese Bausteine nach einer Art Lego-Prinzip, das hat Frau Prof. Vorhold ja auch schon erwähnt, zu größeren Makromolekülen zusammengesetzt werden. Beispiele für solche Makromoleküle sind DNA, RNA und Proteine, zum Beispiel Enzyme. Das sind alles Themen, die im Verlauf der Vorlesungen noch einmal gesondert behandelt werden und sehr wichtig werden. Coenzyme werden auch nochmal kurz behandelt von mir. Sie haben ja die beiden Parallelvorlesungen in Chemie, die von Herrn Zvenkos und Herrn Tilgen gehalten werden und die das Material viel tiefgehender präsentieren werden. Diese Vorlesungen laufen aber natürlich parallel zur Biologievorlesung. Deswegen war es uns ein Anliegen, Ihnen jetzt schon mal parallel dazu zu diesem Zeitpunkt eine hochkomprimierte Version der Chemie zu präsentieren, Chemie, die für die Biologie relevant sind, damit Sie die Grundlagen für die späteren Einheiten in dieser Fundamentals-Vorlesung Warum beschäftigen Sie sich in diesem Der Grund ist, dass viele biologische Phänomene, die Sie auf makroskopischer Ebene beobachten, basieren auf chemischen Prozessen, die in Organismen ablaufen oder auf der Interaktion von Biomolekülen in Zellen oder Gesamtorganismen. Und diese auf chemischer Ebene zu verstehen, ermöglicht dann auch ein besseres Verständnis biologischer Phänomene und eine effizientere Erforschung. Und die große Bedeutung solcher chemischen Prozesse wird besonders offensichtlich, wenn wir einmal auf die Ebene einer einzelnen Zelle hineinzoomen. Das ist also zum Beispiel ein E. coli-Bakterium, die gleiche Darstellung hatten Sie schon einmal gesehen im letzten Teil. Und wenn man sich das anschaut, dann erscheint die Zelle eher wie eine spektakulär komplexe chemische Reaktionskammer mit dichtestgepackten Nanofabriken. Diese Nanofabriken sind Enzyme, die chemische Reaktionen hoch effizient katalysieren. Das Ganze ist unvorstellbar, dicht gepackt und hochgradig miteinander vernetzt, über extrem lange evolutive Zeiträume hoch optimiert. Und der Zweck dieser ganzen chemischen Reaktionen und Molekülinteraktionen ist Energie zu erzeugen, Biomasse zu erzeugen und auch die Interaktion des Organismus mit der Außenwelt zu ermöglichen. Dabei ist es wichtig, sich vor Augen zu halten, dass biologische Reaktionen auf exakt den gleichen chemischen Prinzipien beruhen, wie die Reaktionen, die Sie in den Chemievorlesungen kennenlernen. Zwischen biochemischen und chemischen Reaktionen gibt es also keine wesentlichen Unterschiede, trotz der großen Komplexität, die viele Enzyme erreichen. Ich möchte anhand von einigen ausgewählten Beispielen Ihnen noch ein bisschen näher illustrieren, welche enorme Bedeutung chemische Prozesse und Molekülinteraktionen haben für grundlegende biologische Phänomene. Und hier stelle ich Ihnen zunächst drei Fragen vor, grundlegende biologische Fragen, mit denen wir uns auch hier in der Vorlesung näher beschäftigen. Eine dieser Fragen wurde in den letzten zwei Wochen näher beleuchtet und zwar, wie ist das Leben auf der Erde wohl entstanden? Sie haben da gehört, dass das Leben wahrscheinlich eine Konsequenz aus unzähligen chemischen, abiotischen Reaktionen gewesen ist. Viele von diesen chemischen Experimenten sind schiefgegangen, bis dann irgendwann ein Satz von Molekülen entstanden ist, der die Kompatimentierung erlaubt hat und das Ablaufen autonomer chemischer Reaktionen für das Fortbestehen des Urorganismus. Wie wird genetische Information gespeichert und weitergegeben? Da wissen Sie bereits, und das wird näher erläutert im Verlauf dieser Vorlesung, dass das ermöglicht wird durch die spezifische Abfolge von chemischen Bausteinen entlang eines DNA Strangs, hier verdeutlicht ich diese verschiedenfarbigen Fruchtgummis und Ausbildung von Wasserstoffbrücken, die den Kontakt mit einem zweiten DNA Strang ermöglicht. Nur der Auswahl einer dieser Wasserstoffbrücken durch z.B. Mutationen kann dann zum Absterben des Gesamtorganismus führen. Wie funktionieren Biosynthese-Maschinerien der Zellen? Eine weitere wichtige Frage, die auch in dieser Vorlesung beleuchtet wird. Hier werden Sie anhand verschiedener Beispiele biochemische Prinzipien kennenlernen, mit denen Enzyme Reaktionen hocheffizient katalysieren. Was hier z.B. gezeigt ist, ist eine Maschinerie von wirklich phänomenaler Komplexität, das ist das Ribosom. Das ist eine Maschinerie, die auch in ihren Zellen gerade mit Hochdruck daran arbeitet, neue Proteine herzustellen. Das ist eine Maschinerie, die auch in ihren Zellen gerade mit Hochdruck daran arbeitet, neue Proteine herzustellen. Hier noch kurz 3 Fragen von sehr großer gesellschaftlicher Relevanz. Eine ist, wie bakterielle Krankheitserreger es schaffen, resistent zu werden gegen normalerweise sehr wirksame Antibiotika. Auch das beruht auf spezifischen chemischen Wechselwirkungen. Was hier gezeigt ist, ist ein Beispiel für ein Antibiotikum und die Bindung an ein molekulares Target, ein Zielmolekül in der bakteriellen Zelle, sodass dann diese Zelle sich nicht weiter vermehren kann. Und bei der Resistenzbildung schafft es dann dieses Bakterium, das resistente Bakterium, solche Bindungen zu schwächen oder komplett zu unterbinden. Und das zu verstehen ist außerordentlich wichtig. Wie kann man Bakterien dazu einsetzen, um Umweltprobleme zu lösen? Beispiele sind hier die Erzeugung von Biokraftstoffen mit Hilfe von unprogrammierten Bakterien, CO2-absorbierende Bakterien und plastikfressende Bakterien. All das sind Themenbereiche der synthetischen Biologie und hier speziell Bakterien so maßzuschneidern, dass diese Ziele erreicht werden können. Dazu bedarf es ein spezifisches Verständnis der metabolischen Wege in solchen Bakterien. Und natürlich ist ein Verständnis der molekularen Prozesse in Zellen von elementarer Bedeutung, wenn wir wichtige Krankheiten wie Krebs oder Diabetes oder andere verstehen wollen und mit Hilfe von neuen Medikamenten bekämpfen wollen. Ihr chemisches Vorwissen wird wahrscheinlich sehr heterogen sein. Einige von Ihnen werden sich intensiv mit den chemischen Grundlagen und dem Aufbau von Biomolekülen befasst haben, andere von Ihnen vielleicht eher nicht. Und um sie auf ein gleiches Niveau anzuheben, das für die Vorlesung wichtig ist, werde ich zunächst einmal sehr einfach anfangen, sehr elementar. Und da werden wir uns mit Atomen beschäftigen und mit Regeln, wie Atome zusammengesetzt werden über chemische Bindungen. Sie werden sehen, dass das alles sehr logisch verläuft. Wenn sich die Prinzipien verinnerlichen, dann können Sie selbstständig solche Moleküle aufbauen. Und chemische Bindungen werden wir uns ansehen. Es gibt verschiedene Arten davon und drei verschiedene chemischen Bindungen sind hier schon mal abgebildet. Dann werden wir etwas herauszoomen. Wir werden uns erst einmal funktionelle Gruppen ansehen, die für die Biologie wichtig sind und wie Molekülteile zu größeren Biomolekülen zusammengesetzt werden. Building Blocks, Bausteine der Zelle werden ein wichtiges Thema sein. Die kann man klassifizieren in verschiedene Unterarten von Biomolekülen und schließlich kann man die auch zusammensetzen. So macht das die Natur nach dem LEGO-Prinzip und was daraus wird, sind oftmals sehr komplexe Riesenmoleküle und die schauen wir uns auch näher an. Beginnen wir also zunächst auf der Ebene der Atome. Atome haben Sie schon in der Chemievorlesung natürlich kennengelernt und Sie wissen, dass Atome sich bestimmten chemischen Elementen zuordnen lassen, dass die Anzahl der chemischen Elemente natürlich begrenzt ist und dass man diese Elemente aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften in einem Periodensystem einordnen kann. Und hier sehen Sie ein solches Periodensystem noch einmal abgebildet. Wir haben verschiedene Farbcodes, die hier in dieser Legende erklärt werden. Ganz grob handelt es sich um Eigenschaften wie zum Beispiel metallische Elemente, Elemente mit nicht metallischem Verhalten, wie zum Beispiel Kohlenstoff oder Stickstoff. Hier im grünen Bereich haben Sie die Edelgase und so weiter. Eine weitere Legende sehen Sie hier oben rechts, wo Sie die Bedeutung verschiedener Zahlen und Abkürzungen, Elementsymbol und so weiter sehen. Diese Einteilung in unterschiedliche Zeilen und Spalten beruht auf Elektronenbesetzungen im Groben und Zeilen werden im Periodensystem, Perioden genannt, Spalten, die nennt man eine Gruppe von Elementen. In den Zeilen sind Elemente zusammengefasst, die eine gleiche Anzahl von Elektronenschalen besitzt. Also von oben nach unten mit fortschreitenden Zeilen haben Sie also eine größere Anzahl von Elektronenschalen. Ganz wichtig für die chemische Reaktivität und Bindungsfähigkeit aber, und das ist relevant für unseren Teil hier, sind die Gruppen im Periodensystem. Hier sind Elemente zusammengefasst, die eine ähnliche Elektronenkonstellation in der Schale besitzen, die relevant ist für die chemische Bindung. Also von Elektronen, die bereitgestellt werden können für eine chemische Bindung. Und des Weiteren sehen Sie noch die Buchstaben A und B oberhalb der Gruppen. Bei A handelt es sich um sogenannte Hauptgruppen-Elemente, bei B um Nebengruppen-Elemente. Also hier sind die Nebengruppen-Elemente dargestellt und alles andere sind Hauptgruppen-Elemente. Sie haben vermutlich schon in der Chemievorlesung kennengelernt, dass die elektronischen Verhältnisse etwas kompliziert werden bei den Nebengruppen-Elementen. Aber die gute Nachricht für uns ist, in der Biologie sind hauptsächlich die Hauptgruppen-Elemente relevant und zwar die Hauptgruppen-Elemente der oberen Perioden. Dadurch vereinfacht sich die Situation erst einmal erheblich für sie, nicht nur, weil es wenige Elemente sind, die hier relevant sind, sondern auch weil die Gesetzmäßigkeiten beim Besetzen von Elektrodenschalen, die an Bindungen teilnehmen können, viel einfacher sind als bei den Nebengruppen-Elementen. Wenn sie also innerhalb einer Periode von links nach rechts fortschreiten, dann wird die Bindungselektronenschale sukzessive mit Elektronen aufgefüllt und in der ersten Periode sind das maximal zwei Elektronen, also ein Elektron beim Wasserstoff, zwei bei Helium und dann ist die Schale aufgefüllt. Hier in den unteren Perioden haben sie maximal acht Außenelektronen und wiederum das gleiche Prinzip der sukzessive Auffüllung mit Elektronen. Bei der Erwägung, wie viele Bindungspartner es geben kann für ein Element, ist die Anzahl der Elektronen sehr wichtig und die lässt sich direkt ablesen anhand der Zahl, die oberhalb jeder Gruppe bestehen. Also in dieser Gruppe gibt es zwei Bindungselektronen, in dieser Gruppe drei und so weiter, bis sie eine komplett gesättigte Situation, aufgefüllte Situation haben. Beim Helium sind es wie gesagt nicht acht Außenelektronen, sondern zwei. Elemente mit komplett aufgefüllter Schale nehmen nicht an irgendwelchen Bindungen teil und deswegen habe ich diese Edelgase, die hier gezeigt sind, auch noch grau hinterlegt. Also wichtig für ein Verständnis des Aufbaus von Biomolekülen sind Elemente, die hier gezeigt sind, wobei Halogene relativ selten in der Biologie sind .. Noch minimalistischer wird es, wenn Sie sich anschauen, welche Elemente tatsächlich im Aufbau von organischen Strukturen in Lebewesen beteiligt sind. Und da wird es Sie vielleicht erstaunen, dass das trotz der gigantischen Vielfalt von Biomolekülen nur sechs Elemente sind, die hier wichtig sind, nämlich Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel. Das kann man hier auch noch mal aufgeschlüsselt in der Tabelle rechts sehen. Da hat man quasi E-Koli in einzelne Atome zerlegt und in der rechten Spalte kann man sehen, welchen Anteil diese verschiedenen Elemente in E-Koli einnehmen. Daraus ist erkennbar, dass Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff dominante Rollen einnehmen. Wieso dominant, wenn hier eine 8 steht? Da müssen Sie bedenken, dass sich diese Zahl auf Prozent Trockengewicht bezieht und Sie wissen, dass Wasserstoff das leichteste aller Elemente ist. Also Wasserstoff hat eine viel wichtigere Rolle im Aufbau von Biomolekülen, als es hier den Anschein hat aus dieser kleinen Zahl. Ich habe hier noch ein zusätzliches Element gekennzeichnet und das ist das Selen. Das ist ein Element, das so selten ist in Zellen, dass es noch nicht mal hier in dieser Tabelle auftaucht. Nichtsdestotrotz spielt es wichtige Rollen. Selen ist in manchen seltenen Aminosäuren vorhanden und spielt wichtige Rollen in der Funktion von Biomolekülen. Zusätzlich zu diesen Elementen gibt es eine Reihe weitere Elemente, die habe ich hier in lila markiert und diese Elemente sind nicht direkt am Aufbau von Biomolekülen beteiligt. Die gehen keine kovalente chemische Bindung ein, sondern die liegen als Ionen vor und zwar Natrium, Magnesium, Kalium und Kalzium als Kationen. Sie sind positiv geladen und Chlor als Chlorid, das ist ein Anion, also negativ geladen. Die Funktionen dieser Elemente, dieser Ionen, sind außerordentlich vielfältig und hoch essentiell für zelluläre Funktionen. Eine der Funktionen ist zum Beispiel in geladenen Biomolekülen die Ladung auszugleichen. Also viele Biomoleküle sind nicht neutral, sondern liegen ebenfalls als Ionen vor und wenn ein Biomolekül zum Beispiel positiv geladen ist, dann brauchen sie ein negatives Gegenion, da würde also Chlorid zum Beispiel eine Rolle spielen, um die Ladung auszugleichen. Zusätzlich dazu gibt es viele weitere wichtige Funktionen in der Zelle, zum Beispiel in Signaltransduktionsketten oder in Iennen. Es ist ganz wichtig, um die Weiterleitung von Nervenimpulsen zu gewährleisten, also der elektrischen Signale, die sich entlang ihrer Neuronen fortbewegen. Und dann gibt es eine Reihe weiterer biologisch wichtiger Elemente, die ich hier in blau gekennzeichnet habe. Diese Elemente werden als Spurenelemente bezeichnet. Der Name trifft völlig zurecht zu, denn wenn Sie sich hier diese Tabelle anschauen, dann sieht man Spurenelemente summarisch aufgeführt in der letzten Zeile. Die machen gemeinsam nur 0,3 Prozent des Trockengewichts von E. coli aus. Nichtsdestotrotz sind diese Spurenelemente essentiell für das Überleben von E. coli. Und nicht nur von E. coli, sondern von allen Lebewesen. Also wenn man Spurenelemente zum Beispiel Ihrem Körper entziehen würde, dann hätten Sie zunächst Mangelerscheinungen und das würde dann zum Tod führen. Woran liegt das? Was ist die Funktion dieser Elemente? Sie sehen, dass die sich alle in den Nebengruppen des Periodensystems befinden. Eine Besonderheit dieser Nebengruppen-Elemente ist, dass sie sehr leicht Elektronen aufnehmen oder abgeben können. Sie können also in unterschiedlichen elektronischen Zuständen existieren und damit sehr leicht an Reduktions- und Oxidationsreaktionen teilnehmen können. Sowas nutzt der Mensch aus in der Chemie im Aufbau von Katalysatoren. Zum Beispiel Autokatalysatoren bestehen auch aus Nebengruppen-Elementen. Und dadurch können dann Schadstoffe in den Abgasen beseitigt werden. Eine Funktion als Katalysator wird auch von der Biologie aus genutzt. Hier sind diese Elemente in Biokatalysatoren, nämlich Enzyme, eingebaut. Und damit erhalten diese Metallo-Enzyme besondere Eigenschaften, nämlich meistens in Redox-Prozessen. Sie können also hier Zellen zusätzliche Funktionen und außerordentlich wichtige Funktionen verleihen. So, das ist so eine kleine Übersicht über die verschiedensten Elemente. Jetzt sieht es doch wieder nach sehr vielen Elementen aus, die hier relevant sind. Aber wichtig ist es nochmal zu betonen, dass zum Aufbau von den vielfältigen Biomolekülstrukturen nur sehr wenige Elemente eine Rolle spielen. Und das allerwichtigste dieser verschiedenen Elemente ist Kohlenstoff. Kohlenstoff ist so wichtig, weil es eine Vielzahl von Bindungen eingehen kann. Es hat vier verschiedene Bindungsmöglichkeiten. Warum das so ist, sehen Sie noch gleich. Und damit haben Sie eine unglaubliche Vielfalt von Kombinationsmöglichkeiten mit anderen Elementen. Biologische Prozesse hängen in Biomolekülen miteinander verknüpft sind, wie sie mit anderen Biomolekülen interagieren und welche Reaktionen sie ausüben können. Um das nochmal zu illustrieren habe ich hier das Enzym Ribulose Bisphosphat Carboxylase ausgewählt. Das wird auch als Obisco abgekürzt und die Aufgabe dieses Enzymes ist, in Pflanzen, Algen und vielen Bakterien Kohlendioxid zu fixieren. Obisco ist eines der am weitesten oder sogar das am weitesten verbreitete Enzym auf diesem Planeten und es spielt eine enorm wichtige Rolle in der Fixierung von Kohlendioxid und der Erzeugung von Biomasse auf der Erde. Sie sehen, dass dieses Enzym außerordentlich komplex ist, aber relevant für die CO2-Fixierung ist zum großen Teil das aktive Zentrum. Das befindet sich im Inneren dieses Enzyms und wenn wir uns das näher anschauen, dann sieht das ungefähr so aus. Diese Farbcodes beziehen sich auf einzelne Atomsorten. Grün steht hier für Kohlenstoff, rot bezeichnet Sauerstoff, blau ist Stickstoff. Sie sehen also hier in der Mitte ein Molekül, das besteht aus einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen und dabei handelt es sich also um CO2. Außerdem in der Umgebung von CO2 eine Reihe von weiteren Bestandteilen des Enzyms. Dabei handelt es sich um spezifisch ausgerichtete Aminosäure-Seitenketten und die sind exakt so positioniert, dass diese Seitenketten verschiedene Atome von Kohlendioxid binden. Ein weiterer wichtiger Bestandteil ist dieses Atom hier, das ist ein Magnesiumatom, das zusätzlich ein Sauerstoffatom von Kohlendioxid bindet und durch diese hoch exakt positionierten Atome, die in der Lage sind Kohlendioxid zu binden, führt das zur Schwächung des eigentlich sehr stabilen Kohlendioxidmoleküls und dadurch ist die Reaktion mit einem zweiten Biomolekül möglich, nämlich regulose Bisphosphat und damit wird CO2 dann in organischen Molekülen fixiert. Was ich mit Ihnen gerne in den folgenden Minuten machen möchte, ist Ihnen ein paar einfache Regeln vorzustellen, nach denen Atome zu größeren Molekülen zusammengesetzt werden. Sie werden sehen, das sind wirklich ein paar sehr logisch verständliche Regeln und wenn Sie die kennen, dann wissen Sie nicht nur, wie man zum Beispiel auf dem Papier Atome zu Molekülen zusammenbaut über Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen, sondern auch können Sie viele andere Eigenschaften voraussagen, zum Beispiel die dreidimensionale Gestalt eines Moleküls und sogar die chemische Reaktivität. Sie können dann voraussagen, welche Bereiche eines Moleküls die reaktivsten sind und bevorzugt mit anderen Bereichen von anderen Molekülen reagieren. Das Molekül oder die Substanz, die ich für diese Zwecke ausgewählt habe als Beispiel, ist das Natriumglutamat und Natriumglutamat wird im Englischen bezeichnet als Monosodiumglutamate und davon ist die Abkürzung MSG und diese Abkürzung kennen Sie vielleicht, Sie sehen hier diese Substanz in Plastikbeuteln abgepackt. Die Substanz wird in gigantischen Mengen von der Nahrungsmittelindustrie eingesetzt als Geschmacksverstärker. Der Hintergrund ist, dass man im Westen gemerkt hat, in westlichen Ländern, dass es ja noch einen unentdeckten weiteren Geschmack gibt zusätzlich zu diesen süß-sauer-salzig-grundgeschmeckern, nämlich herzhaft oder fleischig und das war schon in Asien immer bekannt. Was man aber versucht hat herauszufinden, ist welche Substanz sich hinter diesem Geschmack verbirgt. Auf asiatisch oder japanisch nennt man diesen Geschmack Umami. Das wird inzwischen allgemein so verwendet. Das Ergebnis dieser Untersuchungen, man hat zum Beispiel Algen in größeren Aufwand zerlegt in einzelne Bestandteile und dann immer wieder probiert und das Ergebnis war, dass es sich bei dieser Substanz um Natriumglutamate handelt. Mit der Erkenntnis ist dann die Nahrungsmittelindustrie aufgesprungen und produziert inzwischen das Natriumglutamate in massiven Mengen. Die jährliche Produktionsmenge beläuft sich auf ungefähr drei Millionen Tonnen pro Jahr und wenn sie durchs Supermarkt gehen, dann findet sich die Substanz in großen Teilen der Nahrungsmittel, die sich da im Regal befinden. Über positive oder negative Aspekte der Substanz lässt sich lange streiten, aber was sie nicht vergessen sollten ist, dass Glutamat oder das ist das Salz der Glutaminsäure, dass das ein Essetzellabestandteil jedes Organismus ist. Das ist nämlich eine von 20 Aminesäuren, die wir als Grundsatz von Bausteinen in unserer Zelle haben und aus denen Proteine aufgebaut werden. Sie sehen hier zwei unterschiedliche Darstellungsmethoden für das Molekül Natriumglutamate hier unten. Diese Darstellungsweise wird auch in Deutsch als Kalottenmodell, im Englischen als Space Filling Model bezeichnet und hier sehen Sie welche räumliche Dimensionen im Verhältnis die einzelnen Atome einnehmen. Und hier oben ist eine andere Darstellungsweise, das habe ich so gemalt, um mit Hilfe der Optik die Atome und ihre Verknüpfung vielleicht ein bisschen klarer zu machen und hier sieht man die einzelnen Atome mit Farbcodes markiert und das sind dann die chemischen Bindungen. Sie sehen zwei verschiedene Arten oder sogar drei von chemischen Bindungen. Hier das ist eine Einfachbindung, das bezeichnet man als Doppelbindung. Diese beiden Bindungen heißen kovalente Bindungen. Zusätzlich dazu gibt es eine Assoziation zwischen diesem Natriumatom, was positiv geladen ist, also Natriumkartion mit einem negativ geladenen Bereich des Moleküls und diese Bindung hier, die heißt ionische Bindung und das schauen wir uns später an. Wichtig wird jetzt erstmal sein, dass wir uns Regeln anschauen, nach denen kovalente Bindungen erzeugt werden. Und da macht es Sinn, zunächst einmal noch einfach anzufangen und sich das einfachste aller Moleküle anzusehen, nämlich molekularen Wasserstoff oder auch H2. Was Sie hier sehen, sind zwei Wasserstoffatome, schematisch dargestellt, mit jeweils einem Elektron, das an Bindungen teilnehmen kann und nach Vereinigung dieser beiden Atome hat man ein Wasserstoffmolekül oder auch H2 abgekürzt. Die Regeln, nach denen Wasserstoff zu einem Molekül zusammengesetzt werden, ist genauso wie für andere Atome. Was ein Atom erreichen möchte, ist eine volle Elektronenzahl, also komplette Elektronenzahl pro Schale und die maximale Elektronenzahl, die von jedem Element angestrebt wird, das lässt sich, wie ich das vorher schon mal erklärt habe, voraussagen anhand der Position im Periodensystem. Und da noch mal zur Wiederholung, verhält es sich so, dass in der ersten Periode, wo sich Wasserstoff befindet, dass sie dann an dieser Position, in dieser Gruppe, einen Außenelektron haben und wenn sie dann weiter springen zum nächsten Atom in dieser Periode, Helium, dass dann ein weiteres Elektron dazukommt und dann in dieser Gruppe hier, mit diesen zwei Elektronen, dass dann die Schale voll ist. Und diesen Edelgaszustand, den versuchen Elemente über chemische Bindungen zu erreichen. Was also der Wasserstoff erreichen möchte, ist, mit seinem einen Bindungselektron sich mit einem anderen Atom zu vereinigen, sodass dann die Anzahl der Elektronen in dieser Schale zwei wird. Das ist also die maximale Anzahl, die in diese Schale passt. Wenn wir also zwei Wasserstoffatome haben, dann trägt jedes Atom einen Elektron bei für die chemische Bindung und was dann passiert, ist, dass beide Atome sich beide Elektronen teilen und wenn sie sich nur einen Atom im fertigen Molekül anschauen, dann sehen sie, dass zwei Elektronen nun für dieses Atom bereit stehen und für das andere Atom verhält es sich genauso. Und damit haben wir ein relativ stabiles Molekül, eine neue Bindung wird erzeugt und die Regel ist, dass jede Einfachbindung, einfache Bindung, also hier handelt es sich um eine Einfachbindung, aus zwei Elektronen besteht. Also um das zusammenzufassen, es ist energetisch günstig, wenn die Anzahl der Elektronen in der äußeren Schale, es gibt nur eine Schale für den Wasserstoff, also in der Schale, Elektronenschale, die an der Bindung teilnimmt, wenn diese Anzahl der Elektronen gesättigt ist und gesättigt, das bezieht sich darauf auf diese Edelgaskonfiguration, nämlich die maximale Anzahl von Elektronen und die ist in dieser Periode 2. Und dann kann man genau voraussagen, wie viele Atome Wasserstoff zusammengefügt werden müssen, um ein solches stabiles Molekül zu erreichen. Für Wasserstoff lässt sich damit eine generelle Regel ableiten, die in blau gezeigt ist, wenn sie sich ein einziges Wasserstoffatom anschauen, dann wird immer natürlich ein weiteres Elektron benötigt, um diese Schale aufzufüllen, das heißt Wasserstoff bildet immer eine einzige Bindung zu einem anderen Atom aus und eine Bindung beinhaltet immer, wenn es sich um eine Einfachbindung handelt, zwei Elektronen pro Bindung. Ich habe hier eine solche Darstellung gewählt, um klar zu machen, wie Elektronen geteilt werden in Schalen und es gibt aber verschiedene andere Darstellungsweisen für Atome, die verknüpft sind zu Molekülen. Sie können ja als vereinfachte Schreibweise zum Beispiel sehen Sie das oft in Textbüchern so dargestellt, hier ist also das ungepaarte Elektron von Wasserstoff, das ist der Rest vom Wasserstoffmolekül, also in diesem konkreten Fall der Atomkern, bei anderen Elementen sind das innere Schalen, die schon aufgefüllt sind, so und hier sind also diese beiden Wasserstoffatome genau wie hier und Elektronen werden fast immer als Punkte dargestellt und die neue Bindung sind zwei Punkte miteinander verknüpft und damit hat man dann das fertige Wasserstoffmolekül. Noch einfacher dargestellt haben sie es hier, hier hat man alles innere weggelassen sozusagen vom Wasserstoff und nur das wichtige gezeigt, nämlich das ungepaarte Elektron, was für die chemische Reaktivität wichtig ist und die fertige Bindung wird dann wiederum als Strich gezeigt und wichtig ist sich zu merken, dass sich hinter diesem Strich, also eine Bindung, dass sich dahinter zwei Elektronen verbergen und das ist die allereinfachste Schreibweise H2 für molekularen Wasserstoff.