Makromoleküle-Polymere (copy)

Was sind Makromoleküle? Beschreibe die Einteilung der Makromoleküle.

Sie sind eine übergeordnete Gruppe der Polymere und beschreiben alle sehr großen Moleküle. Die Untergruppen der Makromoleküle sind die organischen Makromoleküle(natürliche/ synthetische Polymere), anorganischen Makromoleküle und die Makromolekulare Metallkomplexe.

Was sind Polymere?

Polymere sind eine spezielle Untergruppe der Makromoleküle und bestehen aus vielen kleinen, sich wiederholenden Bausteinen(=Monomeren), die kovalent zu langen Ketten oder Netzen verknüpft sind.

Nenne die sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen (Name, allgemeine Formel/Struktur) und ein medizinisches Beispiel aus der Vorlesung.

• Hydroxygruppe: R–OH (Alkohole/Phenole). Bsp.: Ethylenglykol (Frostschutz), Phenol (Synthese).

• Alkoxygruppe: R–O–R (Ether). Bsp.: Diethylether (Narkotikum, Lösungsmittel).

• Carbonylgruppe (Aldehyd): R–CHO (Formylgruppe). Bsp.: Acetaldehyd (Zuckerabbau).

• Carbonylgruppe (Keton): R–CO–R (Oxogruppe). Bsp.: Aceton (bei Diabetes).

• Carboxylgruppe: R–COOH. Bsp.: Essigsäure.

• Estergruppe: R–COO–R. Bsp.: Ethylacetat (Lösungsmittel).

Nenne die stickstoff- und schwefelhaltigen funktionellen Gruppen (Name, allgemeine Formel/Struktur) und ein Beispiel aus der Vorlesung.

• Aminogruppe: R–NH₂ (Amine). Bsp.: Putrescin (Duftbestandteil).

• Amidgruppe: R–CO–NH₂ (Carbonsäureamide). Bsp.: Acetamid.

• Nitrogruppe: R–NO₂. Bsp.: Nitromethan (Ausgangsstoff für Synthesen).

• Mercapto-/Sulfanylgruppe: R–SH (Thiole). Bsp.: Methanthiol (Geruch von gekochtem Kohl).

• Alkylthiogruppe: R–S–R (Sulfide/Thioether). Bsp.: Senfgas (Kampfstoff).

• Sulfogruppe: R–SO₃H (Sulfonsäuren). Bsp.: Methansulfonsäure (in Reinigungsmitteln).

Wie lautet die funktionelle Gruppe der Halogenkohlenwasserstoffe und was ist das Beispiel aus der Vorlesung?

• Halogen-Gruppe: R–X (mit X = F, Cl, Br, I).

• Bsp.: Halothan (1-Brom-1-chlor-2,2,2-trifluor-ethan), ein Inhalationsnarkotikum.

Beschreibe das natürliche Makromolekül/Polymere Proteine.

Aufbau: Proteine sind Polypeptide, die aus α-Aminosäuren (Monomeren) aufgebaut sind. Diese werden über Peptidbindungen (Amidbindungen) verknüpft (unter Wasserabspaltung).
Funktion: Enzyme (Katalyse), Antikörper (Immunabwehr), Strukturproteine (Wolle, Seide), (Insulin)

Beschreibe die Struktur & Vernetzung der Polypeptide.

Polypeptide falten sich von der Primärstruktur (Aminosäuresequenz) über die Sekundärstruktur (α-Helix, β-Faltblatt, stabilisiert durch Wasserstoffbrücken) zur dreidimensionalen Tertiärstruktur.

Zur Stabilisierung dieser 3D-Struktur dienen Vernetzungen: Schwächere Wechselwirkungen (Wasserstoffbrücken, Salzbrücken) und Disulfidbrücken (kovalente –S–S–-Bindungen zwischen Cystein-Resten), die weit auseinanderliegende Teile der Kette verbinden und die mechanische Festigkeit erhöhen.

Wie ist das Grundgerüst einer α-Aminosäure aufgebaut?

Ein zentrales Cα-Atom, an das vier Gruppen gebunden sind: eine Aminogruppe (–NH₂), eine Carboxylgruppe (–COOH), ein Wasserstoffatom (–H) und die Seitenkette (–R). (Wichtig: Das Cα ist ein chirales Zentrum, außer bei Glycin, wobei R = H).

Welche drei Aminosäuren haben eine ganz besondere R-Gruppe und was ist ihre Besonderheit?

• Glycin (Gly): R-Gruppe = H. Einzige Aminosäure ohne chirales Zentrum.

• Cystein (Cys): R-Gruppe = –CH₂–SH (Thiol). Bildet Disulfidbrücken zur Vernetzung.

• Prolin (Pro): R-Gruppe bildet einen Ring mit der Aminogruppe. Verursacht Knicke in der Peptidkette.

Welche Aminosäuren sind bei physiologischem pH-Wert geladen und wodurch?

• Sauer (negativ geladen): Asparaginsäure (Asp) und Glutaminsäure (Glu). (R-Gruppe enthält eine zusätzliche –COOH-Gruppe).

• Basisch (positiv geladen): Lysin (Lys) und Arginin (Arg). (R-Gruppe enthält basische Stickstoffgruppen).

Wie unterscheiden sich die hydrophoben und hydrophilen R-Gruppen?

• Hydrophob (unpolar): Reine Kohlenwasserstoffketten (z. B. Alanin, Valin, Leucin). Meiden Wasser.

• Hydrophil (polar): Enthalten z. B. eine –OH-Gruppe (z. B. Serin, Threonin). Können Wasserstoffbrücken mit Wasser bilden.

• Aromatisch: Enthalten einen Benzolring (z. B. Phenylalanin, Tyrosin). Tyrosin hat zusätzlich eine -OH-Gruppe.

Welche Einteilung der Aminosäuren ist für die Proteinfaltung wichtig?

Hydrophob (unpolar, z. B. Alanin, Valin, Leucin) und Hydrophil (polar/geladen, z. B. Serin, Lysin)

Wie funktioniert die Monomer-Verknüpfung bei Proteinen?

Die Monomere (α-Aminosäuren) werden über eine Peptidbindung (chemisch eine Amidbindung) verknüpft.

Dabei reagiert die Carboxylgruppe (–COOH) der einen Aminosäure mit der Aminogruppe (–NH₂) der nächsten Aminosäure. Unter Abspaltung von Wasser (H₂O) entsteht eine kovalente C–N-Bindung. Mehrere so verknüpfte Aminosäuren bilden eine Peptidkette (Polypeptid), die den Grundbaustein von Proteinen darstellt.

Wie sind die natürlichen Makromoleküle/Polymere Nukleinsäuren(DNA/RNA) aufgebaut?

Sie sind Polymere mit Nukleotiden als Monomere, welche aus Phosphat, Zucker (Ribose bei RNA, Desoxyribose bei DNA) und einer Base bestehen. Wobei die Basen der DNA A,T,G,C und die der RNA A,U,G,C (Uracil statt Thymin) enthält. DNA bildet eine Doppelhelix, wobei A mit T (2 Wasserstoffbrücken) und G mit C (3 Wasserstoffbrücken) über Wasserstoffbrücken paaren.

Was sind die natürlichen Makromoleküle/Polymere Kohlenhydrate?

Kohlenhydrate sind natürliche Polymere, die aus Monosacchariden (Einfachzuckern, z. B. Glucose) aufgebaut sind. Sie entstehen durch Photosynthese (aus CO₂ und H₂O) und werden über glykosidische Bindungen unter Wasserabspaltung verknüpft.

Nenne die wichtigsten natürlichen Kohlenhydrat Polymere.

• Stärke: Besteht aus Amylose (unverzweigt, α-1,4-verknüpft, bildet Helices) und Amylopektin (stark verzweigt, α-1,4- und α-1,6-verknüpft).

• Cellulose: β-1,4-verknüpfte Glucoseketten (unverzweigt), die über Wasserstoffbrücken stabilisiert werden (hohe Zugfestigkeit, für den Menschen unverdaulich).

• Chitin: β-verknüpftes Acetylglucosamin (Baustoff von Insektenpanzern und Pilzzellwänden).

• Glykogen: Das tierische Speicherkohlenhydrat (stark verzweigt).

Wann ist ein Zucker in der α- und β-Form?

Die Bezeichnung α oder β hängt von der räumlichen Stellung (Stereochemie) der Hydroxygruppe am anomeren C-Atom (C1) im cyclischen Zucker (Halbacetal) ab:

• α-Form: Die OH-Gruppe am C1 steht entgegengesetzt (trans) zur –CH₂OH-Gruppe (am C5).

• β-Form: Die OH-Gruppe am C1 steht auf derselben Seite (cis) wie die –CH₂OH-Gruppe.

(Merkhilfe: α = „anders“ / trans; β = „beieinander“ / cis).

Beide Formen stehen in wässriger Lösung im Gleichgewicht zueinander (Mutartation).

Beschreibe die Herstellung von synthetischen Polymeren.

Synthetische Polymere werden durch drei klassische Polyreaktionen hergestellt:

1. Polymerisation (Kettenwachstumsreaktion): Monomere mit Doppelbindungen (z. B. Ethylen) lagern sich aneinander, ohne dass ein Nebenprodukt entsteht. Die Reaktion kann radikalisch, anionisch oder kationisch ablaufen. Beispiel: Ethylen → Polyethylen.

2. Polykondensation (Stufenwachstumsreaktion): Monomere mit mindestens zwei funktionellen Gruppen reagieren unter Abspaltung eines kleinen Moleküls (meist Wasser oder HCl). Beispiel: Dicarbonsäure + Diamin → Polyamid (+ H₂O).

3. Polyaddition (Stufenwachstumsreaktion): Monomere reagieren miteinander, ohne dass ein Nebenprodukt abgespalten wird (oft durch Umlagerung von Wasserstoffatomen). Beispiel: Diol + Diisocyanat → Polyurethan.

Was sind die Eigenschaften von Polymeren?

• Thermoplaste: Lineare oder verzweigte Ketten. Bei Wärme verformbar, schmelzbar und löslich (z. B. PE, PVC).

• Elastomere: Weitmaschig vernetzte Ketten. Elastisch verformbar, stark quellbar, nicht schmelzbar (z. B. Gummi).

• Duroplaste: Engmaschig vernetzte Ketten. Nicht verformbar, kaum quellbar, zersetzen sich bei starker Hitze (z. B. Epoxidharze, Bakelit).

Wie teilt man die Molmassen von Polymeren ein?

Da synthetische Polymere aus Ketten unterschiedlicher Länge bestehen, gibt es keine einheitliche Molmasse, sondern eine Verteilung. Man unterscheidet:

• Zahlenmittel (MnMn​): Gewichtung nach der Anzahl der Moleküle.

• Gewichtsmittel (MwMw​): Gewichtung nach dem Massenanteil (größere Moleküle haben einen stärkeren Einfluss). Das Gewichtsmittel ist immer größer als das Zahlenmittel.

Wie werden funktionale Polymere für den Medikamententransport genutzt?

Biologisch abbaubare Polymere dienen als Träger für Wirkstoffe in der Krebstherapie. Gezeigt wird ein Polymer-Graphenoxid-Komposit, das das Zytostatikum Camptothecin (CPT) bindet und freisetzt.

Welche Rolle spielen Polymere im Tissue Engineering?

Abbaubare, polymerbasierte Tinten (z. B. Alginate, Gelatine) werden für den 3D-Druck von patientenspezifischen Gerüsten (Scaffolds) für Implantate genutzt, um Gewebe nachzuzüchten.

Welche speziellen funktionalen Polymere gibt es für Medizin und Diagnostik?

• Chameleomere: Polymere, die ihre Farbe ändern, als Sensoren in Wundpflastern zur Überwachung der Wundheilung (Infektionsanzeige).

• PNA (Peptid-Nukleinsäure): Künstliches Polymer mit Peptid-Rückgrat statt Zucker-Phosphat, das als DNA-Analogon für maßgeschneiderte, personalisierte Medizin genutzt wird.

Nach welchen zwei unabhängigen Kriterien werden Polymere in Bezug auf ihre Umweltverträglichkeit eingeteilt?

1. Herkunft: Nachwachsende Rohstoffe (Biomasse) vs. Petrochemische Rohstoffe (Erdöl).

2. Abbaubarkeit: Biologisch abbaubar vs. Nicht abbaubar.
   (Wichtig: Diese beiden Kriterien bedingen sich nicht gegenseitig!)

Was sind petrochemische Biopolymere? Nenne Beispiele.

Polymere, die aus Erdöl hergestellt werden, aber biologisch abbaubar sind.
Beispiele: Polycaprolacton (PCL), Polyvinylalkohol (PVAL), Polyesteramide.

Was sind Biopolymere aus nachwachsenden Rohstoffen, die NICHT abbaubar sind? Nenne Beispiele.

Sie werden aus Pflanzen (z. B. Zucker, Stärke) hergestellt, können aber von der Natur/Mikroben nicht abgebaut werden.
Beispiele: Bio-PE (Polyethylen aus Zuckerrohr), Celluloseacetat (CA), Kautschuk.

Was sind die "echten" biologisch abbaubaren Biopolymere? Nenne Beispiele.

Polymere, die aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden und biologisch abbaubar sind.
Beispiele:

• Aus Pflanzen: Stärke, Stärkeblends, PLA (Polymilchsäure).

• Aus Bakterien (Stoffwechselprodukte): Polyhydroxyalkanoate (PHAs).

• Aus tierischem Ursprung: Chitin, Casein, Seide.

Was sind konventionelle Kunststoffe?

Polymere, die aus petrochemischen Rohstoffen (Erdöl) hergestellt werden und nicht biologisch abbaubar sind.
Beispiele: Klassisches PE, PP, PVC, Polystyrol.