Chemische Kreisläufe in der Natur : Chemie Biologie Energetik Die Chemie ist die Wissenschaft vom Energie und Stoffumsatz und den damit verbundenen Änderungen der Energie und Stoffzustände. Sie ist auch die Wissenschaft vom strukturellen Aufbau der Stoffe. Alle lebenden Systeme bestehen aus Stoffen und sind von Stoffen unterschiedlichen Energieinhaltes umgeben. Die auslösenden Faktoren für Stoffumwandlungen sind die von Außen auf sie einwirkenden Energien oder die in den Stoffen gespeicherten chemischen Energien. Diese gespeicherten chemischen Energien können als technische Nutzenergie (Elektrizität Wärme) freigesetzt oder als physiologische Energie (Nahrung Futter) für die lebenden Systeme angeboten werden. Damit ist die Chemie eine Verbundwissenschaft in der sich alle naturwissenschaftlichen Disziplinen wie Physik Biologie Medizin Pharmazie Ernährungswissenschaft Land und Forstwirtschaft sowie Ingenieurtechnik begegnen ergänzen und vernetzen. Im vorliegenden Buch werden Stoffumwandlungen beschrieben die mithilfe von Sonnenenergie über die Fotosynthese zu den Pflanzen und deren Früchten führen. Stofflich handelt es sich dabei um Kohlenhydrate Fette Proteine Nukleinsäuren und viele Wirkstoffe. Als wesentliche Lebenselemente wurden Wasserstoff Kohlenstoff Stickstoff Phosphor Sauerstoff Schwefel und einige Mineralien ausgewählt. In Pflanzen und deren Früchten ist die physiologische Nutzenergie gespeichert die die Mikroorganismen Tiere und Menschen auf unserer Erdoberfläche zum Erhalt ihres Lebens benötigen. Während des stofflichen Abbaus (Verdauung) wird die physiologische Nutzenergie freigesetzt. Die Nahrungs bzw. Futtermittel werden zu den an Energie verarmten Reststoffen abgebaut wie z. B. Wasser Kohlenstoffdioxid Schwefelwasserstoff Harnstoff Harnsäure Phosphate u. a. Zur Ergänzung wird auf die reaktionssteuernden Wirkstoffe wie Vitamine Enzyme und Hormone eingegangen. Unter dem Gesichtspunkt einer modernen globalen Massengesellschaft sind der Pflanzenschutz die Arzneimittel und die Infektionskrankheiten nicht unberücksichtigt geblieben. Mathematische Grundkenntnisse sind notwendig um Vorgänge in der Natur und Technologie quantitativ zu beschreiben. I Bevölkerungswachstum – Life Sciences – Globalisierung 1 Bevölkerungsdichte Stoffdichte Energiedichte 2 Historisches 3 Lebenswissenschaften 4 Degradation 5 Globalisierung 6 Rückblick und Ausblick 7 Schlussbemerkung – Globalisierung der Risiken II Chemie in der Natur – Chemie in der Technik 8 Was ist Chemie 9 Die Bausteine der Stoffe 10 Der stoffliche Aufbau der menschlichen Umwelt 11 Der Weg vom einfachen zum komplexen Molekülaufbau 12 Oxidation und Reduktion als typische Stoffumwandlungen in Natur und Technik 13 Energieträger und Energieumsatz 14 Stoffkreisläufe in der Natur im Organismus und in der Chemiewirtschaft 15 Zyklus zwischen dem Nutzungssystem der Technik und dem Regenerationssystem der Natur 16 Vom Prinzip der Wechselwirkungen 17 Die Chemie der Halbleiterbauelemente und Informationsübertragung III Wasser 18 Wasserkreislauf im menschlichen Körper 19 Wasserverteilung in der Natur 20 Aufbereitung von Wasser IV Mineralien und Nährstoffe 21 Oxide 22 Über das Ökosystem des Bodens 23 Kurzbeschreibung einiger Gesteine und Böden 24 Lithosphäre 25 Biosphäre 26 Energiedichte 27 Pseudosphäre 28 Humus 29 Degradation und Regeneration von Böden V Vom Stickstoff über die Aminosäuren zu den Proteinen 30 Stickstoff N2 31 Aminosäuren 32 Proteine 33 Proteide konjugierte Proteine 34 Stickstofffixierung 35 Pflanzeneiweiß und tierisches Eiweiß 36 Essenzielle Aminosäuren und ihre wirtschaftliche Verwertung 37 Harnstoffzyklus 38 Stoffwechselreaktionen von Aminosäuren 39 Die Wirkung von Nitraten im Blutgefäßsystem 40 Zusammenfassung über die Rolle des Stickstoffs als Bioelement VI Phosphorsäure Phosphate – ihre Bedeutung im Stoffwechselprozess 41 Chemische Eigenschaften der Phosphorsäure 42 Calciumphosphate als mineralischer Bestandteil der Knochen 43 Phosphonsäure 44 Pentanatriumtriphosphat Na5P3O10 45 Eutrophierung von Gewässern 46 Phosphate im Stoffwechselprozess 47 Phosphorylierung 48 Phosphate ihre Strukturen chemotechnischen und biochemischen Funktionen – eine Übersicht 49 Phosphate als Nährsubstanz für Pflanzen – Düngemittel 50 Wirtschaftliches VII Schwefel und seine biochemischen Verbindungen 51 Vorkommen 52 Bioleaching von Erzen 53 Schwefel seine biochemischen und technischen Eigenschaften 54 Schwefeloxide und ihre Eigenschaften 55 Sulfonamide 56 Sulfonylharnstoffe als Antidiabetika 57 Thiole Mercaptane 58 Schwefel in Heterozyklen (Thiamin Vitamin B1) 59 Der Schwefelstoffwechsel in der Biosphäre 60 Disulfidbrückenbindungen VIII Düngemittel und Düngung 61 Bedarf der Pflanzen an Nährelementen 62 Düngung 63 Kalkstickstoff 64 Zusammenhang zwischen Düngung und Nahrungsmittelproduktion 65 Stallmist Jauche und Gülle – wirtschaftseigene organische Dünger 66 Zusammenspiel im Ökosystem IX Von den Stoff und Energiequellen 67 Fotosynthese 68 Biologische und technische Prozesse – ein Vergleich 69 Energie und Stoffumwandlungen als Aufbau und Abbauprozesse 70 Reaktionskomponenten der biochemischen Aufbau und Abbaureaktionen X Schlüsselprodukte der organischen Chemie und ihre Rohstoffquellen 71 Technische Schlüsselprodukte 72 Biochemische Schlüsselprodukte XI Die Hydrierung 73 Hydrierung von elementarem Stickstoff 74 Kohlenstoffdioxid als Wasserstoffakzeptor für die Glucosesynthese in der Natur 75 Die Fotosynthese 76 Stärke – ein Polymerisationsprodukt 77 Polyfructosane 78 Cellulose 79 Xylane und Hemicellulose XII Verdauung 80 Beim Menschen 81 Bei Wiederkäuern – der Pansen als Fermenter 82 Methanabbau durch Bakterien 83 Der Treibhauseffekt 84 Koprophagen XIII Glykolisation als Ursache des Alterungsprozesses im menschlichen Organismus 85 Chemismus der Glykolisation 86 Die Maillard Reaktion 87 Folgereaktionen der Amadori Umlagerung 88 Hämoglobin A1C im Blut von Diabetikern 89 Laborversuche mit kristallinen Proteinen der Augenlinse 90 Laborversuche mit Kollagen 91 Arteriolosklerose 92 Veränderungen an den DANN 93 Aminoguanidin gegen das Altern XIV Energie 94 Masse Energie Äquivalenz 95 Von der Atmung und Verbrennung 96 Von den Energieformen 97 Physiologische Energie 98 Entropie 99 Thermogenese 100 Treibende Faktoren für Ausgleichsvorgänge 101 Der thermodynamische Wirkungsgrad 102 Funktionsweise eines mit fossilen Energierohstoffen befeuerten Wärmekraftwerkes XV Bevölkerungsdichte – Stoffdichte – Energiedichte 103 Bevölkerungsdichte 104 Stoffverdichtung in Rohstoffquellen 105 Energiedichten einiger Energieträger 106 Einheiten zum Messen von Energie 107 Die Sonne als Energiequelle der Erde XVI Fette und Öle 108 Historisches über Fette und Öle 109 Fettsäuren – Übersicht 110 Fettsäuren und ihre Biosynthese 111 Pflanzenöle aus Raps 112 Fette ihr biologischer Abbau 113 Einteilung der Fette nach ihrer Herkunft 114 Wachse 115 Harze 116 Phospholipide bzw. Phosphatide 117 Nährstoffversorgung der Zellen 118 Tenside 119 Seifen und Verseifung 120 Fettalkohole 121 Alkylpolyglucoside 122 Entschäumer 123 Glycerin 124 Überblick über die Fettchemie 125 Wirtschaftliches XVII Vitamine 126 Fettlösliche Vitamine 127 Wasserlösliche Vitamine 128 Vitaminähnliche Wirkstoffe 129 Antioxidantien 130 Wirtschaftliches und Anwendung 131 Herstellungsmethoden XVIII Enzyme – Biokatalysatoren 132 Die chemische Zusammensetzung von Enzymen – Coenzyme und Apoenzyme 133 Enzymkinetik 134 Immobilisierte Enzyme 135 Archaebakterien – extremophile Bakterien und Enzyme 136 Technische Herstellung von Enzymen 137 Wirtschaftliches und Anwendungen XIX Hormone –Endokrinologie 138 Einteilung 139 Beschreibung der Wirkungsweise einiger Hormone 140 Insulin als Therapiehormon 141 Insulinmangel und sein Einfluss auf den Stoffwechsel 142 Insulingewinnung aus den Bauchspeicheldrüsen von Tieren 143 Insulingewinnung durch genveränderte Escherichia coli 144 Großtechnische Humaninsulinproduktion 145 Depotinsulin – Langzeitinsulin 146 Hyperglykämie und Hypoglykämie 147 Antidiabetika 148 Wirtschaftliches XX Konservierung 149 Auslösende Faktoren der Zersetzung von verderblichen Stoffen 150 Konservierungsmethoden für Nahrungsmittel und Futtermittel 151 Mikrobiologische und enzymatische Verfahren zur Konservierung 152 Toxische Substanzen durch Mikroorganismen 153 Alkoholhaltige Getränke als durstlöschende Flüssigkeiten XXI Zitronensäure: Beispiel für ein biotechnisches Produkt 154 Eigenschaften und Vorkommen 155 Herstellung 156 Verwendung 157 Zuckerrübenmelasse als Rohstoff 158 Wirtschaftliches XXII Süßungsmittel 159 Beschreibung von Sinnesorganen 160 Produkte zum Süßen 161 Chemische Struktur und süßende Geschmackswirkung 162 Herstellung Acetosulfam K – ein Beispiel 163 Wirtschaftliches 164 Historisches über den Rübenzucker 165 Die Honigbiene XXIII Pflanzenschutz 166 Historisches 167 Pflanzen 168 Zellen lebender Systeme 169 Pflanzenschädlinge 170 Methoden des Pflanzenschutzes 171 Wirkungsweise von chemischen Pflanzenschutzmitteln 172 Integrierter Pflanzenschutz 173 Pflanzenschutz und Pflanzenzucht durch Gentechnik 174 Gentechnik im Pflanzenschutz 175 Grundoperationen der Gentechnologie 176 Kontrollierte Expression 177 Wirtschaftliches XXIV Rohstoffquellen für Grundnahrungsmittel 178 Getreide 179 Zöliakie 180 Mutterkorn und Getreidepilze 181 Weizen 182 Mais 183 Reis 184 Die Kartoffel 185 Maniok 186 Die Olive 187 Futtermittel 188 Die Landflächen in Deutschland und ihre Nutzung XXV Von den Versorgungs und Entsorgungssystemen des menschlichen Körpers 189 Was ist Leben 190 Herz Kreislauf System 191 Herz 192 Atmungsorgane – Atmung 193 Magen Darm Kanal 194 Die Entsorgung und ihre Organe 195 Das Nervensystem 196 Fortpflanzung 197 Teratologie XXVI Was sind Arzneimittel 198 Grobgliederung von Arzneimitteln nach Anwendungsgebieten 199 Methoden aus dem medizinischen und pharmazeutischen Bereich 200 Entwicklung und Herstellung eines Arzneimittels 201 Darreichungsformen von Arzneimitteln 202 Fertigungsbedingungen 203 Verpacken von Arzneimittelspezialitäten 204 Pharmakodynamik und Pharmakokinetik 205 Wirtschaftliches XXVII Weltweite Infektionskrankheiten 206 Einleitung 207 Ebola Ausbruch in Westafrika 208 Infektionskrankheiten die durch Vektoren übertragen werden 209 Infektionskrankheiten durch Vektoren 210 Schlussfolgerungen XXVIII Vergleichbare mathematische Funktionen zur Beschreibung von Vorgängen in Natur und Technik 211 Über Modelle und Funktionen als Synthesesprache 212 Zustandsfunktionen 213 Überlagerungsprozesse 214 Verweilzeitfunktionen von Arzneimitteln und Produktlebenszyklen als Überlagerungsfunktionen 215 Beschreibung von mikroskopischen Zuständen 216 Veränderungsprozesse als Rhythmen und Schwingungen 217 Exponentielle Evolutionskurve 218 Die Zeit als Parameter in technischen biologischen soziologischen und ökonomischen Prozessen XXIX Anhang.