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Sieben außergewöhnlich große Moleküle Chemie XXL: Moleküle in Übergröße

| Autor: Christian Lüttmann

Was sind die größten Moleküle im Weltraum? Bis zu welcher Größe besteht ein Molekül den Doppelspaltversuch zum Nachweis des Welle-Teilchen-Dualismus? Und was hat es mit dem Nano-Igel auf sich? Hier finden Sie eine Sammlung außergewöhnlicher Riesenmoleküle, die alle auf ihre Art rekordverdächtig sind.

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Nicht alle Moleküle sind nur wenige Atome klein. Es gibt zahlreiche Beispiele für außergewöhnliche Riesenmoleküle (Symbolbild).
Nicht alle Moleküle sind nur wenige Atome klein. Es gibt zahlreiche Beispiele für außergewöhnliche Riesenmoleküle (Symbolbild).
(Bild: gemeinfrei, ColiN00B / Pixabay )

Würzburg – Die Welt der Moleküle ist vielfältig. Von einfachsten Teilchen aus einem einzigen Atom – wie bei den Edelgasen – über Atompaare wie Sauerstoff oder Stickstoff bis hin zu den verzweigten Kohlenstoffketten in organischen Molekülen ergibt sich eine nahezu endlose Zahl an Möglichkeiten. Die allgemeine Vorstellung, dass ein Molekül ein kleines Teilchen ist, scheint damit reichlich wage, schließlich haben Chemiker Moleküle der unterschiedlichsten Größenordnungen identifiziert und hergestellt. Einige ganz besondere Riesen unter den Molekülen stellen wir Ihnen hier vor.

Fußbälle im Weltraum

Die Spektren von NASAs Weltraumteleskop „Spitzer“ zeigen die Signatur von Buckyballs im Weltall. Diese C60-Moleküle, auch Buckminster Fullerene genannt, bestehen aus 60 Kohlenstoffatomen, die eine Fußball-artige Struktur aus Fünf- und Sechsecken bilden. Buckyballs haben 174 verschiedene Vibrationsmoden, vier davon mit Banden im Infrarotbereich. Diese wurden vom Spitzer-Teleskop detektiert (rote Pfeile: C60, blaue Pfeile: C70).
Die Spektren von NASAs Weltraumteleskop „Spitzer“ zeigen die Signatur von Buckyballs im Weltall. Diese C60-Moleküle, auch Buckminster Fullerene genannt, bestehen aus 60 Kohlenstoffatomen, die eine Fußball-artige Struktur aus Fünf- und Sechsecken bilden. Buckyballs haben 174 verschiedene Vibrationsmoden, vier davon mit Banden im Infrarotbereich. Diese wurden vom Spitzer-Teleskop detektiert (rote Pfeile: C60, blaue Pfeile: C70).
(Bild: NASA/JPL-Caltech/University of Western Ontario)

Im Weltall herrscht ein extremes Vakuum. Weniger als 1000 Teilchen pro Liter sind dort im Mittel anzutreffen, was nahezu nichts ist [1]. Zum Vergleich: Die Atemluft auf der Erde hat mehr als 1022 Teilchen pro Liter [2]. Dennoch gibt es auch im All chemische Reaktionen zwischen einzelnen Teilchen, die zu zahlreichen komplexeren Molekülen führen. Mehr als 180 verschiedene Spezies sind aus Teleskopdaten bereits identifiziert worden [3]. Vieles davon sind zwei- oder dreiatomige Moleküle, aber auch organische Kohlenstoffketten sind bereits nachgewiesen worden. Ein besonderer Fund gelang aber Astronomen der kanadischen University of Western Ontario im Jahr 2010. Bei der Auswertung von Infrarotspektren des Interstellaren Nebels Tc 1 stießen sie auf Signalmuster, die ihre Aufmerksamkeit erregten. Es war die Signatur des Kohlenstoffallotrops C60, auch bekannt als Buckminster-Fulleren oder Bucky-Ball. Dieser „Fußball“ aus 60 Kohlenstoffatomen wurde erstmals 1984 von Eric Rohlfing, Donald Cox und Andrew Kaldor im Labor hergestellt, kommt aber auch in Ruß oder bestimmten Gesteinen vor, wie man heute weiß.

Im All hatte man die Existenz dieses ungewöhnlich großen Käfigmoleküls schon lange vermutet, doch erst 2010 wurde das Buckminster-Fulleren im Weltraum tatsächlich nachgewiesen. Damit ist das es aber noch nicht einmal das größte Molekül im Weltall. Neben dem C60-Kohlenstoffball hatten die Forscher nämlich zusätzlich Signale des artverwandte C70-Fullerens identifiziert. Bis heute hält das C70-Fulleren damit den Rekord als größtes Molekül im All.

Originalpublikation: Jan Cami, Jeronimo Bernard-Salas, Els Peeters, Sarah Elizabeth Malek: Detection of C60 and C70 in a Young Planetary Nebula, Science 329(5996): 1180-2, September 2010; DOI: 10.1126/science.1192035

Weiterführende Literatur: M. A. Cordiner, H. Linnartz, N. L. J. Cox, J. Cami, F. Najarro, C. R. Proffitt, R. Lallement, P. Ehrenfreund, B. H. Foing, T. R. Gull, P. J. Sarre and S. B. Charnley: Confirming Interstellar C60 + Using the Hubble Space Telescope, published 2019 April 20, 2019. The Astrophysical Journal Letters, Volume 875, Number 2; DOI: 10.3847/2041-8213/ab14e5/meta

Riesenpeptid aus Spezialanfertigung

Struktur der Polytheonamide A und B; nicht‐proteinogene Aminosäuren in Grün oder – wenn sie im Rahmen der Totalsynthese von Polytheonamid B (1) zunächst synthetisiert werden mussten – in Rot. Die Sulfoxid‐Aminosäure ist in Blau dargestellt.
Struktur der Polytheonamide A und B; nicht‐proteinogene Aminosäuren in Grün oder – wenn sie im Rahmen der Totalsynthese von Polytheonamid B (1) zunächst synthetisiert werden mussten – in Rot. Die Sulfoxid‐Aminosäure ist in Blau dargestellt.
(Bild: Angewandte Chemie, DOI: 10.1002/ange.201001917)

In der Natur hat alles einen Zweck. Die Evolution begünstigt stets Systeme, die für ihre Aufgabe optimiert sind. Bezogen auf Moleküle könnte man vermuten, dass deshalb keine allzu großen Vertreter auf natürliche Art und Weise synthetisiert werden. Schließlich ist das gezielte Knüpfen chemischer Verbindungen eine schwierige Aufgabe, die viel Energie kosten kann. In marinen Schwämmen haben Forscher jedoch ein bemerkenswertes Beispiel für die Fähigkeiten der Natur gefunden, selbst hochkomplexe Substanzen gezielt herzustellen: Das Peptid Polytheonamid B.

Es besteht aus über 700 Atomen und ist damit das mit Abstand größte nicht-ribosomale Peptid, was jemals nachgewiesen wurde. Anders als die meisten Peptide stammt es also nicht aus den Ribosomen, die klassischerweise für die Proteinbiosynthese zuständig sind, sondern aus einer extern durchgeführten, enzymatischen Reaktion und ist damit sozusagen eine Spezialanfertigung.

Bei Polytheonamid B handelt es sich um ein hochwirksames Zellgift, was in den Meeresschwämmen „Theonella swinhoei“ vermutlich von noch nicht identifizierten Symbionten produziert wird. Diese leisten die erstaunliche Arbeit, die 48 Aminosäuren des Biomoleküls in genau die richtige Reihenfolge zu bringen. Das Ergebnis ist das 45 Å lange und über 5000 Da schwere Polytheonamid B.

Originalpublikation: Hamada T, Matsunaga S, Yano G, Fusetani N.: Polytheonamides A and B, highly cytotoxic, linear polypeptides with unprecedented structural features, from the marine sponge, Theonella swinhoei, J Am Chem Soc. 2005 Jan 12;127(1):110-8; DOI: 10.1021/ja045749e

Weiterführende Literatur: Masayuki Inoue, Naoki Shinohara, Shintaro Tanabe, Tomoaki Takahashi, Ken Okura, Hiroaki Itoh,Yuki Mizoguchi, Maiko Iida, Nayoung Lee and Shigeru Matsuoka: Total synthesis of the large non-ribosomal peptidepolytheonamide B, Nature Chemistry, Vol 2 , April 2010; DOI: 10.1038/NCHEM.554

Mehr Informationen zu Atomanzahl, Größe und Gewicht der sieben Riesenmoleküle finden Sie hier in der Bildergalerie:

7 Außergewöhnliche Riesenmoleküle

Bildergalerie mit 8 Bildern

Welle-Teilchen-Dualismus XXL

Dieses Porphyrin Oligomer zeigte trotz seiner Größe Überlagerungsffekte in einem Quantenexperiment, ähnlich dem Doppelspalt-Versuch zum Nachweis des Welle-Teilchen-Dualismus
Dieses Porphyrin Oligomer zeigte trotz seiner Größe Überlagerungsffekte in einem Quantenexperiment, ähnlich dem Doppelspalt-Versuch zum Nachweis des Welle-Teilchen-Dualismus
(Bild: Markus Arndt, Universität Wien)

Licht hat die ungewöhnliche Eigenschaft, gleichzeitig Welle und Teilchen zu sein. Dieser Dualismus des Lichts wurde mithilfe des berühmten Doppelspalt-Experimentes nachgewiesen. Dabei schickt man ein einzelnes Photon durch einen von zwei dicht beieinander liegenden Schlitzen. Wiederholt man dies viele Male, so ergibt sich auf dem Detektor hinter den Schlitzen nach und nach ein Interferenzmuster, wie es für die Überlagerung von zwei Wellen typisch ist, die durch beide Spalte gleichzeitig hindurchgehen. Dies wird als Beweis gesehen, dass das Photon sich zwar als Teilchen für einen der beiden Spalte „entscheidet“, aber dennoch als Welle durch beide Spalte gleichzeitig hindurchgeht und sozusagen mit sich selbst interferiert.

Längst wurde dieser Versuch auch mit anderen Teilchen als Photonen erfolgreich durchgeführt, etwa mit Elektronen oder Atomen. Sogar ganze Moleküle wurden schon im Doppelspalt-Experiment untersucht, etwa die aus 60 Kohlenstoffen bestehenden Buckyballs. Doch selbst das ist nichts im Vergleich zu dem bisher größten Molekül in einem erfolgreichen Quantenexperiment. Das haben Forscher um Experimentalphysiker Markus Arndt von der Universität Wien auf den Weg geschickt. In einer Abwandlung des Doppelspaltexperimentes testeten sie ein Porphyrin-Oligomer aus fast 2000 Atomen auf die Fähigkeit der Quantenüberlagerung. Und tatsächlich wiesen sie selbst bei diesem Riesenmolekül den Welle-Teilchen-Dualismus nach. Das muss aber noch längst nicht das Limit des Möglichen sein. „Die Quantentheorie sagt keine Grenze voraus. Und alle bisherigen Versuche geben auch keinen Hinweis darauf, dass es so eine Grenze gibt“, sagte der theoretische Physiker Caslav Brukner von der Uni Wien gegenüber dem ORF [4]. Bis der Rekord des größten Moleküls in einem Quantenexperiment gebrochen wird, ist also wohl nur eine Frage der Zeit.

Originalpublikation: Yaakov Y. Fein, Philipp Geyer, Patrick Zwick, Filip Kiałka, Sebastian Pedalino, Marcel Mayor, Stefan Gerlich & Markus Arndt: Quantum superposition of molecules beyond 25 kDa, Nature Physics volume 15, pages1242–1245(2019); DOI: 10.1038/s41567-019-0663-9

Nano-Igel

Ein Molekularer Nano-Igel, u.a. aus 368 Molybdän-Atomen (Sauerstoff-Atome: rot; Schwefel-Atome: gelb)
Ein Molekularer Nano-Igel, u.a. aus 368 Molybdän-Atomen (Sauerstoff-Atome: rot; Schwefel-Atome: gelb)
(Bild: Universität Bielefeld)

Viele Makromoleküle sind organischer Natur und bestehen aus großen Kohlenstoffgerüsten oder langen Kohlenstoffketten. Doch das Team um Professor Achim Müller von der Universität Bielefeld hat eines der größten anorganischen Moleküle der Welt hergestellt. Mit über 350 Molybdän-Atomen und mehr als 2000 weiteren Atomen erlangte sein„Igel-Molekül“ 2002 Berühmtheit. Es ist mit sechs Nanometern etwa so groß wie das Biomolekül Hämoglobin und hat im Inneren seines Käfigs Platz für rund 400 Wassermoleküle [5]. Damit bietet das Igelmolekül eine Art winzigen Reaktionsraum, in dem die Forscher bestimmten katalytischen Reaktionen nachgehen können.

Originalpublikation: A. Müller, E. Beckmann, H. Bögge, M. Schmidtmann, A. Dress: Inorganic Chemistry Goes Protein Size: A Mo368 Nano-Hedgehog Initiating Nanochemistry by Symmetry Breaking, Angew. Chem. Volume 41, Issue7, April 2, 2002, Pages 1162-1167; DOI: 10.1002/1521-3773(20020402)41:7<1162::aid-anie1162>3.0.co;2-8

Das längste Peptid der Welt lässt die Muskeln spielen

Visualisierung der Verschiedenen Domänen im Protein Titin
Visualisierung der Verschiedenen Domänen im Protein Titin
(Bild: Gemeinfrei (Wikipedia, User: Boghog2))

Rekordverdächtige Makromoleküle finden sich in jedem Organismus. Doch keines ist so groß wie das Strukturprotein Titin. Es ist ein essenzieller Muskel-Bestandteil und dort für die Kontraktion und die Elastizität derselben mitverantwortlich. Bestehend aus rund 30.000 Aminosäuren gilt Titin als größtes Protein des Menschen. Das Peptid erreicht eine Länge von etwa einem Mikrometer und hält außerdem den inoffiziellen Rekord für das längste Wort der Welt. In einer Lesung dauerte es über drei Stunden, die Aminosäurensequenz des Titins vorzulesen. Der ausgeschriebene englische Name des längsten Peptids ist nach IUPAC-Nomenklatur fast 190.000 Buchstaben lang.

Das Spaghetti-Polymer

Ein Glied aus dem Polymer PG5. über 10.000 solcher Bausteine in Reihe ergeben das vollständige Polymer. Die einzelnen Schichten sind farblich hervorgehoben und entsprechen den Reaktionsschritten vom Grundgerüst (PG1, grau) bis zum PG5 (orange).
Ein Glied aus dem Polymer PG5. über 10.000 solcher Bausteine in Reihe ergeben das vollständige Polymer. Die einzelnen Schichten sind farblich hervorgehoben und entsprechen den Reaktionsschritten vom Grundgerüst (PG1, grau) bis zum PG5 (orange).
(Bild: Angewandte Chemie, DOI: 10.1002/anie.201005164)

Riesenmoleküle herzustellen ist seit Entdeckung der Polymerchemie keine große Schwierigkeit mehr. Durch wiederholtes Verknüpfen von reaktiven Monomerbausteinen lassen sich nahezu beliebig große Molekülketten oder Netzwerke synthetisieren. Dabei entstehen jedoch Gemische mit oft sehr großen Bandbreiten an Kettenlängen und Verzweigungsgraden.

Dass sich eine Polymerisation auch in hohem Maße kontrollieren lässt, hat ein internationales Forscherteam um Prof. Dieter Schlüter von der ETH Zürich bewiesen. Die Forscher haben 2011 nach eigenen Angaben das bis dato größte Makromolekül mit definierter chemischer Struktur und definierter Form synthetisiert.

Das Polymer PG5 besteht aus rund 17 Millionen Atomen, ist mehrere hundert Nanometer lang und – was besonders ungewöhnlich ist – gut sieben Nanometer dick. Denn PG5 ist aus dem Bestreben der Wissenschaftler entstanden, ein dreidimensional strukturiertes Polymer zu produzieren, welches wie eine Spaghetti eine definierte Dicke besitzt.

Um das zu erreichen, haben die Chemiker sich an einem Prozess aus der Natur orientiert: dem Baumwachstum. Dabei haben sie ein Grundgerüst, sozusagen einen Stamm, hergestellt, der aus einer etwa 10.000 Glieder langen Kette einfacher Monomerbausteine besteht. Jedes Glied besitzt zwei Anknüpfungspunkte in Form von Aminen. Daran ließen die Forscher weitere Monomere binden, die ihrerseits neue Verzweigungen mit ins Molekül brachten. Mit jedem Reaktionsschritt wurde so eine neue Monomerlage angebaut und die Zahl der Anknüpfungspunkte verdoppelt. Rund vier Wochen pro Schritt gaben die Forscher dem Molekül Zeit, die neuen Bindungen zu knüpfen. Denn die reaktiven Enden der Molekülketten stehen nicht ständig zur Reaktion zur Verfügung: Sie sind immer wieder im Inneren des Polymers verborgen. „Man kann sich das etwa so vorstellen wie ein Busch im Wind, bei dem sich die Äste hin und herbewegen und manchmal auch ins Innere zum Stamm gedrückt werden“, beschreibt Schlüter.

Nach vier solcher mehrwöchigen Wachstumsphasen ist aus dem Basispolymer PG1 dann aber das bis dahin größte strukturierte Polymer PG5 geworden. Die Dicke des Polymerstranges hat sich dabei vervielfacht: von einer wenige Atome dicken Schnur zu einem sieben Nanometer dicken Faden.

Den Forschern zufolge gelang die Synthese des Polymers mit einem Umsatz von 94,3 Prozent über alle Teilschritte hinweg (von PG1 bis PG5). Nur dank dieser hohen Präzision ist die dreidimensionale Struktur dieses Spaghetti-Polymers möglich, wie die Wissenschaftler betonen. Mittlerweile hat das Team um Schlüter sogar ein PG8 realisiert, welches also noch drei weitere Verzweigungsschritte durchlaufen hat. Der Umsatz über alle funktionellen Gruppen liegt hier nur noch unter 60%, was aber dennoch nahe an der Perfektion liegt. Denn ein 100%-Umsatz sei praktisch gar nicht möglich, wie Schlüter erklärt: „Der Querschnittsradius des Polymers wächst langsamer als die Anzahl der funktionellen Gruppen am Molekül. Das Molekülgeäst wird also mit jedem Wachstumsschritt dichter. Ab PG6 ist es unmöglich, alle Endgruppen mit einer neuen Lage Monomerbausteine zu erweitern, weil einfach nicht ausreichend Platz zur Verfügung steht.“

Die Arbeit der Forscher an den PG-Polymeren war reine Grundlagenforschung. Zukünftige Anwendungen könnten aber möglicherweise in der Medizin liegen, wenn es um die Beladung von funktionellen Gruppen mit Wirkstoffen geht, also als Drug-Carrier. Denn mehr Anknüpfungspunkte auf so dichtem Raum wie bei den PG-Molekülen sind nicht möglich.

Originalpublikation: Zhang B, Wepf R, Fischer K, Schmidt M, Besse S, Lindner P, King BT, Sigel R, Schurtenberger P, Talmon Y, Ding Y, Kröger M, Halperin A & Schlüter AD: The Largest Synthetic Structure with Molecular Precision: Towards a Molecular Object Angewandte Chemie 17. Januar 2011; Vol. 123: 763-766; DOI:10.1002/ange.201005164

Hao Yu, A. Dieter Schlüter, Baozhong Zhang: Synthesis of High Generation Dendronized Polymers and Quantification of Their Structure Perfection Macromolecules 2014, 47, 13, 4127-4135, Publication Date: June 19, 2014; DOI: 10.1021/ma500821n

Daniel Messmer, Martin Kröger, A. Dieter Schlüter: Pushing Synthesis toward the Maximum Generation Range of Dendritic Macromolecules, Macromolecules, 51, 14, 5420-5429, Publication Date:July 13, 2018; DOI: 10.1021/acs.macromol.8b00891

Der Gigant unter den Riesenmolekülen

Ausschnitt von 20 Basenpaaren aus der DNA-Doppelhelix (B-Form; Strukturmodell)
Ausschnitt von 20 Basenpaaren aus der DNA-Doppelhelix (B-Form; Strukturmodell)
(Bild: DNA-Doppelhelix / DNA-Doppelhelix / Michael Ströck / CC BY-SA 3.0 / CC BY-SA 3.0)

Kein Molekül ist so groß wie die DNA. Der Bauplan des Lebens ist in einem biologischen Speichermedium verschlüsselt, welches in Form von aufgerollten Doppelhelices sicher verpackt und in zahlreichen Kopien in jeder Zelle des Körpers vorliegt. Ein kompletter Gensatz besteht aus 23 Chromosomen – der Verpackungsform der DNA. Dabei ist jedes Chromosom ein in mehreren Stufen verdrilltes, aufgerolltes DNA-Molekül. Beim Menschen umfasst das längste Chromosom fast 250 Millionen Basenpaare (quasi die Buchstaben des genetischen Codes) und erreicht damit rein rechnerisch eine Länge von acht Zentimetern (bei 340 pm pro Basenpaar). Die Läge des vollständigen menschlichen Genoms wird – wenn die Doppelhelix ausgerollt und geradegezogen ist – auf etwa zwei Meter geschätzt. Damit gehört die DNA zu den größten Molekülen, die dem Menschen bekannt sind.

Quellen

[1] Warum herrscht im Weltraum ein Vakuum, Frage aus dem Archiv des MPI für Dynamik und Selbstorganisation
[2] Teilchendichte, Wikipedia-Eintrag: Teilchendichte, abgerufen am 17.04.2020
[3] Moleküle im Weltraum, Forschungsbericht 2014 - Max-Planck-Institut für Kernphysik
[4] Wo endet die Quantenwelt?, Artikel von science.orf vom 09.05.2017
[5] Deutsche Chemiker bauten das größte anorganische Molekül, Artikel von Die Welt vom 23.05.2002

(ID:46525864)

Über den Autor

 Christian Lüttmann

Christian Lüttmann

Volontär, Vogel Communications Group GmbH & Co. KG