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Chemie und Ernährung - Gesund ernähren
Thomas Seilnacht
 
 
Inhaltsverzeichnis:
Chemische Zusammensetzung der Grundnahrungsmittel 
1.1  Fette
1.2  Kohlenhydrate 
1.3  Aminosäuren und Proteine (Eiweiße) 
1.4  Vitamine 
1.5  Mineralsalze
2. Gesund ernähren, aber wie?
3. Arbeitsheft für den Chemieunterricht
 
 
 
Chemische Zusammensetzung der Grundnahrungsmittel 
 
Der Mensch ernährt sich von pflanzlicher und tierischer Kost. Er ist auf andere Lebewesen angewiesen, um Energie zu produzieren und die Zellfunktionen aufrecht zu erhalten. Die wichtigsten Stoffe zur Ernährung sind: Kohlenhydrate (Zucker und Stärke), Fette, Aminosäuren und Proteine (Eiweiße), Vitamine, Mineralstoffe, Ballaststoffe und Wasser.
 
 
1.1  Fette 
 
Fette enthalten komplizierte Moleküle, in denen der dreiwertige Alkohol Propantriol (Glycerin) mit drei langkettigen Alkansäuren unter Wasserabspaltung eine Esterreaktion eingeht. Das Beispiel zeigt, wie das Glycerin-Molekül mit Ölsäure, Palmitinsäure und Linolsäure verestert ist. Alkansäuren, die in den Kohlenstoff-Ketten keine Doppelbindungen enthalten und unverzweigt, bzw. ohne Ringbindungen vorliegen, werden auch als gesättigte Fettsäuren bezeichnet. Mit Glycerin bilden die Fettsäuren ein Triglycerid:
 
 
 
 
Fette sind nicht wasserlöslich und fühlen sich schmierig an. Sie sind nicht unbegrenzt haltbar und werden unter dem Einfluss von Bakterien und Luftfeuchtigkeit zerlegt. Die dabei freigesetzten Fettsäuren verleihen dem Fett einen ranzigen Geschmack. Bei der Überhitzung von Fetten entwickelt sich das stechend riechende Acrolein. Die Bildung beruht darauf, dass zunächst Glycerin entsteht, das dann zu Acrolein (Acrylaldehyd) zerfällt:
 
 
 
 
Acrolein ist eine gelbliche, brennbare Flüssigkeit, die stark giftig und krebserzeugend ist und Augen und Schleimhäute kräftig reizt. Aus diesem Grund darf Fett in einer Pfanne nicht über 150°C erhitzt werden.
 
Die Fette sind wichtige Energiespeicher in den Zellen. Fette sind auch wichtige Aufbaustoffe für Hormone und Zellmembranen, außerdem schützen Fettpolster vor Wärmeabfluss.

 
1.2  Kohlenhydrate
 
Die Kohlenhydrate sind Energielieferanten und werden z.B. im Gehirn oder der Muskulatur mit Hilfe des Blutsauerstoffs oxidiert. Traubenzucker (Glucose) und Fruchtzucker (Fructose) gehören zur Familie der Einfachzucker (Monosaccharide), sie sind aus ringförmigen Molekülen mit 5 oder 6 Kohlenstoff-Atomen im Grundgerüst aufgebaut:
 
 

 
Glucose
 
 
Fructose
 
 
Der Nachweis der Einfachzucker im chemischen Labor erfolgt mit der Fehling-Probe. Doppelzucker (Disaccharide) entstehen, wenn zwei Einfachzucker sich unter Wasserabspaltung verbinden. Beim Malzzucker (Maltose) sind zwei Glucose-Moleküle mit einer Sauerstoff-Brücke miteinander verknüft, beim Rohrzucker (Saccharose) ist jeweils ein Glucose und ein Fructose-Molekül miteinander verknüpft:
 
 
 
Saccharose-Molekül
 
 
Bei den Vielfachzuckern (Polysaccharide), z.B. bei der Cellulose oder bei der Stärke sind tausende von Zucker-Molekülen (Einfachzucker und Zweifachzucker) zu einem schraubig aufgebauten Kettenmolekül verbunden. Bei der Verdauung werden die Kettenmoleküle der Stärke (zum Beispiel im Brot) wieder zu Einfachzuckern zerlegt.
 
 
 
 
 
 
Monosaccharid
Disaccharid
Polysaccharid (Cellulose)
Schraubenform
 
 
Cellulose ist die in der Natur am häufigsten verbreitete organische Verbindung, da die Zellwände aller Pflanzen daraus bestehen. Die Cellulose von abgestorbenen Pflanzenteilen wird durch Bakterien und Pilze unter Aufbau körpereigener Stoffe wieder zu Kohlenstoffdioxid und Wasser umgebaut (Photosynthese).
 
 
1.3  Aminosäuren und Proteine (Eiweiße)
 
Aminosäuren sind Stoffe, die sowohl die Carboxy-Gruppe COOH als auch die Amino-Gruppe NH2 enthalten. Die einfachste Aminosäure ist Glycin (Aminoethansäure):
 
 
 
 
 
Außer dem Glycin zeigen die Aminosäuren optische Isomerie. Sie sind gut wasserlöslich und besitzen relativ hohe Schmelz- und Siedetemperaturen. Schließen sich die Aminosäuren zu Ketten von vielen hunderten Molekülen zusammen, erhält man die Proteine (Eiweiße). Auch diese sind spiralförmig aufgerollt:
 
 
 
Einfaches Protein aus Glycin und Alanin
 
 
Enthalten die kettenförmigen Moleküle weniger als 100 Aminosäuren, handelt es sich um Peptide. Bei der Verknüpfung von Aminosäuren untereinander reagiert die Carboxy-Gruppe einer Aminosäure immer mit einer Aminogruppe einer anderen Aminosäure. Die entstehende Verknüpfung heißt Peptidbindung:
 
 
 
Entstehung einer Peptidbindung aus zwei Aminosäuren
 
 
Einfache Proteine und Peptide werden im chemischen Labor mit der Biuret-Reaktion, aromatische Proteine mit der Xanthoprotein-Reaktion nachgewiesen.
 
Bei der Verdauung werden die Proteine zunächst zu Peptiden und anschließend zu den Aminosäuren zerlegt. Der menschliche Körper benötigt 20 verschiedene Aminosäuren. Sie sind wichtige Bausteine für die Zellen und Enzyme. 12 Aminosäuren kann der Mensch selbst herstellen, 8 müssen mit der Nahrung aufgenommen werden, sie sind essentiell. Fehlt nur eine der essentiellen Aminosäuren - z.B. aufgrund mangelhafter Ernährung - wird man krank.
 
 
 
Die quergestreifte Muskulatur
besteht aus Faserproteinen
 
Die roten und weißen Blutkörperchen
sind aus globulären Proteinen aufgebaut
 
 
Die Proteine können in zwei Gruppen unterschieden werden: Die Faserproteine bilden in ihren Molekülen lange Ketten, die zu dicken Kabeln und Strängen gewunden sind. Sie finden sich in Haaren, in Muskeln, in den Spinnfäden der Insekten, in Krallen und in Häuten. Auch Wolle und Seide ist aus Faserproteinen aufgebaut. Die Molekülform der globulären Proteine ist dagegen eher kugelförmig. Beispiele dafür sind das Hämoglobin, das für den Sauerstofftransport im Blut verantwortlich ist, und die Enzyme, die als Biokatalysatoren Reaktionen im Organismus ermöglichen oder beschleunigen, z.B. bei der Verdauung. Die Immunglobuline der Antikörper im Blut weisen ebenfalls eine globuläre Struktur auf und sind für das Immunsystem von entscheidender Bedeutung. Faserproteine besitzen eher stützende Funktionen, globuläre Proteine sorgen für den Ablauf biochemischer Funktionen. Dabei bestimmt die Form des Moleküls die Funktion des Proteins. Während die Moleküle der Proteine im Wollfaden spiralig aufgerollt sind (Helixform) und dadurch die Elastizität des Fadens erklärt wird, sind Hämoglobin-Moleküle räumlich ausgedehnt und lassen im Inneren genug Platz für die Einlagerung von Sauerstoff.
 
 
1.4  Vitamine
 
Die (organischen) Vitamine können vom Körper nicht hergestellt werden. Sie besitzen verschiedene Funktionen:
  
 
Name Funktion Mangelkrankheit
Vitamin A   
Vitamin B1 und B6   
Vitamin B12   
Vitamin C   
Vitamin D
Wachstum, Sehvorgang   
Enzymreaktionen   
Bildung roter Blutzellen   
Immunsystem   
Knochenaufbau
Nachtblindheit   
Beriberi (B1): Muskelschwund   
Anämie: Blutarmut   
Skorbut: siehe unten   
Rachitis: Knochenerweichung
 
 
Vitamin C ist bei Zimmertemperatur eine weiße, feste, wasserlösliche Substanz. Es ist eines der wichtigsten Vitamine für die menschliche Ernährung. Der Tagesbedarf eines Erwachsenen liegt bei etwa 75 Milligramm. Ein Mangel an Vitamin C führt zu Skorbut. Diese Krankheit war früher bei Seefahrern berüchtigt. Die ersten Symptome zeigen sich in starker Müdigkeit, Zahnfleischblutungen und verstärkter Anfälligkeit gegenüber Infektionskrankheiten. Im weiteren Verlauf treten Gelenkentzündungen und Muskelschwund auf. Eine Herzschwäche führt schließlich zum Tod.
 
 
1.5  Mineralstoffe (Hinweis)
 
Mineralsalze sind anorganische Stoffe, die wie die Vitamine unentbehrlich sind. Aus ihnen erhält der Körper die lebenswichtigen Ionen, die im Körper zahlreiche Aufgaben übernehmen. Von den Mineralstoffen (korrekt eigentlich Mengenelemente vgl. Hinweis) benötigt der Mensch mehr als 100mg pro Tag. Von den Spurenelementen benötigt er weniger.
 
 
Name der Ionen Funktion
Natrium-Ionen  Na+  Zellstoffwechsel
Kalium-Ionen  K+ Zellstoffwechsel
Calcium-Ionen  Ca2+  Knochenaufbau
Chlorid-Ionen  Cl- Produktion von Magensaft 
Eisen-Ionen  Fe2+, Fe3+ Bildung des roten Blutfarbstoffes Hämoglobin
Iodid-Ionen  I+ Bildung von Schilddrüsenhormonen
 
Hinweis: In der chemischen Fachliteratur wird nicht mehr zwischen Mineralstoff (oder Mineralsalzen) und Spurenelement unterschieden, da dies zu Verwechslungen führt, stattdessen wird der Begriff Bioelement verwendet. Da im Lebensmittelbereich - beispielsweise auf Mineralwasserflaschen - die Begriffe Mineralstoff und Spurenelement weiter verwendet werden, kommt man in der Schule nicht darum herum.

 
2. Gesund ernähren - Aber wie?

Die wichtigsten Bestandteile unserer Nahrung sind neben den Kohlenhydraten, Fetten, Proteinen, Vitaminen und Mineralstoffen auch Wasser und Ballaststoffe. Wichtig ist vor allem aber eine ausgeglichene Ernährung: Eine zu geringe Aufnahme, beispielsweise beim Vitaminmangel, kann genauso wie ein übermäßige Aufnahme zu gesundheitlichen Schäden führen. In den Industrieländern leiden die meisten Menschen nicht an einem Mangel sondern an Überernährung.
 
Zuviel Fett und Kohlenhydrate führen zu Übergewicht
 
Bei einer übermäßigen Zufuhr von fett- und kohlenhydratreicher Nahrung speichert der Körper die zuviel zugeführte Energie in Form von Fettpolstern im Gewebe. Das dabei entstehende Übergewicht ist die Ursache zahlreicher Krankheiten wie Herz- Kreislauferkrankungen, Diabetes oder Bandscheibenschäden.
 
Zuviel Fett erhöht den Blut-Cholesterinspiegel und begünstigt Herzinfarkt
 
Bei der übermäßigen Aufnahme von fetthaltigen Nahrungsmitteln besteht ein erhöhtes Risiko für Herzinfarkt. Fetthaltige Nahrungsmittel erhöhen den Gehalt an Cholesterin im Blut. Cholesterin ist ein fettähnlicher Stoff, der vom Körper selbst produziert wird und z.B. für den Aufbau von Zellen, Vitamin D und Hormonen benötigt wird. Ein zuviel an Cholesterin führt zu einer Verengung oder Verstopfung der Blutarterien (Arterienverkalkung). Kommt es zu einem Gefäßverschluss an einem den Herzmuskel versorgenden Gefäß, kann ein Herzinfarkt auftreten. Ein Verschluss der Gehirnarterien verursacht einen Schlaganfall. Tierische Fette und Öle enthalten Cholesterin. Aus diesem Grunde ist die Aufnahme von pflanzlichen Fetten generell gesünder. Vor allem die ungesättigten Fettsäuren der pflanzlichen Öle wirken der Arterienverkalkung entgegen. Distelöl oder Leinöl sind gesünder als Olivenöl, da sie einen höheren Anteil an ungesättigten Fettsäuren besitzen. Kaltgepresstes Speiseöl enthält ebenfalls mehr ungesättigte Fettsäuren und auch mehr Vitamine, da bei diesem Verfahren die ölhaltigen Pflanzensamen nicht erhitzt werden.
 
Zuviel Kohlenhydrate und Alkohol verursachen eine Fettleber 
 
Bei einer einseitigen, kohlenhydratreichen Ernährung bildet die Leber Fette in Überproduktion. Sie vergrößert sich und wird zur Fettleber. Alkoholiker besitzen ebenfalls eine Fettleber, da die Leber auch aus Alkohol Fette bilden kann.  Schlimmstenfalls kann es zu einer Schrumpfung der Leber mit tödlichem Ausgang kommen (Leberzirrhose).
 
Ballaststoffarme Ernährung begünstigt Darmkrebs 
 
Ballaststoffe sind Inhaltsstoffe von Nahrungsmitteln, die der Körper nicht verwerten kann. Sie binden Wasser im Darm und fördern daher die Verdauung. Die Verweilzeit von Nahrungsmitteln im Darm verkürzt sich, so dass eventuell aufgenommene Gifte wieder schneller ausgeschieden werden. Dadurch vermindert sich das Risiko an Darmkrebs zu erkranken. Ballaststoffreiche Nahrungsmittel sind beispielsweise Gemüse, Salat, Obst, Haferflocken („Müsli“) und Vollkornbrot.
 
Zuviel Eiweiß verursacht Gicht und Rheumaerkrankungen
 
Die Aufnahme von Eiweißen erhöht die Konzentration der Harnsäure im Blut. Eine dauerhafte und übermäßige Harnsäureproduktion jedoch kann zu Gelenkserkrankungen wie Gicht oder Rheuma führen.

Zuviel Kochsalz führt zu Bluthochdruck 

Eine übermäßige Aufnahme von Kochsalz (Natriumchlorid) kann zu Bluthochdruck führen und damit das Risiko eines Herzinfarkt erhöhen. Beim Kauf von Mineralwasser ist darauf zu achten, dass es „natriumarm“ ist.
 
Zuviel Zucker erzeugt Karies 
 
Speichel und Abbauprodukte der Nahrungsmittel bilden einen Zahnbelag (Plaque), der für die Mundbakterien einen optimalen Nährboden bietet. Diese bauen Zucker zu organischen Säuren um, die den Zahnschmelz und im fortgeschrittenen Stadium auch das darunter liegende weiche Zahnbein angreifen. Nach jeder Zuckerzufuhr steigt die Säureproduktion der Plaquebakterien um ein Vielfaches an. Durch Zähneputzen wird der Plaquebelag entfernt.
 
Viele Nahrungsmittel enthalten ein Übermaß an chemischen Giften 
 
Im Fleisch befinden sich oft Hormone oder Antibiotika, die bei der Aufzucht verabreicht werden. Im Meeresfisch lassen sich immer wieder gefährliche Konzentrationen von Schwermetallsalzen nachweisen. Vor allem Raubfische (Seehecht, Barsch, usw.) sind davon betroffen, da sich die Gifte über die Nahrungskette anreichern. Pflanzliche Produkte wie Gemüse oder Obst sind oft mit Insektenvernichtungsmittel vergiftet. Aus diesen Gründen sollte man sich mit Nahrungsmitteln aus kontrolliert, biologischem Anbau ernähren. Diese sind in den Reformhäusern oder Bioläden erhältlich.
 
Lebensmittelzusatzstoffe sind oft unnötig
 
An der E-Nummer kann die Funktion der Zusatzstoffe erkannt werden: Farbstoffe (E 100 bis E 180) werden zugesetzt, um eine Nahrungsmittel farblich attraktiver zu gestalten, z.B. in Bonbons, Gummibären oder Götterspeisen. Oft soll auch die ursprüngliche, natürliche Farbe, die durch die Zubereitung verloren gegangen ist, wieder hergestellt werden. Die meisten Lebensmittelfarbstoffe sind unnötig, zumal sie auch Allergien auslösen können.
 
Allergieauslösende Farbstoffe: E 102, 104, 110, 120, 122, 123, 124, 127, 151, 160
 
Konservierungsstoffe (E 200 bis E 290) hemmen das Wachstum von Mikroorganismen wie Pilze oder Bakterien und schützen die Lebensmittel vor dem Verderb. Zu den seit alters her bekannten Konservierungsstoffen gehören Salz, Zucker oder Essig. Auch die Konservierungsstoffe können gefährlich wirken:
 
 

E-Nummer Name Lebensmittel Mögliche Wirkungen
E210-E 213 Benzoesäure und Benzoate Mayonnaise, Salate, Gemüse- und Obstkonserven Allergien,   
Nesselsucht
E220-E227 Schwefeldioxid und Verbindungen Wein, Trockenfrüchte, Gemüsekonserven Asthma, Kopfschmerzen,   
Übelkeit, Durchfall
E250 Natriumnitrit Fleisch-, Fisch- und Käsepackungen Bildung krebserzeugender   
Nitrosamine
E251, E252 Natriumnitrat,   
Kaliumnitrat
Bestimmte Wurst- und Käsesorten Bildung krebserzeugender   
Nitrosamine
 
 
Wenn möglich sollte man auf die Lebensmittelzusatzstoffe verzichten. Zur gesunden Ernährung gehört aber auch ein gesunder Lebensstil. So sollte man sich viel an der frischen Luft bewegen und tägliche Erholungspausen einplanen. Manche Menschen sind Vegetarier, sie haben gegenüber Fleischessern ein wesentlich verringertes Risiko, an einem Herzinfarkt zu sterben oder an Krebs zu erkranken.
 
     
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