Chemie und Ernährung

zu den Referaten Download eines Arbeitsheftes Chemie und Ernährung

Inhaltsverzeichnis:
Chemische Zusammensetzung der Grundnahrungsmittel
1.1 Fette
1.2 Kohlenhydrate
1.3 Aminosäuren und Proteine (Eiweiße)
1.4 Vitamine
1.5 Mineralstoffe
2. Gesund ernähren, aber wie? (Seite 2)
3. Arbeitsheft für den Chemieunterricht (Worddatei)

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 (z.B. 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

Mineralsalze sind anorganische Stoffe, die wie die Vitamine unentbehrlich sind. Aus ihnen erhält der Körper die lebenswichtigen Ionen, die im Körper zahlreiche Aufgaben übernehmen; Beispiele:

Name der Ionen	Funktion
Natriumionen (Na⁺)	für den Zellstoffwechsel notwendig
Kaliumionen (K⁺)	für den Zellstoffwechsel notwendig
Calciumionen (Ca²⁺)	am Knochenaufbau beteiligt
Chloridionen (Cl^-)	Produktion von Magensaft
Eisenionen (Fe²⁺, Fe³⁺)	Bildung des roten Blutfarbstoffes Hämoglobin
Iodidionen (I⁺)	Bildung von Schilddrüsenhormonen

Sind die Mineralstoffe nur in winzigen Mengen notwendig, spricht man von Spurenelementen. Dazu gehören z.B.: Eisen-, Kupfer- oder Zinkionen. Wenn die Spurenelemente eine bestimmte Konzentration im Körper überschreiten, wirken sie als Gifte.
weiter zu Seite 2

Weitere Internetlinks:

Michls Lebensmittelpage
Chemieseiten von Fridolin Stuhlpfarrer: Kohlenhydrate, Aminosäuren, Fette und Öle
Biologieseiten von Ernst Georg Beck: Aminosäuren
Chemie im und ums Haus der Uni-Bielefeld, daraus auch: Kohlenhydrate
Viva Vitamins, alles über Vitamine und Mineralstoffe