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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.