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Chemie der Biomoleküle

Ein Film von Anita BachBeitrag: Anita Bach

Inhalt

Ohne sie geht gar nichts im Körper: Fette, Kohlenhydrate, Proteine, Hormone, Enzyme sind biologisch aktive Moleküle, die als Energielieferanten, Stoffwechselakteure, Bioroboter, Signalbotschafter zwischen den Organen und für viele andere Stoffwechselvorgänge unverzichtbar sind.

Pflanzen nutzen die Energie der Sonne, um in ihrem Stoffwechsel lebenswichtige Inhaltsstoffe zu produzieren. Diese so genannten Biomoleküle, zu denen auch Fette, Kohlehydrate und Proteine gehören, sind essenziell für alles Leben. Als Nahrung aufgenommen und verdaut werden sie körpereigene Stoffe umgebaut. So dienen sie dem Organismus als Gerüst- und Speicherstoffe oder steuern Stoffwechselreaktionen wie die Enzyme.

Die Basis unserer Versorgung mit lebenswichtigen Biomolekülen sind Kulturpflanzen. Zuckerrüben oder das Zuckerrohr steuern Kohlenhydrate bei. Andere, wie die Kartoffel liefern Stärke. Sojabohnen werden wegen ihres Proteingehalts angebaut und aus Rapssamen lässt sich Öl gewinnen.

Aber auch Tiere erzeugen wertvolle Biomoleküle, die als Fett oder Eiweiß im Fleisch, in Eiern oder in der Milch stecken.

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Fakten

1. Öle und Fette im Überblick

Im Spätsommer ist Erntezeit für den Raps. In der Landwirtschaft dient die Feldfrucht als Viehfutter aber auch als Ölpflanze. Wenn die Körner reif sind, werden sie in eine Rapsmühle gebracht und ausgepresst. – Über 40 Prozent Öl enthält so ein Samenkorn neben seinen anderen Bestandteilen. Das Rapsöl wird als Speiseöl oder auch zur Weiterverarbeitung zu Schmierölen und als energiereicher Treibstoff verwendet. Raps ist bei uns in der Landwirtschaft die bevorzugt angebaute Ölfrucht.

In Südeuropa kultiviert man Olivenbäume. – Ihre Früchte, die Oliven, liefern ein aromatisches Öl, das in ganz Europa zum Würzen von Salaten verbreitet ist. Auch die Sonnenblume gehört zu den Ölpflanzen. Presst man ihre Kerne aus, so entsteht auf dem Papier ein charakteristischer Fettfleck. Fette und Öle sind in vielen Nüssen enthalten. Bei der Keimung dienen sie den Samen als Energiequelle. Nicht nur die Pflanzen, auch die Tiere legen Fettdepots an. Diese Fette unterscheiden sich wesentlich von den pflanzlichen. Doch was ist Fett, woraus besteht es?

Fette und Öle sind chemisch betrachtet Ester. Mit dem dreiwertigen Alkohol Glycerin sind drei Fettsäuren verbunden. Chemiker nennen sie deshalb auch Triglyceride. Sind diese Ester bei Raumtemperatur flüssig, handelt es sich um Öle. Von den festen Fetten unterscheiden sie sich in ihrer Molekülstruktur. Im Öl sind mit dem Glycerin vorwiegend ungesättigte Fettsäuren verestert, das sind langkettige Carbonsäuren mit Doppelbindungen im Molekül. Die

Kombinationsmöglichkeiten der Säuren sind vielfältig, daher rührt auch die Vielfalt bei den Ölen und Fetten. Eine einheitliche Formel lässt sich deshalb nicht angeben. In der Industrie sind Fette und Öle Rohstoffe für viele Produkte. Sie lösen in der Kunststoffproduktion heute teilweise das Erdöl als Rohstoff ab. – Auch in der Kosmetik finden diese Verbindungen Verwendung. Durch ein spezielles chemisches Verfahren wird Pflanzenöl, hier ist es Rapsöl, zu einem dieselähnlichen Kraftstoff umgewandelt, dem Biodiesel – ein heimischer und zudem nachwachsender Ersatz für Erdöl.

Öle und Fette sind brennbar. Wer einen Fettbrand löschen will, muss wissen, dass Wasser als Löschmittel dafür nicht geeignet ist. Solche Brände sind gefährlich. Der Feuerwehrmann erstickt die Flamme. Kommt wieder Sauerstoff an das heiße Öl, entzündet es sich erneut.

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2. Kohlehydrate im Überblick

Zucker hielt man früher für eine Verbindung aus Wasser und Kohlenstoff, daher die Bezeichnung Kohlenhydrat.

Beim Erhitzen entweicht der Hydratanteil, also das Wasser, aus dem Zucker und übrig bleibt Kohlenstoff. Zucker sind Verbindungen der Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. In Europa wachsen diese Biomoleküle in der Zuckerrübe heran. Im Herbst ist Erntezeit für die Rüben. In Asien und Lateinamerika ernten die Menschen die zuckersafthaltigen Stängel des Zuckerrohrs.

Auch Früchte enthalten Zucker. Von den Trauben kommt der Traubenzucker. Wenn sie süß sind, werden sie geerntet und zu Wein verarbeitet. Und so entsteht der Zucker in der Pflanze: Bei der Photosynthese in den grünen Pflanzenzellen reagiert Wasser aus dem Boden mit dem Kohlenstoffdioxid aus der Luft und es entsteht Glucose – das ist Traubenzucker – und Sauerstoff. Viele Glucosemoleküle verbinden sich miteinander zu Riesenmolekülen, dabei entsteht zum Beispiel die Stärke in den Pflanzen. Im Haushalt gebraucht man vorwiegend drei Zucker, das sind die Glucose, die Fructose und die Saccharose. Äußerlich unterscheiden sie sich kaum, wohl aber in ihrem Molekülbau. Traubenzucker, Glucose, ist von seiner Struktur her einer der am einfachsten gebauten Vertreter der Zucker, es ist ein Einfachzucker, ein sogenanntes Monosaccharid.

Haushaltszucker, Chemiker sagen dazu Saccharose, besteht aus zwei Einfachzuckern, einem Glucose und einem Fructose- Molekül und ist ein sog. Disacharid. Einfachzucker verbinden sich miteinander zu größeren Molekülen. Bei jeder Verknüpfung bildet sich auch ein Wassermolekül. Dabei entstehen zunächst Disaccharide. Durch weitere Verknüpfungen entstehen Dreifach- und Vierfachzucker und schließlich Polysaccharide, Vielfachzucker. Stärke oder Cellulose sind solche Polysaccharide. Im Cellulosemolekül liegen unverzweigte gerade Ketten vor.

Im Stärkemolekül sind die Einzelzucker zu einer spiralförmigen Struktur verknüpft. Stärke und Cellulose finden sich im Haushalt in ganz unterschiedlichen Produkten. Ein Rohstoff für Stärke wird jedes Jahr zur Erntezeit in dieser Fabrik abgeladen: Es ist eine besondere Kartoffelsorte mit einem überdurchschnittlich hohen Stärkegehalt, sie wurde extra für die Industrie gezüchtet.

Zunächst werden die Knollen sauber gewaschen. Dann passieren sie riesige Reiben, wo die Zellwände der Knolle aufgebrochen werden, sodass das Fruchtwasser mit der Stärke gewonnen werden kann.

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Beim Zentrifugieren dieser Stärkemilch setzt sich die Stärke ab. In speziellen Drehfiltern wird der Wasseranteil abgefiltert und das Produkt getrocknet. Übrig bleibt feines, weißes Stärkemehl. Stärke kann man nicht nur aus Kartoffeln gewinnen, auch Weizen- und Mais enthalten in ihren Samen dieses Kohlenhydrat.

Stärke verarbeitet die Lebensmittelindustrie. Auch die Papier- und die Faserindustrie nutzen diese Biomoleküle für ihre Produkte. Das Kohlenhydrat Cellulose wächst in seiner reinsten Form am Strauch der Baumwolle . Ihre Hauptanbaugebiete liegen in den Tropen und Subtropen. – Wenn die Samenkapsel reif ist, springt sie auf und die Samenhaare quellen hervor.

Cellulose ist der wichtigste Gerüststoff in den Zellwänden der Pflanzen. Auch aus dem Holz der Bäume lässt sich die Faser gewinnen. Dazu werden die Stämme, vorwiegend von Fichte, aber auch von Kiefer, Tanne und Birke, in der Papierfabrik gehäckselt und fein gemahlen. Beim Kochen des Holzmehls in Lauge lösen sich die Cellulosemoleküle aus dem Holz und man erhält den Zellstoffbrei. Nach mehreren Reinigungs- und Bleichverfahren entsteht daraus reine Cellulose.

Cellulose ist der Rohstoff nicht nur für Papier. Auch die chemische Industrie kann diese Biomoleküle nutzen, z.B. für die Faser- und Kunststoffproduktion.

3. Proteine im Überblick Der Name der Proteine leitet sich von dem griechischen Protos für „der Erste“ ab. Damit kommt ihre Bedeutung für das Leben zum Ausdruck, zum Beispiel im Eiweiß. Auch Pflanzen sind bekannt für ihren Proteingehalt, z. B. die Bohnen. Hier werden Sojabohnen geerntet. In der Landwirtschaft dienen sie vorwiegend als Futterpflanze für Schweine und Rinder. Proteine dienen den tierischen und den pflanzlichen Zellen als Gerüststoffe, manche steuern deren Stoffwechsel.

Bausteine der Proteine sind sog. Aminosäuren. In den Sojabohnen finden sich v.a. die

Aminosäuren Threonin, Lysin oder Methionin.

Die bezüglich ihrer Struktur einfachste Aminosäure aber ist das Glycin.

Ihr charakteristisches Kennzeichen ist einerseits die Aminogruppe, andererseits die Carboxylgruppe, die funktionelle Gruppe der Carbonsäuren.

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Poteine sind vielfältig, in den Haaren z. B. haben sie eine andere Struktur als in den Eiern. Aminosäuremoleküle verknüpfen sich über ihre Carboxylgruppe und ihre Aminogruppe indem jeweils ein Wassermolekül frei wird. Aus zwei Aminosäuren entsteht so ein Dipeptid und schließlich aus vielen ein Polypeptid. Polypeptidketten aus mehr als 100 Aminosäuren nennt man Eiweiße oder Proteine. Zwischen den Molekülketten wirken Anziehungskräfte, dabei ergibt sich die sogenannte Faltblattstruktur eines Proteins. Eine andere Möglichkeit ist die Helixstruktur, die Aminosäure-Ketten ordnen sich in einer Spirale an.

Wie sich Proteinmoleküle gegenüber anderen Verbindungen verhalten, das soll ein Experiment zeigen: Frisches Hühnereiweiß wird zunächst auf mehrere Reagenzgläser verteilt. Dann werden verschiedene Chemikalien zugegeben. Alkohol lässt das Eiweiß gerinnen, dieselbe Reaktion zeigt sich, wenn eine verdünnte Säure mit dem Eiweiß reagiert. Auch eine Schwermetalllösung, hier ist es Kupferchloridlösung, reagiert mit dem Eiweiß – es flockt aus. Der Chemiker spricht von der Denaturierung des Proteins.

Diese Eigenschaft der Proteine nutzt der Friseur. Haare bestehen aus dem Protein Keratin. Der Friseur gibt eine spezielle Chemikalie auf das Haar, die die Bindungen zwischen den Proteinmolekülen aufbricht. Das Haar wird so verformbar. Die neue Form muss nun noch chemisch fixiert werden. Dann ist das Ziel erreicht, die Dauerwelle. Die Denaturierung besteht darin, dass die geordnete Struktur des Eiweißes aufgehoben wird.

Eine besondere Gruppe der Proteine steuert die Stoffwechselvorgänge in unserem Körper, sie helfen z.B. mit bei der Verdauung: die Enzyme. Das Enzym Lipase ist ein sogenanntes globuläres Protein. Allgemein wirken Enzyme nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Sie sind auf einen Stoff spezialisiert zu dem sie passen, wie ein Schlüssel in ein Schloss. Die Lipase passt zu einem Fettmolekül. Es kommt zum Kontakt und das Fett wird in seine Bestandteile Glycerin und Fettsäuren gespalten. Jedes Mal, wenn wir ein Butterbrot essen, wird die Lipase im Dünndarm aktiv. Andere Enzyme helfen mit, wenn die Kohlenhydrate oder die Proteine aus der Nahrung verdaut werden. Enzyme dienen der Zelle dabei als Katalysatoren.

Erst durch sie werden die Stoffwechselprozesse bei Pflanzen, Tieren und dem Mensch ermöglicht. Es ist die Vielfalt der Biomoleküle, die die Vielfalt der Organismen ausmacht.

4. Kohlenhydrate im Überblick

Im Allgemeinen wird unter Kohlenhydraten Zucker verstanden. Kohlenhydrate stellen zusammen mit den Fetten und Proteinen den quantitativ größten verwertbaren (u. a. Stärke) und nicht-verwertbaren (Ballaststoffe) Anteil an der Nahrung. Neben ihrer zentralen Rolle als physiologischer Energieträger, spielen sie als Stützsubstanz vor allem im Pflanzenreich und in biologischen Signal- und Erkennungsprozessen (z. B. Zell-Zell-Erkennung, Blutgruppen) eine wichtige Rolle. Am verbreitetsten sind Monosaccharide mit fünf oder sechs C-Atomen. Zwei- und Mehrfachzucker bestehen aus über glykosidische Bindungen verketteten Einfachzuckern. Die Monosaccharide (Einfachzucker, z. B. Traubenzucker, Fruchtzucker), Disaccharide (Zweifachzucker, z. B. Kristallzucker, Milchzucker, Malzzucker) und Oligosaccharide (Mehrfachzucker, z. B. Raffinose) sind in der Regel wasserlöslich, haben einen süßen Geschmack und werden im engeren Sinne als Zucker bezeichnet. Die Polysaccharide (Vielfachzucker, z. B. Stärke, Cellulose, Chitin) sind hingegen oftmals schlecht oder gar nicht in Wasser löslich und geschmacksneutral.

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Da viele Kohlenhydrate (= Saccharide) die Bruttoformel C n (H 2 O) m aufweisen, kann man diese formal als Hydrate des Kohlenstoffs ansehen.

Einfachzucker werden von Pflanzen durch Photosynthese aus Kohlenstoffdioxid und Wasser aufgebaut, und enthalten Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Zur Speicherung oder zum Zellaufbau werden diese Einfachzucker dann zu Mehrfachzuckern verkettet (z. B. Glucose zu Stärke oder Cellulose). Tiere und Menschen können aus Einfachzuckern langkettige Zucker herstellen. So synthetisiert die Leber beispielsweise aus Glucose den langkettigen Speicherzucker Glykogen.

Kohlenhydrate sind ein wesentlicher Teil der menschlichen Nahrung neben Fett und Eiweiß, gelten aber nicht als essentiell, da der Körper sie aus anderen Nahrungsbestandteilen herstellen kann. Der Energiegehalt von einem Gramm Kohlenhydrat beträgt rund 17,2 Kilojoule (kJ) bzw. (4,1 kcal). Die physiologische Energieerzeugung aus Kohlenhydraten erfolgt im Normalfall in der Glycolyse und im Citrat-Zyklus. Wenn die Versorgung der Gewebe mit Kohlenhydraten größer ist als ihr Verbrauch, wird der Überschuss in Fett umgewandelt und als Depotfett gespeichert. Beispiele für Lebensmittel, die einen hohen Anteil an Kohlenhydraten aufweisen sind Brot, Nudeln, Bohnen, Kartoffeln, Kleie, Reis und Getreide.

5. Proteine: Chemie und physiologische Bedeutung

Proteine, umgangssprachlich auch Eiweiße genannt, sind Makromoleküle, die hauptsächlich aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und – seltener – Schwefel aufgebaut sind. Proteine gehören zu den Grundbausteinen aller Zellen. Sie verleihen der Zelle nicht nur Struktur, sondern sind die molekularen „Maschinen“, die Stoffe transportieren, Ionenpumpen, chemische Reaktionen katalysieren und Signalstoffe erkennen.

Bausteine der Proteine sind Aminosäuren, die durch Peptidbindungen zu Ketten verbunden sind. Beim Menschen handelt es sich um 21 verschiedene Aminosäuren. Aminosäureketten haben eine Länge von bis zu mehreren 1000 Aminosäuren, wobei man eigentlich Aminosäureketten mit einer Länge von unter ca. 100 Aminosäuren als Peptide bezeichnet und erst ab einer größeren Kettenlänge von Proteinen spricht. Die Zusammensetzung eines Proteins, und damit sein Aufbau, ist in dem jeweiligen Gen kodiert.

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Das Wort Protein wurde 1838 von Jöns Jakob Berzelius von dem griechischen Wort proteuo, „ich nehme den ersten Platz ein“, von protos, „erstes“, „wichtigstes“ abgeleitet. Dies soll die Bedeutung der Proteine für das Leben unterstreichen. Mutationen in einem Gen verursachen Veränderungen im Aufbau des Proteins, das durch das Gen kodiert wird. Die Folge können Fehler in der Proteinaktivität sein. Solche Fehler (oder der gänzliche Wegfall einer Proteinaktivität) liegen vielen erblichen Krankheiten zugrunde.

Bedeutung für den Organismus Die Aufgaben der Proteine im Organismus sind vielfältig: • als Strukturproteine bestimmen sie den Aufbau der Zelle und damit letztlich die

Beschaffenheit von Geweben, beispielsweise der Haarstruktur, und den gesamten Körperaufbau.

• als Enzyme übernehmen sie Biokatalysatorfunktionen. Sie ermöglichen chemische Reaktionen in Lebewesen.

• als Ionenkanäle regulieren sie die Ionenkonzentration in der Zelle, und damit deren osmotische Homöostase sowie die Erregbarkeit von Nerven und Muskeln.

• in den Muskeln verändern bestimmte Proteine ihre Form und sorgen so für die Kontraktion der Muskeln und damit für Bewegung.

• als Transportproteine übernehmen sie den Transport körperwichtiger Substanzen wie z. B. Hämoglobin, das im Blut für den Sauerstofftransport zuständig ist, oder Transferrin, das Eisen in unserem Blut transportiert.

• manche (meist kleinere Proteine) steuern als Hormone Vorgänge im Körper.• als Antikörper dienen sie der Infektionsabwehr.

Denaturierung

Sowohl durch chemische Einflüsse, wie zum Beispiel Säuren, Salze oder organische Lösungsmittel, als auch durch physikalische Einwirkungen, wie hohe oder tiefe Temperaturen oder auch Druck, können sich die Sekundär- und Tertiärstruktur und damit auch die Quartärstruktur von Proteinen ändern, ohne dass sich die Reihenfolge der Aminosäuren (Primärstruktur) ändert. Dieser Vorgang heißt Denaturierung und ist in der Regel nicht umkehrbar; der ursprüngliche dreidimensionale räumliche Aufbau kann nicht wiederhergestellt werden. Bekanntestes Beispiel dafür ist das Eiweiß im Hühnerei, das beim Kochen fest wird, weil sich der räumliche Aufbau der Proteinmoleküle geändert hat. Der ursprüngliche flüssige Zustand kann nicht mehr hergestellt werden. Das Wiederherstellen des ursprünglichen Zustandes des denaturierten Proteins heißt Renaturieren. Menschen denaturieren ihre Speisen, um sie leichter verdaulich zu machen. Durch die Denaturierung ändern sich die physikalischen und physiologischen Eigenschaften der Proteine, wie z. B beim Spiegelei, das in der Pfanne denaturiert wird. Hohes Fieber kann daher lebensgefährlich werden: Durch eine zu hohe Temperatur werden körpereigene Proteine denaturiert und können somit ihre Aufgaben im Organismus nicht mehr erfüllen. Einige Proteine der roten Blutkörperchen denaturieren beispielsweise bereits bei 42 °C. Dabei ist das Fieber wichtig, da Fremdkörper, sogenannte Antigene, schon bei geringeren Temperaturen denaturieren.

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Eiweißmangel

Eiweiß hat eine große Anzahl von Aufgaben in unserem Körper. Ein erwachsener Mensch benötigt etwa 1 Gramm Eiweiß pro Kilogramm Körpergewicht am Tag. Es dient zum Aufbau und zum Erhalt der Körperzellen, auch zur Heilung von Wunden und Krankheiten. Ein Mangel kann schlimme Folgen haben z. B. Haarausfall (Haare bestehen zu 97-100% aus Proteinen - Keratin). Im schlimmsten Fall kommt es zur Eiweißmangelkrankheit Kwashiorkor. Menschen (meist Kinder), die an Kwashiorkor leiden, erkennt man an ihren dicken Bäuchen. Der Organismus versucht durch Wasser den Eiweißmangel abzudecken, sodass sich das Wasser nach einiger Zeit im Körper ablagert (Ödem). Weitere Symptome sind: Muskelschwäche, Wachstumsstörungen. Andauernder Eiweißmangel führt zum Tod.

6. Fette: Chemie und physiologische Bedeutung

Fette und fette Öle (Neutralfette) sind Ester des dreiwertigen Alkohols Glycerin (Propan-1,2,3-triol) mit drei, meist verschiedenen, überwiegend geradzahligen und unverzweigten

aliphatischen Monocarbonsäuren, den so genannten Fettsäuren. Verbindungen dieser Art werden auch Triglyceride genannt. Je nachdem, ob ein Fett bei Raumtemperatur fest oder flüssig ist, spricht man von Fetten oder fetten Ölen. Unter Fett versteht man primär ein Stoffgemisch aus verschiedenen Fettsäuretriglyceriden, die entweder aus Tieren oder Pflanzen gewonnen werden. Als Naturstoffe werden Fette den Lipiden zugeordnet.

Umgangssprachlich wird mit Fett auch das Fettgewebe im menschlichen oder tierischen Organismus bezeichnet.

Fette und fette Öle finden Verwendung als Nahrungsmittel und werden auch technisch z.B. als Schmierstoff eingesetzt.

Physiologische Bedeutung

Fette und Öle gehören zu den Grundnährstoffen des Menschen. Sie werden im menschlichen Körper unter anderem benötigt als Energielieferant, Isolatoren gegen Kälte, Lösungsmittel für nur fettlösliche Stoffe wie Vitamine, Schutzpolster für innere Organe und das Nervensystem. Sie sein auch Bestandteil der Zellmembranen. Fette sind neben den Kohlenhydraten (Zucker, Glykogen) die wichtigsten Energiespeicher der Zellen. Der physikalische Brennwert liegt bei ca. 39 kJ/g Fett und ist somit mehr als doppelt so hoch wie bei Kohlenhydraten und Eiweiß (17,2 kJ/g). Das Depotfett als Energiespeicher im menschlichen Körper stammt aus dem mit der Nahrung aufgenommenen Fett, oder aus in anderer Form dem Körper zugeführter Energie (Zucker und Eiweiß), die in Fett umgewandelt wurde. Es ist umstritten, in welchem Umfang

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diese Umwandlung zur Bildung von Fettgewebe beiträgt. Andere Säugetiere können gut aus einem Energieüberschuss in der Nahrung Depotfette bilden.

Die lebensnotwendigen, mindestens zweifach ungesättigen Fettsäuren nennt man essentielle Fettsäuren (z.B. Omega-3-und Omega-6-Fettsäuren, veraltete Bezeichnung: Vitamin F. Diese müssen dem Körper über die Nahrung zugefügt werden, da sie nicht gebildet werden können.

Im Blut des Menschen werden die Gesamttriglyceride bestimmt und zählen als solche neben dem Cholesterinwert zu den Blutfetten. Der Normalwert der Triglyceride im Blut beträgt 70 bis 170 mg/dl.

Laut der Deutschen Gesellschaft für Ernährung (DGE) ist eine Fettzufuhr von 60 bis 80 g pro Tag für einen erwachsenen Menschen ausreichend, was 25 Prozent der zugeführten Kalorien entspricht. Dabei kann es durchaus zu kleinen Überschreitungen kommen, sofern in den folgenden Tagen die Fettzufuhr ausgeglichen wird. Maximal sollten Frauen wöchentlich ca. 420 g und Männer ca. 560 g Fett zu sich nehmen.

7. Enzyme: Chemie und physiologische BedeutungEnzyme lassen sich anhand ihres Aufbaus unterscheiden. Während viele Enzyme aus nur einer Proteinkette bestehen, bestehen andere Enzyme aus mehreren Proteinketten. Einige Enzyme lagern sich mit weiteren Enzymen zu sogenannten Multienzymkomplexen zusammen und kooperieren miteinander oder regulieren sich gegenseitig. Umgekehrt gibt es auch einzelne Proteinketten, welche mehrere Enzymaktivitäten enthalten (multifunktionelle Enzyme). Eine weitere mögliche Einteilung hinsichtlich ihres Aufbaus berücksichtigt das Vorhandensein von Kofaktoren:

• Reine Protein-Enzyme bestehen ausschließlich aus Protein, das aktive Zentrum wird nur aus Aminosäureresten und dem Peptidrückgrat gebildet. Zu dieser Gruppe gehören beispielsweise das Verdauungsenzym Chymotrypsin und die Triosephosphatisomerase (TIM) der Glycolyse.

• Holoenzyme bestehen aus einem Proteinanteil, dem Apoenzym, sowie aus einem Kofaktor, einem niedermolekularen Molekül (kein Protein). Beide zusammen sind für die Funktion des Enzyms wichtig. Organische Moleküle als Kofaktoren werden Koenzyme genannt. Koenzyme sind zum Beispiel Adenosintriphosphat (ATP) und Nicotinamidadenindinukleotid (NAD).

FunktionAls Biokatalysatoren beschleunigen Enzyme chemische Reaktionen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen, die überwunden werden muss, damit es zu einer Stoffumsetzung kommt. Theoretisch ist eine enzymatische Umsetzung reversibel, d. h. die Produkte können wieder in die Ausgangsstoffe umgewandelt werden. Die Ausgangsstoffe

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(Edukte) einer Enzymreaktion, die Substrate, werden im so genannten aktiven Zentrum des Enzyms gebunden, es bildet sich ein Enzym-Substrat-Komplex. Das Enzym ermöglicht nun die Umwandlung der Substrate in die Reaktionsprodukte, die anschließend aus dem Komplex freigesetzt werden. Wie alle Katalysatoren liegt das Enzym nach der Reaktion wieder in der Ausgangsform vor. Enzyme zeichnen sich durch hohe Substrat- und Reaktionsspezifität aus, unter zahlreichen Stoffen wählen sie nur die passenden Substrate aus und katalysieren genau eine von vielen denkbaren Reaktionen.

Didaktische Hinweise

Die Sendung ist für den Einsatz im Chemieunterricht in der 10. Jahrgangsstufe geeignet.

Lehrplanbezüge (Bayern)

Realschule 10. Jgst.

Chemie

10.3 Chemie der Biomoleküle Die Schüler setzen sich mit Verbindungen auseinander, die Lebensvorgängen zugrunde liegen. Sie lernen Bauprinzipien, Eigenschaften und Reaktionsweisen kennen und können somit Lebensvorgänge, die aus dem Biologieunterricht bereits bekannt sind, besser verstehen. Die Schüler wenden bereits erworbene Kenntnisse über den Einfluss funktioneller Gruppen an und vertiefen diese. Zugleich wird ihnen bewusst, dass die große Vielfalt der Naturstoffe auf wenige Einzelbausteine und die vielfältigen Möglichkeiten ihrer Verknüpfung zurückzuführen ist. - Fette (E) - Kohlenhydrate (E): Mono-, Di-, Polysacharide; Fotosynthese: Summengleichung - Aminosäuren, Proteine (E) - Enzyme (E)

Gymnasium10. Jgst.

Chemie

10.3 Biomoleküle Die Schüler erkennen an einigen wichtigen Beispielen die Bedeutung funktioneller Gruppen für Struktur und Eigenschaften von Biomolekülen verschiedener Klassen. Bei der Beschäftigung mit deren biologischer Bedeutung erhalten sie Einblicke in die grundlegenden Reaktionen der Biomoleküle in lebenden Systemen [> B 10.1 Stoffwechsel]. Zur Veranschaulichung der Molekülstrukturen nutzen sie moderne Visualisierungstechniken z. B. am Computer. Fette - Fette: Ester aus Glycerin und langkettigen Carbonsäuren, Verseifung - Bedeutung in der Ernährung und als nachwachsende Rohstoffe Kohlenhydrate - Glucose als mehrfunktionelle Verbindung: offenkettige Form und Ringschluss als nukleophile Addition - Stärke: Aufbau aus Glucosemonomeren durch Kondensation; Bedeutung als Nähr- und Speicherstoff

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Aminocarbonsäuren und Proteine - funktionelle Gruppen: Basizität der Aminogruppe, Zwitterionenstruktur - Kondensationsreaktion, Peptidbindung - Proteine: Makromoleküle aus Aminosäuren, biologische Bedeutung

Lernziele• Den Schülern soll bewusst werden, dass die große Vielfalt der Naturstoffe auf wenige

Einzelbausteine und die vielfältigen Möglichkeiten der Verknüpfung zurückzuführen ist.• Die Schüler sollen einen Überblick über die Verbindungen erhalten, die Lebensvorgängen

zugrunde liegen.• Die Schüler sollen das Bauprinzip der Kohlenhydrate kennen lernen.• Die Schüler sollen wissen, dass die Proteine aus Aminosäuren aufgebaut sind.• Die Schüler sollen das Bauprinzip der Fette und die Veresterung erklären können.• Die Schüler sollen wissen, welche Aufgabe die Enzyme erfüllen.

Anregungen zur Unterrichtsgestaltung

Der Film eignet sich zum Einsatz im Chemieunterricht in den 10. Jahrgangsstufen aller Schultypen. Der Film ist klar gegliedert, er sollte den Schülern in Abschnitten vorgeführt werden. Die drei Teile Fette, Kohlenhydrate, Proteine sind durch Zwischenüberschriften voneinander getrennt (s. Inhalt, lang). Wird der Film als Zusammenfassung der Unterrichtseinheit „Biomoleküle“ eingesetzt, könnten Beobachtungsaufgaben für Gruppen ausgegeben werden. Den einzelnen Gruppen könnten Arbeitsblätter zur Hand gegeben werden (s. unter Rubrik Arbeitsblätter).

Arbeitsblätter

Fette (pdf-Dokument)

Kohlehydrate (pdf-Dokument)

Proteine (pdf-Dokument)

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