Chemie der Biomoleküle

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Chemie der Biomoleküle
Ein Film von Anita Bach
Beitrag: 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 (Propan1,2,3-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 Bedeutung
Enzyme 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).
Funktion
Als 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)
Gymnasium
10. 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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