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Bei dieser Datei handelt es sich um ein Protokoll, das einen Vortrag im Rahmen
des Chemielehramtsstudiums an der Uni Marburg referiert. Zur besseren
Durchsuchbarkeit wurde zudem eine Texterkennung durchgeführt und hinter das
eingescannte Bild gelegt, so dass Copy & Paste möglich ist – aber Vorsicht, die
Texterkennung wurde nicht korrigiert und ist gerade bei schlecht leserlichen
Dateien mit Fehlern behaftet.
Alle mehr als 700 Protokolle (Anfang 2007) können auf der Seite
http://www.chids.de/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html
eingesehen und heruntergeladen werden.
Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel und
Staatsexamensarbeiten bereit.
Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007
Philipps-Universität Marburg
FB 15: Chemie
WS 2002/2003
UE 15561: Übungen im Experimentalvortrag für Studierende des Lehramts
Übungsleiter: Dr. J. Butenuth
Dr. E. Gerstner
Prof. Dr. U. Koert
Prof. Dr. U. Müller
Prof. Dr. B. Neumüller
Dr. P. Reiß
Experimentalvortrag (Organische Chemie) zum Thema
AMINOSÄUREN
von
FRANK HARTMANN
am
19.12.2002, 16.15 bis 17.00 Uhr
Chemie in der Schule: www.chids.de
1
Gliederung:
Seite
1. Aminosäuren und ihre Chemie .•.•.•..............................................................•.................•.............. 3
1.1. Was sind Aminosäuren?
1.1.1.
1.1.2.
1.1.3.
3
Einführung in die Thematik
Funktionelle Gruppen und ihre Bedeutung für die Chemie
Der Rest R
1.2. Eigenschaften
1.2.1.
1.2.2.
1.2.3.
1.2.4.
Allgemeines
Physikalische Eigenschaften
Zwitterionen
Der isoelektrische Punkt (IEP)
5
-7 Versuch 1
1.3. Reaktionen
1.3.1.
1.3.2.
1.3.3.
Qualitativer Nachweis
Quantitative Bestimmung
Beispiele für weitere Reaktionen
10
-7 Versuch 2
-7 Versuch 3
-7 Versuch 4 und 5
2. Aminosäuren bestimmen das Leben ......................................•...........•...•.•....................•..•......... 19
2.1. Allgemeine und historische Aspekte
2.1.1.
2.1.2 .
2.1.3.
19
Bedeutung der Aminosäuren für das Leben
Vorkommen und Entdeckung
Entstehung der Aminosäuren
2.2. Aminosäuren als Bausteine der Proteine
2.2.1.
2.2.2.
2.2.3.
23
Bildung von Proteinen aus Aminosäuren
Bedeutung und Vorkommen von Proteinen
-7 Demonstration
Nachweise von Proteinen
2.3. Aminosäuren in Lebensmitteln
2.3.1.
2.3.2.
Allgemeines
Die Maillard-Reaktion
28
-7 Versuch 6
2.3.2.1 Reaktionsmechanismen
2.3.2.2 Produkte der Maillard-Reaktion
2.3.2.3. .Maillard-aktuell" - die Acrylamid-Problematik
2.3.3.
Bedeutung der Maillad-Reaktion für die Lebensmittelchemie
3. Schlussbetrachtung ................................................................................•.•...•.•..................•.••.•.•... 34
4. Anhang
35
4.1. Verwendete Chemikalien
4.2. Literaturverzeichnis
4.3. Internetquellen
4.4. Kopien
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2
1. Aminosäuren und ihre Chemie
1.1. Was sind Aminosäuren?
1.1.1.
Einführung in die Thematik:
Aminosäuren sind eine sehr wichtige Stoffklasse der organischen Chemie. Die Eigenschaften der
Aminosäuren stehen (wie bei allen Stoffklassen) in engem Zusammenhang mit dem Aufbau ihrer
kleinsten Teilchen. Um diesen Zusammenhang besser zu verstehen, werden im folgenden der Aufbau
der Aminosäureteilchen und die Eigenschaften der Aminosäuren als Stoff genauer untersucht.
Alle Lebewesen bauen aus Aminosäuren Eiweißstoffe (Proteine) auf. Tierische Lebewesen (auch der
Mensch) nehmen mit der Nahrung solche Proteine auf. Daraus werden bei der Verdauung
Aminosäuren hergestellt. Diese werden dann vom Darm resorbiert (ins Blut aufgenommen) und der
Körper baut daraus wiederum neue körpereigene Proteine auf.
Aminosäuren sind also wichtige Bausteine aller Lebewesen. Die Bildung von Aminosäuren aus
anorganischen Stoffen unter den Bedingungen der Uratmosphäre wird heute als wichtiger Schritt bei
der Entstehung des irdischen Lebens vor einigen Milliarden Jahren angesehen .
Das erste Kapitel greift einige Teilaspekte der umfangreichen Chemie dieser wichtigen Stoffklasse
heraus . Im zweiten Teil soll dem Leser verdeutlicht werden , dass Aminosäuren die herausragende
Bedeutung für das Leben und seine Entstehung besitzen.
1.1.2.
Funktionelle Gruppen und ihre Bedeutung für die Chemie :
Bei den Aminosäuren (exakte Bezeichnung : Aminocarbonsäuren) handelt es sich um organische
Verbindungen, die in der Regel sowohl eine Aminogruppe als auch eine Carboxylfunktion besitzen .
Diese beiden funktionellen Gruppen beeinflussen in hohem Maße die Eigenschaften der Aminosäuren
(Kap . 1.2.) und bieten darüber hinaus eine breit gefächerte Chemie (Kap. 1.3.).
Im weitesten Sinne fasst man unter dem Begriff "Aminosäuren"
alle aliphatischen, aromatischen und heterozyklischen Carbonund
Sulfonsäuren
Aminogruppe am
ständig)
tragen.
Q-,
zusammen,
ß-
die
mindestens
oder y-Kohlenstoff (bzw.
Im folgenden
0-,
eine
m- oder p-
,
werden jedoch our die
~-- C O O H
R'
Aminosäuren betrachtet.
Abb.1: Strukturformel einer a-Aminosäure
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H
3
Abb. 1 zeigt eine allgemeine Strukturformel für die am häufigsten in der Natur vorkommenden
Aminosäuren : 2-Aminosäuren oder a-Aminosäuren. Bei diesen befindet sich die Aminofunktion am
C2 , dem a-Kohlenstoffatom. Weiterhin befinden sich an diesem Kohlenstoff ein Wasserstoffatom
sowie eine Seitenkette bzw. ein Rest R.
Die in Abb. 1 gezeigte Strukturformel ist in dieser Form allerdings nicht ganz korrekt, da Aminosäuren
normalerweise nicht in der in der Abbildung gezeigten Form vorliegen . Die Gründe hierfür werden in
Kap. 1.2.3. näher untersucht.
1.1.3.
Der Rest R:
Für die Gruppe R bieten kommen vielfältige Möglichkeiten in Frage. Die Seitenkette kann ein Alkyloder Arylrest sein, sie kann aber auch Hydroxy-, Amino- , Mercapto- , Sulfid- oder Carboxylgruppen
enthalten. In Abb. 2 sind die wichtigsten a-Aminosäuren bzw. ihre Seitenketten zusammengestellt:
-
- H
Glyein (Gly)
CH3
Alanin (Ala)
Valin (Val)
Leuein (Leu)
COOH
HN1-H
~CH2
Isoleuein (lIe)
Phenylalanin (Phe)
-
Prolln (Pro)
CHOH
-~
~-U
H
I
CH3
Tyrosln (Tyr)
Threonln (Thr)
Serin (Ser)
Tryptophan (Trp)
- CH2
Glutamin (Gin)
Asparagin (Asn)
Lysin (Lys)
Arginin (Arg)
M
N~
-
CH2SH
Cysteln (Cys)
-
CH2CH2SCH3 Methionin (Met)
CH2 CH2COOH
Asparaginsäure (Asp)
-
CH2COOH
NH
Histidin (His)
Glutaminsäure (Glu)
Abb. 2: Beispiele für den Rest R von a-Aminosäuren (nach VOLLHARDT)
Ausgehend von ihrer Seitenkette lassen sich diese 20 Aminosäuren zu folgenden Gruppen
zusammenfassen (auf ihre Bedeutung wird in Kap. 2 näher eingegangen) :
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4
aliphatische Aminosäuren:
Gly, Ala, Val, Leu, lIe
Hydroxyaminsäuren:
Ser, Thr
Aminodicarbonsäuren und deren w-Amide:
Asp, Asn, Glu, Gin
basische Aminosäuren:
Lys, Arg, His
schwefelhaltige Aminosäuren:
Cys, Met
cyclische Aminosäuren:
Pro
aromatische bzw. heteroaromatische Aminosäuren:
Phe, Tyr, Try
Aus Abb.2 geht ebenfalls hervor, dass man diese Aminosäuren üblicherweise nicht nur mit ihrem
Namen, sondern auch mit Hilfe eines von der IUPAC empfohlenen Drei-Buchstaben-Codes
bezeichnet. Im folgenden wird dieser Code verwendet.
1.2. Eigenschaften
1.2.1.
Allgemeines:
Bereits aus der Strukturformel der Aminosäuren (Abb. 1) lassen sich einige wichtige Eigenschaften
der Aminosäuren ableiten. Aus dieser Abbildung geht hervor, dass alle
-Aminosäuren am C 2-
Kohlenstoff vier unterschiedliche Substituenten besitzen (ausser beim Gly, wo der Rest Rein
Wasserstoffatom ist I).
Beim C 2 handelt es sich also um ein Chiralitäts- bzw. Asymmetriezentrum, d.h. (fast) alle
Aminosäuren sind chiral und bilden Spiegelbild isomere. Daher sind sie als R- oder S-Enantiomere
(bzw. D- und L-Enantiomere nach der alten Nomenklatur) optisch aktiv und in der Lage, die
Schwingungsebene linear polarisierten Lichtes zu drehen, was aber nicht unbedingt bedeutet, dass
eine S-Aminosaure die Ebene nach links dreht und umgekehrt. Der Betrag des Drehwertes steht also
in keinem Zusammenhang zur R- und S-Nomenklatur.
1.2.2.
Physikalische Eigenschaften:
Einige wichtige physikalische Eigenschaften der 20 Aminosäuren aus Abb. 2 sind in Tab. 1
zusammengestellt. Auffällig sind vor allem die sehr hohen Schmelzpunkte sowie die allgemein
außerst geringe Löslichkeit in Wasser.
Die Schmelzpunkte lassen sich nicht durch die in Abb. 1 gezeigte Strukturformel erklären. Zwar
erlauben die beiden funktionellen Gruppen (Carbonyl- und Aminogruppe) die Ausbildung von
WasserstoffbrQckenbindungen, aber wenn man die Aminosäuren mit .ähnlichen" organischen
Substanzen vergleicht (z.B. Verbindungen mit ähnlichen funktionelle Gruppen, ähnlicher Molekülgröße
etc.), sollte man keine Feststoffe, sondern eher hochsiedende Flüssigkeiten erwarten, wie sie z.B.
Carbonsäuren oder Alkohole besitzen. Aminosäuren hingegen sind farblose, aber weiß erscheinende
hochschmelzende Verbindungen, die sich z.T. thermisch zersetzen.
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5
Aminosäure
Schmelzpunkt in·C
g/100 mL H20
Löslichkeit in
Ala
295 - 297 (Z) 1
Arg
essentiell ?
Geschmack
pI<.
(COOH)
pI<.
{NH31
16,51
süß
2,4
9,9
> 225 (Z)
15,0
bitter
1,8
9,0
Asn
234 -235
0,500
neutral
2,0
8,8
Asp
269-271
0,011
neutral
2,0
10,0
3,9
Cys2
220-228
k.A.
k.A.
1,9
10,3
8,4
Gin
185 -186
0,26
neutral
2,2
9,1
Glu
205
0,843
nach
Fleischbrühe
2,1
10,0
Gly
232 -236 (Z)
24,99
süß
2,4
9,8
His
270-275
4,29
bitter
1,8
9,2
IIe
285
4,117
bitter
2,3
9,7
ja
Leu
300
2,19
bitter
2,3
9,7
ja
Lys
225
30,0
süß
2,2
9,2
Met
280-285
3,381
schwefelartig
2,2
9,3
ja
Phe
275 - 283 (Z)
2,965
bitter
2,6
9,2
ja
Pro
220-222
162,3
süß
2,0
10,6
Ser
215-225
5,023
süß
2,2
9,4
Thr
265- 270
9,0
süß
2,1
9,1
ja
Trp
k.A.
1,136
bitter
2,4
9,4
ja
Tyr
kA
0,045
bitter
2,2
9,1
Val
315
8,85
kA
2,3
9,7
pI<. (funk.
Gruppe in R
13,2
4,3
6,1
10,8
ja
10,1
ja
Tab. 1: Physikalische Eigenschaften von Aminosäuren
(zusammengestellt aus BELlTZIGROSCH, VOlLHARDT und MERCK)
1
2
=
Z thermische Zersetzung
Das Stereozentrum hat R-Konfiguration, weil der CH2SH-Substituent eine höhere Priorität hat als die COOH-Gruppe.
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6
Das Vorhandensein der belden polaren funktionellen Gruppen (laut Abb. 1) lässt eine ziemlich gute
Löslichkeit in Wasser vermuten, aber ein Blick auf Tab. 1 zeigt das Gegenteil: mit Ausnahme von Ala,
Arg, Gly, Lys und Pro, wobei letzteres mit 162,3 g/L H20 völlig aus dem Rahmen fallt, sind alle
Aminosäuren sehr schlecht in Wasser löslich.
Von anderen organischen Verbindungen mit gleichen funktionellen Gruppen (Carbonsäuren, Amine)
sind charakteristische Gerüche bekannt (z.B. Essigsäure, Buttersäure oder Triethylamin), die meisten
Aminosäuren hingegen sind geruchsneutral bzw. besitzen kaum einen Eigengeruch.
Der Geschmack der Aminosäuren ist ebenfalls in Tab. 1 zu finden. Die meisten von ihnen schmecken
entweder süß oder bitter, einige haben einen charakteristischen Geschmack (Glu und Met). Auf die
Bedeutung der essentiellen Aminosäuren wird bei der Besprechung der Proteine eingegangen (Kap.
2.2.1.).
Wie sind nun diese Eigenschaften, die nicht mit der in Abb. 1 gezeigten Strukturformel decken, zu
~
erklären? Um diese Frage zu beantworten, soll Versuch 1 dienen:
-7 Versuch 1: Amphotere Eigenschaften der Aminosäuren
Theorie:
Im folgenden soll am Beispiel der Aminosäure Glu untersucht werden, wie sich diese
Stoffklasse im sauren, neutralen und alkalischen wässrigen Milieu verhält.
Geräte:
Drei Bechergläser (100 mL), Spatel
Chemikalien:
Salzsäure, Natronlauge üeweils c = 2 moI/L), Wasser, Glu
Durchführung: Jeweils eine Spatelspitze Glu wird mit 50 m Salzsäure, Wasser und Natronlauge
1'"""\1
versetzt und umgeschOttelt.
)
Beobachtung: Im sauren und alkalischen Milieu entstehen klare Lösungen, während sich im
neutralen wässrigen Milieu eine Suspension bildet.
Auswertung:
Aminosäuren sind in Wasser kaum löslich (vgl. Tab.1), während sich in Säuren und
Laugen eine relativ gute Löslichkeit zeigt. Aminosäuren sind also amphotere
Substanzen. Die Erklärung für diese Tatsache erfolgt in Kap. 1.2.3.
1.2.3.
Zwitterionen:
Die in Abb. 1 wiedergegebene Strukturformel ist, wie bereits erwähnt, nicht ganz korrekt. Aminosäuren
besitzen zwar eine Carboxyl- und eine Aminogruppe, aber in wässriger Lösung liegen sie nicht in der
in Abb. 1 gezeigten Form vor.
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7
Aminosauren sind amphotere Substanzen (von griech.
= beide), d.h. sie kOnnen sowohl sauer
a~cpw
als auch basisch reagieren. Ein Ammonium-Ion (PKa ",10 bis 11) ist deutlich weniger sauer als eine
Carbonsäure (pKa "'" 2 bis 5); die COOH-Gruppe ist also in der Lage. ihr Proton an die Aminogruppe
abzugeben
und diese zu protonieren.
Demnach liegen Aminosauren
als zwitterionische
Ammoniumcarboxylate (sog. innere Salze) vor, wie in Abb. 3 gezeigt. Man vergleiche diese
Tatsache auch mit den in Tab. 1 aufgefOhrten pKa-Werten.
Die stark polare Natur dieser Substanz macht es möglich, dass Aminosauren besonders stabile
Kristallgitter ausbilden können. Dies erklärt einige physikalische Eigenschaften: zum einen die sehr
geringe Löslichkeit der meisten Aminosauren in Wasser (vgl. Tab. 1), andererseits die hohen
Schmelzpunkte sowie die Tatsache, dass einige Aminosauren nicht schmelzen, sondern sich
thermisch zersetzen.
COOH
3+H
H
e
HO
...
Gl
..
H30 1- H20
e
COO
COOe
H3=+H
s
HO
Gl
oe
..
H30 I - H20
H2N+H
,{
R
R
Anion
Zwitterion
Kation
(ladungsneutral)
Abb. 3: Aminosäuren im sauren, wässrigen und alkalischen Milieu (nach VOLLHARDT)
1.2.4.
Der isoelektrische Punkt (IEP)
In wassriger Lösung bilden sich verschiedene Saure-Base-Gleichgewichte aus, an denen die
funktionellen Gruppen beteiligt sind (Abb. 3). Im stark sauren Milieu (pH < 1) liegt die Aminosäure
hauptsachlich als diprotoniertes Kation vor, im leicht sauren Bereich (pH "'" 6) findet man die
I
monoprotonierte, aber ladungsneutrale Form (Zwitterion), im stark alkalischen Bereich (pH > 13)
herrscht das 2-Ammoniumcarboxylat-lon vor.
H3+H
...
e
HO
Gl
..
H30 1- H20
R
Kation
e
COO
e
COO
COOH
pKa (1)
H3=+H
R
Zwitterion
s
HO
oe
e
•
H30 I - ~o
H2N+H
R
pKa (2)
Anion
Abb. 4: pK,,-Werte der Gleichgewichte Kation-Zwitterion-Anion (nach VOLLHARDT)
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8
In Tab. 1 und Abb. 4 sind die pKa-Werte für die entsprechenden Gleichgewichte aufgeführt. Der erste
pKa-Wert (Beispiel: Gly) gilt für das Gleichgewicht:
[H 3N+CH 2COO·] [H 30+]
K1
=
[H 3N+CH2COOH]
= 10- 2,4
(1)
Dieser pKa-Wert ist immer um mindestens zwei Einheiten kleiner als der pKa-Wert einer
"gewöhnlichen" Carbonsäure (z.B. pKa CH 3COOH
=4,75). Der Grund für diesen Unterschied ist der
elektronenziehende Effekt der protonierten Aminogruppe.
Der zweite pKa-Wert gilt für den zweiten Deprotonierungsschritt:
[H 2NCH 2COO·] [H 30+]
K2
=
(2)
[H 3N+CH 2COO-]
Im folgenden soll ermittelt werden, bei welchem pH-Wert die Konzentration der zwitterionischen
Spezies am größten ist. An diesem Punkt steht die Deprotonierungsreaktion im Gleichgewicht mit der
Protonierungsreaktion, und es gilt:
(3)
Um
den
pH-Wert
an
diesem
Punkt
zu
berechnen,
werden
die
Gleichungen
des
Massenwirkungsgesetzes für den ersten und zweiten Deprotonierungsschritt (1) und (2) nach
[H 3 N + CH 2 COO- j
aufgelöst:
[H 3N+CH2COOH] • 10-2•4
[H3 0 +]
(4)
(5)
Gleichsetzen von (4) und (5) und Auflösen nach [H30j ergibt Gleichung (6):
[H 3N+CH2COOH] • 10-12 ,2
[H 2NCH 2COO· ]
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(6)
9
Unter Berücksichtigung von Bedingung (3) ergibt sich:
+
[H30 ]
-6,1
=10
bzw. pH
=6,1
(7)
Dieser Wert wird auch als isoelektrischer Punkt (IEP) bezeichnet. Der IEP ist für jeden Ampholyten
(also nicht nur für Aminosäuren) eine charakteristische Größe.
An diesem Punkt erscheinen gelöste amphotere Elektrolyte ungeladen, da an diesem Punkt die Zahl
der positiv geladenen Moleküle gleich der Zahl der negativ geladenen ist. Daher wird man z.B. beim
Anlegen eines elektrischen Feldes keine Wanderung des Teilchens beobachten . Aus diesem Grund
ist der IEP z.B. wichtig bei der Elektrophorese, der Trennung gelöster geladener Teilchen im
elektrischen Feld.
Wie man leicht nachprüfen kann , ist der IEP das arithmetische Mittel der beiden pKa-Werte der Säure:
IEP
=
bzw.
pK a (1) + pK a (2)
2
(8)
Viele Aminosäuren enthalten in R jedoch eine weitere saure bzw. basische Funktion (z.B. Tyr oder
Lys) , die ebenfalls einen pKa-Wert besitzt.
In diesen Fällen ergibt sich der IEP ebenfalls nach Gleichung (8). Hier sind jeweils die beiden PKaWerte aus den Gleichgewichten einzusetzen, an denen die ladungsneutrale ("zwitterionische") Form
der Aminosäure beteiligt ist.
Der IEP einer Aminosäure lässt sich auch experimentell bestimmen, beispielsweise durch die
Aufnahme einer Titrationskurve, Bestimmung der pKa-Werte und Berechnung des IEP nach (8). Eine
weitere Möglichkeit, ausgehend vom sauren (basischen) Milieu, ist die Fällung der Aminosäure mit
rl
I
Lauge (Säure) und Messung des pH-Wertes. Letztere Methode ist für schwer lösliche Aminosäuren
geeignet.
1.3. Reaktionen
1.3.1.
Qualitativer Nachweis
7 Versuch 2: Farbreaktionen von a-Amlnosäuren mit Ninhydrin
Im folgenden soll am Beispiel von Glu und Pro untersucht werden , wie sich Aminosäuren in
Gegenwart von Ninhydrin verhalten .
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10
Gerate:
Zwei Reagenzglaser, Reagenzglasstander, Reagenzglasklammer, Bunsenbrenner
Chem ikalien :
Wassrige Lösung von Gly und Pro, Ninhydrin-Reagenz (1 g Ninhydrin in 96 mL
Butanol und 4 mL Eisessig)
Durchführung: Jeweils 5 mL der wassrigen Aminosaure-Lösungen werden in die Reagenzglaser
gefOllt, mit 10 Tropfen Ninhydrin-Reagenz versetzt und Ober dem Bunsenbrenner
unter leichtem SchOttein bis zur Farbanderung erwärmt,
Beobachtung:
Nach kurzer Zeit zeigt die Gly-Lösung eine tiefe, blauviolette Farbe, wahrend Pro eine
leuchtend gelbe Farbe ergibt.
Auswertung:
Aminosauren gehen mit Ninhydrin-Lösung Farbreaktionen ein. Dabei zeigen fast alle
Aminosauren eine blau- bis rotviolette Farbe. Lediglich Pro ergibt aufgrund seiner
Struktur eine gelbe Farbe.
Theorie:
Die Entstehung der farbigen
Verbindungen
ist auf die Bildung eines lT-Elektronensystems
zur ückzuführen, Abb. 5 zeigt den Mechanismus der Ninhydrin-Reaktion:
R
OH
I
N--CH-COOH
+
OH
o
Ninhydrin
(1,2,3-lndantrion-Hydrat)
H
NH2
...
+H2O
H
N=CH--R
-R-CHO
o
0
~
0
+ Ninhydnn
-2 H20
0
OH
oe
o
o
...
blaue Schiffsche Base
Abb . 5: Mechanismus der Ninhydrln-Reaktlon (nach
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0
N
o
o
BREITMAJERlJUNG)
11
Das 1,2,3-lndantrion-Hydrat (Ninhydrin), welches mit seiner Ketoform (Indantrion) im Gleichgewicht
steht, geht mit Aminosauren zunächst eine Kondensationsreaktion ein, bei der sich unter
Wasserabspaltung zunächst ein Iminderivat bildet, welches unter Decarboxylierung in eine Schiff'sche
Base übergeht. Anschließende Hydrolyse und die Abspaltung eines Aldehyds (Strecker-Abbau) führt
zum Aminoderivat des Ninhydrins. Durch Folgereaktion mit einem weiteren Ninhydrinmolekül bildet
sich letztendlich der typische zweikernige Farbstoff (ein Enolamin), der das Licht im orangen Bereich
absorbiert und daher dem Betrachter blau erscheint.
Der Bildungsmechanismus des im violetten Bereich absorbierenden, gelb erscheinenden ProFarbstoffes ist analog, seine Zusammensetzung ist in Abb. 6 gezeigt.
Die Ninhydrin-Reaktion ist nicht nur charakteristisch füro -Arninosäuren, sie funktioniert auch mit allen
anderen Substanzen, die eine freie NH2-Gruppe enthalten, also primären Aminen, Ammoniak und
Proteinen. Hingegen bei
ß- und v-Aminosäuren, sekundären
und tertiären Aminen sowie bei Harnstoff
versagt die Reaktion.
o
o
o
Abb . 6: Gelber Farbstoff des Prolins (nach BelitzlGrosch)
1.3.2.
Quantitative Bestimmung
7 Versuch 3: Titration von Aminosäuren mit Kalilauge
Da eine Aminosaure immer mindestens zwei funktionelle Gruppen enthalt, die sich gegenseitig
beeinflussen, ist eine quantitative Bestimmung nicht ohne weiteres möglich. Der folgende Versuch
zeigt eine titrimetrische Methode, bei der vorher die Aminogruppe durch eine Kondensationsreaktion
blockiert wird.
Gerate:
Magnetrührer mit Rührkern, Stativplatte, Stativstange mit Gewinde, Bürettenklammer,
Bürette (50 mL) mit Hahn, Weithals-Erlenmeyerkolben (100 mL), je eine Vollpipette
(25 mL, 4 mL), Peleusball
Chemikalien:
Gly-Lösung
(c
unbekannt),
Formalin-Lösung
(mit
Natriumcarbonat-Lösung
neutralisiert), Phenolphthalein (Indikatorlösung), Kalilauge (c = 0,1 mol/L)
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12
Durchführung: Von der Gly-Lösung unbekannter Konzentration werden mit der Vollpipette genau 10
mL in den Erlenmeyerkolben eingetragen und einige Tropfen Indikatorlösung
hinzugegeben. Man füllt die Kalilauge in die Bürette und stellt den Flüssigkeitsspiegel
auf 0,0 mL ein.
Nun tropft man aus der Bürette solange Kalilauge hinzu, bis ein Farbumschlag nach
rosa eintritt (wenige Tropfen sollten genügen).
Anschließend gibt man im Überschuss Formalin-Lösung (ca. 4 mL) hinzu (erneuter
Farbwechsel von rosa nach farblos) und titriert weiter bis zu einer eindeutig
erkennbaren Rosafarbunq (weiße Unterlage unter dem Kolben verwenden!). Das
verbrauchte Volumen V an Kalilauge wird an der Bürette abgelesen und notiert.
Beobachtung: Der erste Farbumschlag (farblos -7 rosa) tritt nach Zugabe von ca. 10 Tropfen
Kalilauge ein. Nach Zugabe der Formalin-Lösung (pH = 7) verschwindet die rosa
Farbe wieder. Bis zu einer erneuten, eindeutig erkennbaren Rosatarounq werden 11,2
mL Kalilauge verbraucht.
-7 V(KOH)
Auswertung:
=11,2 mL
Die Konzentration der unbekannten Gly-Lösung ergibt sich aus folgender Gleichung:
mol. 08547 • x mL
= c(KOH) • t • V(KOH) = 01
mol
'L
'
= 0,008547 • x L
V(Gly)
10 mL
c(Gly)
Dabei ist c(KOH) die Konzentration der Kalilauge (= 0,1 moI/L), 0,8547 ist der Titer der
verwendeten Kalilauge, x ist der Verbrauch an Kalilauge (= 11,2 mL), V( Gly) ist das
Volumen der unbekannten Gly-LOsung (= 10 mL). Anhand dieser Daten ergibt sich für
die Konzentration der unbekannten Gly-Lösung:
c(Gly)
=0,096 mol/L
Dies entspricht einem Gehalt von L
= 7,21 g/L.
L ergibt sich aus dem Produkt von
Konzentration und Molmasse (M(Gly) = 75,07 g/mol).
In der folgenden Tabelle sind die gefundenen sowie die tatsäebuchen Werte
zusammengestellt
Ist
Soll
c in mollL
L in g/L
0,096
7,21
0,1
7,51
Aus diesen Werten ergibt sich eine Abweichung der gefundenen Konzentration von
der tatsächlichen Konzentration von 4 %. Im Rahmen der Messgenauigkeit ist dieses
Ergebnis sicher akzeptabel.
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13
Theorie:
Es wird davon ausgegangen, dass in der unbekannten Gly-Lösung folgendes Gleichgewicht vorliegt:
OH1aq)
-
-
-
Abb. 7: Gleichgewicht In der unbekannten Gly-Lösung (eigener Entwurf)
Selbst wenn Gly (wie alle anderen Aminosauren auch) im neutralen Bereich vorwiegend in
zwitterionischer Form vorliegt (Abb. 7 Mitte), so findet sich im obigen Gleichgewicht immer auch ein
kleiner Teil der in Abb. 7 links und rechts dargestellten Spezies.
Im ersten Schritt (d.h. durch Zugabe weniger Tropfen Kalilauge) wird die in Abb. 7 links dargestellte
kationische Form des Gly komplett titriert, d.h. das Gleichgewicht wird quantitativ in die Mitte
verschoben. Der Umschlag des Indikators nach rosa zeigt die vollstandige Verschiebung an.
Die in Abb. 7 rechts dargestellte Form geht die in Abb. 8 gezeigte Reaktion ein: die Aminogruppe wird
durch Formaldehyd in einer Kondensationsreaktion blockiert.
+
Abb. 8: Blockierung der Aminogruppe durch Formaldehyd (nach BUKATScHlGLOCKNER)
Diese Reaktion läuft praktisch quantitativ ab, d.h. die Kondensationsreaktion entzieht dem
Gleichgewicht aus Abb. 7 die rechte Spezies. Das Gleichgewicht verschiebt sich also vollständig auf
die rechte Seite. Nun kann die Carboxylgruppe mit Kalilauge titriert werden.
1.3.3.
Beispiele für weitere Reaktionen
-7 Versuch 4: Glycin als Komplexbildner
Geräte:
Drei Reagenzgläser, Reagenzglasständer, zwei Tropfflaschen
Chemikalien:
Wässrige Lösung mit Gly, wässrige Lösung ohne Gly, verd. Kupfersulfat-Lösung,
Natronlauge (c =2 mollL)
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14
Durchführung: Jeweils 5 mL der beiden wässriqen Lösungen werden in die Reagenzglt:1ser gegeben,
mit einigen Tropfen Kupfersulfat-Lösung versetzt und umgeschüttelt. Anschließend
gibt man in beide Reagenzglt:1ser einige Tropfen Natronlauge. Zum Schluss füllt man
etwas Kupfersulfat-Lösung in das dritte Reagenzglas
Beobachtung:
Im ersten Reagenzglas (Gly-haltige Lösung) entsteht nach Zugabe von Cu
2
+
-Ionen
eine ozeanblaue Farbe, bei anschließender Zugabe von Natronlauge tritt keine
Veränderung ein.
Die Lösung ohne Gly im zweiten Reagenzglas erscheint nach Zugabe von Cu
2
+
-Ionen
zunächst hellblau, nach Zugabe von Natronlauge entsteht ein schmutzig grüner
Niederschlag.
Die CUS04 -Lösung im dritten Reagenzglas soll zeigen, dass die Farbe eine andere
wie im ersten Reagenzglas ist, d.h. eine Umsetzung stattgefunden hat.
I'
Auswertung:
Gly bildet mit Cu 2+ -Ionen den quadratisch-planaren Komplex Kupfer(II)-aminoacetat,
der im alkalischen Milieu stabil ist (Abb. 9). Bei Abwesenheit von Gly bildet sich
hingegen ein Niederschlag von stabilem Kupfer(II)-hydroxid (Abb. 10).
2<±>
Cu
(aq) +
/,~
2
e
HN
2\
----.
~yCH2
e
0
(aq)
H2
O~·,,2~. ''!N'CH 2
H~--N'"
H2
Cu
y(
e 0
e
OH(aq)
i
{L
\'b
~
(aq)
Kupfer( )-aminoacetat
Abb. 9: Bildung von Kupfer(II)-aminoacetat (eigener Entwurf)
ICu
[email protected]
(aq)
+
e
20H(aq)
I
Cu(OHh (5)
Abb. 10: Bildung von Kupfer(II)-hydroxid (eigener Entwurf)
Die beiden Reaktionen lassen sich durch die unterschiedlichen Löslichkeitsprodukte
von Kupfer(II)-aminoacetat und Kupfer(II)-hydroxid erklären.
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15
7 Versuch 5: Nachweis der Aminogruppe
Im folgenden Versuch soll die Aminogruppe in Gly nachgewiesen werden. Dazu findet die Methode
nach VAN SLYKE Verwendung, allerdings in leicht abgewandelter Form: der entstehende Stickstoff soll
nicht quantitativ, sondern lediglich qualitativ durch das Verlöschen einer brennenden Kerze
nachgewiesen werden. Die quantitative Bestimmung gilt in der Literatur als nicht immer zuverlässig.
Geräte:
MagnetrOhrer mit ROhrkern, Dreihalskolben (250 mL, 3
x NS29), Tropftrichter mit
Druckausgleich (100 mL, NS29), Absaugstock NS29, zwei Stopfen NS29, zwei
Waschflaschen, Standzylinder, PVC-Schlauch, Stativmaterial Ue zwei Stativplatten
und Stativstangen mit Gewinde, fünf Kreuzklemmen, zwei Technikoklammern, drei
Kaufmannklammern), fünf Schlauchschellen, div. Federn, Abzug
Chemikalien:
Natriumnitrit-Lösung, Gly-Lösung in Salzsäure, Natronlauge (alle Lösungen: c = 2
mollL)
Aufbau:
Der Versuchsaufbau ist aus Abb. 11
zu
entnehmen.
Die Verbindungen
zwischen Glas und PVC-Schlauch
(Waschflaschen,
AbsaugstOck)
werden
mit
Schlauchschellen
gesichert.
Ferner
sind
sämtliche
Schliffverbindungen zu fetten und mit
=
Federn zu sichern. Ein Stopfen dient
als Druckausgleich und wird daher
nicht gesichert, er. Weiterhin ist es
I
ratsam,
eine
PlastikschOssel
o.a.
, I
unter die Apparatur zu stellen.
Abb. 11: Versuchsaufbau (eigener Entwurf)
Durchführung: 100 mL Natriumnitrit-Lösung werden im Tropftrichter, 100 mL Gly-Lösung im Kolben
vorgelegt. Die zweite Waschflasche wird halb mit Natronlauge gefüllt (Umsetzung
entstehender nitroser Gase) sie dient zugleich als Blasenzähler. Der Hahn des
Trichters wird vorsichtig geöffnet, und unter ständigem Rühren wird die NaN02
-
Lösung langsam in den Kolben getropft.
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16
Hinweis:
Es dauert einige Zeit, bis die Apparatur komplett mit Stickstoff geflutet ist und sich
genügend N2 im Standzylinder gesammelt hat, zumal als Nebenprodukt nitrose Gase
entstehen. Der Versuch sollte daher ca. 30 Min. vor dem Stickstoffnachweis gestartet
werden.
Beobachtung: Schon nach Zugabe weniger Tropfen NaN02 -Lösung setzt im Rundkolben eine
lebhafte
Gasentwicklung
ein.
Die
zunächst
entstehenden
nitrosen
Gase
(Braunfärbung in der ersten Waschflasche) und weitere evtl. auftretende Gase (z.B.
CO2 ) werden in Natronlauge (zweite Waschflasche) unschädlich gemacht. Unter
Umständen kann es passieren, dass die nitrosen Gase bis in den Standzylinder
"durchgehen", daher muss das Zutropfen der Natriumitrit-Lösung sehr vorsichtig
erfolgen.
Auswertung:
Ca. 30 Minuten nach Versuchsbeginn hat sich im oberen Teil des Standzylinders eine
kleine Stickstoffblase gesammelt. Das Verlöschen einer Kerze kann nun gezeigt
werden.
Theorie:
Hauptreaktion ist die Umsetzung von Gly mit salpetriger Säure zu Glycolsäure sowie Stickstoff und
Wasser (Abb. 12). Dabei handelt es sich um eine Komproportionierung:
+111
HQ-N=O (aq)
~
GlycolsAure
Abb. 12: Hauptreaktion (eigener Entwurf)
Die formalen Einzelschritte dieser Reaktion sind durch Abb. 13a bis 13c wiedergegeben. Im ersten
Schritt (Abb. 13a) wird das Nucleophil (ein Nitrosyl-Kation) gebildet. Aus dem Nitrit-Anion entsteht
unter sauren Bedingungen zunächst eine protonierte Form der salpetrigen Saure, welche unter
Wasserabspaltung in das Nitrosyl-Kation übergeht:
(!)
+2
H 30(aq)
- 2 H2 0
.-
(±)
[
(±) ]
IN=O ---- IN==OI
(I)
(aq)
Abb. 13a: Bildung des Elektrophils (eigener Entwurf)
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17
In einem zweiten Schritt (Abb. 13b) findet eine Diazotierung statt: Das freie Elektronenpaar der
Aminogruppe
(aus der Aminosäure) greift das Nitrosyl-Kation zunächst nucleophil an, um
anschließend eine Diazoverbindung zu bilden. Diese geht unter Wasserabspaltung in ein DiazoniumIon über:
r>.IN
R-'NH 2
(±)
R-N 2
+
(aq)
=
(aq)
(±)
Q
(aq)
(±)
NI
[ R-N
..
R-i1 NI]
hlQ
(aq)
Abb 13b: Dlazotlerung (eigener Entwurf)
Das Diazonium-Ion ist in der Lage, elementaren Stickstoff freizusetzen (Abb. 13c):
R-OH(aq) +
Abb. 13c: Freisetzung von Stickstoff (eigener Entwurf)
In einer Nebenreaktion (Abb. 14) entstehen, wie bereits angesprochen, nitrose Gase, zu erkennen am
braunen N0 2• Diese bilden sich durch Reaktion des Nitrosyl-Kations mit dem Nitrit-Anion, welche in
einer Komproportionierung zunächst Distickstofftrioxid bilden. Letzteres steht mit Stickstoffmonoxid
und Stickstoffdioxid (.nitrose Gase") im Gleichgewicht (Disproportionierung).
Die nitrosen Gase werden im alkalischen Milieu zu Nitrit umgesetzt (Komproportionierung):
· e
N02
(aq)
+
+IV
N02
NO(±)
•
(aq)
+11
(g)
+
NO
(g)
+
N203
e
20H
(aq)
•
-
+V
NO
2 (g)
e
2 N02
(aq)
+
+
NO
(g)
H20
(I)
Abb. 14: Bildung nitroser Gase und Ihre Umsetzung (eigener Entwurf)
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18
2. Aminosäuren bestimmen das Leben
2.1. Allgemeine und historische Aspekte
2.1.1.
Bedeutung der Aminosäuren für das Leben
Aminosäuren sind eine sehr wichtige Stoffklasse der organischen Chemie. Die in Abb. 2 aufgeführten
20 Aminosäuren sind Bausteine sämtlicher Proteine (Kap. 2.2.). Proteine wiederum sind Bildner aller
lebenden Zellen; man kann also mit Recht sagen, dass das Leben auf der Erde ohne Aminosäuren
(zumindest ohne einige von ihnen) undenkbar wäre.
Im folgenden soll ausgeführt werden, wo Aminosäuren zu finden sind und wann und wie sie entdeckt
wurden. Die Erläuterungen sollen jedoch auf die 20 wichtigsten beschränkt bleiben (Kap. 2.1.2.). Die
Entdeckung von Aminosäuren an ungewöhnlichen Orten (z.B. in Gesteinen) hat die Frage
aufgeworfen, wann und wie diese Moleküle überhaupt entstanden sind. Klärung dieser Frage ist
Gegenstand von Kap. 2.1.3.
2.1.2.
Vorkommen und Entdeckung
Aminosäuren kommen als Proteine gebunden in sämtlichen Lebewesen vor (Bakterien, Pflanzen,
Tiere, Mensch).
Bis heute sind etwa 500 verschiedene Aminosäuren bekannt, von denen ca. 200 in der Natur
vorkommen und dort gebildet werden. Bei letzteren handelt es sich fast ausschließlich um die LEnantiomere. Einige D-Aminosäuren kommen in Zellwänden von Bakterien vor.
Von den o.g. 200 Aminosäuren sind eben jene 20 aus Abb. 2 besonders wichtig, weil sie die
Grundbausteine aller Proteine darstellen. Die folgenden Ausführungen sollen auf diese 20 beschränkt
bleiben.
Pflanzen synthetisieren alle Aminosäuren aus einfacheren Vorstufen, Mensch und Tier können
dagegen nur die sog. nicht essentiellen Aminosäuren selbst aufbauen. Die essentiellen
Aminosäuren I/e, Leu, Lys, Met, Phe, Thr, Trp und Val müssen mit der Nahrung aufgenommen
werden. Tab. 2 gibt einen Überblick über die Entdeckung der 20 wichtigsten Aminosauren:
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19
entdeckt .••
von ••.
Aminosäure
im Jahr ...
Ala
1888
TH. WEYL
Arg
1886
E. SCHULZE, E. STEIGER
weitere
Vorkommen
in •.•
Seidenfibroin
Gelatine, Seide
lupinenkeimlinge
Erdnüsse, Rotalgen, Buchweizen,
essentiell
?
Nadelhölzer, Kürbisgewächse
t
Asn
1806
VAUQUELlN, ROBIQUET
Asp
1868
H. RITTHAUSEN
Cys
1810
1899
W .H. WOLLASTON
Gin
1883
SCHULZE, BOSSHARD
Glu
1866
H. RITTHAUSEN
Gly
1820
H. BRANCONNOT
His
1896
A . KOSSEL, S.G. HEDIN
lIe
1904
P.EHRLICH
Leu
1820
H.BRACONNOT
Lys
1921
VAN SLYKE, SCHRYVER
Met
1922
Phe
l. MORNER
Spargelsaft
Spargel, Kartoffeln
leguminosen
Kuhmilch , Wolle, Mais, Weizen
Blasensteine
Haare
Hom
Zuckerrübensaft
Pflanzensamen
Weizengfuten
Milch, Weizen, Mais , Soja, Spargel, Blut
Gelatine
sämtliche Strukturproteine
Protamine
Blut , Milchprodukte, Haare
Fibrin
Fleisch , Eier , Getreide, Milch
ja
Wolle, Muskel
Mais, Weizen, Fleisch, Käse
ja
Collagen
Fisch, Buchweizen, Getreide
ja
J.H. MÜLLER
Casein
pflanzl iche und tierische Proteine
ja
1881
E. SCHULZE
lupinen
fast alle Proteine, v.a. Milcheiweiß
ja
Pro
1901
E. FISCHER
Casein , Albumin
Weizen, Gelat ine, Milchprodukte
Ser
1865
E. CRAMER
Sericin
fast alle Proteine
Tbr
1935
W .C. ROSE
Casein, Fibrin
Fleisch , Milch , Eier , Getreide, Kohl ,
ja
Kartoffeln
Trp
1902
F.G. HOPKINS
Casein
Gemüse, Nüsse, Fisch , Fleisch, Milch, Eier
Tyr
1846
J. lIEBIG
Casein
Milchprodukte, Seide, Korallen
Val
1879
P.SCHUTZENBERGER
Fleisch , Eier, Milch , Getreide
ja
ja
Tab. 2: Entdeckung und Vorkommen von Aminosäuren
(zusammengestellt aus BELlTZIGROSCH und ROMPP)
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20
Wie aus Tab. 2 zu entnehmen ist, wurden sämtliche dieser 20 Aminosauren erstmals aus pflanzlichen
und/oder tierischen Proteinen gewonnen und isoliert.
In den 1960er Jahren machte man jedoch eine bahnbrechende Entdeckung, für die die Wissenschaft
zunächst keine hinreichende Erklärunq hatte : in kohlenstoffreichen Gesteinen der Fig-Tree-Serie (bei
Baberton, Südafrika) entdeckten Forscher kleine versteinerte, bakterienähnliche Strukturen, aus
denen sie Gly, Ala und Val isolieren konnten. Datierung der Gesteine ergab ein Alter von ca. 3
Milliarden Jahren. In
ca. 2,7
Milliarden Jahre alten Gesteinsproben (ebenfalls aus Südafrika) fand man
die Aminosauren Leu, /le, Tnr. Se" Ala, Gly und Val.
Im Jahre 1969 machte man eine weitere Entdeckung: man fand in australischem Meteoritengestein
die Aminosauren Glu, Pro, Gly, Ala und Val, sowohl D- als auch L-Enantiomere. Daraus konnte man
folgern, dass diese Aminosauren unter extraterrestrischen und abiotischen Bedingungen entstanden
sein müssen, denn in der belebten Natur werden fast ausschließlich die L-Verbindungen gebildet. In
den 1970er Jahren konnten sogar im Mondgestein Aminosauren nachgewiesen werden.
Diese drei phänomenalen Entdeckungen warfen die Frage auf: Wann und wie sind die Aminosauren
überhaupt entstanden? Diese Frage soll im nächsten Kapitel geklart werden.
2.1.3 .
Entstehung der Aminosauren
Der Fund von Aminosauren in fast drei Milliarden Jahre alten Gesteinen sowie in Meteoriten (Kap.
2.1 .2.) legt den Verdacht nahe, dass Aminosauren bereits zu dieser Zeit oder sogar noch früher
entstanden sein müssen. Wissenschaftler haben bis heute zwei Theorien entwickelt, mit denen die
Entstehung der Aminosauren hinreichend gut erklärt werden kann : die erste Theorie geht von einer
Bildung auf der geologisch noch jungen Erde aus, die zweite Theorie postuliert eine extraterrestrische
Entstehung.
I. Bildung auf der jungen Erde:
Über die Zusammensetzung der gasförmigen Uratrnosphäre (vor ca. 3 Milliarden Jahren) liegen keine
gesicherten Erkenntnisse vor. Man nimmt jedoch an, dass neben einigen Edelgasen folgende
Verbindungen die Hauptkomponenten dieser Atmosphäre bildeten :
Wasserstoff
H2
Ammoniak
NH3
Methan
CH 4
Wasserdampf
H 20
Schwefelwasserstoff
H2S
Kohlendioxid
CO 2
Kohlen monoxid
CO
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21
Es ist sicherlich einleuchtend, dass diese Verbindungen potentielle Bausteine von Aminosäuren
darstellen , zumindest für niedermolekulare Aminosäuren . Wenn man sich zusätzlich das Klima (die
"Reaktionsbedingungen") auf der jungen Erde vor Augen führt, ist eine Bildung von Aminosäuren auf
diesem Wege als durchaus wahrscheinlich anzusehen. Folgende Klimafaktoren könnten die
Entstehung positiv beeinflusst haben:
hervorgerufen zum einen durch häufigen und intensiven Vulkanismus,
a)Wärme:
zum anderen durch den sich abkühlenden , aber noch relativ heißen
Erdball; des weiteren durch die einfallende Sonnenstrahlung .
b) elektrische Entladungen:
durch häufiges Auftreten von Gewittern auf der noch jungen Erde.
c) UV-Strahlung:
ultraviolette Strahlung konnte ungehindert auf die Urerde gelangen,
weil die schützende Ozon-Schicht noch nicht vorhanden war.
Die auf diese Weise gebildeten niedermolekularen Verbindungen (u.a. Aminosäuren, Zucker,
Aldehyde, Ketone, Cyanide etc.) sammelten sich im sog. Urozean und bildeten dort die .Ursuppe" . In
dieser entstanden wahrscheinlich die ersten höhermolekularen Verbindungen . Eine Hypothese
besagt, dass aus diesen Substanzen durch Selbstorganisation die ersten lebenden Systeme
entstanden sind. Diesen Prozess bezeichnet man als chemische Evolution.
Man sollte jedoch beachten, dass es bei dieser Theorie zwei entscheidende Einschränkungen gibt:
zum
einen
führen
die
o.g.
Reaktionen
und
Reaktionsbedingungen
nicht
unbedingt
zu
höhermolekularen Spezies (Aminosäuren, Zucker , Aldehyde, Ketone, Cyanide etc. sind im wässrigen
Milieu des Urozeans nicht längere Zeit nebeneinander stabil), es kann im Gegenteil sogar zu einer
Umkehr der chemischen Evolution kommen (d.h. zur Bildung der o.g. Gase). Zum anderen ist
beispielsweise die spontane Bildung eines Enzyms mit einer bestimmten Peptidkette äußerst
unwahrscheinlich.'
11. Entstehung außerhalb der Erde:
Der Fund von Aminosäuren in Meteoritengestein führt zwangsläufig zu der Annahme, dass
Aminosäuren sich auch unter extraterrestrischen Bedingungen bilden (konnten). Bis heute ist jedoch
völlig unbekannt, aus welchen Bausteinen und unter welchen Bedingungen sich diese Aminosäuren
gebildet haben könnten (in Kap. 2.1.2. wurde bereits über 0- und L-Enantiomere berichtet), d.h. man
weiß bisher nichts über Prozesse der chemischen Evolution im Kosmos. Auf jeden Fall steht fest, dass
sowohl Materie als auch Energie vorhanden sein müssen, die eine Bildung von Aminosäuren erst
möglich machen.
Die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein bestimmtes Enzym mit nur einer Peptidkette von 100 Aminosäuren aus den 20 in
Proteinen vorkommenden Aminosäuren in der richtigen Aminosäuresequenz spontan bildet, ist etwa 1:10 130 . Das Volumen , das
10'30Peptidketten dieser Größe einnehmen würden, ist größer als das des gesamten Universums!
3
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22
2.2. Aminosauren als Bausteine der Proteine
2.2.1.
Bildung von Proteinen aus Aminosauren
Aminosauren sind aufgrund ihrer beiden charakteristischen funktionellen Gruppen in der Lage, sich zu
höhermolekularen Verbindungen (Peptide und Proteine) zu verknüpfen. Ober die sog. Peptidbindung
(Abb. 15), eine Form der Amidbindung, der eine Kondensationsreaktion (Wasserabspaltung) zugrunde
liegt, finden sich Aminosauren zu Aminosauresequenzen zusammen . Eine Aminosauresequenz mit
einer bestimmten Reihenfolge der Aminosauren bezeichnet man als Peptid.
Seitenketten
coo'"
Peptid-Bindung
CH3
0
I
H
~/CHyN,
H3 W
.
N-Termrnus
0
(protonierte Amino-Gruppe)
"
~
CH
i
I
I
I
CH
CH2
CH
c-Terminus
(Carboxylat-Gruppe
2
I
e
H
/ C H y N , /COO
N
CH
H
0
CH
I
I
2
OH
2
SH
A l a - - - - Ser---- Glu ----Cys
Abb. 15: Bildung einer Peptidbindung (nach BREITMAIERlJUNG)
Abb. 15 zeigt ein zufallig zusammengestelltes Peptid als vier Aminosäuren, ein Tetrapeptid. Zu
erkennen sind die Peptidindung, die Seitenketten sowie die beiden endstandigen Gruppen (die
protonierte Aminogruppe und die Carboxylat-Gruppe). Ebenfalls zu sehen ist der bereits bekannte
Drei-Buchstaben-Code, mit dem die Aminosauresequenzen bzw. Peptide abgekürzt werden .
Die Peptide werden unterteilt nach der Anzahl der Aminosäuren , aus denen das Peptid besteht.
Beispielsweise nennt man kleinere Peptide aus zwei (drei) usw. Aminosauren Dipeptide (Tripeptide)
etc. Größere Peptide werden wie folgt gegliedert:
Peptide:
2 bis 9 Aminosauren
Polypeptide:
10 bis 100 Aminosauren
Proteine:
mehr als 100 Aminosauren
Aminosauresequenzen mit mehr als 100 Aminosauren bezeichnet man also als Proteine. Dabei ist der
Zahl der Aminosauren nach oben (fast) keine Grenze gesetzt: heute sind Proteine mit Massen von bis
zu mehreren Millionen u bekannt.
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23
Die Aufeinanderfolge der einzelnen Bausteine unterliegt im allgemeinen keinen offensichtlichen
Gesetzmäßigkeiten, so dass potentiell jede Kombination möglich ist. Gabe es von jedem möglichen
Protein-MolekOI nur ein Exemplar und würden nur Molekülgrößen entsprechend 150 AminosäureEinheiten betrachtet, so erqäbe sich bei 20 verschiedenen Aminosauren die unvorstellbar große Zahl
90-mal
von 20 150 (eine Zahl mit 195 Stellen!) unterschiedlicher Moleküle, die unser Weltall etwa 10
auffüllen könnten.
Die Proteine ihrerseits werden in vier Kategorien unterteilt. Man unterscheidet Prirnär-, Sekundar-,
Tertiär- sowie (bei einigen Proteinen) Quartärstruktur.
Als Primärstruktur bezeichnet für eine Peptidkette mit einer bestimmten Aminosäuresequenz, wobei
die Lange keine Rolle spielt.
Das in Abb. 15 gezeigte Peptid ist in dieser Form allerdings nicht stabil. Ein Peptid kann (und wird)
sich stabilisieren, indem es z.B. intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen eingeht. Dabei findet
es sich entweder zu einer schraubenförmigen (helicalen) oder faltblattartigen Struktur zusammen.
Diese stabilisierte Helix- oder Faltblattstruktur bezeichnet man als Sekundärstruktur.
Bei der Bildung von Proteinen finden sich mehrere gleichartige Peptide zur sog. Tertiärstruktur
zusammen. Dies geschieht beispielsweise über die Ausbildung von Disulfidbrücken, van-der-WaalsWechselwirkungen,
Wasserstoffbrückenbindungen
oder
ionische Bindungstypen
(z.B.
an der
Carboxylatgruppe der Glu aus Abb. 15).
Wenn sich mehrere Aminosäure- bzw. Peptidketten mit eigener (unterschiedlicher) Tertiärstruktur
verketten, hat man die Quartärstruktur vorliegen. Diese findet man beispielsweise beim Protein
Hämoglobin.
In Abb. 16a und 16b sind die Begriffe Primärstruktur. Sekundärstruktur, Tertiärstruktur und
Quartarstruktur noch einmal veranschaulicht.
(
\
Abb. 16b: Quartärstruktur (nach BREITMAIERlJUNG)
Abb. 16a: Primär-, Sekundär- und Tertiärstruktur
(nach Breitmaier/Jung)
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24
2.2.2.
Bedeutung und Vorkommen von Proteinen
Der Begriff Protein stammt vom griechischen Wort
TTpWTEUEIV
= "der erste sein". Proteine besitzen
sowohl in der Chemie als auch in der Natur eine sehr große Bedeutung.
Zum einen stellen sie neben den Kohlenhydraten und Fetten die dritte große Gruppe an Nahrungsund Reservestoffen dar. Sie sind also ein wichtiger Bestandteil der Nahrung aller lebenden
Organismen.
Zum anderen sind die Proteine die Träqer sämtlicher Lebensfunktionen. Sie sind die Bausteine
sämtlicher lebender Zellen (also des Lebens schlechthin) und bilden gleichzeitig die Basis dafür, dass
die Zellen und die in ihnen ablaufenden Stoffwechselprozesse reibungslos funktionieren.
Die folgende Übersicht gibt einige Beispiele, wo Oberall und in welcher Menge Proteine auftauchen:
Muskeln:
Blut:
19°k
21 %
(Actin, Myoglobin, Myosin)
(Hämoglobin)
0k
Knochen:
30
Haare:
90 - 100 0/0
(Keratine)
Eiklar:
12-13°k
(Ovalbumin, Conalbumin)
Kuhmilch:
3%
(Albumine, Casein)
(Keratine)
Diese Liste ließe sich noch viel weiter ausführen, eine vollständige Auflistung ist weder möglich noch
11
sinnvoll. Man schätzt, dass in unserem Lebensraum etwa 10
5
verschiedene Proteine existieren. Ein
6
höherer Organismus soll etwa 10 bis 10 verschiedene Proteine enthalten.
2.2.3.
Nachweise von Proteinen
Für Proteine gibt es eine Vielzahl von Nachweisen, auf die hier allerdings nur am Rande eingegangen
werden soll. Als wichtige qualitative Nachweise für Eiweißstoffe sind zu nennen:
,. Esbachs Probe:
Zu der auf ein Protein zu untersuchenden Substanz gibt man die gleiche Menge Esbachs Reagenz
(wässrige Lösung von 1% Pikrinsäure und 2% Citronensäure). Es fällt ein gelber Niederschlag von
wasserunlöslichen
Eiweißsalzen aus. Diese Reaktion der Pikrinsäure dient vor allem zum
Eiweißnachweis im Harn.
11. Biuretreaktion:
Etwa 3 mL der auf Eiweiß zu untersuchenden Lösung werden mit 3 mL Natronlauge und anschließend
mit 3 bis 4 Tropfen Kupfersulfat-Lösung versetzt. Es entsteht eine violette Lösung, die auf die
Anwesenheit von (mindestens) Peptid-Bindungen zurückzuführen ist.
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25
11I. Xanthoprotein-Reaktion
Beim Erhitzen von konzentrierter Salpetersaure mit Eiweißstoffen, die aromatische Aminosauren (Phe,
Tyr, Trp) enthalten , entstehen gelbe Verbindungen, die auf Nitrierung der aromatischen Ringsysteme
zurückzuführen sind. Diese gelbe Farbe kann man z.B. auch bei der Einwirkung von Salpetersaure auf
die Haut beobachten. Nach Zusatz von Ammoniak schlagt die Farbe in Orange um.
IV. Nachweis mit Millons Reagenz
Erwärmt man Tyr-haltige Eiweißstoffe mit Millons Reagenz (eine LOsung von Quecksilbernitrat und
salpetriger Saure), so entsteht ein roter Niederschlag. Die Reaktion ist nicht streng spezifisch, da sie
mit verschiedenen Phenolen positiv ausfallt.
Für die Bestimmung von Aminosäuresequenzen in Proteinen bieten sich folgende Verfahren an:
I. Endgruppenanalyse:
Die Endgruppenanalyse hat sich bei der Bestimmung von Molekülgröße und Struktur von Proteinen
bewährt. Aus der Anzahl der terminalen Amino- bzw. Carboxylgruppen kann man schließen , aus wie
vielen Peptidketten ein Protein besteht.
Als Reagenz für den Nachweis der Endgruppen (n-terminale Aminosäure) verwendet man DNFB (2,4Dinitrofluorbenzol). Weitere Verfahren sind Dansylierung , Hydrazinolyse sowie Veresterung und
anschließende Reduktion .
11. Spaltung der Peptidketten und Sequenz-Analyse (EDMAN-Abbau) :
Beim sog. EDMAN-Abbau werden die zu untersuchenden Peptidketten mit Phenylisocyanat Schritt für
Schritt (d.h. Aminosäure für Aminosäure) abgebaut. Das Derivat wird per Dünnschicht- (DC) oder
Gaschromatographie (GC) identifiziert. Dieser Zyklus kann sich beliebig oft wiederholen.
I
t-
Das Verfahren ist weitgehend automatisiert. Identifiziert werden sowohl die einzelnen Aminosäuren als
auch ihre ursprüngliche Verknüpfung.
111. Bestimmung der Aminosäuren nach STEIN und MOORE (Totalhydrolyse):
Bei diesem Verfahren werden die Aminosäuren per Totalhydrolyse eines Proteins qualitativ bestimmt,
man erfährt jedoch nichts über die vorhandene Aminosäuresequenz. Es ist prinzipiell auf alle
proteinhaltigen Substanzen anwendbar und wurde am Beispiel von Weizenmehl und Weißbrot
exemplarisch durchgeführt:
7 Demonstration: Nachweis von Aminosäuren in Lebensmitteln
Theorie:
Durch saure Hydrolyse (Totalhydrolyse) wird das zu untersuchende Protein bis zur
Stufe der Aminosäuren gespalten . Diese Aminosäuren können per DC nachgewiesen
werden .
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26
Gerate:
Zwei Reagenzglaser (leicht schmelzbar), Becherglas (250 mL), Bunsenbrenner,
Dreifuß, Asbestdrahtnetz, Siedestab, Trockenschrank, zwei DC-Fertigplatten 60 F 254
(MERCK), zwölf Kapillarröhrchen, Fön, große DC-Kammer mit Deckel, Sprüher
Chemikalien:
Mehl (Type 550), zerkleinertes Weißbrot, 0,1 %-ige wässrige Lösungen von Ala, Glu,
Gly, Leu, Lys, Met, Phe, Pro, Tyr und Val, Salzsaure (c = 2 moI/L), Natronlauge (c = 1
mol/L), Butanol, Eisessig, Ninhydrin-Reagenz (~ Versuch 2)
Durchführung: In die Reagenzglaserwerden jeweils 2 g der zu untersuchenden Substanz und 2-3 mL
Salzsäure gegeben. Die Gefäße werden zugeschmolzen, in das Becherglas gestellt
und im Trockenschrank 12 h auf 110°C erhitzt. Nach dem Abkühlen wird das
Reagenzglas geöffnet, und die restlichen Chlorwasserstoff-Gase werden im
siedenden Wasserbad vertrieben, ggf. wird mit Natronlauge neutralisiert. Das
Hydrolysatwird mittels DC analysiert.
Dazu wird das Hydrolysat siebenmal, die Vergleichslösungen jeweils viermal am
Startpunkt 2 cm vom unteren Plattenrand entfernt mit den Kapillaren auf die DCPlatten aufgetropft, die Flecke werden mit dem Fön eingetrocknet. Das Laufmittel
(ButanollEisessiglWasser 4:1:1) wird 1 h vor dem Einstellen der DC-Platten in die
Kammer gegeben. Die Laufzeit der DC's betragt 5 h. Anschließend wird die
Fließmitteigrenze markiert, die DC's werden getrocknet und die Lauffläche wird mit
Ninhydrin-Reagenz besprüht. Nach kurzem Trocknen im Trockenschrank bei 80°C
werden farbige Flecke sichtbar. Man berechnet die Rf -Werte und vergleicht mit den
Literaturangaben (Tab. 3, Kopien der DC-Karten: siehe Anhang)
Auswertung:
Die Ergebnisse der durchgeführten Hydrolyse decken sich weitgehend mit den
Literaturangaben:
Ifd.
Nummer
1
Aminosäure
RrWerte
(Literatur)
0,22
Weizenmehl
Weißbrot
Ala
RrWerte
(eigene)
0,26
+
+
2
Lys
0,05
0,03
+
-
3
Leu
0,54
0,44
+
+
4
Gly
0,18
0,18
+
+
5
Pro
0,17
0,14
+
+
6
Glu
0,25
0,24
-
-
7
Met
0,44
0,35
-
-
8
Val
0,38
0,32
+
+
9
Tyr
0,49
0,41
+
+
10
Phe
0,52
0,43
-
-
11
Hydrolysat
(+ = Nachweis positiv, -
= Nachweis negativ)
Tab. 3: Nachweis von Aminosäuren in Weizenmehl und Weißbrot (nach Bühler/Mayer)
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27
2.3. Aminosäuren in Lebensmitteln
2.3.1.
Allgemeines:
In Kap. 1.2. wurden bereits die physikalischen Eigenschaften der Aminosäuren diskutiert. Einige
dieser Eigenschaften (Schmelz- bzw. Zersetzungspunkt, Geschmack) spielen bei der Zubereitung von
Lebensmitteln eine wichtige Rolle. Aminosäuren sind bei der Zubereitung von Nahrungsmitteln
qualitativ und quantitativ für Geruch, Geschmack und Farbe verantwortlich . Dieser Zusammenhang
soll im folgenden verdeutlicht werden.
2.3.2.
Die Maillard-Reaktion:
Bei dem als Maillard-Reaktion bekannten Prozess handelt es sich um eine sehr komplexe Reaktion
zwischen reduzierenden Zuckern (z.B. Glucose oder Fructose) und Aminosäuren (allgemein: freien
Aminogruppen).
Benannt ist diese Reaktion nach L. C. Maillard (Abb. 17), einem
Franzosen algerischer Abstammung, der sich erstmals im Jahre
1912 näher mit dieser Umsetzung beschäftigte; beim Erhitzen
eines Gemisches von D-Glucose und Gly beobachtete er, dass im
Verlauf der
Reaktion
CO2 -Abspaltung
unter
ein
brauner
Niederschlag entsteht und sich ein karamelartiger Wohlgeruch
bildet.
Diese
Mischungen
Entdeckung
dieser
Art
veranlasste
(d.h.
ihn,
reduzierenden
mit
weiteren
Zuckern
und
Aminosäuren) zu experimentieren.
Abb. 17: L.C.Maillard (Quelle: Internet)
J
Auch wir können mit solchen Mischungen im Labor experimentieren und entsprechende Geruchsstoffe
herstellen . Dies soll Versuch 6 verdeutlichen:
7 Versuch 6: Wohlgerüche aus der Retorte
Theorie :
Durch das Erhitzen von Aminosäuren mit Glucose entstehen charakteristisch gefärbte,
wohlriechende Verbindungen . Dies soll
mit
Hilfe verschiedener Aminosäuren
verdeutlicht werden.
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28
Geräte:
Vier Reagenzgläser, vier Stopfen, Reagenzglasstander oder vier Erlenmeyerkolben
(100 mL), Spatel, Bunsenbrenner, Waage
Chemikalien:
Glucose, Met, Gly
Durchführung: In die Reagenzglaser werden jeweils 100 mg der ausqewählten Aminosaure und
Glucose eingewogen. Man gibt einige Tropfen Wasser hinzu und erwärmt zunächst
vorsichtig, dann etwas starker. Zwischendurch macht man die Geruchsprobe; wenn
man meint, dass der optimale Geruch erreicht ist, beendet man das Erhitzen,
verschließt das Reagenzglas und reicht es im Auditorium herum.
Auswertung:
J
Im einzelnen kann man folgende Geruchsnoten feststellen:
Met
Geruch nach Pellkartoffeln
Gly
Geruch nach Karamel
I
Teilweise sind die Gerüche erst wahrnehmbar, wenn die Substanz abgekOhlt ist. Man
beobachtet eine Gelb-,
Braun- oder Rotfärbunq in den Reagenzglasern. Das
zugesetzte Wasser hat hierbei katalytische Wirkung.
Als .Bündprobe" reicht man zusätzlich nicht erhitzte (= geruchlose) Mischungen von
Met bzw. Gly und Glucose herum, um zu zeigen, dass die GerOche tatsachlich vom
Erhitzen stammen.
Derartige Farbungen (meist braun) erhalten wir im Alltag häufiq, wenn wir Lebensmittel erhitzen, wie
z.B. beim Braten von Fleisch, Backen von Brot oder Rösten von Kaffee. Aus diesem Grund wird die
Maillard-Reaktion auch nichtenzymatische Bräunung genannt.
2.3.2.1. Reaktionsmechanismen
Die Maillard-Reaktion ist sehr komplex und kompliziert. Auch wenn bereits viele Ergebnisse aber den
Ablauf der Umsetzung vorliegen: bis heute ist es nicht möglich, ein vollständiges Reaktionsschema zu
präsentieren, Man kann jedoch zwei wichtige Aspekte herausgreifen, die für die nichtenzymatische
Braunung von wichtiger Bedeutung sind.
Dies ist zum einen die Entstehung von Aminoketosen im Verlauf der Amadori-Umlagerung, zum
anderen die Umsetzung dieser Amadori-Verbindungen zu hochreaktiven Dicarbonylverbindungen.
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29
'r:
I. Die Amadori-Umlagerung:
Abb. 18 gibt den Mechanismus zur Bildung der Amadori-Verbindung wieder: Die eingesetzte 0Glucose reagiert mit Aminosaure (hier mir H2N-R abgekürzt) zunächst zur Aminoketose (eine
Schiffsche Base). Diese reagiert weiter zu einem Enaminol, welches mit der über die AmadoriUmlagerung gebildeten Aminoketose (Amadori-Verbindung) im Gleichgewicht liegt.
H
I
H .........
HO-C-NH-R
CliO
H
..
H
HO
H
OH
H
OH
OH
H
OH
H,_
-
C =-= N -
H
HO
H
OH
H
OH
CH,OH
- -
H
HO
H
OH
H
OH
CH,OH
O-Gluco ••
OH
H
- H ,0
R
CH.OH
Am Inoelure
SchiWsche Bas.
1..
,0$
-H ,0
H
I
.--
H .........
H-C-Mf -R
I
H
OH
H
OH
-
e>
H .........
C-NH - R
~
C=NH - R
11
c=o
HO
H .........
C-NH - R
C-OH
--
HO
H
OH
H
OH
CH,OH
H
...
+H ,0
OH
HO
~
- H .0
CH,OH
H
H
OH
H
OH
OH
H
HO
•
CH.OH
•
H
H
OH
H
OH
CH,OH
-
L.-
Aminoketose
Enam Inol
Carbenium-Ion
Immonium-Ion
(Am adori-Verbindung)
Abb. 18: Mechanismus der Amadori-Umlagerung (zusammengestellt nach BELlTZlGRosCH und LEOLlSCHLEICHER)
11. Bildung von Dicarbonytverbindungen:
Abb. 19 zeigt zwei Möglichkeiten, wie die Amadori-Verbindung weiterreagieren kann. Unter
Saurekatalyse und anschließender Abspaltung der Aminosaure entstehen als Zwischenstufen die sog.
Dicarbonylverbindungen, in diesem Fall eine 3-Desoxydiketose (3-Desoxyson) bzw. eine 1Desoxydiketose (1-Desoxyson), wobei letztere erst vor einigen Jahren als Folgeprodukt der AmadoriVerbindung nachgewiesen werden. 4-Desoxydiketosen sind ebenfalls bekannt.
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30
Bei den Dicarbonylverbindungen handelt es sich um äußerst reaktive Spezies. Sie können mit den
verschiedensten Stoffen auf unterschiedlichste Weise zu den typischen Duft- und Farbstoffen
weiterreagieren .
11
(j)
+HsO
H
I
H--C-NH-R
I= 0
@
~
H -I--OH
H
.? .......
H -1--00
.H.o
H -1--00
H -1--00
C-OH
--·HsO
11
C-H
=F
~
OH
CH,OH
CH,OH
3-Desoxydlketose
2,3-€no_~
~
H
Amadori-Verblndung
C!-~
I
C-OH
11
r.
c - H-R
C-NH-R
~
·Hp
~
H
00
OH
+H,O
~
-"-rut
-H.cf±>
CHsQH
cH,OH
CH.
I
I
C=O
f: f
I
11
H-Q--C
(j)
+"00
OH
(3-Desoxyson)
H, CI
H,
H- -00
H -I--OH
·"-rut
.Hp(j)
H
H- -00
0
H -I--H
+2H.o
CH,OH
CH,OH
CH,OH
I=
I
cll-()H
H
H,
c=o
H,
@
C=NH-R
C-NH-R
-()H
H
1,2-€1101is/,
0_
H,
H,
C-NH-R
~
H
OH
H
00
CHzOH
CH,OH
1-Desoxydikewse
(1-Desoxyson)
Abb. 19: Bildung von Dicarbonylverbindungen (zusammengestellt nach BELlTZIGROSCH und LEOLlSCHLEICHER)
111. Weitere Reaktionen:
Der weitere Verlauf der Maillard-Reaktion ist sehr komplex und in großen Teilen bis heute noch nicht
geklart. Im einzelnen kann es jedoch zu folgenden Reaktionen kommen, die bisher eindeutig
nachgewiesen wurden:
a.
Spaltung der Kohlenstoffkette (z.B. Retro-Aldolreaktionen)
b. Strecker-Abbau
(Reaktion
von
1-Dicarbonylverbindungen
und
Aminosauren
unter
Decarboxylierung und Bildung von reaktiven Aldehyden und Ammoniak)
c.
Cyclisieruhgen
Eine Hemmung der Maillard-Reaktion ist ebenfalls möglich. Dies geschieht beispielsweise durch den
Zusatz von schwefliger Saure oder Sulfiten, aber auch Schwefel(I!)-Verbindungen. Unter bestimmten
Voraussetzungen führt auch ein Absenken des Wassergehaltes oder der Wasseraktivitat zu einer
Unterdrückung der Umsetzung.
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31
2.3.2.2. Produkte der Maillard-Reaktion:
Die Palette an Folgeprodukten der nichtenzymatischen Bräunung ist sehr vielfältig. Abb. 20b zeigt nur
eine kleine Auswahl möglicher Maillard-Produkte und deren charakteristische Geruchsnote. Typische
Endprodukte dieser Reaktion sind im allgemeinen Derivate heterozyklischer Verbindungen (Abb. 20a):
substituierte Pyrazine, Furane, Pyranone, Thiopene, Pyrrole, Oxazole, Thiazole, Pyrrolidine und
natürlich komplexe Gemische dieser Verbindungen.
0
()
cr6
0
0
N
Pyraz in
s
0
0
Pyranone
Furan
0
Pyrrol
S
Th lazol
2,4,5-Trimethytoxazol
2 ~.obutyIlh lazol
(Popoom)
(Kakao )
(gl'One Tomat enblatter)
6:
I
Ci Ci 0
Oxazol
Acelytpynzin
0
H
0
C0
0
Thiophen
H
I
N
o, J::)-
Pyrrolldln
Abb . 20a: Heterozyklische Verbindungen
0
s
111.1101
3,4-OImethylth~
(Ka ... meI)
(gelntene ZOMel>eI)
)::(
Fu....... 01
(Erdbeeren.Ananas
Abb . 20b: Charakteristische Duftstoffe
Quelle beider Abbildungen: www.oebvhpt.atlchemie/aromalmaillard.html
Eine weitere Produktklasse: Melanoidine
Bei der Identifizierung von der Maillard-Reaktion erhält man auch Fraktionen mit einem relativ hohen
Molekulargewicht (ca. 7000 u und darüber). Über diese als Melanoidine bezeichneten meist braunen
Stoffe ist bisher nur relativ wenig bekannt. Sie sind sehr heterogen aufgebaut und entstehen unter
relativ komplizierten Bildungsmechanismen,
was keine brauchbaren Rückschlüsse auf die
eingesetzten Monomere zulässt. Wissenschaftler vermuten in den Melanoidinen jedoch ein
erhebliches Potential in Bezug auf gesundheitsbezogene Aspekte. So vermutet beispielsweise eine
anticancerogene Wirkung.
2.3.2.3. nMaillard-aktuell" - die Acrylamid-Problematik
Die Mailard-Reaktion trägt nicht nur im positiven Sinne zu Geruch, Farbe und Geschmack von
Lebensmitteln bei. Beispielsweise führt die Reaktion sekundärer Amine (= Amadori-Verbindungen !)
mit Nitrit (z.B. aus der Speichelflüssigkeit) im Magen zur Bildung der als cancerogen eingestuften
Nitrosamine, aber auch gewisse Endprodukte der nichtenzymatischen Braunung sind eindeutig als
mutagen oder cancerogen anzusehen.
In letzter Zeit ist die Maillard-Reaktion unter negativen Gesichtspunkten ins Licht der Öffentlichkeit
gerückt (vgl. Zeitungsartikel im Anhang). Zwei britische und schweizer Forschungsgruppen haben
entdeckt, dass die Reaktion u.a. auch zur Bildung von Acrylamid führt, einer Substanz, die sich im
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32
Tierversuch als krebserzeugend entpuppt hat und auch für den Menschen ein carcinogenes Risiko
darstellt.
Bei Acrylamid (Abb. 21) handelt es sich um farblose Blättchen vom Schmelzpunkt 84 bis 85°C, bei
dem heftige Polymerisation erfolgt. Acrylamid-Dämpfe und -Lösung reizen Augen und Haut und üben
eine lähmende Wirkung auf das zentrale Nervensystem aus; es besteht Gefahr der Hautresorption.
Acrylamid ist leicht löslich in Wasser, Alkoholen und Aceton, seine technische Herstellung erfolgt
ausschließlich durch Hydroylse von Acrylnitril. Es wird hauptsächlich verwendet für die Herstellung
von Polyacrylamid für die Gel-Elektrophorese und von Copolymeren, die z.B. als Flockungsmittel in
der Wasseraufbereitung oder bei der Erzflotation eingesetzt werden.
Der hochgiftige Stoff wurde vor allem in solchen Lebensmitteln gefunden, die bei der Herstellung
relativ hoch erhitzt werden. Unter diese Produktgruppe fallen z.B. Kartoffelchips oder Pommes frites,
in denen man eine relativ hohe Konzentration an Acrylamid fand.
In Laborversuchen fand man heraus, daß beim Erhitzen der Aminosäure Asparagin mit Glucose oder
einem Zwischenprodukt der Maillard-Reaktion relativ große Mengen von
Acrylamid entstehen, andere Aminosäuren ergaben dagegen kein oder kaum
Acrylamid. Der hohe Asparagingehalt von Kartoffeln und Getreide erklärt auch,
weshalb entsprechende Lebensmittel relativ viel Acrylamid enthalten.
H
0
>-<
H2C
NH2
Acrylamid
Abb. 21: Acrylamid (eigener Entwurf)
2.3.3.
Bedeutung der Maillad-Reaktion für die Lebensmittelchemie:
Seit der Mensch vor einigen hunderttausend Jahren das Feuer als Hilfsmittel zur Zubereitung von
Nahrungsmitteln eingeführt hat, hat die Maillard-Reaktion Einzug in die Lebensmittelchemie erhalten.
Seitdem wird die Qualität von Lebensmitteln vom Geschmack, Geruch, der Farbe sowie von Aspekten
der Haltbarkeit und Nährwertverbesserung bestimmt.
Ein großes Interesse der Lebensmittelchemiker besteht darin, die charakteristischen Back-, Brat-,
Koch- und Röstaromen herstellen zu können. Das Problem liegt hierbei darin, dass die Aromen in den
seltensten Fällen von jeweils nur einer Substanz hinreichend befriedigend wiedergegeben werden
können. In der Regel sind mehrere Verbindungen nötig, die zudem in einem ausgewogenen
Mengenverhältnis vorliegen müssen.
Die Bedeutung der Farbigkeit vieler Verbindungen lässt sich aus der Tatsache ablesen, dass wir auch
.rnit den Augen essen". Aber oft trägt die Maillard-Reaktion nicht zur erwünschten Farbbildung bei; es
kommt vielfach zu unerwünschten Färbungen, die vom Menschen als Qualitätsminderung angesehen
werden.
Die Haltbarmachung sowie die Nährwertverbesserung von Nahrungsmitteln gehört ebenfalls zum
Aufgabenfeld der Lebensmittelchemiker, da einige Teilprozesse der Maillard-Reaktionen auch zu einer
Minderung des Nährwerts führen können. Beispielsweise hat man in Tierversuchen festgestellt, dass
die Verfütterung von erhitzten Proteinen in Gegenwart von Zuckern Wachstumsstörungen verursacht.
Weiterhin führen die guten Komplexierungseigenschaften der Amadori-Verbindungen zu vermehrten
Zn-Ausscheidungen im Urin.
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33
3. Schlussbetrachtung
Am Schluss soll der Inhalt des Protokolls zum Experimentalvortrag .Arninos äuren" in wenigen Sätzen
zusammengefasst werden. Es sollte gezeigt werden ,
- dass Aminosauren aufgrund ihrer funktionellen Gruppen eine vielfaltige Chemie bieten ,
- dass Aminosauren als Proteinbildner die wichtigsten Bausteine aller Lebewesen sind,
- dass sie samnlche Vitalfunktionen bestimmen
- und dass Aminosauren eine herausragende Bedeutung für die Lebensmittelchemie besitzen .
Oder um es auf den Punkt zu bringen:
Aminosäuren sind das Leben!
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34
4. Anhang
4.1. Verwendete Chemikalien (in alphabetischer Reihenfolge)
Die Bedeutung der Gefahrsymbole und der R- und S-Satze wird am Ende der Liste erläutert.
Quelle: MERCK
Bezeichnung und
Fonnel:
Alanin (Ala)
C3H7N02
Butanol
C4H10O
Eisessig
CH 3COOH
Formalin-Lösung
CH 20
D-Glucose
CSH 120S
Glutaminsäure (Glu)
C sHgN04
Glycin (Gly)
C 2H sN02
Kalilauge (0, 1 mollL)
KOH (ao)
Ku pfersuIfat-Pentahydrat
CUS04' 5 H20
Leucin (Leu)
CSH13N02
Lysin (Lys)
CSH14N202
Methionin (Met)
CSH 11N02S
Natriumcarbonat
Gefahrsymbole:
keine
Xn
C
T
Ninhydrin
C9H S04
Phenolphthalein
(Indikator)
Phenylalanin (Phe)
C9H 11N02
Prolin (Pro)
CsHgN0 2
Salzsäure (2 mollL)
HCI (ao)
Tyrosin (Tyr)
C9 H 11N0 3
Valin (Val)
C SH 11N02
S-Sätze:
keine
keine
10-22-37/38-41- 7/9-13-2637/39-46
67
23.2-2610-35
45
23/24/25-342639/23/24/25-40- 36/37/3943
45-51
Molmasse
i
in
mor
Schmelz- oder
Siedepunkt in -c
89,09
Smp. 295 - 297
thermische Zersetzung
74,12
Sdp.116-118
60,05
Sdp.116-118
k.A.
Sdp. 93 -96
a:
keine
keine
keine
180,16
Smp.146
keine
keine
keine
147,13
keine
keine
keine
75,07
Smp.205
Smp. 232 - 236
thermische Zersetzung
Xi
36/38
26
k.A.
Xn,N
22-36/38-50/53
22-60-61
249,68
Sdp. 100
Smp. 88 -245
Kristallwasserabgabe
keine
keine
keine
131,18
Smp.300
keine
keine
keine
164,21
Smp.225
keine
keine
keine
149,21
Smp. 280-285
Xi
36
22-26
105,99
Smp.854
O,T,N
8-25-50
69,00
Smp.280
C
35
45-61
2636/37/3945
k.A.
k.A.
Xn
22-36/37/38
keine
178,15
Smp.250
thermische Zersetzung
keine
10
keine
k.A.
k.A.
keine
keine
keine
165,19
Srnp, 275 - 283
keine
keine
keine
115,13
Smp. 220 - 222
keine
keine
keine
k.A.
k.A.
keine
keine
keine
181,19
k.A.
keine
keine
keine
117,15
Smp.315
Na2C03
Natriumnitrit
NaN02
Natronlauge (2 mollL)
NaOH (aq)
R-Sätze:
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35
R-Sätze: (Gefahrenhinweise)
R8:
Feuergefahr bei Berührung mit brennbaren Stoffen.
Entzündlich.
Gesundheitsschädlich beim Verschlucken.
Giftig beim Verschlucken.
Verursacht Verätzungen.
Verursacht schwere Verätzungen.
Reizt die Augen.
Irreversibler Schaden möglich.
Gefahr emster Augenschäden.
Sensibilisierung durch Hautkontakt möglich.
Sehr giftig für Wasserorganismen
Dämpfe können Schläfrigkeit und Benommenheit verursachen.
R67:
Giftig beim Einatmen, bei Berührung mit der Haut und beim Verschlucken
R 23/24/25:
R 36/38:
Reizt die Augen und die Haut.
Reizt die Augen, Atmungsorgane und die Haut.
R 36/37/38:
R 37/38:
Reizt die Atmungsorgane und die Haut.
R 39/23/24/25: Giftig : ernste Gefahr irreversiblen Schadens durch Einatmen, Berührung mit der Haut
und Verschlucken.
R 50/53:
Sehr giftig für Wasserorganismen; kann in Gewässern längerfristig schädliche
Wirkungen haben .
R 10:
R 22 :
R 25:
R34:
R 35:
R 36:
R40:
R41:
R43:
R 50:
S-Sätze: (Sicherheitsratschläge)
S 13:
S22:
S23.2:
S26:
S45:
S46:
S 51:
S60:
S 61 :
S 7/9:
S 36/37/39:
S 37/39:
Von Nahrungsmitteln, Getränken und Futtermitteln fernhalten .
Staub nicht einatmen.
Dampf nicht einatmen.
Bei Berührung mit den Augen sofort gründlich mit Wasser abspülen und Arzt
konsultieren.
Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt hinzuziehen (wenn möglich, dieses Etikett
vorzeigen).
Bei Verschlucken sofort ärztlichen Rat einholen und Verpackung oder Etikett
vorzeigen.
Nur in gut gelüfteten Bereichen verwenden.
Dieser Stoff und/oder sein Behälter sind als gefährlicher Abfall zu entsorgen.
Freisetzung in die Umwelt vermeiden. Besondere Anweisungen einholen 1
Sicherheitsdatenblatt zu Rate ziehen .
Behälter dicht geschlossen an einem gut gelüfteten Ort aufbewahren.
Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung, Schutzhandschuhe und Schutzbrille 1
Gesichtsschutz tragen.
Bei der Arbeit geeignete Schutzhandschuhe und Schutzbrille 1 Gesichtsschutz tragen.
Gefahrsymbole:
o
C
T
Xn
Xi
N
Brandfördernd.
Ätzend .
Giftig.
Gesundheitsschadlich.
Reizend.
Umweltgefährlich.
Chemie in der Schule: www.chids.de
36
4.2. Literaturverzeichnis
~
BAlTES, W. (21989): Lebensmittelchemie. Springer-Verlag, Berlin.
~
BELITZ, H.-O. & GROSCH, W. (31987): Lehrbuch der Lebensmittelchemie. Springer-Verlag, Bertin.
~
BEYER, H. & WALTER, W.
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BREITMAlER, E. & JUNG, G. (21995): Organische Chemie 11. Thieme-Verlag, Stuttgart.
~
BÜHLER, A.E. & MAYER, K. (1982): Leitgedanken der Chemielehrerausbildung - dargestellt am
(23 1998):
Lehrbuch der Organischen Chemie. Hirzel-Verlag, Stuttgart.
Beispiel vergleichender Untersuchungen von Weizenkömem, Mehl und Brot. In: Praxis der
Naturwissenschaften - Chemie, Heft 9/82, S. 268-277.
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BUKATSCH, F. & GLÖCKNER, W. (Hrsg.)(1975): Experimentelle Schulchemie (Band 6,1). AulisVertag, Köln.
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BUTENUTH, J. (1992): Versuchsanleitungen zum Organisch-Chemischen Praktikum - Lehramt.
Unveröffentlicht.
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HABITZ, P. ; PUFF, H. & SCHMITZ-DuMoNT, O. (61979): Chemische Unterrichtsversuche. SteinkopfVerlag, Darmstadt.
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VEB Verlag Volk und Wissen, Berlin.
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LEDL, F. & SCHLEICHER, E. (1990): Die Maillard-Reaktion in Lebensmitteln und im menschlichen
Körper - neue Ergebnisse zu Chemie, Biochemie, Medizin. In: Angewandte Chemie, 102, S. 597626. VCH-Verlag, Weinheim.
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LÜBKE, K. ; SCHRÖDER, E. & KlOSS, G. (1975): Chemie und Biochemie der Aminosäuren, Peptide
und Proteine (Band I & 11). Thieme-Verlag, Stuttgart.
}>
MERcK-Chemikalienkatalog (Ausgabe 2002)
~
RÖMPp-Chemielexikon (CD-ROM, Version 1.0)
~
VOLLHARDT, K.P.C. & SCHORE, N.E. (21995): Organische Chemie. VCH-Verlag, Weinheim.
Chemie in der Schule: www.chids.de
37
4.3. Internetquellen
www.chemieunterricht.de/dc2/tip/07 99.htm (Zugriff: 22.11.2002)
www.chemie.uni-hamburg.de/lc/melanoidine.html(Zugriff:22.11.2002)
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www.oebvhpt.atlchemielaroma/mailiard.html(Zugriff:22.11.2002)
Chemie in der Schule: www.chids.de
38
..
I
I
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.. - I
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_
..
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Gefahr-,AcryLamid in Lebensmitteln
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Hohe Mengen Acrylamid in pommes frites
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Stoff giLt als krebserregend und erbgu.tverände~nd
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crylamid
,
ist eine Substanz, die in der chemischen Industrie seit lan- .
gern als Baustein fÜJ;: zum Bei·spiel Kunststoffverpackungen
oder in der Wasseraufbereitung eingesetzt wird. Es ist bekannt, dass Acrylamid im Tier~
versuch krebserregend und
erbgutverändernd wirkt.
1 Dass der bedenkliche Stoff
auch in Lebensmitteln vor,
/ " omm t, wurde erst im Frühjahr.
I-- J 02 von der .s c hwedis chen
Nahrungsmittelbehörde an die
·Öffentlichkeit gebracht. Mit
Hilfe neuer Analysemethoden
können zum Teil sehr hohe
Mengen von Acrylamid in stärkehaltigen Lebensmitteln nach- In Pommes'frites wurden durchschnittlich 50o.:Mikrogrcimm Acrylamid pro Kilogramm gefunden (St~nd Aprlr2Ö02·).
gewiesen werden.. Besonders Einige Hersteller, deren Produkte mit hohen Mengen Acrylamid belastet waren, haben bereits reagiert und durch verArchivfoto .
,fr itt ier te, gebackene, geröstete änderte Herstellungs- beziehungsweise Zubereitungsverfahren den Acrylamidgehalt gesenkt. .
und gebratene Kartoffel- und "
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Getreideprodukte sind' mit n"~türliche~ Zucker Glukose' in Fleisch; Obst und Gem üse reits das Sechsfache der zuläsAcrylamid belastet.
(Stärkebaustein),' -' ,
wurde kein Acrylamid nachge- sigen Höchstmenge pro Tag
,
auf. Die schwedis ch e Nah' L _Hohe Mengen (bis zu 2300 . Verrnutlichaind hohe Tem-: wiesen.
Acrylamid hat sich im Tier- rungsmittelbeh örde schätzt'
Mikrogramm pro Kilogramm) peraturen (über, 120 Grad Celsiwiesen beispielsweise Kartof'-', us sowie ein niedriger Wasser- versuch als erbgutschädigend aufgrundder neuen Daten,
'felchips, . Pommes
frites, gehalt des Lebensmittels ent- und krebserregend erwiesen. ' dass ein Erwachsener (Nic ht Knäckebrot, Fr ühst ücks-Cerea- scheidend, unabhängig davon, Es muss davon .ausgegangen raucher) pro Tag etwa 100 Milien und Kekse auf. Auch in . ob der Prozess industriell oder werden, dass es auch in die krogramm Acrylamid, unter
Brot wurde Acrylamidgefun- im ' Haushalt erfolgt. Da bei Muttermilch und in den Fötus anderem ,über Lebensmittel,
·den, allerdings in vergleichs- . gleichartigen Lebensmittelpro- übergeht. Die Weltgesundheits-. Kosmetik und Trinkwasser,
weise niedrigeren Konzentra- ' ben eine beträchtliche Var iati- 'o r ga nisa tion (WHO) sieht ein. aufnimmt. i.Die . Substanz ist '
tionen (30 bis 150 Mikrogramm . on im Acrylamidgehalt auftritt, Mikrogramm Acrylamid pro auch im Zigarettenrauch entpro Kilogramm).
, scheint es .möglich zu se in, Kilogramm KÖrpergewicht pro halten.
Die Deutsche 'For sc hun gs;
" , Die Werte schwanken bei durch die Produktionsweise so- Tag als zulässige' Höchstmenge
I erschiedenen Produkten ' der '. wie die Handhabung im Haus- für den Menschen an . . .
gemeinschaft hat 1992 , AcrylIn . Kartoffelchips wurden , amid in die Gruppe der krebsgleichen Lebensmittelgruppe halt diesen Gehalt zu beeinflusgravierend, bei Kartoffelchips Sen.
.
bis zu 2300 Mikrogramm erzeugenden Arbeitsstoffe aufetwa von 206 bis 2300 . MikroGroßvolurnige Lebensmittel Acrylamid pro Kilogramm ge- genommen - Stoffe, ' die sich ,
gramm pro Kilogramm.
,
wie zum Beispiel Brotlaibe mit funden (Durchschnitt: 1 000), bislang nur im Tierversuch als
Nach den bisherigen Er.' hoch erhitzten Randschichten bei Pommes frites bis zu 1 ioo krebserzeugend 'e r wie sen ha'. 'k e nn tnisse n
·s cheint , . . da s und~eringerer Temperaturbe- : MikrogrammproKilogramm ben unter Bedingungen, die der '
Acrylamid im Herstellungs- be- . lastung 11m Kernbereich (oft (Durchschnitt: 500) . Ein zehn- m öglichen Belastung des Menziehungsweise Zubereitungs- weniger'als 100 Grad Celsius) jähriges Kind mit einem Ge - schen ram Arbeitsplatz ve~f
prozess bei der Erhitzung stär- . sind weniger belastet als Le- wicht von 33 Kilogramm nimmt gleichbar sind. Nach Kontakt
kehaltiger Lebensmittel gebil- bensmittel, bei denen die Hitze mit dem Verzehr einer 200 - m it .Acrylamid wurden Reizer- .
det zu werden -rso genannte bis in den Kern vordringen ' Gramm-Tüte Kartoffelchips scheinungen an Haut, Schleim.
, ,,Mlü lla r d-Rea ktiön "). Hierb ei kann (Kärtoffelchips).
mit .einer Durchschnittsbetas- .' häuten und Augen beobachten -reagiert die Aminosäure Aspa' .Irrgekochten, gedünsteten" tung von 1000 Mikrogramm
Acrylamidwerte verachte·ragin (Eiweißbaustein) mit dem und -rohen-Lebensmitteln sow ie Acrylamidpro Kilogramm .be- dener Lebensmittel finden .Sie
.._" , unter www.vzhh.de. '
'. (Quelle: verarauchetzentraie
Hessen, StandApril 2002)
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Aus: "Marburg Extra" vom 13.11.2002
Chemie in der Schule: www.chids.de
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