Chemikalien des Lebens

Einleitung | Wasser | Salz | Kohlenhydrate | Eiweiß | Fett | Enzyme   | Vitamine

Einleitung

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I.- Einfache Stoffe (Anorganische Chemikalien)

a.) Wasser - H2O

Das Leben hatte seinen Ursprung im Wasser. Noch heute bietet das Wasser Lebensraum für viele Lebensformen und Organismen. Das Wasser bildet das Medium, in dem viele chemische und biochemische Reaktionen stattfinden. Im Organismus eines Lebewesens finden tausende dieser biochemischen Reaktionen statt, um beispielsweise Energie zu gewinnen oder Nahrung umzuwandeln. Aus diesem Grund bestehen die Zellen im Körper unserer Haustiere zu 80 % aus Wasser. Da der Körper ständig Wasser verliert, z.B. um Giftstoffe ausscheiden zu können, muss das Tier (Organismus) Wasser aufnehmen, um die lebenswichtigen Prozesse in Gang halten zu können.

 

b.) Säuren und Basen (Laugen)

Moleküle werden bei ihrer Lösung in Wasser in elektrisch geladene Bruchstücke, auch als Ionen bekannt, aufgespalten. Eine Säure besteht aus einem Molekül, das bei seiner Dissoziation Wasserstoff-Ionen freisetzt. z.B. bildet Chlorwasserstoffgas ( H-Cl ) in Wasser gelöst Salzsäure (H+ und Cl-). Diese Salzsäure ist im Magen von Fleischfressern (Hund und Katze) sehr wichtig für die Verdauung.

Eine Base ist ein Molekül, das bei seiner Dissoziation Wasserstoffionen aufnehmen kann. Z.B. dissoziiert Natron (NaHCO3) in Wasser zu Na + + -HCO3, einer schwachen Lauge. Diese kann ein Wasserstoffatom binden. Bei einer Magenübersäuerung eingenommen, bildet das Natriumion Na+ eine Verbindung mit einem Chlorid-Ion Cl- und bildet das Salz Natriumchlorid (Kochsalz). Das Wasserstoff-Ion H+ verbindet sich mit dem Bicarbonat-Ion HCO3- zu Wasser H2O und Kohlendioxid CO2, was abgeatmet wird, im Extremfall als Rülpser. Auch im Blut ist eine Pufferung des Säure-Basen-Haushaltes von extremer Bedeutung. Die Pufferung erfolgt durch den Verdauungstrakt sowie durch die Nieren.

Säuregrad einer Lösung wird als pH-Wert bezeichnet, wobei der pH   7,0 eine neutrale Lösung anzeigt. Ist der Wert kleiner als 7, so handelt es sich um eine Säure. Ein Wert größer als 7 spricht für eine Base.

 

c.) Salze

Anorganische Salze bilden wichtige Bestandteile im Organismus. Sie müssen in größeren Mengen (Mineralstoffe) oder in sehr kleinen Mengen (Spurenelemente) mit der Nahrung aufgenommen werden. Sie sind Bestandteile von Organen (z.B. Knochen) oder zahlreichen Chemikalien, die Reaktionen im Organismus steuern. Einige wichtige Beispiele sollen an dieses Stelle kurz angeschnitten werden.

 

1. Kalzium-Salze werden in den Knochen eingelagert und verleihen diesen Stabilität.
2. Phosphor bindet im Adenosintriphosphat (ATP  ), dem Energiespeicher der Zelle  .
3. Phosphor und Stickstoff befinden sich in der Zellmembran   und den Nukleinsäuren der Chromosomen  .
4. Kupfer und Eisen sind Bestandteile von Enzymen.
5. Magnesium ist eine Startchemikalie (Aktivator) von metabolischen Prozessen.
6. Eisen ist im Hämoglobinkern des roten Blutfarbstoffes enthalten, damit Sauerstoff und Kohlendioxid im Blutkreislauf transportiert werden können. Magnesium ist im grünen Farbstoff der Blätter von Grünpflanzen enthalten, dem Chlorophyll, welches für die Photosynthese verantwortlich ist.

Die Salze bilden Ionen, die in einer wässerigen Lösung reagieren können.

Feinabgestimmte Mechanismen kontrollieren die Mengen dieser Salze, die vom Körper aufgenommen werden sollen. Besteht ein Mangel in der zugeführten Nahrung, kommt es zu Mangelerscheinungen und Krankheit  . Die Gesamtmenge in einem Nahrungsmittel wird als Gesamtasche ausgedrückt, da diese nach der Verbrennung zurückbleibt. Beim Verbrennungsvorgang wird der Nahrung erst das Wasser entzogen und danach werden die organischen Stoffe in Kohlendioxid und Wasser aufgespalten. Zurück bleibt die Asche, also die anorganischen Salze aus dem Futtermittel.

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II.- Organische Substanzen

a.) Kohlenhydrate oder Zucker

Zu den Kohlenhydraten zählen kurzkettige Zucker (z.B. Glukose), langkettige Zucker, wie beispielsweise Stärke (z.B. Mais- oder Weizenmehl), und extrem langkettige Zucker, wie beispielsweise Zellulose. Bei der Verbrennung dieser Substanzen wird Energie freigesetzt. Die hauptsächliche Aufgabe der Kohlenhydrate im Organismus ist das Speichern und bei Bedarf Freisetzen von Energie für die biochemischen Prozesse des Lebens.

Ein einfacher Zucker (Monosaccharid) ist die Glukose (C6H12O6). Sie wird als Hexose (Sechserzucker) bezeichnet, da diese Substanz ein aus sechs Kohlenstoffatomen bestehendes Skelett besitzt. Durch Entfernung von Wasser können zwei oder mehrere Glukosemoleküle zu einer Kette zusammengefügt werden. Eine solche Kette wird als Disaccharid (Doppelzucker) oder Polysaccharid (Vielfachzucker) bezeichnet. Beispiele für solche Polysaccharide sind Stärke, Zellulose und Glykogen (Energiespeicher). Diese Zuckerketten können durch Hydrolyse (Hinzufügen von Wasser) in Monosaccharide gespalten  und somit der Zelle als Energiequelle zurückgeführt werden.

Polysaccharide, wie beispielsweise Stärke, werden beim Säugetier in der Leber gespeichert und bei Bedarf in Monosaccharide zurückgewandelt, um als Glukose dem Krebszyklus zur Energiegewinnung zugeführt zu werden. Einen wichtigen Teil zur Regelung dieser Prozesse tragen Hormone bei. Insulin sorgt für Zuckerspeicherung, Glukagon sorgt für die Freisetzung von Glukose und Erhöhung des Blutzuckerspiegels.

Die Abbildung demonstriert, wie ein einfacher Zucker (Glukose) in einen Zweierzucker (Disaccharid; Maltose) und anschließend in eine lange Zuckerkette verwandelt werden kann. Dieser Prozess findet z.B. in einer Pflanze durch Photosynthese statt. Das produzierte Polysaccharid wird als Stärke beispielsweise in Kartoffeln gespeichert. Die Stärke konnte hier bei der Kartoffel sichtbar gemacht werden, indem Jodreagenz in Form einer Schlangenlinie aufgetragen wurde und dieses von dunkelbraun zu blau die Farbe wechselte.

 

b.) Proteine oder Eiweiß

Eiweiße spielen eine wichtige Rolle in der Bildung von Strukturen des Organismus. Sie unterscheiden sich von den Kohlenhydraten und Fetten dadurch, dass sie immer Stickstoff enthalten. Zusätzlich können Schwefel, Phosphor und andere Elemente vorhanden sein.

Die Proteine werden durch die Aminosäuren   gebildet. Dies ist vergleichbar mit der Bildung von Polysacchariden durch die Monosaccharide. Alle Aminosäuren besitzen eine Aminogruppe (-NH2) und eine Karboxylgruppe (-COOH). Durch Kondensation (Entziehung von Wasser) können Di- oder Polypeptide gebildet werden. Sehr lange Polypeptidketten bilden ein Protein. Allerdings werden Proteine meistens durch mehrere Polypeptidketten gebildet, die wiederum durch Wasserstoff- oder Schwefel-Brücken verbunden sind. Obwohl es nur zwanzig Aminosäuren gibt, ist ihre Kombinationsmöglichkeit nahezu unendlich. Zehn Aminosäuren können vom Körper nicht hergestellt werden und müssen aus diesem Grund mit der Nahrung aufgenommen werden (sie werden deshalb als essentielle Aminosäuren bezeichnet).

Fleisch und Eiklar bestehen größtenteils aus Eiweiß. Dies ist aus Aminosäuren zusammengesetzt, die dem Organismus dienen, neue Eiweiße und Polypeptide zu bilden.

c.) Lipide oder Fette

Hierzu werden Fette (bei Raumtemperatur fest) und Öle (bei Raumtemperatur flüssig) gezählt. Sie bestehen wie die Zucker aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, der Sauerstoffanteil ist jedoch geringer. Obwohl die Zucker den wichtigsten Energielieferanten im Organismus bilden, kommt den Fetten eine wichtige Rolle in der Speicherung von Energie zu. Bei der Verbrennung wird durch Fette mehr Energie freigesetzt als durch die Verbrennung von Zucker.

Die meisten Fette können durch den Metabolismus   der Kohlenhydrate und Eiweiße gebildet werden. Einige ungesättigte Fettsäuren können nicht vom Organismus hergestellt werden; diese müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Man bezeichnet diese als essentielle Fettsäuren. Fette befinden sich z.B. in Steroiden, in der Zellmembran als Cholesterin oder in Sexualhormonen.

Öle und Fette bestehen aus sehr langkettigen Fettsäuren, die dem Körper Energie liefern, z. B. während des Winterschlafes.

d.) Enzyme

Ein Enzym   ist ein Protein, das chemische Reaktionen im Organismus beschleunigt, ohne bei der Reaktion selber verändert oder aufgebraucht zu werden. Enzyme arbeiten sehr schnell, sind abhängig von der Temperatur und dem pH-Wert. Enzyme sind immer spezifisch für ein bestimmtes Substrat.

In dem Experiment links im Bild wird ein Stück rohe Leber in eine 3-  prozentige Wasserstoffperoxidlösung getaucht. Dabei lösen sich die im Gewebe enthaltenen Enzyme in der Flüssigkeit auf und reagieren mit dem Substrat, dem Wasserstoffperoxid. Dieses wird durch das Enzym Peroxidase gespalten, und Sauerstoff wird in Gasblasen freigesetzt. Das Wasser verbleibt in der Lösung.

Eine enzymatische Reaktion kann in beide Richtungen verlaufen: Substrat zu Produkt oder Produkt zu Substrat, wobei die Richtung abhängig ist von der Konzentration. So ist die Reaktionsgeschwindigkeit abhängig von der Konzentration des Substrates. Daraus folgt, dass bei einer hohen Substratkonzentration die Reaktionsgeschwindigkeit hoch ist.

Enzym + Substrat <-> Enzym-Substrat-Komplex <-> Enzym-Produkt-Komplex <-> Enzym + Produktmolekül

Ein Enzym ist immer sehr spezifisch für ein bestimmtes Substrat und verfügt über einen aktiven Bereich, an den das Substratmolekül andockt. Einige Enzyme arbeiten nur, wenn ein Cofaktor vorhanden ist. Diese Coenzyme können einfache Spurenelemente sein, wie beispielsweise Metallionen von Zink, Eisen oder Kupfer. Sie können aber auch komplexe organische Moleküle sein, wie beispielsweise das NAD (Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid), welches vom Körper aus dem Vitamin Nicotinamid, einem Abkömmling der Nikotinsäure, gewonnen wird und bei der Zellatmung eine wichtige Rolle spielt.

 

e.) Vitamine

Vitamine sind organische Verbindungen, die vom Organismus in geringen Mengen benötigt werden. Sie steuern eine Vielzahl an metabolischen Prozessen. Diese Vitamine werden von Pflanzen synthetisiert, aber Tiere müssen die meisten über die Nahrung aufnehmen. Tritt ein Defizit an Vitaminen auf, können ernsthafte Erkrankungen entstehen. Beispielsweise kann das Riboflavin (Vitamin B2) mit gewissen Phosphorverbindungen den Komplex FAD (Flavin-Adenin-Dinukleotid) bilden, der ähnlich dem bereits erwähnten NAD auch eine wichtige Rolle beim Transport von Wasserstoffionen bei der Zellatmung trägt. Es befindet sich in Blattgemüse, Eiern und Fisch. Die Ascorbinsäure (Vitamin C) wird von unseren Haus- und Nutztieren selber gebildet; nur Menschen, Affen und Meerschweinschen können ihren Bedarf nicht decken.

Eine Störung in der Synthese   von Vitamin C bewirkt bei Hunden und Katzen ähnlich wie beim Kleinkind die Möller-Barlowsche Erkrankung   - eine Störung der Kollagenbildung mit Osteoporose und Blutungsneigung. Beim erwachsenen Menschen ist vor allem Skorbut bekannt. Das Vitamin C unterstützt das Abwehrsysten und die Gesunderhaltung der Schleimhäute. Ähnlich zum Vitamin E wirkt es als antioxidative Substanz und als Radikalfänger.

An dieser Stelle soll nicht auf die einzelnen Vitamine und deren Funktion im Organismus eingegangen werden, sondern nur auf deren große Wichtigkeit für die Stoffwechselprozesse des Organismus hingewiesen werden.

Da diese Stoffe nur in kleinen Mengen benötigt werden, kann auch ein Überangebot an Vitaminen ernsthafte Erkrankungen verursachen! Besonders die fettlöslichen Vitamine A, D und E sind nicht ungefährlich, da sie in der Leber gespeichert werden und Leberschäden verursachen können. Eine Hypervitaminose A (Überangebot an Vitamin A) kann zu Bewegunsstörungen, Schmerzen, Gelenkproblemen, Knochen- und Nervenstörungen führen. Ursache für eine Hypervitaminose A bei Katzen und Hunden ist vor allem eine übermäßige Fütterung von Leber, Vitaminpasten oder konzentrierten Vitaminpräparaten.

Also bitte immer mit Maßen!
Fragen Sie Ihren Tierarzt   / Ihre Tierärztin

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Schlusswort

Sie sehen, liebe Leserinnen und Leser,
es ist alles Chemie in uns und um uns herum.

Die Nährstoffe halten die großartige Maschinerie des Organismus in Gang. Kommt dennoch einmal etwas aus dem Gleichgewicht, führt das zu einer Funktionsstörung der körpereigenen Abläufe, was in der Entstehung einer Krankheit resultiert, wenn der Organismus nicht rechtzeitig gegenregulieren kann.

Ich hoffe, dass wir Sie mit diesen sehr kurzen und oberflächlichen Ausführungen nicht gelangweilt haben, sondern helfen konnten, die recht komplexen Mechanismen der Ernährung   eines Lebewesens besser zu verstehen.

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