Grundlagen der Biologie und Ernährung: Atome, Biomoleküle & Stoffwechsel

Demokrit und die Atomtheorie

Demokrit postulierte, dass alle Materie aus Atomen besteht. Seine Kernideen waren:

• Alle Materie ist aus Atomen aufgebaut.
• Es gibt verschiedene Arten von Atomen.
• Atome sind unteilbar und können nicht zerstört werden.

Die verschiedenen Arten von Atomen sind in der Periodentabelle als chemische Elemente aufgeführt.

Bioelemente: Bausteine des Lebens

Bioelemente sind chemische Elemente, die in Lebewesen vorkommen. Man unterscheidet zwei Haupttypen:

Primäre Bioelemente

Sie bilden etwa 90% der lebenden Materie und sind essenziell für die Grundstruktur. Dazu gehören:

• C = Kohlenstoff
• H = Wasserstoff
• O = Sauerstoff
• N = Stickstoff
• P = Phosphor
• S = Schwefel

Sekundäre Bioelemente

Sie bilden die restlichen 10% der lebenden Materie und sind für spezifische Funktionen wichtig. Beispiele sind:

• Na = Natrium
• K = Kalium
• Fe = Eisen
• Mg = Magnesium

Moleküle, Biomoleküle und Nährstoffe

Moleküle entstehen durch die Verbindung von Atomen, die gleich oder verschieden sein können.

Biomoleküle sind Moleküle, die Bestandteile von Lebewesen sind.

Nährstoffe sind Biomoleküle, die aus der Nahrung aufgenommen und vom Körper genutzt werden.

Arten von Biomolekülen

Biomoleküle lassen sich in zwei Hauptarten unterteilen:

• Anorganische Biomoleküle: Sie sind einfacher aufgebaut und enthalten in der Regel keinen Kohlenstoff (Ausnahmen wie CO2). Dazu gehören Wasser und Mineralsalze.
• Organische Biomoleküle: Sie sind komplexer aufgebaut und enthalten Kohlenstoff. Dazu zählen Kohlenhydrate, Lipide (Fette), Proteine und Vitamine.

Die Bedeutung von Wasser (H2O)

Wasser (H2O) ist von entscheidender Bedeutung für Lebewesen, da es:

• An vielen chemischen Reaktionen beteiligt ist (z.B. als Lösungsmittel oder Transportmedium für Eisen im Blut).
• Ein struktureller Bestandteil vieler Organe und Gewebe ist (z.B. Kalziumsalze in Knochen, die Wasser enthalten).

Organische Biomoleküle im Detail

Kohlenhydrate: Energielieferanten

Kohlenhydrate spielen eine Schlüsselrolle als Energielieferanten. Es gibt drei Haupttypen:

1. Monosaccharide: Einfachzucker, einzelne Zuckermoleküle (z.B. Glukose).
2. Disaccharide: Zweifachzucker, Verbindungen aus zwei Monosacchariden, die gleich oder verschieden sein können (z.B. Saccharose).
3. Polysaccharide: Vielfachzucker, lange Ketten aus vielen Monosacchariden, die gleich oder verschieden sein können (z.B. Stärke, Zellulose).

Lipide (Fette): Energiespeicher und mehr

Lipide sind eine vielfältige Gruppe von Molekülen, die unter anderem als Energiespeicher, Isolationsmaterial und Bausteine von Zellmembranen dienen.

Proteine: Struktur und Funktion

Proteine erfüllen vielfältige Funktionen im Körper, darunter strukturelle Aufgaben (z.B. als Bestandteile von Zellmembranen, Muskeln) und die Beteiligung an chemischen Reaktionen (als Enzyme).

Vitamine: Regulatoren des Stoffwechsels

Vitamine sind organische Verbindungen, die der Körper für lebenswichtige Funktionen benötigt und die Stoffwechselreaktionen regulieren.

Pflanzenfasern (Ballaststoffe)

Pflanzenfasern (Ballaststoffe) bestehen hauptsächlich aus Zelluloseketten, die aus Glukoseeinheiten aufgebaut sind. Unser Verdauungssystem kann diese nicht aufspalten.

Sie helfen jedoch, den Nahrungsbrei im Darm zu bewegen, fördern eine gesunde Verdauung und beugen Verstopfung vor.

Klassifizierung von Nährstoffen

Nährstoffe können nach ihrer Hauptfunktion in drei Typen klassifiziert werden:

• Energieliefernde Nährstoffe: Sie liefern die notwendige Energie für alle Körperfunktionen, die in Form von ATP (Adenosintriphosphat) gespeichert wird. Dazu gehören vor allem Kohlenhydrate und Lipide.
• Strukturelle Nährstoffe: Sie liefern Bausteine für Wachstum, Reparatur und Erhalt von Geweben und Zellen. Dazu zählen Proteine und Mineralstoffe.
• Regulierende Nährstoffe: Sie steuern und kontrollieren wichtige Stoffwechselreaktionen und Körperprozesse. Dazu gehören Vitamine, Mineralstoffe und einige Proteine.

Energiebedarf und Stoffwechsel

Lebewesen benötigen kontinuierlich Materie und Energie, um zu überleben und zu funktionieren.

Messung der Energie

Energie wird üblicherweise in Joule (J) und Kalorien (cal) gemessen.

• 1 Kilokalorie (kcal) = 1000 Kalorien (cal)

Faktoren des Energieverbrauchs

Der tägliche Energiebedarf eines Menschen wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst:

• Körperliche Aktivität: Je intensiver die körperliche Aktivität, desto höher der Energiebedarf.
• Organ- und Gewebeaktivität: Im Jugendalter arbeiten Organe und Gewebe mit höherer Intensität und benötigen mehr Energie. Auch der Grundumsatz (Energieverbrauch in Ruhe) variiert.
• Umgebungsbedingungen: Extreme Kälte oder Hitze erfordern mehr Energie, um die Körpertemperatur aufrechtzuerhalten, selbst ohne zusätzliche körperliche Aktivität.

Hinweis: Die im Originaldokument enthaltenen Formeln für Männer und Frauen waren unvollständig und wurden hier nicht korrigiert, da eine korrekte Ergänzung den Rahmen sprengen würde.

Lebensmittelkonservierung

Methoden der Lebensmittelkonservierung zielen darauf ab, Keime abzutöten oder deren Wachstum zu verhindern, um die Haltbarkeit von Lebensmitteln zu verlängern. Dazu gehören:

• Sterilisation
• Ultrahocherhitzung (UHT)
• Pasteurisierung
• Vakuumversiegelung
• Entwässerung (Trocknung)
• Kühlung
• Einfrieren
• Zugabe von Konservierungsstoffen

Moderne Biotechnologie in der Ernährung

Selektive Züchtung

Die selektive Züchtung ist die Fähigkeit des Menschen, Pflanzen- und Tierarten so zu züchten, dass sie für den Verzehr besser geeignet sind oder gewünschte Eigenschaften aufweisen.

Transgene Organismen

Transgene Organismen sind Lebewesen, denen DNA von einem anderen Organismus implantiert wurde, um ihre Eigenschaften zu verbessern oder neue Merkmale zu verleihen. Ein Beispiel hierfür sind gentechnisch veränderte Kartoffeln.