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Humanernährung 1. Semester VL 4 – Lipide (Fette) WiSe 2024/25 Prof. Dr. Shoma Barbara Berkemeyer Themen Bedeutung Struktur Nomenklatur und Klassifikation Eigenschaften und Rollen Fette in der Diät/ Nahrung Makro-Nährstoffmangel Aufgabe Diskussion...

Humanernährung 1. Semester VL 4 – Lipide (Fette) WiSe 2024/25 Prof. Dr. Shoma Barbara Berkemeyer Themen Bedeutung Struktur Nomenklatur und Klassifikation Eigenschaften und Rollen Fette in der Diät/ Nahrung Makro-Nährstoffmangel Aufgabe Diskussion 2 Bedeutung Die Eigenschaft, die Lipide von anderen Nährstoffen unterscheidet, ist ihre Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln, z. B. Chloroform, Aceton. Wenn Lipide nach dieser Eigenschaft definiert werden, wie dies im Allgemeinen der Fall ist, erfüllen viele verschiedene Moleküle dieses Kriterium und werden daher als Lipide betrachtet. Im Gegensatz zu Kohlenhydraten und Proteinen decken Lipide, die nach ihrer Löslichkeit klassifiziert werden, ein sehr breites Spektrum von Molekülen mit unterschiedlichen Strukturen und funktionellen Eigenschaften ab. Eine solche biologische Vielfalt ist aufgrund der vielen Rollen, die Lipide spielen, ein Vorteil für Pflanzen und Tiere. Eine traditionelle Art und Weise, Lipide zu klassifizieren, basiert darauf, wie viele Produkte durch Hydrolyse entstehen. spaltung mit Wasser Diese Klassifizierung ergibt einfache und komplexe Lipide. Eine alternative Art der Klassifikation basiert auf Syntheseprodukten. Auf diese Weise werden Lipide als Moleküle definiert, die aus zwei verschiedenen Pfaden entstehen, die Fettsäuren und ihre Derivate oder Sterine und ihre Derivate produzieren. Keines der Systeme ist für die Untersuchung der Ernährungswissenschaften, bei der der Schwerpunkt auf die Struktur und Funktion der Lipide gelegt wird, völlig angemessen. Daher beschränken wir unsere Untersuchung der Lipide auf diejenigen, die für die menschliche Ernährung am relevantesten sind. 3 Klassifikation & Nomenklatur aus Perspektive der Ernährungswissenschaften - Humanernährung Fettsäuren Triacylglycerine, Diacylglycerine und Monoacylglycerine Phospholipide Sphingolipide Sterine (Cholesterin, Gallensäuren, Phytosterine) Lipoproteine lange moleküle von Fettsäuren monoacylgycerin phosphatgruppe 4 Klassifikation aus dem allgemeinen Verständnis Fette der Nahrung/ Diät Palmin Anwendung magerine öle Fette der Lebensmittel- industrie, Anwendung Fette in der Ernährungsberatung fettsäure In Richtung Ernährungswissenschaf ten, jedoch ist die Klassifikation unvollständig 5 Eigenschaften und Struktur – Fettsäuren 1 Fettsäuren sind die einfachsten unter den Lipiden. Die Struktur: Sie bestehen aus einer Kohlenwasserstoffkette (-CH) mit einer Methylgruppe (-CH3) an einem Ende und einer Carbonsäuregruppe (-COOH) am anderen Ende. säure COOh seite, wasser liebende seite Daher haben Fettsäuren ein polares, hydrophiles Ende und ein unpolares, hydrophobes Ende, das in Wasser unlöslich ist. (siehe Diagramm, nächste Folie) wasser abweisend Funktion (einfach): Sie sind lebenswichtig und aus der Fette der Nahrung liefern Fettsäuren die meisten Kalorien. 6 Abbildung 1. Fettsäure Wasserunlöslich wasserlösliche seite einfache bindungen sterinsäure, gesättigt beide haben die gleiche anzahl an C Atomen, der unterschied ist lediglich die Doppelbindungen Durch die Doppelbindung weniger H ungesättigt wegen doppelbindung Unterschied ist die anordnung der H das selbe molekül, Cis Form beides einfach ungesättigte Fettsäuren natürliche Fette mit doppebindung sind üblich in der cis Form 7 Eigenschaften und Struktur – Fettsäuren 2 4= Buttersäure Die Längen der Kohlenwasserstoffkette von Fettsäuren, die in Lebensmitteln und Körpergeweben vorkommen, variieren von 4 bis etwa 24 Kohlenstoffatomen. Die in der Natur am häufigsten vorkommenden Fettsäuren haben 18 Kohlenstoffatome. Klassifizierung: Die Fettsäuren können gesättigt (SFA), einfach ungesättigt (MUFA, 1 Kohlenstoff- Kohlenstoff mit einer Doppelbindung) oder mehrfach ungesättigt (PUFA, mit 2 oder mehr Kohlenstoff- Kohlenstoff-Doppelbindungen) sein. PUFAs von ernährungswissenschaftlichem Interesse können bis zu 6 Doppelbindungen aufweisen. je mehr doppelbindungen desto mehr biegung des Moleküls ensteht Struktur: Wo eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung vorhanden ist, besteht die Möglichkeit entweder einer cis- oder transgeometrischen Isomerie zu zeigen, die die molekulare Konfiguration und Funktionalität von Molekülen erheblich beeinflusst. (siehe Diagramm, letzte Folie) Das cis-Isomer führt zur Faltung und Biegung des Moleküls in eine U-ähnliche Orientierung. Das trans-Isomer verlängert das Molekül in eine lineare Form. Je mehr Kohlenstoff-Kohlenstoff-cis-Doppelbindungen innerhalb einer Kette auftreten, desto ausgeprägter ist der Biegeeffekt. Der Grad der Biegung spielt für die Struktur und Funktion von Zellmembranen eine wichtige Rolle. Die meisten natürlich vorkommenden ungesättigten Fettsäuren haben die cis-Konfiguration. Die trans-Form kommt in einigen natürlichen Pflanzenölen, in Milchprodukten sowie in Lamm- und Rinderfett als Ergebnis der Biohydrierung durch Wiederkäuerbakterien vor. 8 Eigenschaften und Struktur – Fettsäuren 3 – Anwendung - Lebensmittelindustrie Kommerziell: Trans-Fettsäuren können auch als Ergebnis einer partiellen Hydrierung kommerziell hergestellt werden. Die partielle Hydrierung, ein Verfahren, das üblicherweise bei der Herstellung von Frittierölen und kommerziellen Lebensmittelprodukten verwendet wird, dient dazu, Pflanzenöle bei Raumtemperatur zu verfestigen. Doppelbindungen mit cis-Orientierung, die bei diesem Verfahren nicht reduziert werden, bauen in die trans-Form, die energetisch stabiler ist, um. von cis Orientierung zu trans Form, es gewinnt ein H Die Hydrierung der Fettsäuren (Teil der Triacylglycerine) verändert den Schmelzpunkt und verleiht dem Produkt einen höheren Grad an Plastizität (Streichfähigkeit) und Härte, so dass es bei Raumtemperatur fest bleibt, was für Verbraucher und Lebensmittelhersteller wünschenswert ist. Höhere Frittiertemperaturen verringern die Fettaufnahme beim Kochen. Aufgrund von Gesundheitsbedenken ist die Verfügbarkeit von industriell hergestellten Transfettsäuren aus teilhydrierten Ölen in den letzten Jahren etwas zurückgegangen. 9  Nomenklatur – Fettsäuren – Δ-System Prüfungsfrage: Delta Notationssystem kurz und verständlicher, Notation ist eine Abkürzung der Chemischen Formel Linolsäure Das Delta-Notationssystem (Δ) wurde eingeführt, um die Kettenlänge der Fettsäuren sowie die Anzahl und Position eventuell vorhandener Doppelbindungen zu bezeichnen. Zum Beispiel beschreibt die Notation 18:2 Δ9,12 Linolsäure. Die erste Zahl, 18, steht für die Anzahl der 18 C Kohlenstoffatome, die folgende Zahl bezieht sich auf 7, 1, 1-1,1,1-1,4 die Gesamtzahl der Doppelbindungen und die hochgestellten Zahlen nach dem Delta-Symbol bezeichnen die Kohlenstoffatome, an denen die Doppelbindungen beginnen (vom Carboxylende der Fettsäure aus gezählt). 10 Nomenklatur – Fettsäuren – ω-System/ n- System Ein zweites Notationssystem lokalisiert die Position von Doppelbindungen an Kohlenstoffatomen, gezählt vom Methyl- oder ω -Ende der Kohlenwasserstoffkette. Zum Beispiel würde die Notation für Linolsäure 18:2 ω-6 lauten. Die Substitution des Omega- Symbols durch den Buchstaben n ist populär geworden. Dann würde die Notation 18:2 n-6 lauten. In diesem System wird die Gesamtzahl der Kohlenstoffatome in der Kette durch die erste Zahl angegeben, die Anzahl der Doppelbindungen durch die nächste Zahl, und die Stelle (Kohlenstoffatomzahl) der ersten Doppelbindung, die vom Methylende aus gezählt wird, wird durch die auf ω- oder n- folgende Zahl angegeben. Dieses Notationssystem berücksichtigt, dass Doppelbindungen in einer Fettsäure immer so lokalisiert sind, dass sie durch drei Kohlenstoffatome getrennt sind. Wenn Sie also die Gesamtzahl der Doppelbindungen und die Lage der ersten relativ zu einem Methylende (oder sogar auch dem Carboxylende) kennen, können Sie die Lage der verbleibenden Doppelbindungen bestimmen. 11 Einige natürlich vorkommende Fettsäuren 12 Einige natürlich vorkommende Fettsäuren https://courses.lumenlearning.com/suny-nutrition/chapter/2-33-fatty-acid-naming-food-sources/ CC LICENSE D CONTENT, SHARE D PREVI OUS LY Kansas S tate Universi ty Human Nutriti on Flexbook. Authored by: Brian Lindshield. Pro vi ded by: Kansas St at e Uni versit y. Located at: http:/ /goo.gl/ vOAnR. Li cense: CC BY : Attributio n 13 Auflistung PUFA – mehrfache ungesättigte Fettsäuren https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_unsaturated_fatty_acids 14 Einige natürlich vorkommende Fettsäuren 15 Fettsäurezusammensetzung: Fetten & Ölen Notiz Die Fettsäurezusammensetzung von wild gefangenem Lachs unterscheidet sich von der von Zuchtlachs, was auf die Unterschiede in der Ernährung zurückzuführen ist. Zuchtlachse werden häufig mit pflanzlichen Protein- und Fettquellen (Mais oder Sojaschrot) gefüttert. 16 Fettdefizient, -verlängerung & Essentielle Fettsäuren 1. Fettdefizient: Wenn Fett ganz aus der Ernährung ausgeschlossen wird, entwickelt sich ein Zustand, der durch verzögertes Wachstum, Dermatitis, Nierenläsionen und frühen Tod gekennzeichnet ist. 2. Struktur - Verlängerung: Fettsäureketten können durch die enzymatische Addition von zwei Kohlenstoffatomen am Carbonsäureende der Kette verlängert werden. 3. Essentielle Fettsäuren: Zwei ungesättigte Fettsäuren können im Körper nicht synthetisiert werden und müssen über die Nahrung aufgenommen werden. Diese essentielle Fettsäuren sind (1) Linolsäure (ω-6 , LA, linoleic acid) und (2) α-Linolensäure (ω-3, ALA, alpha linolenic acid) (siehe nächste Folie). 1. Dem Menschen fehlt das Enzym, das als Δ12- und Δ15-Desaturase bezeichnet wird und in diesen Positionen Doppelbindungen einbaut. 2. ω-3 Pfad: α-Linolensäure (ALA) kann zu Eicosapentaensäure (EPA), Docosapentaensäure (DPA) und Docosahexaenoicsäure (DHA) umgewandelt werden. 1. EPA, DPA und DHA sind bedingt essentielle Fettsäuren, in dem ausschreiend Zufuhr von ω-3 benötigt (Siehe F. 18) 3. ω-6 Pfad: Linolsäure (LA) kann zu Arachidonsäure (omega-6-Pfad) umgewandelt werden. 4. Bsp. n-3: Leinöl (Flachsöl) ist besonders reich an α –Linolensäure (ALA), während Fischöle gute Quellen für Eicosapentaensäure (EPA) und Docosahexaensäure (DHA) sind. Fisch und Meeresfrüchte (insbesondere fette Kaltwasserfische wie Lachs, Makrele, Thunfisch, Hering und Sardininen, Nüsse wie Leinsamen, Walnüsse und Chiasamen und Pflanzenöle wie Leinsamenöl, Walnußöl und Rapsöl sind reich an ω-3 Fettsäuren. 5. Bsp. n-6: Sojabohnen, Mais, Sonnenblumenöl, Nüsse und Fleisch, Geflügel, allgemein Fisch und Eier sind reich an ω-6 Fettsäuren. Achtung: Fälschlicherweise werden in einigen Texte, Bücher und Internetseite 17 die essentielle Fettsäure als ALA, EPA, DPA und DHA (alle omega-3) aufgelistet.  Vertiefung: https://lpi.oregonstate.edu/mic/other-nutrients/essential-fatty-acids ω-3/ n-3 versus ω-6/ n-6 Fettsäuren (Folie ist nicht Prüfungsrelevant) α-Linolensäure (ALA) Linolsäure (LA) Linolsäure (LA) α-Linolensäure (ALA) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fc/Naturesage_Omega-3_Metabolic_Pathway.jpg https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/58/EFA_to_Eicosanoids.svg Mammals are unable to synthesize the essential omega−3 fatty acid ALA and can only obtain it through diet. However, they can use ALA, when available, to form EPA and DHA, by creating additional double bonds along its carbon chain (desaturation) and extending it (elongation). Namely,ALA (18 carbons and 3 double bonds) is used to make EPA (20 carbons and 5 double bonds), which is then used to make DHA (22 carbons and 6 double bonds). The ability to make the longer- chain omega−3 fatty acids from ALA may be impaired in aging. In foods exposed to air, unsaturated fatty acids are vulnerable to oxidation and rancidity. Dietary supplementation with omega−3 fatty acids does not appear to affect the risk of death, cancer or heart disease. Furthermore, fish oil supplement studies have failed to support claims of preventing heart attacks or strokes or any vascular disease outcomes. 18 ω-3/ n-3 versus ω-6/ n-6 Fettsäuren Geschichte: Es wird hypothetisiert, dass unsere menschlichen Vorfahren Nahrungsmittel verzehrten, die gleiche Mengen an ω-3- und ω-6-Fettsäuren lieferten. Heute: Die Aufnahme von ω-3 ist sehr gering oder im Verhältnis zu ω-6 niedrig in natürlich vorkommenden Nahrungsmitteln, und im Allgemeinen ist unsere Ernährung von ω-6-Fettsäuren überwältigt. ω-6-Fettsäuren liefern 80-90% aller PUFA. ω-6-Fettsäuren findet weit verbreitete Verwendung, Bsp. Sojabohnenöl bei der Herstellung von Fertiggerichten und als Frittierölen in der Gastronomie, das kombiniert mit der relativ geringen Aufnahme von Fisch und anderen ω-3-Fettsäuren führt zu ein Missverhältnis. Ein Missverhältnis von ω-3 und ω-6 hat metabolische Konsequenzen, und dies ist ein wichtiges Feld im Studium der Ernährungswissenschaften. 19 Triacylglycerol - Triglyceride Das meiste Fettgewebe besteht aus Triacylglycerinen (alter Name: Triglyceride/ Triglyzeride). Strukturell setzen sie sich aus einem Trihydroxyalkohol, dem Glycerin, zusammen, an dem drei Fettsäuren durch Esterbindungen gebunden sind (bei der Bildung jeder Esterbindung wird ein Wassermolekül freigesetzt). Die Fettsäuren können alle gleich (einfaches Triacylglycerin) oder verschieden (gemischtes Triacylglycerin) sein. Die Fettsäuren in Triacylglycerin können alle gesättigt, alle einfach ungesättigt, alle mehrfach ungesättigt oder eine beliebige Kombination sein. Triacylglycerine liegen bei Raumtemperatur als Fette (fest) oder Öle (flüssig) vor, abhängig von der Art der Fettsäurekomponenten. Wenn Triacylglycerine im Fettgewebe energetisch genutzt werden, werden die Fettsäuren durch Lipasen vom Glycerin abgespalten und aus der Zell als freien (nicht veresterten) Form freigesetzt. 20  Phospholipide Phospholipide sind phosphathaltige Lipide, die die strukturelle Grundlage aller Zellmembranen, einschließlich der Membranen von Organellen innerhalb einer Zelle, bilden. Die Struktur: Glycerin (Glyzerin) bildet das strukturelle Rückgrat und Fettsäuren werden den ghttps://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/29/Phospholipid_Chemicalmakeup.pn Hydroxylgruppen an den sn-1- und sn-2-2-Positionen des Glycerins zugeordnet. Eine Phosphatgruppe ist an der sn-3-Position verestert und bildet die polare „Kopfgruppe“. (Phospholipide verwenden „sn“- Notation) Das häufigste Phospholipid in Säugetiergeweben ist Phosphatidylcholin, das die Hälfte der Phospholipide in Zellmembranen ausmacht. Es wird gefolgt von Phosphatdylethaolamin. Phopshatidylcholin in Lebensmittelqualität wird als Lecithin bezeichnet und kommerziell aus Eigelb und Sojabohnen hergestellt und als Emulgator bei der Herstellung fett- und wasserhaltiger Lebensmittel, wie Margarine und Schokolade, verwendet. In einigen Fällen ist die Verbindung zwischen Glycerinrückgrat und Fettsäuren anstelle von Ester-, Ether- oder Vinyletherbindungen, die als "Etherphospholipide" bezeichnet werden. Der thrombozytenaktivierende Faktor ist das am meisten untersuchte Etherphospholipid. Ein weiteres bekanntes Etherphospholipid ist das Plasmalogen, das in Herz und Gehirn vorkommt. Cholin-Plasmalogen macht bis zu 40% aller Phospholipide im Herzen aus, während Ethanolamin- Plasmalogen etwa 20% der Phospholipide im Gehirn ausmacht und in der Myelinscheide konzentriert ist. 21 Sphingolipide Sphingolipide finden sich in der Plasmamembran aller Zellen, die Konzentration ist im Zentralnervensystem am höchsten. Sphingolipide sind auf dem Aminoalkohol Sphinogosin anstatt auf Glycerin als strukturelles Rückgrat aufgebaut. Alle Sphingolipide haben eine Fettsäure, die an die Aminogruppe gebunden ist. Das einfachste Sphinolipid ist das Ceramid. Andere Sphingolipide sind auf Ceramid aufgebaut, wobei die Substituentenmoleküle an die terminale Hydroxylgruppe gebunden sind. Sphingomyelin wird gebildet, wenn dem Ceramid Phosphocholin zugesetzt wird, das in der Myelinscheide reichlich vorhanden und für die Funktion des Zentralnervensystems wichtig ist. (Aufgrund des Vorhandenseins von Phosphat kann Sphingomyelin auch als Phospholipid betrachtet werden) Cerebroside (Zerebroside) werden gebildet, wenn sich ein einzelnes Zuckermolekül, entweder Galactose (Galaktose) (Galactocereborside) oder Glucose (Glukose) (Glucocerebroside), an die terminale Hydroxylgruppe des Cerebrosids anlagert. Cerebroside befinden sich auf den Plasmamembranen, wo sie eine schützende Rolle spielen und als Isolator und Vermittler bei der korrekten Leitung von Nervenimpulsen fungieren. Ganglioside ähneln den Cerebosiden, mit der Ausnahme, dass sie mehrere an die terminale Hydroxylgruppe gebundene Zucker haben (mindesten 3 Zucker und eine davon ist Sialinsäure). Somit haben sie ein negativ geladenes Sialinsäuremolekül, das an die Oligosaccharidkette gebunden ist. Sie befinden sich auf der äußeren Oberfläche von Plasmamembranen hauptsächlich im Nervengewebe, wo sie als Marker bei der zellulären Erkennung und als Rezeptoren für bestimmte Hormone und Toxine, darunter das Cholera-Toxin, fungieren. 22 Sterine (Cholesterin, Gallensäuren, Phytosterine); Lipoproteine Sterine unterscheiden sich strukturell deutlich von anderen Lipidklassen. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Steroidkern mit vier Ringen und mindestens einer Hydroxylgruppe aufweisen, daher der Name Sterin (Steroidalkohol). Cholesterin ist das beim Menschen am häufigsten vorkommende Sterin. Es ist eine wichtige Vorstufe für viele wichtige körpereigene Steroide, darunter Gallensäuren, steroide Sexualhormone wie Östrogene, Androgene und Progesteron, die Nebennierenrindenhormone, und Vitamin D (Cholecalciferol). Gallensäuren und Gallensalze sind kritische Bestandteile der Galle, die im Dünndarm als Detergenzien fungieren, um Diätlipide für die Verdauung und Absorption zu emulgieren. Phytosterine sind in pflanzlichen Zellmembranen enthalten. Sie sind in Pflanzenölen, Hülsenfrüchten, Nüssen enthalten, während Obst und Gemüse eine niedrige Konzentration aufweisen. Lipoproteine - Lipide werden im Blut als Bestandteile hochorganisierter Lipid-Protein-Komplexe, die Lipoproteine genannt werden, transportiert. Chylomikronen sind eine Art von Lipoproteinen. Andere sind Lipoprotein sehr niedriger Dichte (VLDL), Lipoproteine mittlerer Dichte (IDL), Lipoprotein niedriger Dichte (LDL) und Lipoprotein hoher Dichte (HDL). Jede Lipoproteinklasse ist an Transport beteiligt, die als exogener (Nahrung/ Diät) Lipidtransport, endogener Lipidtransport und umgekehrter Cholesterintransport definiert werden können. 23 Aufgabe Übung Fassen Sie die Kerninhalte der VL 1 oder VL 2 oder VL 3 als MindMap vor und laden Sie im ILIAS hoch (jede Gruppe eine VL in Absprache, so dass jede VL erarbeitet wird) 25