Vitamine - chids.de · Heutige Definition • Vitamine sind: - Essenzielle, organische Verbindungen...

Vitamine

Chemie in der Schule: www.chids.de

Übersicht

1. Nahrung

2. Was ist ein Vitamin?

3. Klassifizierung

4. Wasserlösliche Vitamine

5. Fettlösliche Vitamine

6. Schulrelevanz


Nahrung• Aufgaben: Versorgung des Körpers mit …

… Betriebsstoffen (Energiegewinnung)

… Rohmaterial für Biosynthese

… essenziellen Nährstoffen

1. Nahrung

- Fettsäuren

- Vitamine

• Essenzielle Nährstoffe:

- Aminosäuren

- Spurenelemente


Heutige Definition• Vitamine sind:

- Essenzielle, organische Verbindungen

- Können im Stoffwechsel jedoch nicht (bzw. nicht in ausreichendem Maße) hergestellt werden

• Zudem:

- Oft beteiligt an katalytischen oder steuernden Funktionen

Geringe Mengen ausreichend



Ursprung• 1911: Casimir Funk isoliert ein Amin aus ungeschältem

Reis, vermutet Wirksamkeit gegen Beriberi „Vital amine“

• Oft Konstitution unbekannt daher Kennzeichnung mit Buchstaben


Vorstufen von Vitaminen, die erst im Organismus in diese überführt und damit aktiv werden.

• Bekanntestes Beispiel: β-Carotin = Provitamin A

• Provitamine:


Einteilung der VitamineVitamine

WasserlöslicheVitamine

FettlöslicheVitamine

Retinol

D-Vitamine

Tocopherole

K-Vitamine

B-Vitamine

Ascorbinsäure

Nicotinsäure/-amid

Pantothensäure

Folsäure

Biotin

3. Klassifizierung


Beriberi• 19. Jh.: gehäuftes Auftreten von

Beriberi bei Soldaten/Gefangenen in holländisch Ostindien

• Symptome:- Teilnahmslosigkeit, Reizbarkeit,

Appetitlosigkeit- Zittern, Nervenlähmungen- Störungen des Herz-Kreislauf-Systems

Herzversagen

4.1 Thiamin (Vitamin B1)


Geschichte des Thiamins• 1892: Takaki erkennt Einfluss der Ernährung auf Beriberi

Ernährungsrichtlinien bei der Marine


• 1897: Fütterungsexperimente an Hühnern durch Christiaan Eijkman

Nobelpreis für Medizin 1929

• 1926: Isolation von Thiamin aus Reis

• 1936: Synthese des Thiamins


Thiamin4.1 Thiamin (Vitamin B1)

• Vorkommen:Hülsenfrüchte, Weizenkeimlinge, Erdnüsse, Bierhefe, Schweinefleisch

• Empfehlung: 1,0 - 1,3 mg/Tag 240 g Haferflocken

• Mangelkrankheit: Beriberi

• Überdosierung: > 200 mg/Tag

Cl-

N

NH3C

NH2

N

S

CH3

OH


Versuch 1: Halbquantitativer Thiaminnachweis

N

N


NH3C

N

S

CH3

C2H4OH

Cl-

H H

N

N NH3C

N

S

CH3

C2H4OH

+2

Thiochrom

2 [Fe(CN)6]3-

2 [Fe(CN)6]4-

+3

+2

+ OH-

N

N NH3C

N

S

CH3

C2H4OH

H

0

- H2O- Cl-

+ OH-

- H2O- Cl-

N

N NH3H3C

N

S

CH3

C2H4OH

Cl-

Cl-

Thiaminchlorid-hydrochlorid

- 2 H+


Einfluss der Lebensmittelverarbeitung auf den Thiamingehalt


Mehl-Typ Gehalt an Thiamin(in mg/100 g)

ganzes Korn 0,48405 0,06550 0,11

1050 0,43

• Thiamingehalt im Mehl abhängig vom Ausmahlungsgrad

• Ausmahlungsgrad: Menge des Mahlproduktes in Bezug auf die Menge des eingesetzten Getreides


Biochemische Wirkung• Phosphorylierung Thiamindiphosphat (TPP)

N

N

NH2

H3C

N

S

CH3

H2C

H2C O P O P O

O O

O O


• TPP: katalytischer Cofaktor der Pyruvat-Dehydrogenase

N

C

S

CH3

R1

R2

C

C

CH3

HO

O OC

COO

CH3

O

N

S

CH3

R1

R2

H

TPP

N

C

S

CH3

R1

R2

C

H3C

HO - CO2

Hydroxyethyl-TPP

N

CS

CH3

R1

R2 + H+


Riboflavin

N

N

N

NH

H3C

H3C

O

O

CH2

OHH

OHH

OHH

CH2OH

4.2 Riboflavin (Vitamin B2)

• Verwendung:Vitamin-Präparate, Farbstoff E 101

• 1932: Gewinnung von Riboflavin aus Molke, Eiern und Pflanzen

• 1934: Strukturaufklärung und Synthese

• Vorkommen:Milch, Milchprodukte, Gemüse

• Empfehlung: 1,2 – 1,5 mg/Tag0,9 L Milch


Versuch 2: Reduktion und Reoxidation von Riboflavin


Reduktion

S2O42-

(aq) + 2 OH-(aq) 2 SO3

2-(aq)

+3 +4

Oxidation

Oxidation

Reduktion

½ O2 (g/aq)H2O0-2

N

N

N

NH

H3C

H3C

O

O

CH2

OHH

OHH

OHH

CH2OH

+2

+3

Riboflavin

N

N

N

NH

H3C

H3C

O

O

CH2

OHH

OHH

OHH

CH2OH

H

H

+1

+2

Leukoform


Biochemische Wirkung

N

N

N

NH3C

H3C

H

O

O

CH2

C

C

C

CH2

OHH

OHH

OHH

O

PHO

O

O P O

O

O

CH2

N

NN

N

NH2

O

OHOH

HH

HH


• Wirkform: FMN und FAD (Coenzyme von H-übertragenden Flavinenzymen)

Flavin-Adenin-dinucleotid (FAD)

FADH2

FAD

Fumarat

Succinat

• Beispiel: Oxidation von Succinat im Citratzyklus


L-Ascorbinsäure4.3 L-Ascorbinsäure (Vitamin C)

• Vorkommen:Obst und Gemüse

• Empfehlung: 100 – 150 mg/Tag190 g Zitrusfrüchte

• Mangelkrankheit: Skorbut

• Name: Säure + antiscorbutische Wirkung• Allgemeines:

- 4 Stereoisomere- Optisch aktiv- Lebensmittelzusatzstoff E 300

∗

O

HO

HO

C∗ HHO

CH2OH

O


Eigenschaften der L-Ascorbinsäure

• Säureeigenschaften:

4.3 L-Ascorbinsäure (Vitamin C)

O

HO

HO

C HHO

CH2OH

O

+ H2O- H3O+

O

HO

O

C HHO

CH2OH

O

O

O

O

C HHO

CH2OH

O

+ H2O- H3O+

pKs1 = 4,2

• Redoxeigenschaften

pKs2 = 11,6


Versuch 3: L-Ascorbinsäure als Antioxidans

S

N

NNCl-

H3C

CH3

CH3

CH3

Reduktion:+ 2 H+

+ 2 e-

S

N

NNH3C

CH3

CH3

CH3

H

H

Cl-

Methylenblau Leukoform

+4 +2

O

HO

O

O

CH2OH

OH

O

O

O

O

CH2OH

OH

- H+

- 2 e-

Oxidation:

Ascorbat Dehydroascorbinsäure

+1 +1 +2 +2



Skorbut• Mittelalter: Skorbut Haupt-Todesursache bei Seeleuten

• Symptome:– Zahnfleischbluten und Zahnausfall– Anfälligkeit gegen Infektionskrankheiten– Schlechte Wundheilung– Fieber

Tod durch Herzschwäche


• 1752: James Lind findet Behandlungsmethode (frisches Obst)


Biochemische Wirkung• Kollagen: Hauptprotein im Bindegewebe

– Häufige Aminosäure: 4-Hydroxyprolin– Biosynthese: Prokollagen (Prolin) Hydroxylierung


N

C

HH

O

+ O2 +

COO

CH2

CH2

C

COO

O

Prolin-Rest α-Ketoglutarat

Prolin-Hydroxylase

+ + CO2

N

C

OHH

O

4-Hxdroxyprolin-Rest

Succinat

COO

CH2

CH2

C

O O

• Prolin-Hydroxylase: aktives Zentrum Fe2+

+ Ascorbat


Versuch 4: Quantitative Vitamin C-Bestimmung

N

OO

Cl

Cl

Na+

Reduktion:

2,6-Dichlorphenolindophenol-natrium

+2

+2

NH

OHO

Cl

Cl

Na+

Leukoform

+1

+1

- H+

- 2 e-

Oxidation:

Ascorbat Dehydroascorbinsäure

+ 2 H+

+ 2 e-

+ H+

N

O

Cl

Cl

OH

2,6-Dichlorphenolindophenol-säure



Versuch 4: Quantitative Vitamin C-Bestimmung

• 2,6-Dichlorphenolindophenol-Lösung (DCPIP):

Konzentration: c(DCPIP) = 1,27 · 10-3 mmol/mL

Titer: t =

Blindwert: VBlind = mL

• Gehaltsbestimmung:

n(Asc) = n(DCPIP)

= c(DCPIP) · t · (V(DCPIP) – VBlind) · 250

m(Asc) = n(Asc) · M(Asc)



Retinol

• Vorkommen: Fleisch, Fisch, Eier, Butter

• Empfehlung: 0,8 – 1,0 mg/Tag 3 g Schweineleber

• Unterversorgung: trockene Haut, eingeschränktes Sehvermögen, Wachstumsstörungen

• Überdosierung: > 3 mg/Tag

Erbrechen, Kopfschmerz, Wucherungen, Missbildungen, …

CH2OH

5.1 Retinol (Vitamin A)


Versuch 5: Carr-Price-ReaktionH3C CH3

CH3

C

CH3 CH3

H H

O

H H

H

SbCl

ClCl

- [SbCl3OH]-


H3C CH3

CH3

C

CH3 CH3

H H

H

H

H3C CH3

CH3

C

CH3 CH3

H H

H

H

Blau

H3C CH3

CH3

C

CH3 CH3

H H

O

H H

H

+ SbCl3

Retinol


Funktion des 11-Z-Retinal beim Sehprozess

• Oxidation von Retinol zum 11-Z-Retinal


H3C CH3

CH3

CH3

H3C

OH11-Z-Retinal

H2N C O

NH

+

Opsin

Rhodopsin N C O

NHH3C

H3C CH3CH3

h·ν

λmax= 500 nm


Funktion des 11-Z-Retinal beim Sehprozess

N C O

NHH3C

CH3CH3 CH3


h·ν

H3C CH3CH3 CH3 O

HH2N C O

NH

+

all-E-Retinal Opsin

11-Z-Retinal

λmax= 500 nm


Provitamine A: Carotinoide

β-Carotin

5.2 β-Carotin (Provitamin A)

• Vorkommen:Möhren, Paprika, Tomaten, Spinat, …

• Empfehlung: 2 – 4 mg/Tag 25 g Möhren

• Überdosierung:- 30 Tage lang mehr als 30 mg/Tag

Gelbfärbung der HautChemie in der Schule: www.chids.de

Provitamine A: Carotinoide• Historisches:

– 1826: Extraktion von β-Carotin aus Möhren

– 1930: Ermittlung der Konstitution durch Karrer

Nobelpreis für Chemie 1937

– 1950: Publikation der Synthese

• Verwendung:

– Gelber Lebensmittelfarbstoff E 160a

– Vitamin A-Vorstufe in der Pharmaindustrie

– Antioxidans



Versuch 6: β-Carotin als Radikalfänger

C C

I

I I

I

C C

I

I

I

+ I

Radikalstart:h·ν

Fortsetzung:

+ IC C

I

I I

I+ I2

violettC C

I

I

I



Versuch 6: β-Carotin als RadikalfängerRadikalfänger:

+ I

I H

I H

I H


+ I


Tocopherole

HO

H3C

CH3

CH3

O

H3C H HH3C

CH3

CH3CH3

5.3 Tocopherole (Vitamin E)

• Vorkommen:Speiseölen, Nüssen, Margarine

• Empfehlung: 12 – 14 mg/Tag 10 g Weizenkeimöl

• Überdosierung:bei Aufnahme >800 mg: Behinderung des Zusammenballens der Blutplättchen

* **


Schulrelevanz• Thema „Vitamine“ nicht im Lehrplan berücksichtigt

• Durchführung möglich zu den Themen:

– Lebensmittelfarbstoffe (13.2) Riboflavin, β-Carotin

– Lebensmittelzusatzstoffe (13.2) L-Ascorbinsäure

– Quantitative Bestimmung von Säuren in Lebensmitteln(13.1) L-Ascorbinsäure-Bestimmung

6. Schulrelevanz


Zusammenfassung & Ausblick• Linus Pauling:

– Empfohlene Tagesdosis an Vitamin C: 10 g

• Allgemein:

– Ausgewogene Ernährung liefert alle notwendigen Vitamine in ausreichender Menge

Vitaminpräparate oft überflüssig

– Ausnahme: Folsäure


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