Biologie-Challenge. 7 Makronährstoffe

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Mag.^a Sabine Reitböck Bio-Challenge „Makronährstoffe“ 1

Biologie-Challenge

Förderung interessierter & begabter SchülerInnen

7 Makronährstoffe

Nährstoffe werden in Makro- und Mikronährstoffe (Vitamine, Mineralstoffe) unterteilt. Dieses Skript beschäftigt sich vorwiegend mit den Makronährstoffen.

1. Kohlenhydrate (Saccharide)

Kohlenhydrate stellen mengenmäßig den größten Anteil der organischen Substanz auf der Erde dar. Sie werden vorwiegend durch Fotosynthese gebildet, sind also pflanzlichen Ursprungs. Sie sind als Nahrungs- und

Reservestoffe bedeutsam und erfüllen weitere wichtige Funktionen als:

• Bestandteil der Nucleinsäuren (Ribose in der RNA, Desoxyribose in der DNA)

• Stütz- und Gerüstsubstanz (z.B. Cellulose)

• Bestandteil der Glykoproteine und Glykolipide in der Zellmembran.

Nachfolgend konzentrieren sich die Ausführungen aber primär auf jene Kohlenhydrate, die den Nährstoffen zuzuordnen sind. Es wird die Abkürzung KH verwendet. KH werden mit der Endung -ose gekennzeichnet.

a. Chemischer Aufbau

KH sind aus den Elementen Kohlenstoff und den Elementen des Wassers (Wasserstoff und Sauerstoff) aufgebaut, daher auch der Name. Die Summenformel aller KH geht auf das Verhältnis dieser drei Elemente zurück: Cn(H2nOn )

Ein bekanntes Beispiel ist die Glucose (Traubenzucker): C6H12O6

Es gibt aber auch Substanzen, die nicht zu den KH zählen und diese Summenformel aufweisen: C2H4O2 (Essigsäure). KH haben aber mindestens drei C-Atome.

KH werden in Aldosen und Ketosen eingeteilt, abhängig davon, ob sie eine Aldehyd- oder Ketogruppe aufweisen. Eine Aldehydgruppe ist eine endständige COH-Gruppe. Bei den Ketosen liegt eine Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung am zweiten

Kohlenstoffatom vor.

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Einteilung der KH nach Anzahl der C-Atome¹:

Anzahl C-Atome Bezeichnung Beispiele

3 Triosen Zwischenprodukte der Glykolyse 4 Tetrosen Erythrose (im Pentosephosphatweg)

5 Pentosen Ribose, Desoxyribose (Bedeutung für RNA und DNA)

6 Hexosen Glucose, Fructose, Galaktose (Bedeutung als Makronährstoff) Es gibt auch Einfachzucker mit sieben und acht C-Atomen, sie spielen – ähnlich wie die Triosen – eine Rolle bei Stoffwechselvorgängen.

1 Karlson u.a.: Kurzes Lehrbuch der Biochemie. S. 225f.

Abbildung 1: Vergleich Aldose (links Glucose) und Ketose (rechts Fructose). (Quelle: Wikipedia)

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Mag.^a Sabine Reitböck Bio-Challenge „Makronährstoffe“ 2 Zu den bekanntesten Monosacchariden, also Einfachzuckern, zählen Glucose (Traubenzucker), Fructose (Fruchtzucker) und Ribose. Von Bedeutung für die Bildung von Disacchariden ist aber auch die Galactose (Schleimzucker).

Disaccharide (Zweifachzucker) bestehen aus zwei Monosacchariden, die unter Wasserabspaltung miteinander verbunden wurden.

Beispiele hierfür sind:

Disaccharid Zusammengesetzt aus je einem Molekül…

Saccharose: Rohr- und Rübenzucker Glucose und Fructose Maltose: Malzzucker zwei Molekülen Glucose Lactose: Milchzucker Glucose und Galaktose

Abbildung 3: Saccharose (Quelle: Wikipedia, verändert)

Polysaccharide (Vielfachzucker) setzen sich aus vielen (zwischen 100 und 1000en) Monosacchariden (auch Monomere) zusammen. Man unterscheidet Homo- und Heteroglycane.

Homoglycane bestehen aus gleichartigen Monomeren, Heteroglycane hingegen aus verschiedenen Monomeren.

Zu den bekanntesten Homoglycanen zählen Cellulose und Stärke, beide sind aus Glucose aufgebaut. Bei der Stärke lassen sich dabei zwei verschiedene Strukturen erkennen: 20 bis 30 % Amylose mit eher langkettigen Glucoseketten und 70 bis 80 % Amylopektin mit verzweigten Glucoseketten. ²

Weitere bekannte Polysaccharide sind Chitin (bspw. Außenskelett der Insekten) und Glykogen.

Glykogen wird auch als „Leberstärke“ bezeichnet und stellt die Speicherform der Glucose im menschlichen Körper dar. Neben der Leber wird Glykogen auch in der Skelettmuskulatur gespeichert und dient bei Bedarf als Glucose zur Energiebereitstellung. Beispiele für Heteroglycane sind Heparin, ein Gerinnungshemmstoff oder auch Agarose, welche in der Gelelektrophorese eingesetzt wird.³

2 https://de.wikipedia.org/staerke

3 https://de.wikipedia.org/wiki/Polysaccharide

Abbildung 2: Zuckerrüber, Zuckerrohr, (Quelle: Wikipedia)

Abbildung 4 Ausschnitt Amylopektinpolymer (Quelle: Wikipedia)

Abbildung 5 Ausschnitt Amylosepolymer (Quelle: Wikipedia)

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Abbildung 6: Struktur der Kohlenhydrate. Oligosaccharide wie z.B. Raffinose besitzen max. 10 Monomere

b. Eigenschaften

Mono- und Disaccharide schmecken im Gegensatz zu den Polysacchariden süß und sind wasserlöslich.

Polysaccharide sind meist wasserunlöslich, können aber Wasser aufnehmen und quellen. Diese Eigenschaft erklärt ihre Bedeutung als Ballaststoffe.

c. Vorkommen

Mono- und Disaccharide bspw. in Obst und Gemüse, Honig, Lactose in Milch und Milchprodukten.

Polysaccharide in Getreide und Getreideprodukten (wobei Vollkornprodukte bevorzugt konsumiert werden sollen), Kartoffeln und Reis.

2. Fette

Fette sind wichtige Geschmacksträger und beispielsweise notwendig, um fettlösliche Vitamine aufnehmen zu können. Als Depotfett stellen sie nicht nur eine geeignete Speicherform für Energie dar, im Körper sorgen sie für Kälteschutz und Schutz vor Stoß/Druck auf empfindliche Organe, wie zum Beispiel den Nieren.

Fette sind Ester aus einem dreiwertigen Alkohol (Glycerol) und bis zu drei Fettsäuren. Es können gleiche oder verschiedene Fettsäuren mit Glycerol eine Bindung eingehen. Als Ester wird die

Verbindung eines Alkohols mit einer organischen Säure unter Wasserabspaltung bezeichnet. Statt Glycerol findet sich in der Literatur häufig auch die Bezeichnung Glycerin.

Dies ist zulässig, allerdings ist die Bezeichnung Glycerol aufgrund der Endung -ol genauer.

Bei den Fettsäuren lassen sich gesättigte (nur Einfachbindung), einfach ungesättigte (eine C=C- Doppelbindung), zweifach und dreifach ungesättigte Fettsäuren unterscheiden.

Je nach Anzahl der Fettsäuren unterscheidet man Mono-, Di- und Triacylglycerol (früher Triglycerid).

Abbildung 7 Triacylglycerol. Der blau markierte Fettsäurerest ist gesättigt, der grün markierte ist einfach, der rot markierte dreifach ungesättigt. Im Zentrum befindet sich schwarz das Glycerol. (Quelle:

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Mag.^a Sabine Reitböck Bio-Challenge „Makronährstoffe“ 4 b. Eigenschaften

Abhängig vom Schmelzpunkt sind Fette bei Raumtemperatur fest oder flüssig. Bei festen Fetten überwiegt der Anteil an gesättigten Fettsäuren mit regelmäßig verlaufenden C-Atomen.

Sie können sich eher parallel anordnen, aneinander lagern und durch die zwischen diesen Ketten wirkenden Van-der-Waals- Bindungen einen festen Aggregatzustand einnehmen.

Öle besitzen einen hohen Anteil ungesättigter Fettsäuren. Ihre Doppelbindungen unterbrechen die regelmäßige Anordnung der C-Atome und verhindern damit einen festen

Aggregatzustand.

Fette sind hydrophob und nicht in Wasser löslich, hingegen in organischen Lösungsmitteln wie zum Beispiel Benzin sind sie löslich.

c. Vorkommen

Tierische Fette in Fisch, Fleisch und Wurstprodukten, Butter und Milchprodukten (v.a. fette Käsesorten).

Tierische Fette enthalten überwiegend gesättigte Fettsäuren.

Pflanzliche Fette in Ölen, in fester Form z.B. als Kokosfett, Palmfett oder in industriell hergestellten Margarineprodukten.

Tierische Fette enthalten überwiegend gesättigte Fettsäuren, pflanzliche einen hohen Anteil an einfach bzw.

mehrfach ungesättigten Fettsäuren, von denen einige essenziell sind.

3. Eiweiße (Proteine)

Proteine erfüllen im menschlichen Körper zahlreiche Aufgaben beispielsweise als wichtige Hormone,

Transportmoleküle und Enzyme. Anders als die Kohlenhydrate und Fette zählen sie nicht zu den Betriebsstoffen, werden also nicht vorranging zur Energiebereitstellung herangezogen. Proteine zählen zu den Baustoffen, neben der Muskulatur sind sie auch wichtige Bauelemente in Biomembranen und im Cytoskelett.

Die kleinste Baueinheit der Proteine sind die Aminosäuren.

Aminosäuren besitzen (mindestens) eine Aminogruppe (NH2) und eine Carboxylgruppe (COOH). Sie unterscheiden sich durch ihre Seitenketten, die mit einem „R“ für Rest gekennzeichnet werden.

20 verschiedene Aminosäuren werden vergleichbar wie die Buchstaben des Alphabets in unterschiedlicher Anzahl und Reihenfolge aneinandergereiht. Als Makromolekül besitzt ein Protein mehrere 100 bis 1000e Aminosäuren.

Von den 20 Aminosäuren sind 8 essenziell (Val, Leu, Ile, Phe, Trp, Thr, Met, Lys), können also nicht selbst vom Körper hergestellt werden und müssen mit der Nahrung aufgenommen werden.

Als 21. Aminosäure kann auch Selencystein statt dem normalen Cystein für die Bildung von Proteinen verwendet

Abbildung 9 Übersicht Aminosäuren (Quelle:

Wikipedia, verändert)

Abbildung 8 Beispiel für ein Triglycerid, das reich an ungesättigten Fettsäure-Resten ist. (Quelle: Wikipedia)

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Mag.^a Sabine Reitböck Bio-Challenge „Makronährstoffe“ 5 werden sowie als 22. Aminosäure Pyrrolysin (bei manchen Bakterien und Archaeen).⁴

Die Aneinanderreihung der Aminosäuren erfolgt im Zuge der Proteinbiosynthese an den Ribosomen im Zellplasma. Es entsteht die Aminosäuresequenz (-kette, Polypeptidkette), welche als Primärstruktur der Proteine gilt. Durch Disulfid- und Wasserstoffbrückenbindungen bilden sich die Sekundärstruktur (α-Helix, β- Faltblatt), Tertiär- und Quartärstruktur. Ein funktionierendes Protein liegt erst in der Tertiär- bzw.

Quartärstruktur (Proteinkomplex aus gleichen oder verschiedenen Polypeptidketten) vor.

Nach ihrer äußeren Form lassen sich Proteine in globuläre (kugelige) und fibrilläre (langgestreckte) Proteine einteilen. Zu den globulären Proteinen zählen beispielsweise das Hämoglobin (Transport von CO2 und O2, enthalten in den Erythrozyten) sowie das Myoglobin (Sauerstoffspeicherung in der Muskelzelle). Beispiele für fibrilläre Proteine sind Aktin und Myosin in der Muskelzelle.

Proteine können kovalent mit Kohlenhydraten, Fetten, Metallionen oder Phosphaten als sogenannte prosthetische (hinzutretende) Gruppe verbunden sein. Man unterscheidet je nach prosthetischer Gruppe:

Glyco-, Lipo-, Metallo- und Phosphoproteine.⁵

4 https://de.wikipedia.org/wiki/Aminos%C3%A4uren

5 Karlson u.a.: Kurzes Lehrbuch der Biochemie. S. 24

Abbildung 11 Übersicht Aktin und Myosin in der Muskelzelle (Quelle: Wikipedia, verändert) Muskelfaser

Myofibrille

Sarkomer

Abbildung 10 Primärstruktur, Sekundärstruktur (α-Helix, β-Faltblatt), Tertiärstruktur (Myoglobin), Quartärstruktur (Hämoglobin). (Quelle: Wikipedia, verändert)

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Mag.^a Sabine Reitböck Bio-Challenge „Makronährstoffe“ 6 b. Eigenschaften

Proteine können bei Hitze- oder Säureeinwirkung denaturieren (gerinnen), die funktionierende Proteinstruktur geht dabei verloren, die Primärstruktur, also die Abfolge der Aminosäuren bleibt aber unverändert. Auch durch den Einfluss von Basen, Metallionen oder durch eine hohe Salzkonzentration kann eine Denaturierung ausgelöst werden. Dieser Vorgang ist zumeist irreversibel (außer bei sehr langsamen Renaturierungen im Labor) und kann beispielsweise beim Kochen von Eiern oder Braten von Fleisch beobachtet werden. Durch die Stoffwechseltätigkeit der Milchsäurebakterien kann Milch gerinnen.

Die Proteine der Erythrozyten gerinnen bereits ab einer Körpertemperatur von 42°C. Hohes Fieber kann für den Menschen lebensgefährlich werden. Der Anstieg der Körpertemperatur im Erkrankungsfall ist aber wichtig, da viele dies die Vermehrungsrate von Bakterien beeinflusst.

Fibrilläre Proteine, zum Beispiel im Bindegewebe oder der Muskulatur, sind in Wasser meist schlecht löslich oder unlöslich. Die meisten anderen Proteine, globuläre Proteine wie beispielsweise Enzyme sind meist gut wasserlöslich.

c. Vorkommen

Proteinreiche tierische Lebensmittel sind Fleisch, Fisch, Eier, Milch und Milchprodukte.

Soja, Hülsenfrüchte (Linsen, Kichererbsen, Erbsen…), Getreide, Buchweizen, Quinoa sind Beispiele für pflanzliche Proteinquellen.

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AUFGABEN

Hinweis: Die Aufgaben sind entsprechend der Inhalte des Skriptes angeordnet. Es sollte aber aufgrund der benötigten Zeit mit dem letzten Versuch zur gesunden Ernährung begonnen werden!

1. Nachweis Kohlenhydrate:

a) Stärkenachweis Material:

• Mehl, Kartoffel (roh und gekocht)

• 1 Reagenzglas, 1 Messer

• Kalium-Jodid-Lösung

• Bunsenbrenner oder Campingkocher

Durchführung:

• Man gibt etwas Mehl in ein Reagenzglas, fügt kaltes Wasser hinzu und schüttelt das Reagenzglas leicht.

Anschließend werden einige Tropfen der Kalium-Jodid-Lösung zugefügt.

• Eine Kartoffel wird auseinandergeschnitten und die Oberfläche mit Kalium-Jodid-Lösung beträufelt.

Hinweis:

Durch Erhitzen kann der Farbumschlag im Reagenzglas wieder rückgängig gemacht werden.

b) Nachweis Monosaccharide mit Fehling-Reaktion Material:

• Fruchtmolke

• Gaskartusche / Bunsenbrenner

• 3 Reagenzgläser, Reagenzglasständer, Reagenzglashalter

• Fehling-Lösung 1, Fehling-Lösung 2, verdünnte HCl, Schutzbrille

Durchführung:

• 2 ml Fehling-Lösung 1 mit 2 ml Fehling-Lösung 2 in einem Reagenzglas mischen, bis eine klare dunkelblaue Farbe erkennbar ist.

• Gib etwas Molke OHNE HCl in ein Reagenzglas, mische es mit ein paar Tropfen des Fehling-Gemisches und erwärme es vorsichtig: Reagenzglas leicht schräg und die Öffnung nicht in Richtung zu sich selbst oder zu einer anderen Person halten (Siedeverzug!) Stellt sich ein Farbumschlag ein? Beschreibe das Ergebnis!

Wenn nicht:

• Gib etwas Molke in ein Reagenzglas, dazu ein paar Tropfen HCl und erhitze das Ganze. Anschließend kurz abkühlen.

• Gib einige Tropfen des Fehling-Gemisches in das Reagenzglas mit der Molke UND HCl, erhitze es wieder vorsichtig – stellt sich ein Farbumschlag ein? Beschreibe diesen!

Basisinfo: Bei der Käseherstellung entsteht eine feste Phase, die im Wesentlichen aus Milchfett und Milcheiweiß besteht und eine flüssige Phase, die Molke. In der Molke befinden sich die wasserlöslichen Bestandteile der Milch, neben Mineralstoffen und Vitaminen auch ca. 4 % Milchzucker. Da es sich bei Lactose um ein Disaccharid handelt, muss HCl hinzugefügt werden, um es aufzuspalten. In Fruchtmolke ist auch Fructose enthalten. Monosaccharide lassen sich durch die Fehling-Probe nachweisen. Die

Fehlinglösungen enthalten Kupfer, dieses bildet Kupferoxid mit Einfachzuckern, wenn diese erhitzt werden.

Sicherheitshinweis

Das Tragen einer Schutzbrille ist bei Versuchen mit Fehlingschen Lösungen obligatorisch. Nach der Arbeit sind die Hände gründlich zu waschen!

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Mag.^a Sabine Reitböck Bio-Challenge „Makronährstoffe“ 8 2. Nachweis Proteine:

a) Gerinnung von Proteinen z.B. Milch Material:

4 Reagenzgläser, Reagenzglasgestell, Milch, Zitronensaft, Essig, verdünnte HCl, Wasser

Durchführung:

• Reagenzgläser ca. 1/3 mit Milch befüllen

• Verschiedene Reagenzien jeweils zu einem Reagenzglas hinzufügen und Milch so zum Gerinnen bringen.

b) Nachweis mit Biuret-Probe Material:

4 Reagenzgläser, Reagenzglasgestell, Milch, Topfen, Eiklar, Wasser Natronlauge, Fehling-Lösung 1, Schutzbrille

Durchführung:

• Topfen mit etwas Wasser verdünnen.

• Reagenzgläser mit einem der zu untersuchenden Lebensmittel befüllen (ca. 1 cm hoch)

• Ein Reagenzglas wird mit Wasser ebenfalls ca. 1 cm hoch befüllt.

• Zu jedem Reagenzglas werden einige Tropfen Natronlauge hinzugefügt und gut geschüttelt.

• Anschließend werden jeweils 7 bis 8 Tropfen Fehling-Lösung 1 zugefügt und geschüttelt.

• Notiere den Farbumschlag!

c) Gerinnung von Proteinen – Frischkäsezubereitung (optional, gemeinsam für die ganze Gruppe) Material:

• 1 L Milch (auch H-Milch)

• Zitronensaft/Essig

• Topf zum Erhitzen der Milch

• Holzlöffel

• Eine größere Schüssel

• Feines Sieb ODER sauberes Geschirrtuch und ein Nudelsieb, in das das Tuch gelegt wird

• Salz und Kräuter zum Würzen des Frischkäses

Zubereitung:

• Milch im Topf erhitzen, gut umrühren

• In die heiße Milch unter Rühren so lange Zitronensaft oder Essig hinzugeben, bis das Milcheiweiß gerinnt.

• Es entsteht dabei die flüssige Molke und das feste Milcheiweiß.

• Vorsicht – es darf dabei nur sehr langsam und sehr vorsichtig gerührt werden, da ansonsten der

„Käsebruch“ zu feinkörnig wird und sich nicht mehr abtrennen lässt.

• Noch heiß wird die Masse durch ein Tuch, das in einem Sieb liegt, gegossen, oder durch ein sehr feines Sieb.

• Das Abtropfen des „Käsebruchs“ benötigt ein kurze Weile.

• Die auslaufende, abgekühlte Molke kann pur oder z.B. mit Fruchtsaft gemischt getrunken werden!

ABER NUR, WENN ZITRONENSAFT VERWENDET WURDE

• Frischkäse nach Belieben mit Salz, Pfeffer und Kräutern (z. B. mit Schnittlauch, Knoblauch, Paprika...) würzen.

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Mag.^a Sabine Reitböck Bio-Challenge „Makronährstoffe“ 9 3. Nachweis Fette:

a) Fettfleckprobe Material:

Papier, Wasser, verschiedene Lebensmittel (Öl, Butter, Margarine, Nüsse…)

Durchführung:

• Fette bzw. fetthaltige Lebensmittel hinterlassen dauerhafte Flecken auf einem Stück Papier.

• Tropfe bzw. reibe die Fette bzw. die Lebensmittel auf ein Stück Papier und kreise diese Proben mit einem Stift ein. Wiederhole diesen Vorgang mit einem Tropfen Wasser als Vergleichsprobe.

b) Unterschied Butter-Margarine (kann auch als Demonstrationsversuch gezeigt werden) Material:

Waage, Wasserkocher

50 g Butter und 50 g Margarine (oder die etwa gleiche Menge nach Augenmaß genügt auch) 2 Bechergläser

Wanne für heißes Wasserbad 2 Reagenzgläser, Reagenzglasgestell

Durchführung:

• Butter und Margarine abwiegen und jeweils in eines der beiden Bechergläser geben.

• Wasser mit dem Wasserkocher erhitzen und in die Plastikwanne gießen.

• Bechergläser in das heiße Wasser stellen bis die Butter bzw. die Margarine geschmolzen ist.

• Die nun flüssigen Fette in jeweils ein Reagenzglas gießen.

Versuchsauswertung:

Skizziere das Ergebnis der verflüssigten Fette im Reagenzglas!

Beschreibe das Ergebnis!

Versuche das Ergebnis mit Hilfe der beschriebenen Inhaltsstoffe zu erklären!

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Fragen:

Teil 1: Makronährstoffe

1. Nenne die drei Markonährstoffe und ihre jeweils kleinsten Bausteine, aus denen sie aufgebaut sind.

2. Ordne die folgenden Abbildungen den jeweiligen Makronährstoffen zu:

3. Beschreibe wesentliche Eigenschaften der drei Makronährstoffe.

4. Erkläre den Begriff der Denaturierung!

5. Mit welchen Versuchen kannst du Monosaccharide, Polysaccharide, Proteine und Fette nachweisen?

6. Welche Strukturformen der Proteine sind hier abgebildet?

7. Erkläre den Unterschied zwischen Homo- und Heteroglycanen und nenne jeweils ein Beispiel.

8. Nenne verschiedene Disaccharide und gib an, aus welchen Monosacchariden sie sich zusammensetzen.

9. Erkläre die Begriffe Mono-, Di- und Triacylglycerol.

10. Erkläre mit Hilfe des Grundbauplans der Fette, weshalb Öle flüssig und Fette fest sind.

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Quellen

Bildquellen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Aldosen (28.8.2021) https://de.wikipedia.org/wiki/St%C3%A4rke (28.8.2021) https://de.wikipedia.org/wiki/Aminos%C3%A4uren (29.8.2021) https://de.wikipedia.org/wiki/Protein (29.8.2021)

https://de.wikipedia.org/wiki/Sarkomer (29.8.2021)

https://de.wikipedia.org/wiki/%CE%91-Linolens%C3%A4ure (30.8.2021) https://de.wikipedia.org/wiki/Fette (30.8.2021)

https://de.wikipedia.org/wiki/Insulin Quellen:

Karlson, P.; Doenecke D.; Koolman J.: Kurzes Lehrbuch der Biochemie. Georg Thieme Verlag Stuttgart https://de.wikipedia.org/wiki/Aldosen

https://de.wikipedia.org/wiki/St%C3%A4rke https://de.wikipedia.org/wiki/Aminos%C3%A4uren https://de.wikipedia.org/wiki/Protein