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Archive for the ‘Biochemie’ Category

Chemisches Computerspiel: EteRNA

Die Pause war jetzt etwas lang, jedoch notwendig. Jetzt ist ChemieUnser zurück mit einem heißen Tipp für alle, die an Wissenschaft und Onlinegames interessiert sind. Nachdem Chemjobber vor einigen Wochen nur Plantville als Beispiel für ein chemisches Computerspiel eingefallen ist, so kam Wired später mit einem langen Artikel über EteRNA, dem Nachfolger des bereits in den Kommentaren bei Chemjobber genannten FoldIt.

Bei EteRNA geht es dabei darum RNA zu designen, so dass diese eine gewisse Form annimmt. RNA dient in der Zelle als Übermittler der Erbinformation und ist eine Abschrift der Erbsubstanz DNA. Die RNA-Sequenz wird anschließend im Prozess der Translation in ein Aminosäuresequenz, folglich ein Protein umgesetzt. Die Abhängigkeit der Form dieser RNA von deren Sequenz ist dabei noch weitgehend unbekannt, weshalb sich eine Kooperation der Carnegie Mellon University und der Stanford University das Prinzip des Crowdsourcing für ihre Zwecke nutzbar macht. Und obwohl sich das Prinzip etwas langweilig und simpel anhört, so ist es ein ausgezeichnetes Knobelspiel mit großem Suchtpotenzial. Während die leichten Rätsel noch mehr ein Pausenfüller sind und schnell gelöst sind, so sind die schweren Rätsel echte Herausforderungen, die auch viel Zeit in Anspruch nehmen und über ein Ausprobieren weit hinausgehen. Erfolgreiche Spieler beschreiben im Forum im Forum ihre eigenen Strategien, um die richtige Struktur zu erreichen. Von daher bietet das Spiel ambitionierten Spielern genauso etwas wie Gelegenheitsspielern und verbringt man einen Nachmittag mit dem Spiel, so ist das im Gegensatz zu anderen Casualgames keine vertane Zeit, sondern eine Art Investition in die Wissenschaft. Somit ist es auch ein Experiment, wie Bürger zur Lösung von wissenschaftlichen Problemen herangezogen werden können, indem man ihren Spieltrieb anspricht, und damit über den rein biochemischen Erkenntnisgewinn hin interessant.

Weiteres auf der Seite von EteRNA und auch in der englischen Wikipedia mit einigen Links.

Chemie und die Zukunft #2: Steaks oder Sprit?

Seit Jahrtausenden betreibt die Menschheit Ackerbau. Um die Feldfrüchte selbst zu essen (oder in die Vorratskammer zu tragen), an Nutzvieh zu verfüttern oder – neuerdings zu Treibstoff zu verarbeiten.

Biosprit ist in Mode, auch wenn weltweit wohl nur 2 % der Anbaufläche für Energiepflanzen genutzt werden. Regenwälder müssen großen Ölpalmenplantagen weichen. Im Fischer-Tropsch-Verfahren werden dann Biokraftstoffe (sogennante „Biomass-to-Liquid“-Kraftstoffe (BtL) hergestellt. Auch Bioethanol (aus Mais oder Weizen) gehört zu den Biokraftstoffen, das durch die Beimengung zu E10 einer breiten Öffentlichkeit bekannt geworden ist.

Futterpflanzen beanspruchen dagegen einen nicht geringen Anteil der Anbaufläche. Für 1 kg Rindfleisch sind 8 kg Getreide nötig, die so nicht mehr direkt als Nahrungsmittel zur Vefügung stehen. Mit der weltweiten Zunahme des Fleischkonsums, gerade in den aufstrebenden Entwicklungsländern, ist auch eine Zunahme der Futterpflanzenanbaufläche verbunden.

Somit liegt also die Hauptkonkurrenz im Moment eher zwischen Nahrungs- und Futtermittel, doch die „Energiewende“ soll auch einen deutlichen Ausbau der Energiepflanzen beinhalten. Wird also irgendwann unser Fleischhunger durch unseren Energiehunger ausgebremst? Und steigen die Nahrungmittelpreise insgesamt durch diese Konkurrenz?

Dass es soweit nicht kommen darf, hat Hartmut Michel, Direktor des MPI für Biophysik und Nobelpreisträger für Chemie 1988, in einem Editorial (Open Access) der Angewandten Chemie (Int. Ed.) mit dem programmatischen Titel „The Nonsense of Biofuels“ deutlich gemacht. Er argumentiert darin, dass die Effizienz der Photosynthese, zwar einer der genialsten Naturprozesse überhaupt, insgesamt lediglich 4,5 % der Sonnenenergie beträgt, was diverse Ursachen hat: die Absorption nur von sichtbarem, nicht-grünem Licht, Photoschaden an den Proteinen, die fehlerhafte Insertion von Sauerstoff u.a.

Zusätzlich muss bedacht werden, dass Energie aufgewendet werden muss für Düngemittel, Pestizide und die Umwandlung in Treibstoff. Somit ist Biosprit keineswegs CO2-neutral. Es wird sogar bezweifelt, ob am Ende die Energiebilanz tatsächlich positiv ist. Sein Fazit:

Taken together, the production of biofuels constitutes an extremly inefficient landuse. […] We should not grow plants for biofuel production.

Seine Alternative ist elektrische Mobilität, auch weil immerhin 80 % des Akkuinhalts in Bewegung umgesetzt werden, aber nur 20 % bei Nutzung von Benzin, was die Bilanz des Treibstoffs weiter verschlechtert. Doch das ist ein anderes Thema.

Dass die Deutschen aus Angst um ihren Motor, resultierend aus der verwirrenden Informationspolitik der Mineralölkonzerne abgelehnt haben, war zwar eine nicht-ökologisch begründete Ablehnung von Biosprit, aber in der Sache absolut richtig.

Zum Aufhänger zurück: Es bleibt die ganze Anbaufläche für Nahrungs- und Futtermittel. Wobei, muss man für Fleisch wirklich Tiere halten…

… weiter geht es in der nächsten Folge „Chemie und die Zukunft“ mit „Fleisch ohne Ende?“ über künstliches, in der Petrischale gezüchtetes Fleisch.

[Das Editorial wird auch auf The Curious Wavefunction diskutiert.]

Zucker, Süßstoffe und ihre Wahrnehmung!

Es hat etwas gedauert, jetzt ist „ChemieUnser“ zurück, mit einem Ausflug in unsere Sinneswelt!

Dazu schreibt Nature so schön[1]:

Our sensory systems are responsible for generating an internal representation of the outside world, including its chemical (taste and olfaction) and physical (mechanical, sound, vision and temperature) features.

Hier soll es um den „Geschmack“ gehen! Wissenschaftlich anerkannt ist, dass wir Menschen in der Lage sind, zwischen fünf grundsätzlichen Geschmacksrichtungen zu unterscheiden: süß, sauer, salzig, bitter und umami (oft auch als herzhaft oder würzig beschrieben), wobei es auch Hinweise auf weitere gibt. Wir wollen uns hier auf den „süßen“ Geschmack beschränken.

Obwohl es eine Vielzahl an süßen Stoffen gibt, angefangen bei den gängigen C6-Zuckern über manche Aminosäuren (Bausteine der Proteine) zu kompletten Proteinen, sekundären Pflanzenmetaboliten und auch synthetischen Chemikalien wie z.B. Sucralose, Saccharin und Cyclamat, ist für deren Wahrnehmung lediglich ein einziger Rezeptor, bestehend aus zwei Untereinheiten verantwortlich (T1R2-T1R3).[2] An dieser Stelle muss man auch festhalten, dass chemische Reize wie beim Schmecken und Riechen keinesfalls auf physikalisch-chemischen Eigenschaften beruhen, wie Nature bemerkt[1]:

The sweetness of sugar and the pleasure it evokes are so familiar to us
that they almost seem to be physical properties of sucrose rather than
a representation of neuronal firing in the brain.

Im Gegensatz zu Licht oder Schall, die wir mit den Augen bzw. Ohren, aber auch mit Messgeräten nachweisen können, ist Geschmack und Geruch lediglich eine Zuschreibung unseres Gehirns. Tatsächlich kann  man extern auf Süßkraft testen, allerdings nur durch Züchtung von menschlichen (u.a.) Geschmacksrezeptoren im Reagenzglas.[2] Bei Katzen (von der Hauskatze bis zum Tiger) ist durch eine Mutation eine der Untereinheiten defekt, was zur Folge hat, dass sie nicht auf süße Nahrung ansprechen.[1]

Die entscheidende Frage aber bleibt: Wie kann ein Rezeptor mit so vielen unterschiedlichen Stoffen reagieren? Und warum besitzen verschiedene Stoffe so stark unterschiedliche Süßkraft? Beispielsweise ist Sucralose, bekannt auch als E955,  500-mal süßer als Zucker. Die erste Frage kann dadurch beantwortet werden, dass unterschiedliche Moleküle an verschiedenen Stellen des Rezeptors binden. Die zweite Frage ist komplex und noch nicht endgültig beantwortet: Die Bindungsstärke ist definitiv ein Hauptkriterium, aber es gibt auch Hemmungs- bzw. Synergieeffekte durch Bindung mehrerer Moleküle.[2]

Das Thema „Süßstoffe“ verdient nochmals gesonderte Aufmerksamkeit. Diese Stoffe, gekennzeichnet durch süßen Geschmack und keinen oder im Vergleich zur Süßkraft geringen Nährwert, werden heutzutage immer häufiger als Zusatzstoffe unserem Essen beigefügt. Nach Meinung der Verbraucherzentrale ist allerdings für keinen der als E950 bis E968 zugelassenen Stoffe die Unbedenklichkeit schlussendlich bewiesen und vom ständigen Verzehr wird abgeraten.[3] Außerdem muss beachtet werden, dass solche Stoffe auch andere Geschmacks- (z.B. Bitter)rezeptoren ansprechen können, was die Süßstoffe im Vergleich zu Zucker anders schmecken lässt.

Ein weiterer Punkt in der Forschung sind „Super-Geschmacksverstärker“.[4] Solche Stoffe sollen – ohne selbst z.B. als Süßstoff zu wirken – den süßen Geschmack vorhandener Inhaltsstoffe/Zusatzstoffe verstärken oder negative Komponenten wie Bittergeschmack ausblenden. Dieser Gedanke klingt verlockend: Gleicher Geschmack, weniger Kalorien. Wir essen, wie es uns schmeckt, allerdings gesünder. Anstatt unsere Ernähungsgewohnheiten zu ändern, zielen wir auf die Geschmackswahrnehmung ab. Ein weiteres Beispiel ist die weitergehende Nutzbarmachung der Sojapflanze durch Ausblenden ihres Nachgeschmacks. Ein Milliardenmarkt könnte entstehen für Firmen wie Senomyx und Redpoint Bio! Allerdings muss der Zusatz weiterer Stoffe zum Essen wegen möglicher gesundheitlicher Gefahren kritisch gesehen werden und auch die generelle, dann fortschreitende Entfremdung des Geschmacks vom Inhalt des Essens, was die Funktion der Sinne zur Wahrnehmung unserer Welt weiter untergraben, ja ad absurdum führen würde. Nicht zu vergessen die Wirkung des Geschmacks auf diverse vegetative Funktionen wie Sättigung und Insulinproduktion (Inkretin-Effekt), was teils noch nicht mal verstanden ist. Die Industrialsierung der Nahrungsmittelproduktion ist nicht immer gut, nur weil sie möglich ist.

[1] J. Chandrashekar et al.Nature, 2006, 444, 288.

[2] M. Behrens et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 2220.

[3] Anonymus, Was bedeuten die E-Nummern?, Verbraucherzentrale Hamburg e.V., 66. Aufl. 2011.

[4] M. Wenner, Spektrum der Wissenschaft, Oktober 2008, Seite 58.

Als Nachtrag hier noch der Link zu einem kurzen Artikel des Discover Magazines aus dem Jahr 2005 zum Thema: The Chemistry of . . . Artificial Sweeteners.

Die Wahrheit über UV-A und UV-B

Ist über UV-Strahlung nicht schon alles gesagt? Ja, aber nicht aus chemischer Sicht und das Thema hat sehr viele Facetten, die jeden Bereich der Chemie betreffen.

Die ultraviolette Strahlung wird in drei Bereiche unterteilt: UV-A-, UV-B- und UV-C-Strahlung, nach abnehmender Wellenlänge geordnet, also nach zunehmender Energie. Es wird auch von weicher, mittlerer und harter UV-Strahlung gesprochen. Um den Planeten Erde bewohnbar zu machen, kommt die Chemie ins Spiel: Die „Ozonschicht“ in der Stratosphäre absorbiert im Zuge der Bildung von Ozon durch photochemische Bildung von O-Atomen und wiederum des Zerfall des Ozons („Ozonkreislauf“) die komplette, lebensfeindliche UV-C-Strahlung und den größten Teil der UV-B-Strahlung.

Anorganik/Organik: Unsere Augen schützen wir mit Sonnenbrillen mit „UV-A- und UV-B-Filtern“, in denen spezielle Filterfarbstoffe alles UV-Licht ausfiltern (was mit der Tönung der Brille nichts zu tun hat). Unsere Haut bedecken wir mit Sonnencreme, die zwei Schutzmechanismen bietet: Anorganische Pigmente wie Titandioxid (TiO2, ein immens vielseitiges Material, über das noch mehr zu berichten sein wird) oder Zinkoxid (ZnO) brechen und reflektieren das Sonnenlicht (physikalischer Schutz), organische Stoffe absorbieren UV-Strahlung und geben sie als Wärme wieder ab (chemischer Schutz).

Biochemie: In der Haut durch UV-B-Strahlung entstehende Melanine wirken ähnlich den organischen Lichtschutzsubstanzen, Melanine bieten auch einen echten Lichtschutz und sorgen für die gewünschte Bräune. UV-B-Strahlung ist außerdem für den Sonnenbrand verantwortlich, aber auch für die Bildung des wichtigen Vitamin D3, das einzige Vitamin, das im Körper gebildet werden kann, und daher den Namen „Vitamin“ eigentlich nicht verdient. Aber dazu etwas an anderer Stelle.

UV-A-Strahlung dagegen ist durch die photochemische Bildung von Thymindimeren in der Erbsubstanz DNA für Hautkreb verantwortlich.

So weit der Überblick. Man kann also sagen: Es ist durchaus sinnvoll, sich der Sonnenstrahlung auszusetzen, zumindest für kürzere Zeiträume, weil Sonnencreme gerade verhindert, dass das Vitamin gebildet wird. Eine Bestrahlung hinter Fensterglas, gerade jetzt im Winter interessant, ist keine Alternative; das Glas absorbiert UV-B-Strahlung komplett, Sonnenbrand und Vitaminbildung werden vermieden bzw. verhindert, UV-A kann aber ungehindert passieren und die DNA zerstören. Künstliche UV-Bestrahlung in Solarien mag ästhetisch interessant sein, gesundheitlich ist es allerdings fraglich wegen der großen Hautkrebsgefahr und einer vorzeitigen Hautalterung; als Lichttherapie sind Solariumsbesuche auch komplett ungeeignet.

Zu empfehlen sei noch ein Artikel bei io9, der sich mit der interessanten Lichtwirkung von „Schwarzlicht“ beschäftigt.

Kategorien:Anorganik, Biochemie, Organik
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