Biologische Wertigkeit von Proteinen

Essentielle Aminosäuren

Wie auf der vorherigen Seite bereits aufgeführt, können die Zellen unseres Körpers nur einen Teil der benötigten Aminosäuren selbst herstellen. Viele andere Aminosäuren müssen mit der Nahrung aufgenommen werden, diese werden dann als essentielle Aminosäuren bezeichnet. Hier eine Liste aller essentiellen Aminosäuren:

• Arginin*
• Histidin*
• Isoleucin
• Leucin
• Lysin
• Methionin
• Phenylalanin
• Threonin
• Tryptophan

Arginin und Histidin werden als semi-essentiell bezeichnet, sie müssen nur von Kindern beim Heranwachsen oder bei der Genesung von bestimmten Krankheiten mit der Nahrung aufgenommen werden.

Eine kleine Analyse

Stellen Sie sich einmal vor, das von verschiedenen Organen eines Menschen Proben entnommen werden, und diese Proben werden dann chemisch analysiert. Beim Thema "Biologische Wertigkeit" interessiert nun nicht der Cholesterinspiegel oder der Eisengehalt der Proben, sondern man will wissen, welche Aminosäuren wie häufig in den körpereigenen Proteinen vertreten sind. Die nicht-essentiellen Aminosäuren interessieren dabei weniger, denn diese können ja bei Bedarf vom Körper selbst hergestellt werden. Nein, man möchte wissen, welche Rolle die essentiellen Aminosäuren spielen und wie häufig diese in den körpereigenen Proteinen vorkommen.

Bei einer solchen Analyse ist man nun zu folgenden Ergebnissen gekommen (die Zahlen stammen aus dem Lehrbuch von C. Schlieper, "Grundfragen der Ernährung").

Tabelle 1: Durchschnittliche Zusammensetzung menschlicher Proteine

Unsere körpereigenen Proteine bestehen zu 5,06% aus Valin, zu 7,46% aus Leucin und so weiter. Oder anders ausgedrückt: 100 Gramm menschliches Protein enthält 5,06 Gramm der essentiellen Aminosäure Valin, 7,46 Gramm der Aminosäure Leucin und so fort.

Natürlich sind das nur Durchschnittszahlen. Jeder Mensch ist anders, und die Zusammensetzung der Körperproteine hängt natürlich auch von dem Organ ab, in dem sie sich befinden. Leberproteine haben eine andere Zusammensetzung als zum Beispiel Gehirnproteine.

Eine kleine Denksport-Aufgabe

Wir wollen jetzt einmal ausrechnen, wie viel Gramm Valin ein erwachsener Mann, der 80 kg wiegt, mit der Nahrung täglich zu sich nehmen muss, damit die im Laufe des Tages benötigten körpereigenen Peptide und Proteine an den Ribosomen der Zellen hergestellt werden können.

Lösung:

Die Empfehlung der DGE lautet, dass man täglich 0,8 g Protein pro kg Körpergewicht zu sich nehmen sollte. Ein 80 kg schwerer Mann sollte also 80 * 0,8 g = 64 g Protein mit der Nahrung zu sich nehmen. 5,06% des Proteins sollte aus der Aminosäure Valin bestehen. Das sind dann 64 * 5,06/100 = 3,2 g.

Analyse des Milchproteins

Bei meinem Vorgehen auf dieser Homepage orientiere ich mich jetzt mal sehr stark an dem Lehrbuch von Frau Schlieper, Grundfragen der Ernährung, für mich das zur Zeit beste Lehrbuch für die gymnasiale Oberstufe, wenn es auch meiner Meinung nach zu viel Chemie enthält und vielleicht auch etwas zu teuer ist.

Tabelle 2: Zusammensetzung von Milchprotein

100 Gramm Milchprotein (Casein + Molkenproteine etc.) enthalten also 6,87 Gramm der essentiellen Aminosäuren Valin. Körpereigene Proteine des Menschen benötigen nur 5,06 Gramm Valin pro 100 g (siehe Tabelle 1).

100 Gramm Milchprotein enthält also mehr Valin, als der Mensch zum Aufbau von 100 g Körperprotein benötigt, der Valin-Bedarf ist zu 6,87/5,06 = 1,36 bzw. 136 Prozent gedeckt.

Auf den ersten Blick könnte man nun denken: "Perfekt! Milch enthält also ein sehr hochwertiges Protein mit mehr Valin, als der Mensch benötigt."

Das Lego-Modell

Bevor wir hier mit der Analyse des Milchproteins weitermachen, versetzen wir uns mal ein paar Jahre zurück in unsere Kindheit und spielen mit Legos. Unsere Aufgabe ist es, vier kleine Ampeln zu bauen. Für jede Ampel benötigen wir einen roten, einen gelben und einen grünen Baustein.

Bereits beim oberflächlichen Betrachten dieser Aufgabe stellen wir fest, dass die Aufgabe nicht zu lösen ist. Da nur drei rote Bausteine vorhanden sind, kann man unmöglich vier Ampeln bauen.

Biologische Wertigkeit, mit Lego-Steinen veranschaulicht

Die Ampeln, die mit den Steinen gebaut werden sollen, stehen für die körpereigenen Proteine, die hergestellt werden müssen. Die Steine selbst stehen für die essentiellen Aminosäuren in diesen körpereigenen Proteinen. Die gelben Steine könnten beispielsweise für die Aminosäure Valin stehen, die grünen Steine für die Aminosäure Leucin und die roten Steine für die Aminosäure Methionin.

In der Tabelle 1 sind insgesamt acht essentielle Aminosäuren vertreten. Also müssten wir unser Lego-Beispiel eigentlich auf acht verschiedene Farben erweitern, wenn wir alle essentiellen Aminosäuren repräsentieren wollten. Aber das Lego-Beispiel ist ja nur eine Modellvorstellung, und solche Modelle vereinfachen die Wirklichkeit mehr oder weniger stark.

Die vier grünen, fünf gelben und drei roten Bausteine stehen für die Nahrung, die wir aufnehmen. In der aufgenommenen Nahrung sind jetzt nur drei rote Bausteine enthalten, also können wir aus dieser Nahrung nur drei Ampeln bauen und nicht die benötigten vier.

Von den gelben Bausteinen ist in der Nahrung ein deutlicher Überschuss enthalten. Vier würden für vier Ampeln benötigt, vorhanden sind aber fünf. Das entspricht ungefähr der Aminosäure Valin im Milchprotein. Das Milchprotein enthält auch anteilsmäßig mehr Valin, als für die Produktion von körpereigenem Protein benötigt wird. Wir hatten eine Bedarfsdeckung von 136% ausgerechnet.

Vielleicht gibt es in dem Milchprotein ja auch so etwas wie die roten Lego-Steine, also eine essentielle Aminosäure, bei der die Bedarfsdeckung kleiner ist als 100%.

Bedarfsdeckung der Aminosäuren im Milchprotein

Wir müssen für jede Aminosäure des Milchproteins die prozentuale Bedarfsdeckung ausrechnen. Dazu machen wir uns am besten eine neue Tabelle:

Tabelle 3: Bedarfsdeckung des Milchproteins

In der ersten Zeile finden wir den menschlichen Bedarf an essentiellen Aminosäuren, in der zweiten Zeile die Zusammensetzung des Milchproteins. In der letzten Zeile schließlich haben wir die prozentuale Bedarfsdeckung. Für die ersten vier Aminosäuren ist die Bedarfsdeckung berechnet, für die letzten vier nicht mehr. Aber warum nicht? Wieso fehlen die letzten vier Werte?

Bereits auf den ersten Blick sieht man, dass die Werte in der zweiten Zahlenreihe (Milchprotein) größer sind als die Werte in der ersten Reihe (Bedarf). Also kann man wohl sagen, dass der Bedarf an diesen vier Aminosäuren durch das Milchprotein voll gedeckt ist, die Werte sind alle größer als 1,0 bzw. 100%. Eine Berechnung ist daher nicht notwendig. Nur die Aminosäuren, die den menschlichen Bedarf nicht decken können, sind von Interesse für die Berechnung der biologischen Wertigkeit eines Proteins.

Und da fällt gleich das Threonin aus der Reihe, denn es deckt den menschlichen Bedarf nur zu 91%. Das Thr ist also der "rote Baustein", wenn man jetzt wieder das Lego-Beispiel heranzieht. Genau wie der rote Baustein dafür verantwortlich war, dass nur drei statt der benötigten vier Ampeln gebaut werden konnten, ist das Threonin dafür verantwortlich, dass aus 100 Gramm Milchprotein nur 91 Gramm körpereigenes Protein hergestellt werden kann.

Die Zahl, die angibt, wie viel körpereigenes Protein aus 100 g Nahrungsprotein hergestellt werden können, hat nun eine besondere Bedeutung in der Ernährungslehre. Diese Zahl definiert nämlich die Biologische Wertigkeit:

Biologische Wertigkeit = die Menge an körpereigenem Protein, die aus 100 g Nahrungsprotein hergestellt werden kann.