3D Viewer: Biomoleküle – Fette und Fettsäuren

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Fettsäuren und Fette

Bau der Fettsäure-Moleküle

Fettsäuren sind Alkansäuren, deren Moleküle eine lange, unverzweigte Kohlenstoffkette besitzen. An einem Kettenende sitzt die Carboxy-Gruppe, der Rest der Kette ist ein reiner Kohlenwasserstoff-Teil. Fast alle natürlichen Fettsäure-Moleküle enthalten eine gerade Anzahl von C-Atomen – sie werden im Körper aus C₂-Bausteinen aufgebaut.

• In den Molekülen einer gesättigten Fettsäure gibt es keine C=C-Doppelbindung. Die Kette ist gestreckt (Zickzack).
• Die Moleküle einer ungesättigten Fettsäure enthalten mindestens eine C=C-Doppelbindung. In der Natur ist sie Z-konfiguriert; die Kette knickt dort um rund 30° ab.
• Die Kurzschreibweise beschreibt den Molekülbau: C18:1 bedeutet 18 C-Atome und eine Doppelbindung.

Nomenklatur

Der systematische Name nennt Kettenlänge, Lage und Konfiguration jeder Doppelbindung. Die Ölsäure heißt vollständig (9Z)-Octadec-9-ensäure: 18 C-Atome (Octadec-), eine Doppelbindung (-en-) zwischen dem 9. und dem 10. C-Atom, Z-konfiguriert. Bei mehreren Doppelbindungen wird jede einzeln aufgeführt, etwa Linolsäure = (9Z,12Z)-Octadeca-9,12-diensäure.

In der Ernährungslehre wird zusätzlich vom anderen Kettenende aus gezählt: Bei einer ω-3-Fettsäure liegt die erste Doppelbindung am dritten C-Atom, vom Methyl-Ende aus gesehen. Beide Zählweisen beschreiben dasselbe Molekül, nur von verschiedenen Enden her.

Z und E – und was trans-Fettsäuren sind

Um eine C=C-Doppelbindung ist keine Drehung möglich. Liegen die beiden Kettenstücke auf derselben Seite der Doppelbindung, so ist sie Z-konfiguriert (früher: cis); liegen sie auf verschiedenen Seiten, so ist sie E-konfiguriert (früher: trans).

Die Moleküle natürlicher ungesättigter Fettsäuren sind praktisch immer Z-konfiguriert. E-konfigurierte Fettsäuren – die trans-Fettsäuren – entstehen vor allem bei der Fetthärtung (teilweise Hydrierung fetter Öle) und im Pansen der Wiederkäuer.

Der Viewer enthält dafür die Elaidinsäure, das E-Isomer der Ölsäure: gleiche Molekülformel, Doppelbindung an derselben Stelle, nur andere Konfiguration. Ihre Moleküle bleiben gestreckt wie die einer gesättigten Fettsäure. Deshalb schmilzt die Elaidinsäure nicht bei 14 °C wie die Ölsäure, sondern erst bei 44 °C. Weil sich trans-Fettsäuren dadurch wie gesättigte verhalten, gelten sie in der Ernährung als besonders ungünstig.

Warum ein Knick die Schmelztemperatur senkt

Zwischen den Molekülen wirken Van-der-Waals-Kräfte (London-Kräfte). Sie sind umso stärker, je größer die Kontaktfläche zwischen den Molekülen ist.

• Gestreckte Moleküle lassen sich dicht stapeln: große Kontaktfläche, starke Anziehung – der Stoff schmilzt erst bei hoher Temperatur.
• Geknickte Moleküle passen nicht dicht aneinander: kleine Kontaktfläche, schwache Anziehung – der Stoff schmilzt schon bei niedriger Temperatur.
• Je mehr Doppelbindungen ein Molekül enthält, desto mehr Knicke hat es. Bei gleicher Kettenlänge schmilzt Stearinsäure (C18:0) bei 69,4 °C, Ölsäure (C18:1) bei 14 °C, Linolsäure (C18:2) bei −5 °C und α-Linolensäure (C18:3) bei −11 °C.
• Bei gleicher Zahl von Doppelbindungen steigt die Schmelztemperatur mit der Kettenlänge: Butansäure (C4:0) −8 °C, Laurinsäure (C12:0) 43,5 °C, Behensäure (C22:0) 80 °C.

Wie ein Fettmolekül entsteht

Ein Fettmolekül entsteht aus einem Glycerin-Molekül (Propan-1,2,3-triol) und drei Fettsäure-Molekülen. Jede der drei Hydroxy-Gruppen des Glycerin-Moleküls reagiert mit der Carboxy-Gruppe eines Fettsäure-Moleküls; dabei wird jedes Mal ein Wasser-Molekül abgespalten. Diese Reaktion heißt Kondensationsreaktion.

Im fertigen Fettmolekül sind ein Glycerin-Rest und drei Fettsäure-Reste über drei Esterbindungen miteinander verknüpft. Fette sind also Ester – genauer: Triacylglycerine (früher auch Triglyceride genannt).

Die drei Fettsäure-Reste eines Fettmoleküls müssen nicht gleich sein, und in der Natur sind sie es meist nicht. Ein natürliches Fett enthält sehr viele verschiedene Fettmoleküle – es ist deshalb kein Reinstoff, sondern ein Stoffgemisch.

Die drei Ketten eines Fettmoleküls ordnen sich in der Stimmgabel-Form an: Zwei Fettsäure-Reste liegen parallel nebeneinander, der dritte läuft entgegengesetzt. In dieser Form liegen die Moleküle auch im festen Fett dicht beieinander.

Fett oder fettes Öl? Schmelztemperatur und Schmelzbereich

• Eine Fettsäure ist ein Reinstoff. Sie besitzt eine Schmelztemperatur.
• Ein Fett ist ein Stoffgemisch. Es besitzt keine scharfe Schmelztemperatur, sondern einen Schmelzbereich.
• Enthält ein Fett überwiegend Moleküle mit gesättigten Fettsäure-Resten, so ist es bei Raumtemperatur fest (Butter, Talg, Kokosfett). Überwiegen Moleküle mit ungesättigten Resten, so ist es flüssig – man spricht von einem fetten Öl (Olivenöl, Rapsöl).

Die Umkehrung der Kondensation ist die Esterhydrolyse. Führt man sie im Alkalischen durch, so entstehen die Salze der Fettsäuren – die Seifen (Verseifung).

Darstellung: räumliche Molekülstrukturen (Strukturdaten aus PubChem, kraftfeldoptimiert, Ketten gestreckt gerechnet). Die Konfiguration jeder Doppelbindung wurde rechnerisch geprüft. Die Fettmoleküle werden aus einem vermessenen Glycerin-Gerüst und den drei gewählten Fettsäure-Resten zusammengesetzt.