Durch die Bearbeitung des Kapitels „Proteine – das sind fast Alleskönner“ und der dazugehörigen Materialien kann man u.a. Folgendes lernen
- Aminosäuren und Proteine anhand ihres Molekülaufbaus wiedererkennen;
- den Weg von der Aminosäurekette zum vollwertigen Protein beschreiben;
- den Zusammenhang zwischen Erbmaterial, Aminosäuren und Proteinen beschreiben und erklären;
- die Einbindung der Proteine in den Stickstoffkreislauf beschreiben und erklären;
- Aufgaben der Proteine im Organismus benennen, beschreiben und erklären;
- Lebensmittel hinsichtlich ihres Proteingehaltes unterscheiden und beurteilen;
- Zusammenhänge zwischen dem Konsum von Proteinen und gesundheitlichen Aspekten beschreiben und begründen;
- Proteine und ihre Aminosäurebestandteile in Hinblick auf deren gesundheitlichen Stellenwert beurteilen;
- Ursachen und Folgen einer Nahrungsmittelallergie beschreiben und erklären;
- eine Nahrungsmittelallergie von einer Lebensmittelunverträglichkeit unterscheiden;
- Kenntnisse über Proteine bei Überlegungen bzw. Entscheidungen zum eigenen Ernährungsverhalten anwenden;
- Versuche zu Proteinen durchführen und erläutern.
In diesem Kapitel werden die Proteine unter dem Oberbegriff „Nährstoffe“ behandelt.
Im Mittelpunkt stehen
Am Ende dieses Abschnittes wird auf Arbeitsmaterialien hingewiesen, die sowohl das Thema „Proteine“ vertiefen, als auch Bezüge zum Vorkommen von Proteinen im Alltag herstellen. Eine genauere Behandlung der Proteine unter chemischen Gesichtspunkten enthält das Arbeitsmaterial AB 1_2.3 „Proteine – etwas genauer betrachtet“. Abschließend werden einige Versuche zu diesem Kapitel angeboten.
Wenn von einem Protein – das umgangssprachliche Wort ist Eiweiß – die Rede ist, denkt man zunächst nur an Hühnereiweiß. Im Unterschied zu Kohlenhydraten und Fetten sind bildliche Vorstellungen zu Proteinen wenig vorhanden. Das gilt auch für das rechts stehende Bild (Abb. L_2.3.-1), in dem wohl nur Spezialisten eine Proteindarstellung wiedererkennen.
Es handelt sich bei dieser Abbildung um eine modellartige Darstellung von Insulinmolekülen. Das Protein „Insulin“ wird in der Bauchspeicheldrüse gebildet und kann den Blutzuckerspiegel senken (siehe auch Kap. 3.1). Diese Aufgabe eines Proteins in unserem Körper ist nur eine von sehr vielen (siehe Abb. L_2.3-2). Als Nährstoffgruppe besitzen die Proteine von daher eine große Bedeutung auch für uns Menschen und zumindest teilweise müssen wir deren „Baustoffe“ mit der Nahrung aufnehmen. |
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* Nicht alle genannten Aufgaben werden in diesem Kapitel, in dem die Proteine als Nährstoffe im Mittelpunkt stehen, behandelt. Einige Aufgaben dieser Stoffgruppe spielen in späteren Kapiteln eine Rolle, andere werden im Rahmen der am Ende dieses Kapitels genannten Arbeitsmaterialien näher erläutert.
Die Vielfalt der Aufgaben der Proteine scheint auf eine große Komplexität dieser Stoffgruppe hinzuweisen. In Hinblick auf deren Aufgaben ist das richtig, unter dem Gesichtspunkt des Aufbaus der Proteinmoleküle ist das nicht ganz so – doch dazu später.
In der sich anschließenden Darstellung (Abb. L_2.3-3) wird versucht, diese Stoffgruppe zu gliedern.
Anmerkung zur Abbildung:
Als „Stoff“ wird Material angesehen, das man beobachten und untersuchen kann, eine Masse besitzt und spezifische Eigenschaften aufweist.
Eiweiße oder Proteine (griech.: proteios „grundlegend, erstrangig“)
Es handelt sich um eine Sammelbezeichnung für eine Gruppe organischer Moleküle, die ganz oder vorwiegend aus Aminosäuren aufgebaut sind. Sie bilden nicht nur Strukturen aus, sondern erfüllen viele lebenswichtige Funktionen. Vor allem ermöglichen und beschleunigen sie in Form von Enzymen chemische Reaktionen im Stoffwechsel. Sie sind unverzichtbar für Wachstum, Fortpflanzung, Bekämpfung von Infektionen, Muskelarbeit etc. Wissenschaftler gehen von mehr als 100.000 unterschiedlichen Proteinen im menschlichen Organismus aus.
Der Körper des Menschen besteht zu ca. 15-20% aus Proteinen. Die Bausteine der Proteine sind Aminosäuren (Abb. L_2.3-4). Diese wiederum bestehen aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und gelegentlich Schwefel.
Wenn in Zusammenhang mit Proteinen von Aminosäuren gesprochen wird, so sind die 20 Aminosäuren gemeint, die auf der Grundlage der gespeicherten genetischen Informationen zu Proteinen zusammengesetzt werden.
Sehr viele – im menschlichen Körper mehr als 200 – Aminosäuren werden nicht zum Proteinaufbau verwendet, sind jedoch ebenso lebensnotwendig für den Organismus. Sie werden an dieser Stelle nicht behandelt.
Die Grundstruktur der ein Protein aufbauenden Aminosäuren (AS) ist immer gleich – von daher einfach (Abb. L_2.3.-4).
In der Mitte der Aminosäure befindet sich ein Kohlenstoffatom. An dieses gebunden sind
Man unterscheidet ganz unterschiedliche Aminosäurereste, wie die Abbildung L_2.3-5 zeigt. Der jeweilige Aminosäurerest, ist entscheidend für die Besonderheit bzw. die besonderen Eigenschaften jeder Aminosäure. Er kann sehr „einfach“ oder auch sehr „komplex“ sein.
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Die Bildung eines Proteins erfolgt im Rahmen der Proteinbiosynthese auf der Grundlage der Erbinformationen (siehe AB 2_2.3 „Proteinbiosynthese – vereinfacht, kurz und verständlich“). Der erste Schritt auf dem Weg zum Protein besteht in der Verknüpfung zweier Aminosäuren (AS). An dieses Anfangsprodukt werden dann eine dritte AS, eine vierte AS usw. angehängt. Die Verknüpfung zweier Aminosäuren erfolgt zwischen der Carboxylgruppe der vorhandenen und der Aminogruppe der anzuhängenden AS. Bei diesem Vorgang wird ein Molekül Wasser freigesetzt. Man spricht bei der vorliegenden Reaktion auch von einer Kondensation. Die Art der Verknüpfung zwischen Aminosäuren wird als „Peptidbindung“ bezeichnet (Abb. L_2.3-6). |
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Entsprechend der Anzahl der in Form einer Kette vorliegenden Aminosäuren spricht man von:
Die meisten Proteine bestehen aus Ketten von 100 – 500 Aminosäurebausteinen. Das größte beim Menschen bekannte Protein, das Titin, besteht aus über 30.000 Aminosäuren. Es spielt eine Rolle bei der Muskelkontraktion. Das kleinste Protein ist der Süßstoff Aspartam. Es wird synthetisch hergestellt und besteht aus zwei Aminosäuren. |
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Eine entstandene Polypeptidkette ist jedoch noch lange kein funktionsfähiges Protein. Damit dieses entsteht, müssen die AS-Ketten eine räumliche Struktur erhalten und weitere Veränderungen erfahren. Diese Vorgänge der Proteinbildung sind vergleichbar mit dem Bau eines Autos. Beide bestehen aus vielen Einzelteilen, benötigen jedoch eine bestimmte dreidimensionale Form, um zu funktionieren. Man stelle sich vor: Das montierte Auto erhält ein zu kleines Rad. Es wird nicht fahren können! Der Prozess der Ausbildung der räumlichen Struktur eines funktionsfähigen Proteins umfasst vier Schritte, die wesentlich von den Eigenschaften der beteiligten AS beeinflusst werden (Abb. L_2.3-7):
Genauere Informationen zur Ausbildung der dreidimensionalen Struktur eines vollwertigen Proteins findest Du hier. |
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Eine Hilfe findest du im Exkurs A „Chemie – gar nicht so schwer!“ oder in den Kap. 2.1 / Kap. 2.2.
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Lösung zu Aufg. 1-4:
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Ausgangspunkt der Bereitstellung von Proteinen sind die Pflanzen. Nur sie sind in der Lage, Stickstoff (N) als Nährsalz aus dem Boden aufzunehmen und in organische Moleküle einzubauen (Abb. L_2.3-9)
Über die Nahrungskette werden die Proteine dann an die Konsumenten weitergegeben. In Form „toter organischer Substanz“ gelangen die meisten Proteine bzw. ihre Bestandteile schließlich zu den sogenannten Destruenten. Sie benötigen ebenfalls Aminosäuren bzw. Proteine für ihre Lebensvorgänge, produzieren jedoch beim Abbau der Eiweißverbindungen auch anorganische Stickstoffverbindungen, die schließlich wieder als Nährsalze im Boden vorliegen. Der Stickstoffkreislauf ist damit geschlossen. Genauere Informationen über den Stickstoffkreislauf enthält das Arbeitsmaterial AB 3_2.3 „Stickstoff – nicht nur Bestandteil der Luft“ oder findet sich z.B. hier: |
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https://www.youtube.com/stickstoffkreislauf (Zugriff: 2016-05-12) |
Legende zu Abb. L_2.3-9: P= Produzenten (Pflanzen) K= Konsumenten (Tiere / Menschen) D= Destruenten (Bodentiere, Bakterien, Pilze) (Genaueres zu den Begriffen: siehe Kap.2)anorganisch (vereinfacht): Sammelbezeichnung für Stoffe, die keinen Kohlenstoff enthalten (Ausnahmen: Kohlenstoffdi- (CO2) und -monoxid (CO)).organisch (vereinfacht): Sammelbezeichnung für Stoffe, die Kohlenstoff enthalten und innerhalb lebender Organismen vorkommen oder von diesen stammen (Ausnahmen: Kohlenstoffdi- (CO2) und -monoxid (CO)). |
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https://de.wikipedia.org/wiki/Stickstoffkreislauf (Zugriff: 2016-05-12) http://hypersoil.uni-muenster.de/0/05/14.htm#Stickstoffkreislauf (Zugriff: 2016-05-12) |
Unter dem Gesichtspunkt der Ernährung bzw. der Nährstoffe sind folgende Besonderheiten zu den Proteinen zu nennen:
Der menschliche Körper besteht zu etwa 15-20 % aus Proteinen. Das heißt, ein 70 kg schwerer Mensch „trägt“ mehr als 10 kg Proteine mit sich herum. In den westlichen Industriestaaten nimmt ein 70 kg schwerer erwachsener Mensch im Durchschnitt pro Tag ca. 100 g Proteine mittels Nahrung zu sich. Im Proteinstoffwechsel werden pro Tag ca. 300 g Proteine umgesetzt, etwa 24 g gehen pro Tag – selbst bei proteinfreier Ernährung – verloren (Abb. L_2.3-10). |
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Lösung zu Aufg. 5:
Das ist kein Widerspruch, sondern zeigt lediglich, wie intensiv die Wiederverwendung von Proteinen und ihren Bestandteilen erfolgt. |
Da Proteine und damit auch der in ihnen enthaltene Stickstoff nicht längerfristig gespeichert werden können, aber sowohl durch Stoffwechselprozesse als auch durch Ausscheidungen Proteine bzw. ihre Bestandteile „verloren“ gehen, stellt sich die Frage, wie diese Verluste über die Nahrungsaufnahme ausgeglichen werden können.
Hinweis: Vor allem im Internet ist zu beobachten, dass unterschiedliche Interessengruppen – ähnlich wie bei den Fetten – im Rahmen der Beantwortung dieser Frage sehr voneinander abweichende Meinungen vertreten! Neben ernährungsphysiologischen Aspekten spielen vor allem ethische und ökologische Sichtweisen, manchmal aber auch nur das „Verkaufen“, eine Rolle. Diese Tatsache macht es notwendig, sich möglichst vielfältig zu informieren und sich nicht auf eine einzige Quelle zu verlassen!
Im Rahmen der Beantwortung dieser Frage sind
Der erste Aspekt betrifft die zuvor genannten Besonderheiten (Pkt. 5 und 6) der Nahrungsproteine.
Unsere Nahrungsmittel – egal ob aus pflanzlicher oder tierischer Quelle – stammen von Lebewesen, deren Proteinaufbau auf der Grundlage des jeweiligen Erbgutes erfolgt. Beim Menschen werden zum Aufbau der eigenen Proteine natürlich die Informationen genutzt, die in seinem Erbgut gespeichert sind. Im Laufe der Evolution hat das menschliche Erbgut leider die Erbinformationen zur Herstellung bestimmter Aminosäuren „verloren“. Diese müssen nun über die Nahrung aufgenommen werden, d.h. sie stammen von jenen Lebewesen, die diese Aminosäuren noch herstellen können.
Unter diesem Gesichtspunkt lassen sich die von uns Menschen zum Aufbau körpereigener Proteine benötigen Aminosäuren in drei Gruppen einteilen: essenzielle, semi (bedingt)-essenzielle und nicht essenzielle Aminosäuren (Tab.1 L_2.3 Aminosäuren und Mensch).
Unter den Nahrungsmitteln, die in größeren Mengen essenzielle bzw. bedingt essenzielle Aminosäuren enthalten, befinden sich vor allem tierische Produkte (Fleisch, Milch, Milchprodukte, Eier, Fische). Die Mehrheit der pflanzlichen Proteine ist hinsichtlich der Aminosäurezusammensetzung nicht so gut ausgestattet. Allerdings gibt es auch einige pflanzliche Nahrungsmittel, die unseren Körper mit allen notwendigen Aminosäuren versorgen können (siehe auch AB 4_2.3. „Fleisch – ein altes Nahrungsmittel, teilweise verändert“ / AB 5_2.3 „Fleischersatz – sieben Beispiele“ / AB 7_2.3 „Gemüse und Obst – proteinfrei?“).
essenzielle |
Empfehlung
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essenz. AS |
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1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | ||
Threonin (Thr) | 15 | 368 | 376 | 116 | 38 | 828 | 864 | 865 | 506 |
Lysin (Lys) | 30 | 578 | 426 | 155 | 50 | 1695 | 1764 | 1792 | 977 |
Valin (Val) | 26 | 483 | 689 | 158 | 50 | 975 | 1018 | 989 | 588 |
Leucin (leu) | 39 | 798 | 865 | 158 | 68 | 1435 | 1498 | 1545 | 806 |
Isoleucin (Iso) | 20 | 494 | 576 | 129 | 65 | 883 | 922 | 1071 | 529 |
Phenylalanin (Phe) | 25 | 483 | 627 | 119 | 45 | 699 | 730 | 824 | 461 |
Tryptophan (Try) | 4 | 95 | 138 | 33 | 11 | 184 | 192 | 227 | 126 |
Methionin (Met) | 10 | 126 | 163 | 43 | 12 | 478 | 499 | 536 | 287 |
Histidin (His) | 10 | 263 | 213 | 56 | 16 | 478 | 499 | 618 | 390 |
1-Sojabohne (frisch) 2-Haferflocken 3-Broccoli (frisch) 4-Eisbergsalat (frisch)5-Lachs (frisch) 6-Zander (frisch) 7-Putenfleisch (frisch) 8-Schinkenwurst (frisch) | |||||||||
Tab. 2 L_2.3 essenzielle Aminosäuren: Aufnahme-Empfehlung und Vorkommen (Beispiele) Daten-Quelle: http://www.naehrwertrechner.de/(Zugriff: 2016-05-12) |
Außerdem kann mit einer Kombination verschiedener Nahrungsmittelgruppen, wie Kartoffeln und Ei, Milch und Getreide, bestimmte Gemüsemischungen etc. die Aminosäureversorgung optimiert werden (siehe auch AB 9_2.3 „Biologische Wertigkeit von Proteinen – ein Qualitätsmerkmal?“).
Der zweite Gesichtspunkt in Zusammenhang mit dem notwendigen Ausgleich der Protein- bzw. Aminosäureverluste betrifft die Frage nach der Menge an Proteinen, die dem Körper täglich zugeführt werden sollte.
Einen allgemeinen, für alle Menschen zutreffenden Wert gibt es nicht!
Selbstverständlich sind Alter, Geschlecht, Gesundheitszustand und Aktivitäten der einzelnen Person entscheidende Kriterien, die über die Proteinaufnahme mitbestimmen.
Insofern sind die oft zu lesenden Werte eines 15%igen Proteinanteils an der täglichen Nährstoffaufnahme oder der Tagesbedarf von 0,8 – 1,2 Gramm Proteine pro Kilogramm Körpergewicht (Jugendliche und Erwachsene) lediglich als Orientierungsgrößen anzusehen.
Eine der in diesen Zusammenhängen oft zitierte Quelle ist die „Deutsche Gesellschaft für Ernährung (DGE)“. Auch wenn die dort genannten Werte nicht unumstritten sind, wird in dieser Quelle zumindest eine gewisse Differenzierung vorgenommen (https://www.dge.de/wissenschaft/referenzwerte/protein (Zugriff: 2016-06-20). Für Kinder, Jugendliche und Erwachsene nennt die DGE einen Tagesbedarf von 0,9 bzw. 0,8 Gramm Proteine pro Kilogramm Körpergewicht.
Der folgende Blick auf die Proteinanteile in verschiedenen Nahrungsmitteln kann deshalb auch nur ein erster Schritt für Ernährungsentscheidungen sein.
Bei der folgenden Abbildung (Abb. L_2.3-12) ist zu beachten, dass dort bewusst dieselben Nahrungsmittel aufgeführt sind, die bereits bei der Betrachtung des Fettanteils von Nahrungsmitteln (siehe Kap. 2.2 Abb.L_2.2-6) ausgewählt wurden. Die dort dargestellte Reihenfolge – zuerst (oben) das Nahrungsmittel mit dem höchsten Fettanteil – wurde hier bewusst beibehalten.
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Lösungen zu Aufg. 6 – 8, 10, 11 :
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Zusammenfassend lässt sich in Hinblick auf den Ausgleich der Proteinverluste Folgendes sagen:
Im Zusammenhang mit der Proteinzufuhr durch Nahrung soll nun noch folgender Aspekt angesprochen werden:
Es gibt Menschen, die auf bestimmte Nahrungsproteine allergisch reagieren können.
(Nahrungsmittel-) Allergie (griech.: állos / „fremd“, érgon / „Werk, Arbeit“)
Nahrungsmittel bzw. bestimmte Bestandteile eines Nahrungsmittels werden vom Immunsystem als etwas Fremdes erkannt, ähnlich wie Bakterien und Viren, und bekämpft.
Die körperfremden Stoffe, die ein Immunsystem bekämpft, werden Antigene genannt (griech.: anti / „dagegen“ , gennaō / „erzeugen“). In diesem speziellen Fall spricht man auch von Allergenen, weil Nährstoffe im Gegensatz zu Bakterien und Viren eigentlich harmlos sind.
Die Folgen einer Nahrungsmittelallergie können für die betroffenen Menschen unter Umständen lebensbedrohlich sein.
Die Nahrungsmittelintoleranz, z.B. auf Lactose oder Fructose, (siehe AB 5_2.1 und AB 6_2.1), beruht dagegen auf einer nicht vorhandenen Fähigkeit, einen Nahrungsbestandteil im Stoffwechsel korrekt zu verarbeiten.
Die Angaben darüber, wie viele Menschen an Nahrungsmittelallergien leiden, sind nicht einheitlich: Die Daten liegen zwischen 1 – 10 % bei Erwachsenen und 2 – 6 % bei Kindern.
Tatsache ist, dass alle Quellen davon ausgehen, dass die Anzahl der Betroffenen zunimmt.
Häufig auftretende Reaktionen sind Quaddeln und Jucken an Haut und Schleimhäuten, Niesen, Verschleimung und Atemnot. Die schwerste allergische Reaktion auf Lebensmittel ist der anaphylaktische Schock, d.h. es kommt zum lebensbedrohlichen Kreislaufzusammenbruch.
Aufgrund des zuvor Gesagten hat der Gesetzgeber entsprechende Kennzeichnungsvorschriften zur besseren Information von Verbrauchern erlassen. In der sogenannten Lebensmittel-Informationsverordnung (LMIV) ist seit dem 13.12.2014 festgeschrieben, dass die Hersteller von Lebensmitteln verwendete Zutaten, die eventuell allergen sein können, auf den Verpackungen angeben müssen.
Dazu gehören folgende Zutatenquellen: Glutenhaltiges Getreide, namentlich zu nennen: Weizen (wie Dinkel und Khorasan-Weizen), Roggen, Gerste, Hafer / Krebstiere / Eier / Fische / Erdnüsse / Sojabohnen / Milch (einschließlich Laktose) / Schalenfrüchte, namentlich zu nennen: Mandeln, Haselnüsse, Walnüsse, Cashewnüsse, Pecannüsse, Paranüsse, Pistazien, Macadamia- oder Queenslandnüsse / Sellerie / Senf / Sesamsamen / Schwefeldioxid und Sulfite (ab 10 Milligramm pro Kilogramm oder Liter) / Lupinen / Weichtiere |
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Der genaue Text der LMIV / Anhang 2 ist u.a. hier zu finden: http://www.landkreis-wuerzburg.de/media/custom/(Zugriff: 2016-05-12)
Gibt es kein Zutatenverzeichnis, müssen die Stoffe oder Erzeugnisse mit dem zusätzlichen Hinweis „enthält“ angegeben werden, zum Beispiel „enthält Erdnüsse“. Wenn sich die Bezeichnung des Lebensmittels selbst eindeutig auf diese Stoffe oder Erzeugnisse bezieht, ist keine Angabe erforderlich. |
http://www.bmel.de/DE/Ernaehrung/Kennzeichnung/kennzeichnung_node.html (Zugriff: 2021-04-12) http://www.bll.de/de/lebensmittel/kennzeichnung/lebensmittelinformationsverordnung (Zugriff: 2016-06-12) http://www.daab.de/ernaehrung/lebensmittelallergie/ (2016-06-12) https://de.wikipedia.org/wiki/Verordnung_(EU)_Nr._1169/2011_(Lebensmittel-Informationsverordnung) (Zugriff: 2016-06-12) |
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https://www.youtube.com/channel/ (Focus – Nahrungsmittelallergie) (Zugriff: 2018-07-12) |
Auffällig ist übrigens, dass Nahrungsmittelallergien auch mit den Essgewohnheiten in der jeweiligen geografischen Region verbunden sind. In den USA sind z.B. Erdnussallergien deutlich häufiger anzutreffen, als in Europa. Fischallergien treten häufiger in Küstenregionen auf und allergische Reaktionen in Zusammenhang mit Oliven sind häufiger bei Menschen, die im Mittelmeerraum leben, zu finden.
Allergische Reaktionen auf Proteine sind leider nicht nur auf Nahrungsmittel beschränkt. Auch Heuschnupfen und allergische Reaktionen z.B. auf Tierhaare haben mit Proteinen zu tun (siehe auch 11_2.3 „Proteine als Allergieauslöser – manchmal richtig schlimm“.)
Die im Anschluss genannten Arbeitsmaterialien ergänzen und vertiefen nicht nur das Thema „Proteine“, sondern stellen auch vielfältige und interessante Zusammenhänge zwischen den Proteinen, dem Alltag und unserem Körper her.
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