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B978-3-437-43690-1.10028-2

10.1016/B978-3-437-43690-1.10028-2

978-3-437-43690-1

Übersicht über den Verdauungstrakt.

Schematische Darstellung der HCl-Sekretion aus der Parietalzelle des Magens.

Zellen des Dünndarmgewebes.

Aktivierung von Trypsinogen (a) und Chymotrypsinogen (b). Die erste Aminosäure im Trypsinogen ist Valin 10.

Verteilung dominanter Bakteriengruppen in den unterschiedlichen Abschnitten des Gastrointestinaltrakts.

Bakterieller Abbau von Kohlenhydraten im Kolon des Menschen.

Schema des bakteriellen Proteinabbaus im Kolon des Menschen.

Bakterielle Bildung nitroser Verbindungen aus Nitrit und sekundären Aminen.

Abbau und Resorption von Kohlenhydraten im Dünndarm.

Proteinspaltung und Resorption von Aminosäuren und Peptiden im Dünndarm.

Schema des Abbaus und der Resorption von Nahrungstriacylglycerolen im Dünndarm.

Phytosterole.

Schema von Abbau und Resorption von Nahrungssterolen und Gallensäuren im Dünndarm.

ABCG5, ABCG8 ATP-binding-cassette-Transporter G5 und G8, ACAT Acyl:Cholesterin-Acyltransferase, ASBT apikaler natriumabhängiger Gallensäuretransporter, B48 Apolipoprotein B48, BSBP Gallensäurebindungsprotein, C Cholesterin, CE Cholesterylester, CM Chylomikronen, ER endoplasmatisches Retikulum, GS Gallensäuren, NPC1L1 Niemann-Pick-Typ-1-ähnliches Protein 1, MTP mikrosomales Triglycerid-Transferprotein, PS Phytosterole, TG Triacylglycerol.

Metabolismus von Vitamin A. REH Retinylesterase, ARAT Acyl-CoA-Retinol-Acyltransferase, LRAT Lecithin-Retinol-Acyltransferase.

Synthese von Vitamin D3 (a) und Struktur von 1,25-Dihydroxycholecalciferol (b).

Strukturformeln von Vitamin E und seines Metaboliten CEHC (Carboxyethylhydroxychroman).

Strukturformeln von Vitamin K.

Struktur des Vitamins B12.

Absorption und Verteilung von Vitamin B12. Beteiligte Cobalamin-Bindeproteine und -Rezeptorkomplexe. Hapt Haptocorrin, IF Intrinsic-Faktor, TCII Transcobalamin II, M Cubilin-Megalin-Rezeptorkomplex.

Methylmalonyl-CoA-Mutase-Reaktion. Die Isomerisierung startet mit einer homolytischen Spaltung des Desoxyadenosyl-(Ado-)Rests vom CoIII. Hierdurch entstehen CoII und ein Ado-Radikal (1). Das Radikal abstrahiert ein H-Atom von der Methylgruppe des Methylmalonyl-CoA (2). Das neue Radikal greift zunächst das C-Atom der Thioestergruppe an, es entsteht ein intermediäres Radikal am Sauerstoff der Thioestergruppe. Danach löst sich die Bindung zwischen dem - und -C-Atom des Malonylrests, und es entsteht das Succinylgerüst (3). Anschließend wird wieder das Ado-Radikal gebildet (4), das mit dem CoII reagiert und CoIII-Ado regeneriert (5).

Struktur von Folsäure. Die C1-übertragenden Stickstoffe N5 und N10 sind markiert.

Umwandlung der durch Tetrahydrofolsäure (FH4) übertragbaren C1-Bruchstücke, Methioninbildung und beteiligte Vitamine. (1) Serinhydroxymethyl-Transferase, (2) Glycinabbau über Glyoxylsäure, (3) Thymidylat-Synthase. SAM S-Adenosylmethionin.

Struktur von Niacin.

Biotinzyklus.

Struktur und Elektronenübertragungen von Vitamin C. AscH Ascorbinsäure, Asc•– Ascorbinsäureradikal, DHA Dehydroascorbinsäure.

Eisenabsorption.

a) Enterozyt.

b) Hepatozyt.

Schematische Darstellung des Energiestoffwechsels. Beim oxidativen Abbau der Nährstoffe werden nur 40–50% in Form von ATP gespeichert, der Rest geht als Wärme verloren. Energieverbrauchende Prozesse werden durch die Hydrolyse von ATP unterhalten, wobei diese Energie letztlich im stationären Zustand (ohne Speicherung, Aufbau und Verrichtung physischer Arbeit) ebenfalls in Wärme umgesetzt wird. Bei der Verrichtung körperlicher Arbeit (durch Muskelkontraktion) gehen wiederum 50% als Wärme verloren, sodass der Wirkungsgrad der Energieumsetzung in physische Arbeit nur bei etwa 25% liegt.

Zusammensetzung des Energieumsatzes bei Erwachsenen.

Schematische Darstellung der Regelsysteme für Hunger und Sättigung. Hormonelle Signale aus der Peripherie binden an Rezeptoren in Arealen des Hypothalamus und des Hirnstamms mit hoher Durchlässigkeit der Blut-Hirn-Schranke. Diese Signale werden mit nervösen Signalen des Nervus vagus aus dem Gastrointestinaltrakt und der Leber verschaltet.

Verschaltung peripherer Signale im Hypothalamus. Ein wichtiges hypothalamisches Kerngebiet ist der Nucleus arcuatus (ARC). Die peripheren Signale werden dort von Neuronen registriert, die spezifische Neuropeptide freisetzen und über die Aktivierung von Neuronen 2. Ordnung die Information an höhere Zentren weiterleiten. Der ARC ist mit zwei Arten von Neuronen ausgestattet: NPY- (Neuropeptid Y) und AGRP-Neuronen (Agouti-related peptide) sowie POMC- (Proopiomelanocortin) und CART-Neuronen (Cocaine- and amphetamine-regulated transcript). Diese produzieren Neuropeptide mit jeweils antagonistischer Wirkung: NPY und AGRP stimulieren die Nahrungsaufnahme, während -MSH (Alpha-melanocyte-stimulating hormone, entsteht aus POMC) und CART die Nahrungsaufnahme inhibieren. Entsprechend werden sie auch unterschiedlich durch die peripheren Signale aktiviert. Leptin stimuliert die POMC/CART-Neurone und inhibiert die AGRP/NPY-Neurone. Insulin und periphere Sättigungspeptide inhibieren NPY/AGRP-Neurone, während Ghrelin diese stimuliert.

MC3/4R Melanocortinrezeptoren 3 und 4, Y1/Y5R Neuropeptid-Y-Rezeptoren 1 und 5.

Zusammenhang zwischen Körperfettgehalt und BMI bei Männern und Frauen. Der BMI korreliert mit dem Körperfettgehalt, wobei Frauen bei gleichem BMI einen höheren Fettgehalt haben als Männer. Bei Frauen gilt entsprechend ein Körperfettgehalt von 20–33% als Normalbereich, bei Männern von 10–20%.

Androide (links) und gynoide Adipositas (rechts). Pathophysiologisch relevanter als die äußerlich unterschiedliche Fettverteilung ist die nur durch Computertomographie oder Kernspintomographie nachweisbare Verteilung von subkutanem Fett (vorherrschend bei der gynoiden Adipositas) und intraabdominalem Fett (vorherrschend bei der androiden Adipositas).

Verdauungsenzyme des Pankreassafts

Tab. 28.1
Substrate Enzyme
Kohlenhydrate -Amylase
Proteine, Peptide Trypsin, Chymotrypsin, Elastase, Carboxypeptidase A, Carboxypeptidase B
Lipide Lipase, Phospholipase, Esterasen
Nucleinsäuren Ribonuclease, Desoxyribonuclease

Zymogene von Magen und Pankreas

Tab. 28.2
Zymogen aktives Enzym Aktivierung durch pH- Optimum Syntheseort
Pepsinogen Pepsin Autoaktivierung bei pH < 5 1,5–3 Magen
Trypsinogen Trypsin Enteropeptidase, Trypsin 7–9 Pankreas
Chymotrypsinogen Chymotrypsin Trypsin, Autolyse 7–9 Pankreas
Procarboxypeptidase Carboxypeptidase Trypsin 7–8 Pankreas
Proelastase Elastase Trypsin 6–8 Pankreas
Prophospholipase Phospholipase Trypsin Pankreas

Zusammensetzung von Leber- und Blasengalle

Tab. 28.3
Lebergalle Blasengalle
Wasser 96,6% (w/w) 86,7% (w/w)
Gallensäuren 20 mmol L1 80 mmol L1
Phosphatidylcholin (Lecithin) 3 mmol L1 30 mmol L1
Gallenfarbstoffe 1 mmol L1 5 mmol L1
Cholesterin 4 mmol L1 10 mmol L1
pH-Wert 7,2 6,9

Im Kolon verfügbare Substrate für Darmbakterien

Tab. 28.4
Substrate Quelle tägliche Menge (g)
Kohlenhydrate
resistente Stärke Nahrung 8–40
Nicht-Stärke-Kohlenhydrate (Ballaststoffe):
  • Pektin

  • Hemicellulose

  • Cellulose

  • Inulin

Nahrung 8–18
nicht resorbierte Zucker und Zuckeralkohole Nahrung 2–10
Chitin und Aminozucker Nahrung 1–2
stickstoffhaltige Verbindungen
Protein Nahrung 3–12
Verdauungsenzyme Wirt 4–6
Harnstoff, Nitrat Wirt 0,5
andere
Mukus Wirt 2–3
abgestorbene Epithelzellen Wirt unbekannt
abgestorbene Bakterien Mikrobiota unbekannt

Die wichtigsten Hormone des Magen-Darm-Trakts und ihre biologische Wirkung

Tab. 28.5
Hormon Hauptort der Produktion vorwiegende Wirkung
Ghrelin Magen (Fundus)
  • stimuliert Sekretion von Wachstumshormon

  • appetitstimulierend

Gastrin Magen (Antrum), Duodenum
  • stimuliert Sekretion von Magensäure und Pepsin

Enkephaline Magen, Duodenum, Gallenblase
  • opiatähnliche Wirkungen

Cholecystokinin (CCK) Duodenum, Jejunum
  • stimuliert Kontraktion der Gallenblase und Gallenfluss

  • stimuliert Sekretion von Verdauungsenzymen des Pankreas

  • hemmt Magenentleerung

Sekretin Duodenum, Jejunum
  • hemmt Sekretion von Magensäure

  • stimuliert Bicarbonatsekretion des Pankreas

Glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP; früher: Gastric inhibitory polypeptide) Duodenum, proximales Jejunum
  • Inkretin: stimuliert Insulinsekretion

  • hemmt Sekretion von Magensäure

Vasoactive intestinal peptide (VIP) Pankreas
  • Relaxation der glatten Muskulatur

  • stimuliert Bicarbonatsekretion des Pankreas

Pancreatic polypeptide (PP) Pankreas
  • hemmt Bicarbonatsekretion des Pankreas

Glucagon-like peptide 1 (GLP-1) Ileum, Kolon
  • Inkretin: erhöht die glucoseabhängige Insulinsekretion

  • hemmt Sekretion von Glucagon

  • hemmt Magenentleerung

Motilin Dünndarm
  • notwendig für interdigestive intestinale Motilität

Oxyntomodulin distaler Dünndarm, Kolon
  • hemmt Magenentleerung

  • Sättigungsfaktor

Peptid YY 3-36 (PYY3-36) distaler Dünndarm, Kolon
  • hemmt Flüssigkeits- und Elektrolytsekretion des Dünndarms

  • Sättigungssignal

Substanz P gesamter Magen-Darm-Trakt
  • ZNS-Funktion bei Schmerzwahrnehmung (Nozizeption)

  • involviert in Brechreflex

  • stimuliert Speichelsekretion

  • induziert Vasodilatation

Kohlenhydratspaltende Enzyme am Dünndarmeptithel

Tab. 28.6
Enzym Substrat gespaltene Bindung Produkte
Maltase Maltose, Maltooligosaccharide -1,4 Glucose
Saccharase Saccharose -1,2 Glucose, Fructose
Isomaltase (1,6--Glucosidase) -Grenzdextrine -1,6 Maltotriose, Maltose, Glucose
Lactase (-Galaktosidase) Lactose -1,4 Glucose, Galaktose
Trehalase Trehalose -1,1 Glucose

Proteinspaltende Enzyme des Verdauungstrakts

Tab. 28.7
Protease aktives Zentrum Endo-/Exopeptidase Spaltung an Bildungsort/Lokalisation
Pepsin Aspartat Endopeptidase Phe, Tyr Magen
Trypsin Serin Endopeptidase Arg , Lys Pankreas
Chymotrypsin Serin Endopeptidase Phe , Tyr , Trp , Leu Pankreas
Elastase Serin Endopeptidase Ala, Gly, Val Pankreas
Carboxypeptidase A und B Zink-Metallzentrum Exopeptidase A: Phe, Tyr, Trp, B: Lys, His, Arg Pankreas
Aminopeptidasen Zink-Metallzentrum Exopeptidase Bürstensaummembran

Vitamine. Vorkommen und Funktion

Tab. 28.8
Vitamine Vorkommen Mangelerkrankung täglicher Bedarf [mg]1) biologische Funktion sensitiv gegen1)
Vitamin A: Retinol, Retinal, Retinsäure
  • Leber

  • Milch

  • Eier

  • Butter

  • in Gemüse als Provitamin A (Carotinoide)

  • Nachtblindheit

  • Keratomalazie

  • Immunsuppression

0,8–1,0
  • Sehvorgang

  • Morphogenese

  • Differenzierung und Funktion epithelialer Zellen

Hitze, Licht, O2 (10%)
Vitamin D: Cholecalciferol
  • Leber(tran)

  • Milch

  • Eier

  • Rachitis

  • Osteomalazie

0,005–0,01
  • Regulation der Calciumhomöostase

O2, Licht (10%)
Vitamin E: -Tocopherol
  • Pflanzen(keim)öle

  • Pflanzensamen

  • Nüsse

  • Ataxie

  • Myopathie

  • Fertilitätsstörungen

  • hämolytische Anämie

12–15
  • Stabilisierung von Membranen (?), sonst weitgehend unklar

(UV-)Licht, Wieder-erhitzen (10%)
Vitamin K: Phyllochinon
  • grüne Pflanzen

  • Darmbakterien

  • hämorrhagische Diathese

0,06–0,08
  • Carboxylierung von Glutamatresten in Proteinen

Licht (fast quantitativ)
Vitamin B1: Thiamin
  • ubiquitär

  • Beriberi

  • periphere Neuropathien

mind. 1,0–1,3, bzw. 0,5/1000 kcal
  • oxidative Decarboxylierung

  • Transketolase

Hitze, O2 (30%)
Vitamin B2: Riboflavin
  • tierische Organe

  • Milch

  • Gemüse

  • Hefe

  • Keratitis

  • Cheilitis

  • Glossitis

  • Stomatitis

mind. 1,2–1,5, bzw. 0,6/1000 kcal
  • Elektronentransfer

  • Bestandteil von Flavoproteinen

Licht (20%)
Vitamin B6: Pyridoxin
  • tierische Organe

  • Getreide

  • Hefe

  • Neuropathien

  • Dermatitis

1,2–1,5
  • Aminosäurestoff-wechsel

Hitze, Sonne (20%)
Vitamin B12: Cobalamin
  • nur in tierischer Nahrung, Darmbakterien

  • megaloblastäre oder perniziöse Anämie

  • funikuläre Myelose

0,003
  • Methylgruppen-übertragung

  • Methylmalonyl-CoA-Mutase-Reaktion

(12%)
Folsäure
  • grünes Gemüse

  • Hefe

  • Leber

  • Darmbakterien

  • megaloblastäre Anämie

  • Spina bifida bei Neugeborenen

0,42)
  • Übertragung von C1-Gruppen

Licht, Hitze (50–70%)
Niacin
  • Getreide

  • Leber

  • Fleisch

  • Eier

  • Milchprodukte

  • Pellagra

  • Dermatitis

  • Diarrhö

  • Demenz

13–17
  • Bestandteil von NAD(P)H

  • Elektronentransport

  • posttranslationale Proteinmodifikation

(< 10%)
Pantothensäure
  • ubiquitär

  • uncharakteristische Symptome

  • Müdigkeit

  • Burning feet syndrome

6
  • Bestandteil von Coenzym A

Hitze (30%)
Biotin
  • Leber

  • Niere

  • Eigelb

  • Hefe

  • Soja

  • Nüsse

  • Darmbakterien

  • Dermatitis

  • Alopezie

  • nervöse Störungen

0,03–0,06
  • Carboxylierungs-reaktionen

keine Angaben
Vitamin C: Ascorbinsäure
  • Zitrusfrüchte

  • Zwiebeln

  • Kartoffeln

  • Skorbut

  • Zahnfleischentzündung

  • Blutungen

1003)
  • Aufrechterhaltung des Fe2+-Status in (Kollagen-, Steroid-, Dopamin-)Hydroxylasen

  • Peptidyl--Amidierung

O2, Metallionen (30%)

1)

Quelle: DACH. Referenzwerte für die Nährstoffzufuhr, 1. Aufl. Frankfurt: Umschau/Braus, 2000. Angaben für Erwachsene. Die niedrige Menge trifft für Frauen, die höhere für Männer zu

2)

Für Frauen mit Kinderwunsch werden 600 g/Tag empfohlen

3)

Für Raucher wird ein Zuschlag von 50% empfohlen (150 mg)

Werte in Klammern geben den Verlust bei schonender landesüblicher Zubereitung an

Vitamine als Coenzyme

Tab. 28.9
Vitamin Coenzym Funktion
Phyllochinon, K Hydrochinonform
  • -Carboxylierung von Proteinen

Thiamin, B1 Thiaminpyrophosphat
  • oxidative Decarboxylierung

  • Transketolase

  • Verzweigtketten--Ketosäure-Dehydrogenase

Riboflavin, B2 FMN, FAD
  • Elektronentransfer

Pyridoxin, B6 Pyridoxalphosphat
  • Aminosäurestoffwechsel

Cobalamin, B12 Methyl- oder 5'-Desoxyadenosyl-cobalamin
  • Methylgruppentransfer

  • Mutasereaktion

Folsäure Tetrahydrofolsäure
  • C1-Gruppen-Übertragung

Niacin NAD(P)H
  • Elektronentransfer

Pantothensäure Coenzym 1
  • Acylgruppentransfer

Biotin Biotin
  • Carboxylgruppentransfer

Ascorbat, Vitamin C
  • Hydroxylierungsreaktionen

  • Redoxregulation

Selenoproteine

Tab. 28.11
Selenoprotein Funktion
Glutathion-Peroxidasen (GPx):
  • zytosolische oder klassische GPx (GPx1)

  • Phospholipidhydroperoxid GPx (GPx4)

  • Plasma GPx (GPx3)

  • gastrointestinale GPx (GPx2)

  • Reduktion von Hydroperoxiden: ROOH + 2 GSH ROH + GSSG

  • Antioxidans

  • Reduktion von lipophilen Hydroperoxiden, Bildung der mitochondrialen Kapsel der Spermatozyten in der Spermatogenese

  • Reduktion von H2O2 in der Schilddrüse?

  • Schutz vor der Resorption von Hydroperoxiden? Nötig für die Aufrechterhaltung der Proliferation von Mukosazellen?

Jodothyronin-Deiodinasen Stoffwechsel der Schilddrüsenhormone
Thioredoxin-Reduktasen Reduktion von oxidiertem Thioredoxin, das bei der Reduktion von oxidierten Thiolgruppen in Proteinen anfällt. Wichtigste Beispiele: Ribonucleotid-Reduktase bei der Desoxyribonucleotidbiosynthese, redoxsensitive Transkriptionsfaktoren (NF-B)
Selenophosphat-Synthetase-2 Synthese von Selenophosphat für die Sec-Synthese
Selenoprotein P Selentransport und Verteilung
Methioninsulfoxid-Reduktase B Reduktion von Methioninsulfoxid in Proteinen

Bruttoenergiegehalt und metabolisierbare Energie der Makronährstoffe

Tab. 28.12
Nährstoff Bruttoenergie (pro 1 g) Koeffizient der Verfügbarkeit (%) metabolisierbare Energie (pro 1 g)
Kohlenhydrat 17,2 kJ (4,1 kcal) 97 16,7 kJ (4,0 kcal)
Fett 38,9 kJ (9,3 kcal) 96 37,6 kJ (9,0 kcal)
Protein 23,8 kJ (5,7 kcal) 92 16,7 kJ (4,0 kcal)
Alkohol (Ethanol) 29,7 kJ (7,1 kcal) 100 29,7 kJ (7,1 kcal)

korrigiert für Energiegehalt des ausgeschiedenen Harnstoffes: (23,8 0,92) – 5,2 kJ/g

Energiereserven des Körpers (für eine durchschnittliche 65 kg-Person)

Tab. 28.13
Substrat Menge Energiegehalt als einzige Energiequelle theoretisch verbraucht nach
Kohlenhydrate
freie Glucose 12 g 0,2 MJ 30 min
Glykogen 450 g 7,65 MJ 18 h
Fette
Triglyceride 15 kg 550 MJ 55 Tagen
Proteine 12,5 kg 210 MJ 21 Tagen

Kalorisches Äquivalent und respiratorischer Quotient beim oxidativen Abbau der Makronährstoffe

Tab. 28.14
Nährstoff kalorisches Äquivalent RQ
Glucose 20,8 kJ/L O2 1,00
Fett 19,6 kJ/L O2 0,71
Protein 19,4 kJ/L O2 0,83
Alkohol (Ethanol) 21,2 kJ/L O2 0,67
gemischte Nahrung 20,3 kJ/L O2 0,90

Peptide und Neurotransmitter mit Einfluss auf Appetit und Essverhalten

Tab. 28.15
appetitstimulierend appetitunterdrückend
periphere Peptidhormone periphere Peptidhormone
  • Ghrelin

  • Leptin

  • GLP-1 (Glucagon-like peptide)

  • CCK (Cholecystokinin)

  • PYY 3-36 (via NPY-Rezeptor Y2R)

  • Enterostatin

  • Amylin

  • Oxyntomodulin

zentrale Neurotransmitter zentrale Neurotransmitter
Peptide
  • NPY (Neuropeptid Y)

  • MCH (Melanin concentrating hormone)

  • AGRP (Agouti-related peptide)

  • Galanin

  • Orexin A und B

  • endogene Opioide (z.B. -Endorphin)

Peptide
  • -MSH (Melanocyte stimulating hormone)

  • CRF (Corticotropin releasing factor)

  • CART (Cocaine- and amphetamine-regulated transcript)

  • TRH (Thyrotropin-releasing hormone)

  • BDNF (Brain-derived neurotrophic factor)

  • Urocortine

  • Neurotensin

  • Oxytocin

  • Bombesin/Bombesin-related peptides

Nichtpeptide
  • Endocannabinoide (z.B. Anandamid)

  • Noradrenalin (2-Rezeptor)

  • GABA

Nichtpeptide
  • Serotonin

  • Noradrenalin (1-Rezeptor, -Rezeptor)

Gewichtsklassifikation von Erwachsenen anhand des BMI

Tab. 28.16
BMI (kg/m2) Kategorie Risiko für Begleiterkrankungen des Übergewichts
< 18,5 Untergewicht niedrig
18,5–24,9 Normalgewicht durchschnittlich
25,0
  • 25–29,9

  • 30–34,9

  • 35–39,9

  • 40

Übergewicht
  • Präadipositas

  • Adipositas Grad I

  • Adipositas Grad II

  • Adipositas Grad III

  • gering erhöht

  • erhöht

  • hoch

  • sehr hoch

Extremes Untergewicht erhöht jedoch die Mortalität

Monogenetisch verursachte Adipositas beim Menschen

Tab. 28.17
betroffenes Gen Vererbung Adipositas weitere Merkmale
Leptin rezessiv extrem, früh gonadotrope Insuffizienz
Leptinrezeptor rezessiv extrem, früh gonadotrope, thyreotrope und somatotrope Insuffizienz
Proopiomelanocortin (POMC) rezessiv extrem, früh ACTH-Defizienz, rothaarig
Proconvertase rezessiv hoch, früh gonadotrope und corticotrope Insuffizienz
Melanocortin-4-Rezeptor dominant variabel, früh keine

Verdauung und Ernährung

R. Brigelius-Floh

M. Blaut

S. Klaus

  • 28.1

    Organe des Verdauungstrakts 862

  • 28.1.1

    Verdauungsorgane und Verdauungssekrete862

  • 28.1.2

    Die Mikrobiota des Gastrointestinaltrakts867

  • 28.1.3

    Hormone des Magen-Darm-Trakts870

  • 28.2

    Verdauung und Resorption der Makronährstoffe 872

  • 28.2.1

    Kohlenhydrate872

  • 28.2.2

    Proteine872

  • 28.2.3

    Lipide874

  • 28.2.4

    Wasser und Elektrolyte876

  • 28.3

    Stoffwechsel der Mikronährstoffe 877

  • 28.3.1

    Vitamine877

  • 28.3.2

    Mineralien888

  • 28.4

    Regulation von Nahrungsaufnahme und Körpergewicht 892

  • 28.4.1

    Energiestoffwechsel892

  • 28.4.2

    Hormonelle Regulation des Appetits895

  • 28.4.3

    Körpergewicht und Körperzusammen- setzung897

  • 28.5

    Formen der Ernährung 899

  • 28.5.1

    Grundlagen einer gesunden Ernährung899

  • 28.5.2

    Diäten900

Praxisfall

Eine Mutter kommt mit ihrem 12 Jahre alten Kind zum Arzt, weil sie bemerkt, dass es sich nicht mehr normal entwickelt. Es lernt nicht mehr, fällt mit dem Fahrrad um und hat Sprachstörungen. Die klinischen Symptome sind fehlende Sehnenreflexe und erhöhter Muskeltonus. Am auffälligsten ist eine typische Ataxie, also ein Unvermögen, Bewegungen richtig zu koordinieren. Nach langem Rätselraten bemerkt man eine äußerst geringe Konzentration an Vitamin E im Plasma, die nicht zu erklären ist, da das Kind sich normal ernährt. Beim Literaturstudium stößt man schließlich auf eine seltene Krankheit, die auf einem Defekt im Gen für das -Tocopherol-Transferprotein beruht, vererbbar ist und mit schwerem Vitamin-E-Mangel einhergeht. Alle Symptome sind bei rechtzeitiger Substitution mit hohen Dosen Vitamin E zu verbessern, das Kind entwickelt sich normal weiter und kann später ein fast normales Leben führen.

Zur Orientierung

Die Nahrung enthält Stoffe, die für den Aufbau von Körpergeweben vonnöten sind. Außerdem bietet sie essenzielle Mikronährstoffe, die einzelne Reaktionen oder ganze Stoffwechselprozesse regulieren, und liefert die Energie, die für biochemische Vorgänge unerlässlich ist. Die Regulation der Nahrungsaufnahme durch hormonelle Steuerung von Hunger und Sättigungsgefühl wird heute auch auf molekularer Ebene immer besser verstanden. Das Fehlen einer bestimmten Nahrungskomponente kann zu schweren Krankheiten führen. Störungen in der Verwertung von Nahrungskomponenten können auch genetisch bedingt sein.

Unsere Nahrung enthält zwar alle notwendigen Nährstoffe, sie können aber in der angebotenen Form nicht verwertet werden. Monosaccharide sind in hochmolekularen Strukturen gebunden, Aminosäuren in Proteinen und Fettsäuren in komplexen Lipiden. Proteine und Lipide sind zudem Bestandteile von Membranen, die nochmals eine komplexere Struktur haben. Für ihre Aufnahme in den Organismus gibt es biochemische Systeme, mit deren Hilfe nahezu alle Bestandteile der Nahrung zerkleinert, absorbiert und über den Organismus verteilt werden können.

Vitamine sind organische Verbindungen, die zur Aufrechterhaltung der Körperfunktionen notwendig sind, aber vom menschlichen Organismus nicht synthetisiert werden können. Sie müssen daher mit der Nahrung zugeführt werden.

Mineralien werden nach Funktion und Konzentration im Körper unterteilt. Bei den Funktionen unterscheidet man zwischen Bau- und Reglerstoffen. Zu den Baustoffen gehören Calcium, Phosphor und Magnesium. Calcium und Phosphor regulieren gleichzeitig zelluläre Prozesse.

Bei der Konzentration unterscheidet man zwischen Mengen- und Spurenelementen. Mengenelemente liegen in einer Konzentration von mehr als 50 mg/kg Körpergewicht vor. Spurenelemente sind anorganische Nahrungsbestandteile, deren Gehalt im Gewebe weniger als 50 mg/kg beträgt und deren biologische Funktion gesichert ist. Hierzu gehören Chrom, Eisen, Fluor, Jod, Cobalt, Kupfer, Mangan, Molybdän, Selen und Zink.

Energie wird über die Nahrung in Form der Makronährstoffe aufgenommen. Den größten Anteil am täglichen Energieumsatz hat der Grundumsatz, der hauptsächlich von der fettfreien Masse abhängt. Die Regulation des Körpergewichts geschieht im Rahmen der Energiehomöostase, bei der die kurzfristige Appetitregulation mit langfristigen Signalen über die Energiereserven integriert wird.

Das gestiegene Bewusstsein hinsichtlich der Bedeutung einer gesunden Ernährung für die Gesundheit hat das Interesse an verschiedenen Ernährungsformen ansteigen lassen. Empfehlungen für die Zufuhr von Nahrungsbestandteilen und für individuelle Bedürfnisse sollen helfen, sich bedarfsgerecht und ausgewogen zu ernähren.

Organe des Verdauungstrakts

Der Verdauungstrakt dient dem Aufschluss und der Resorption der aufgenommenen Nahrung. Er gliedert sich in Mundhöhle, Ösophagus, Magen, Dünndarm, Dickdarm und Rektum (Abb. 28.1). Leber und Pankreas unterstützen die Verdauung durch die Sekretion von Gallensäuren und Enzymen. Während der Passage durch den Verdauungstrakt werden polymere Kohlenhydrate, Proteine und Lipide enzymatisch in resorbierbare Spaltprodukte zerlegt. Die für die Spaltung notwendigen Enzyme befinden sich in Speichel, Magensaft und Pankreassekret. Teilweise tragen auch Enzyme an der Oberfläche des Dünndarmepithels zum Abbau von Oligosacchariden und Oligopeptiden bei. Die Spaltprodukte sowie Vitamine, Elektrolyte und Wasser werden im Dünndarm resorbiert und über die Pfortader zur Leber transportiert. Der Dickdarm dient der weiteren Resorption von Elektrolyten und Wasser.

Verdauungsorgane und Verdauungssekrete

Mundhöhle und Ösophagus
Die Nahrung wird in der Mundhöhle mechanisch zerkleinert und mit Speichel versetzt. Neben Elektrolyten enthält der Speichel hochmolekulare Glykoproteine, sog. Muzine, welche die Gleitfähigkeit des Speisebreis erhöhen, sowie stärke- und fettspaltende Enzyme, die den Nahrungsaufschluss einleiten. Die Speichelamylase Ptyalin spaltet -1,4-glykosidische Bindungen der Stärke in gleicher Weise wie die pankreatische -Amylase. Die Lipase spaltet v.a. Triglyceride mit kurz- und mittelkettigen Fettsäuren. Beide Enzyme haben ein pH-Optimum von 6–7 und werden vom sauren pH des Magens inaktiviert.
Magen
Im Magen wird die aufgenommene Nahrung mit Magensaft versetzt und durch peristaltische Kontraktionen gemischt. Der entstehende Chymus enthält neben Elektrolyten (Na+, K+, Mg2+, HPO42–, SO42–) Salzsäure (HCl), Schleim (Muzin), Intrinsic-Faktor und Verdauungsenzyme.
Sekretion von Salzsäure
Die im Mittelteil der Magendrüsen gehäuft auftretenden Parietalzellen (Belegzellen, Abb. 28.2) produzieren die Salzsäure. H+-Ionen müssen aktiv gegen ein großes Konzentrationsgefälle transportiert werden. Das Verhältnis von intra- zu extrazellulären H+-Konzentrationen liegt bei 1 : 1.000.000, entsprechend den pH-Werten von 7 intrazellulär und 1 extrazellulär. Die Salzsäurebildung erfordert den transmembranen Transport verschiedener Ionen in die und aus der Parietalzelle (Abb. 28.2):
  • An der basolateralen Membran erfolgt die ATP-abhängige Aufnahme von K+ in die Zellen, die mit der Ausschleusung von Na+ gekoppelt ist. Der Austausch wird von der Na+-K+-ATPase katalysiert.

  • Ebenfalls an der basolateralen Seite wird Na+ über einen Na+-H+-Antiporter in die Zelle aufgenommen.

  • Basolateral wird außerdem für jedes abgegebene H+ ein Cl aufgenommen. Die Aufnahme des Cl ist mit der Abgabe von Bicarbonat gekoppelt.

  • Das Cl wird anschließend an der luminalen Seite über Chloridkanäle in das Lumen abgegeben.

  • Parallel dazu wird das intrazellulär angereicherte K+ über K+-Kanäle ebenfalls in das Lumen abgegeben. Das sezernierte K+ wird dann unter ATP-Hydrolyse durch die K+-H+-ATPase aus dem Lumen in die Zelle transportiert.

  • Im Austausch dafür werden von der Carboanhydrase bereitgestellte Protonen in das Lumen sezerniert, sodass im Ergebnis HCl entsteht.

Sekretion von Schleim und Hydrogencarbonat
Zum Schutz vor der Salzsäure ist der Magen mit einer viskosen Muzinschicht ausgekleidet. Die Muzine sind hochmolekulare Glykoproteine, die von oberflächlichen Epithelzellen und von mukoiden Zellen verschiedener Drüsen sowie von den Nebenzellen gebildet werden. Ihr Proteinkern besteht aus einer langen Kette von Tandem repeats, vielfachen Wiederholungen einer Sequenz von ca. 20 Aminosäuren. Die unterschiedliche Sequenz der Tandems und die Anzahl der zehn bis 100 Wiederholungen machen die Vielfalt der Muzine aus. Ein weiteres Merkmal ist der hohe Anteil an Ser- und Thr-Resten, an die Oligosaccharidketten gebunden sind. Die Epithelzellen sezernieren darüber hinaus mittels eines elektroneutralen Cl-HCO3-Antiporters Hydrogencarbonat, das auf der Schleimhautoberfläche unter der Muzinschicht bleibt. Dadurch wird der pH-Wert nahe der Schleimhautoberfläche bei 7 gehalten, während er im Lumen 1–2 beträgt.
Sekretion von Pepsinogen und Lipase
Die Hauptzellen der Magendrüsen bilden Pepsinogen und Lipase. Pepsinogen gehört zu den Zymogenen. Das sind inaktive Vorstufen (Proenzyme) verschiedener Verdauungsenzyme, die in den produzierenden Zellen intrazellulär in Granula gespeichert sind (unten).
Sekretion des Intrinsic-Faktors
Die Parietalzellen produzieren auch den Intrinsic-Faktor. Dabei handelt es sich um ein Glykoprotein mit einer Größe von 50 kDa, das zusammen mit einem B12-bindenden Protein (Haptocorrin) aus dem Mundspeichel für die Resorption von Vitamin B12 im Ileum benötigt wird (Kap. 28.3.1). Durch Bindung von Vitamin B12 entsteht ein magensäureresistenter Komplex, der im Duodenum unter Einwirkung von Pankreasenzymen gespalten wird. Das B12-haltige Spaltprodukt bindet an den Intrinsic-Faktor, und der entstehende Komplex wird im Ileum durch rezeptorvermittelte Endozytose resorbiert.
Dünndarm
Hauptorte der Resorption im Dünndarm sind Duodenum und proximales Jejunum. Die Schleimhaut (Mukosa) des Dünndarms verfügt über eine Oberfläche von bis zu 200 m2. Sie ist durch Einstülpungen (Krypten) und Ausstülpungen (Villi, Zotten) gekennzeichnet (Abb. 28.3). Die Villi der Enterozyten tragen Mikrovilli, die den Bürstensaum bilden und die Oberfläche der Mukosa vergrößern. In den Krypten liegen in der proliferierenden Zone die Stammzellen, aus denen alle Zelltypen der Darmmukosa hervorgehen: die in den Krypten verbleibenden Paneth-Körnerzellen, die in die Villi wandernden absorptiven Enterozyten, endokrine Zellen und Becherzellen. An der Spitze der Villi werden die Zellen abgeschilfert, sodass sich die Darmmukosa ständig erneuert.
Tiefer liegende Enterozyten besitzen Transporter für die Aufnahme von Aminosäuren und Monosacchariden und sezernieren Cl und HCO3 in das Darmlumen. Die oberflächlicheren Enterozyten in den Villi sezernieren Verdauungsenzyme und besitzen Transporter für die Aufnahme von Nahrungskomponenten und deren Abgabe in das Blut an der basolateralen Seite. Die von den Becherzellen in das Lumen sezernierten Muzine erhöhen die Gleitfähigkeit des Chymus und schützen die Epithelzellen vor Schädigung durch Verdauungsenzyme sowie vor pathogenen Bakterien. Die Paneth-Körnerzellen sezernieren eine Reihe antimikrobiell aktiver Substanzen, wie Lysozym, -Defensine und Phospholipase A2. Die endokrinen Zellen sezernieren die Hormone des Magen-Darm-Trakts (Kap. 28.1.3).
Pankreassekretion
Die Bauchspeicheldrüse (Pankreas) sezerniert täglich 1–1,5 L Pankreassekret in das Duodenum, das in den Acinuszellen produziert wird. Der Pankreassaft hat einen pH-Wert von 8–8,4 und neutralisiert so den sauren Mageninhalt. Dies ist Voraussetzung für die Wirksamkeit der Verdauungsenzyme, die ein pH-Optimum von 7–8 haben (Tab. 28.1).
Zymogene
Um eine Selbstverdauung zu vermeiden, werden die Verdauungsenzyme von Magen und Pankreas in ihrer Mehrzahl als Zymogene sezerniert (Tab. 28.2). Pepsinogen des Magens trägt an seinem Aminoterminus eine Sequenz aus 44 Aminosäuren, die dem aktiven Enzym fehlt. Dieses Fragment, das im Gegensatz zum Pepsin hauptsächlich basische Aminosäuren aufweist, blockiert das aktive Zentrum des Pepsins durch elektrostatische Wechselwirkung seiner Lysinreste mit Glutamat- und Aspartatresten des Pepsinteils. Sinkt der pH-Wert unter 5, werden die Carboxylatgruppen der sauren Reste protoniert, und die elektrostatische Interaktion geht verloren. Infolge dieser Veränderungen spaltet das frei gewordene aktive Zentrum des Pepsins das Vorläuferfragment des Pepsinogens ab, wodurch das aktive Pepsin entsteht.
Da die pankreatischen Verdauungsproteasen Peptidbindungen in einem Protein aminosäurespezifisch spalten (Kap. 28.2.2, Tab. 28.7), müssen für eine effektive Proteinverdauung mehrere Zymogene im Duodenum gleichzeitig aktiviert werden. Dies wird für alle Zymogene des Pankreas durch Trypsin gewährleistet: Trypsinogen, Chymotrypsinogen, Proelastase und Procarboxypeptidase. Zur initialen Aktivierung von Trypsinogen sezernieren Zellen im Duodenum Enteropeptidase. Diese spaltet Trypsinogen zwischen Lys15 und Ile16. Die hierdurch gebildete kleine Menge an aktivem Trypsin aktiviert weiteres Trypsinogen und die anderen Zymogene. Der pankreatische sekretorische Trypsininhibitor (PSTI) verhindert die unzeitgemäße Aktivierung von Trypsin durch Bindung an das aktive Zentrum (Abb. 28.4).
Katalytisch inaktives Chymotrypsinogen besteht aus 245 Aminosäuren. Trypsin spaltet die Peptidbindung zwischen Arg15 und Ile16, wodurch das aktive -Chymotrypsin entsteht (Abb. 28.4). Die nachfolgende Abspaltung von zwei Dipeptiden (Ser14-Arg15 und Thr147-Asn148), die durch Einwirkung eines -Chymotrypsin-Moleküls auf ein anderes erfolgt, führt zur Bildung des katalytisch ähnlich aktiven -Chymotrypsins, die stabile Form des Enzyms, dessen drei Ketten (A, B und C) durch zwei Disulfidbrücken miteinander verbunden sind.
Gallesekretion
Leberzellen produzieren täglich 600–700 ml Galle (Lebergalle), die teilweise in der Gallenblase zwischengespeichert wird, wo sie einem Konzentrierungsprozess unterliegt (Blasengalle). Hauptbestandteile der Galle sind Gallensäuren, Phosphatidylcholin (Lecithin), Gallenfarbstoffe (z.B. Bilirubin), Cholesterin und anorganische Ionen (Tab. 28.3).
Die Galle fließt in das Duodenum, wo sie für Verdauung und Resorption von Fett von entscheidender Bedeutung ist (Kap. 28.2.3). Sekretin und Gallensäuren stimulieren die Galleproduktion. Cholecystokinin vermittelt die durch fettreiche Nahrung ausgelöste Entleerung der Gallenblase (Kap. 28.1.3).
Gallensäuren
Bei den Gallensäuren handelt es sich um amphiphile Moleküle, deren wichtigste Funktion darin liegt, wasserunlösliche (lipophile) Verbindungen durch Mizellenbildung in wässriger Umgebung in Lösung zu halten. Man unterscheidet primäre und sekundäre Gallensäuren, die jeweils etwa 70–80% bzw. 30 bis 20% zum Gallensäurepool beitragen. Die primären Gallensäuren Cholat und Chenodesoxycholat werden in der Leber aus Cholesterin synthetisiert und mit Taurin und Glycin konjugiert (Kap. 8.3.3). Die konjugierten Gallensäuren gelangen als Bestandteile gemischter Mizellen in das Duodenum. Nach Dekonjugation werden die primären Gallensäuren durch Darmbakterien in die sekundären Gallensäuren Desoxycholsäure und Lithocholsäure umgewandelt. Die Gallensäuren werden im distalen Ileum mithilfe des apikalen natriumabhängigen Gallensalztransporters (ASBT, apical sodium bile acid transporter) aktiv rückresorbiert. Im Zuge der gesamten Darmpassage werden 90–95% der Gallensäuren rückresorbiert und über das portale Blut zur Leber transportiert, wo sie erneut konjugiert werden (enterohepatischer Kreislauf). Ausgeschiedene Gallensäuren werden durch Neusynthese in der Leber ersetzt. Der Gallensäurepool durchläuft den enterohepatischen Kreislauf pro Tag etwa fünf bis zehn Mal.

Klinik

Gallensäuren und Phospholipide vermitteln die Löslichkeit von Cholesterin in der Galle. Steigt die Cholesterinkonzentration oder sinkt die Konzentration an Gallensäuren oder Phospholipiden, kristallisiert Cholesterin aus. Es kommt zur Bildung von Gallensteinen (Cholelithiasis). In 80% der Fälle ist das Ausfallen von Cholesterin die Ursache.

Dickdarm
Der Dickdarm weist eine Länge von etwa 150 cm auf. Er hat die Aufgabe, dem Chymus Wasser und Elektrolyte zu entziehen und damit einen Verlust von Wasser zu vermeiden sowie das Volumen des Darminhalts zu verkleinern. Darüber hinaus ist das Kolon der Teil des Magen-Darm-Trakts, der am stärksten mit Bakterien besiedelt ist.
Die Schleimhaut des Kolons besitzt im Gegensatz zu der des Dünndarms keine Zotten, dafür aber tiefe, dicht nebeneinanderstehende Krypten. Becherzellen, die zahlreich in den Krypten und auf der Oberfläche zu finden sind, sezernieren Schleim, um den Transport des Darminhalts zu erleichtern. Darüber hinaus findet man auf der Oberfläche der Kolonmukosa Zellen mit Bürstensaum, die der Resorption dienen.

MERKE

Im Verdauungstrakt wird die Nahrung durch Kauen zerkleinert und teilweise bereits im Speichel durch Amylasen und Lipasen gespalten. Im sauren Milieu des Magens werden Proteine denaturiert und von Proteasen abgebaut. Der saure Magensaft wirkt bakterizid. Zum Schutz gegen Selbstverdauung werden Muzine gebildet und HCO3 sezerniert, das unmittelbar an der Mukosaoberfläche den sauren pH neutralisiert. Vom Pankreas werden weitere Verdauungsenzyme in das Darmlumen sezerniert, die zum Schutz vor Selbstverdauung meist als Proenzyme vorliegen und im Dünndarm durch Proteolyse aktiviert werden. Die Leber gibt Gallensäuren in das Duodenum ab, die für die Absorption von Lipiden unerlässlich sind. Im Dünndarm wird der größte Teil der Nahrung und ihrer Spaltprodukte resorbiert. Im Dickdarm wird Wasser rückresorbiert.

Die Mikrobiota des Gastrointestinaltrakts

Der Gastrointestinaltrakt des Menschen ist der Lebensraum von ca. 1013–1014 Mikroorganismen. Ihre Anzahl übertrifft somit die der Körperzellen um den Faktor 10. Bei den Mikroorganismen handelt es sich in der überwiegenden Mehrzahl um Bakterien. Pilze und Hefen kommen beim gesunden Menschen nur in sehr geringen Konzentrationen vor. Diese mikrobielle Lebensgemeinschaft bezeichnet man als Mikrobiota. Der Begriff löst die zuvor gebräuchliche Bezeichnung Mikroflora ab, da es sich bei Mikroorganismen nicht um Pflanzen handelt, wie der Begriff Flora suggeriert. Die Bakterien des Gastrointestinaltrakts beeinflussen die Physiologie des Wirts auf verschiedenen Ebenen. So spielen sie eine wichtige Rolle bei der Reifung des Immunsystems und der Abwehr von pathogenen Bakterien. Des Weiteren beeinflusst ihr Metabolismus den Stoffwechsel des Wirts auf vielfältige Weise.
Ein Erwachsener, der eine westliche Diät verzehrt, scheidet täglich etwa 150 g Fäzes aus. Ein Drittel davon besteht aus Bakterien. Um die ausgeschiedene Bakterienmasse zu ersetzen, benötigen die Darmbakterien etwa 30–45 g Kohlenhydrate als Wachstumssubstrat.
Besiedlung des Gastrointestinaltrakts
Bis zur Geburt ist der Säuglingsdarm steril. Die ersten Bakterien im Darm des Säuglings stammen von der Mutter und aus der unmittelbaren Umgebung und werden oral aufgenommen. Es handelt sich um fakultativ aerobe und aerotolerante Bakterien wie Enterobacteriaceae (z.B. Escherichia coli), Staphylokokken, Enterokokken und Laktobazillen. Insbesondere die fakultativ aeroben Bakterien tragen durch den Verbrauch von Sauerstoff dazu bei, dass das Darmmilieu anaerob wird. So sinkt das Redoxpotenzial (Eh) des Darminhalts, das bei Geburt bei etwa +180 mV liegt, innerhalb von zwei Tagen auf –110 mV und im weiteren Verlauf allmählich auf –350 mV ab. Diese Bedingungen begünstigen das Wachstum strikt anaerober Bakterien, die den Säuglingsdarm zunehmend besiedeln. Bifidobakterien entwickeln sich innerhalb der ersten Tage nach der Geburt zur dominanten Bakteriengruppe, aber auch Bakterien der Gattungen Bacteroides und Clostridium treten erstmals in Erscheinung.
Der Verlauf der Besiedlung hängt von einer Reihe von Faktoren ab, zu denen der Reifegrad des Säuglings bei der Geburt, die Art der Geburt, der Hygienestatus der Umgebung und die Art der Ernährung zählen. So findet man bei frühgeborenen Säuglingen häufig eine Fehlbesiedlung mit potenziell pathogenen Bakterien, während per Kaiserschnitt geborene Kinder eine um bis zu einen Monat verzögerte Besiedlung mit Bifidobakterien haben. Die Ernährung mit Muttermilch spielt für die charakteristische Besiedlung mit Bifidobakterien eine entscheidende Rolle, weil sie vergleichsweise proteinarm (1,5%, w/w), dafür aber relativ reich an Kohlenhydraten ist (7%, w/w). Lactose ist das mengenmäßig wichtigste Kohlenhydrat in der Muttermilch und somit der Hauptenergielieferant für den Säugling. Die in der Dünndarmschleimhaut lokalisierte Lactase (-Galactosidase) spaltet Lactose zu Glucose und Galaktose, die anschließend resorbiert oder von Bifidobakterien und Laktobazillen als Wachstumssubstrate genutzt werden. Außerdem erzeugt die Fermentation dieser Kohlenhydrate zu Lactat und Acetat einen relativ niedrigen pH-Wert von 5,5–6, an den Laktobazillen und Bifidobakterien besser angepasst sind als andere Bakteriengruppen. Weitere bedeutsame Faktoren in der humanen Milch, welche die mikrobielle Besiedlung beeinflussen, umfassen sekretorisches IgA, Lysozym, Nucleotide und Lactoferrin. Letzteres vermindert die Verfügbarkeit von freiem Eisen, das für viele pathogene Bakterien ein wichtiger Wachstumsfaktor ist. Einige dieser Inhaltsstoffe fehlen in Flaschennahrung. Die Mikrobiota nicht gestillter Säuglinge zeigt eine stärkere Ähnlichkeit mit der Mikrobiota von Erwachsenen als die gestillter Säuglinge, obwohl sie weniger komplex ist.
Mit zunehmendem Alter, besonders aber nach der Entwöhnung ähnelt die intestinale Mikrobiota des zuvor gestillten Kindes im Wesentlichen der des Erwachsenen, aber mit deutlich geringerer Stabilität. Neu aufgenommene Bakterien haben in der frühen Lebensphase eine größere Chance, sich im Gastrointestinaltrakt zu etablieren, als in späteren Lebensabschnitten, woraus eine größere Anfälligkeit gegenüber Pathogenen resultiert.
Verteilung der Bakterien im Gastrointestinaltrakt
Die einzelnen Abschnitte des Gastrointestinaltrakts unterscheiden sich bezüglich der bakteriellen Besiedlungsdichte und der zahlenmäßig dominanten Bakteriengruppen stark voneinander. Aufgrund des niedrigen pH-Werts ist der Magen des gesunden Erwachsenen nur spärlich mit Bakterien besiedelt. Die Zellzahlen im Magenlumen erreichen maximal 103 Zellen/ml, wobei insbesondere säuretolerante Bakterien wie Laktobazillen vorherrschen. Trotz des niedrigen pH-Werts gelingt es dem pathogenen Bakterium Helicobacter pylori, sich im Magen etwa jedes zweiten Menschen anzusiedeln. Zum Schutz vor der Magensäure nistet sich der Organismus in der Schleimschicht des Magens ein. Darüber hinaus neutralisiert H. pylori durch die Bildung von NH3 aus Harnstoff mittels Urease den pH-Wert in seiner unmittelbaren Umgebung.

Klinik

Trotz des niedrigen pH-Werts gelingt es dem pathogenen Bakterium Helicobacter pylori, sich im Magen etwa jedes zweiten Menschen anzusiedeln. Helicobacter-pylori-Infektionen haben weltweit eine Prävalenz von etwa 50%, mit deutlich höheren Infektionsraten in den Entwicklungsländern als in den Industriestaaten. Von etwa 33 Mio. Infizierten in Deutschland entwickeln 10–20% ein Ulkus des Magens oder des Duodenums. Therapiert werden Helicobacter-pylori-Infektionen mit einer Kombination aus einem Protonenpumpenhemmer und zwei Antibiotika, wie z.B. Clarithromycin und Metronidazol oder Amoxicillin (Eradikationstherapie). Die Hemmung der Salzsäurebildung durch Protonenpumpenhemmer soll der Ulzeration entgegenwirken, die durch H.-pylori-Toxine ausgelöst wird.

Die Bakteriendichte steigt im Verlauf des Dünndarms allmählich von etwa 102–105 Zellen/ml im Duodenum auf bis zu 109 Zellen in Ileum und Zäkum (Abb. 28.5). In gleicher Weise nimmt auch die Anzahl unterschiedlicher Spezies (Diversität) zu, und die zahlenmäßig dominierenden Gruppen ändern sich. Mit 1010–1012 Bakterien/ml und geschätzten 400 unterschiedlichen Arten weist das Kolon die höchste Besiedlungsdichte aller Darmabschnitte auf.
Metabolismus der Darmbakterien
Alle Nahrungsbestandteile, die der Verdauung und Resorption im Dünndarm entgehen, sind potenzielle Substrate der Darmmikrobiota, v.a. Kohlenhydrate (Ballaststoffe), Nahrungsproteine und vom Wirt gebildete Substanzen, wie Muzine, Verdauungsenzyme und abgestoßene Darmzellen (Tab. 28.4). Für die Nutzung und Metabolisierung dieser Substanzen verfügen Darmbakterien über ein breites Spektrum von Enzymen.
Kohlenhydrate
Kohlenhydrate sind das bevorzugte und mengenmäßig wichtigste Energiesubstrat der Darmmikrobiota. In der humanen Ernährung stellen stärkehaltige Lebensmittel die Hauptkohlenhydratquelle dar. Je nach Art, Ursprung und Zubereitung stärkehaltiger Lebensmittel können im Stärkeanteil Strukturen vorkommen, die durch die pankreatische -Amylase nicht hydrolysiert werden. Diese sog. resistente Stärke gelangt unverdaut in das Kolon, wo sie von Darmbakterien als Substrat genutzt wird. So enthalten beispielsweise Körner, rohes Gemüse und Bananen unterschiedlich große Anteile an resistenter Stärke. Eine andere Form resistenter Stärke (retrogradierte Stärke) entsteht durch Kochen und nachfolgendes Abkühlen von stärkehaltigen Lebensmitteln wie Kartoffeln oder Nudeln. Intestinale Bakterien verfügen über Enzyme, die resistente Stärke spalten können. Auch Pektin, Cellulose und Hemicellulose aus den Zellwänden von Nahrungspflanzen, Chitin von Pilzen, synthetische Saccharide wie Lactulose (Disaccharide aus Galaktose und Fructose), Zuckeralkohole wie Xylit und Sorbit, die als Zuckerersatzstoffe eingesetzt werden, oder in einer Lebensmittelmatrix eingeschlossene Kohlenhydrate gelangen in das Kolon, wo sie von Darmbakterien als Substrate genutzt werden. Die bakterielle Fermentation von Kohlenhydraten erfolgt vorwiegend im proximalen Kolon. Da Sauerstoff fehlt, gewinnen Darmbakterien ihre Energie durch anaerobe Fermentationsprozesse. In einem ersten Schritt depolymerisieren sie komplexe Kohlenhydrate (Abb. 28.6), um anschließend die gebildeten Mono- und Oligomere zu den Endprodukten Acetat, Propionat und Butyrat, Formiat, H2 und CO2 umzusetzen. Viele Bakterienspezies bilden aus den verfügbaren Substraten auch Lactat, Succinat und Ethanol. Diese werden jedoch zum größten Teil von anderen Bakterienarten wieder zu Acetat, Propionat, Butyrat, Formiat, H2 und CO2 abgebaut. Etwa jeder zweite Mensch beherbergt in seinem Darm den methanbildenden Mikroorganismus Methanobrevibacter smithii, der aus H2 und CO2, sowie aus Formiat Methan (CH4) bildet:
4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O
4 HCOOH CH4 + 3 CO2 + 2 H2O
Darmbakterien wie Peptostreptococcus productus und Clostridium coccoides setzen in Konkurrenz zum methanbildenden Methanobrevibacter smithii H2 und CO2 bzw. Formiat zu Acetat um:
4 H2 + 2 CO2 CH3–COOH + 2 H2O
4 HCOOH CH3–COOH + 2 CO2 + 2 H2O

Blick ins Labor

Bei der bakteriellen Verwertung von Kohlenhydraten im Dickdarm entsteht als Nebenprodukt molekularer Wasserstoff, der aus dem Kolon in das Blut gelangt und über die Lunge abgeatmet wird. Einige Erkrankungen des Gastrointestinaltrakts, wie die Lactoseintoleranz, lassen sich mithilfe des Wasserstoffatemtests einfach nachweisen. Lactoseintolerante Personen besitzen im Vergleich zu gesunden Personen im Dünndarm keine oder nur eine geringe Lactaseaktivität, sodass die aufgenommene Lactose nicht gespalten werden kann. So gelangt sie in den Dickdarm, wo von Darmbakterien im Zuge der bakteriellen Fermentation Wasserstoff gebildet wird. Die Patienten leiden unter Blähungen, Bauchschmerzen und Durchfällen. Bei lactoseintoleranten Personen ist nach Aufnahme von Lactose eine erhöhte Konzentration von Wasserstoff in der Ausatemluft nachweisbar. Bei erwachsenen Kaukasiern ist die Lactoseintoleranz mit einem Polymorphismus im Lactasegen (LCT T-13910C) assoziiert, der heute oft vor der aufwändigen Atemgasanalyse als molekulargenetischer Suchtest eingesetzt wird.

Proteine
Der überwiegende Teil der Nahrungsproteine wird im Dünndarm effektiv hydrolysiert, und die gebildeten Spaltprodukte werden nahezu quantitativ resorbiert. Täglich erreichen 3–25 g Proteine und Peptide das Kolon. Hierbei handelt es sich um sarkoplasmatische und myofibrilläre Muskelproteine sowie um Verdauungsenzyme aus Mund, Magen und Pankreas. Auch abgestoßene Darmzellen und abgestorbene Bakterien sind Proteinquellen für die Kolonmikrobiota.
Mikrobielle Proteasen hydrolysieren Proteine zu Peptiden und weiter zu Aminosäuren (Abb. 28.7). Einige Darmbakterien nutzen die gebildeten Aminosäuren als Bausteine für biosynthetische Zwecke. Zumeist werden die Aminosäuren aber weiter abgebaut. Der Abbau wird in der Regel durch oxidative oder reduktive Desaminierung eingeleitet, auf die häufig eine Decarboxylierung folgt. Die Hauptfermentationsprodukte der Aminosäurefermentation im Kolon sind, ähnlich wie bei den Kohlenhydraten, Acetat, Propionat, Butyrat, Formiat sowie H2 und CO2. Als charakteristische Endprodukte des bakteriellen Aminosäureabbaus entstehen darüber hinaus die verzweigtkettigen Fettsäuren Isovalerat, 2-Methylbutyrat und Isobutyrat. Die aromatischen Aminosäuren Tyrosin, Phenylalanin und Tryptophan werden lediglich in den Seitenketten verändert, was zur Bildung von Phenol, p-Cresol, Phenylpropionat, Phenylacetat, Benzoat sowie Indol und 3-Methyl-Indol (Skatol) führt. Amine und Polyamine entstehen durch Decarboxylierung einiger Aminosäuren. So wird beispielsweise Lysin zum Cadaverin (1,5-Diaminopentan) decarboxyliert. Darmbakterien katalysieren auch die Bildung nitroser Amine aus Nitrit und sekundären Aminen wie Dimethylamin, Piperidin oder Pyrrolidin (Abb. 28.8). Nitrit entsteht aus Nitrat im sauren Milieu des Magens oder durch Katalyse bakterieller Nitrat-Reduktase. Nitrose Amine sind mutagen.
Gallensäuren
Die hauptsächlich als Glycin- und Taurinkonjugate mit der Galle sezernierten primären Gallensäuren werden durch Darmbakterien hydrolysiert. Darüber hinaus modifizieren diese das Sterolgrundgerüst und wandeln so primäre in sekundäre Gallensäuren um. Beispielsweise eliminieren Darmbakterien wie Eggerthella lenta die 7--Hydroxylgruppe des Cholats, wodurch Desoxycholat gebildet wird.
Fermentationsprodukte
Die bakterielle Fermentation im Kolon liefert dem Wirt zusätzliche Nährstoffe. Besonders die kurzkettigen Fettsäuren Acetat, Propionat und Butyrat finden im Stoffwechsel des Wirts weitere Verwendung. Je nach Art der Ernährung können die im Kolon gebildeten Fettsäuren bis zu 10% des Gesamtenergiebedarfs decken. Butyrat ist das Hauptenergiesubstrat der Kolonepithelzellen. Die Gesamtkonzentration an kurzkettigen Fettsäuren im Kolon beträgt 70–100 mmol/L. Das molare Verhältnis der kurzkettigen Fettsäuren zueinander ist variabel und hängt in erster Linie von der Art der Ernährung und somit von der Art der bakteriellen Substrate ab.

MERKE

Bis zu 1014 überwiegend anaerobe Bakterien besiedeln den Gastrointestinaltrakt des Menschen. Darmbakterien nutzen nicht verdaute Nahrungskomponenten (Ballaststoffe) sowie vom Wirt gebildete Substanzen (Muzine und Verdauungsenzyme) als Wachstumssubstrate. Vor allem im Kolon wandeln sie diese Substrate in einem mehrstufigen, anaeroben Fermentationprozess zu kurzkettigen Fettsäuren, Formiat, H2 und CO2 sowie CH4 um. Im Zuge der bakteriellen Protein- und Aminosäureverwertung entstehen darüber hinaus NH3, Amine, verzweigtkettige Fettsäuren sowie Indole und Phenole. Darmbakterien wandeln primäre in sekundare Gallensäuren um und katalysieren die Bildung von nitrosen Verbindungen aus Nitrit und sekundären Aminen.

Hormone des Magen-Darm-Trakts

Bis heute sind mehr als 30 Peptide identifiziert worden, die vom Verdauungstrakt produziert werden, der damit das größte endokrine Organ des Körpers darstellt. Dazu gehören Hormone, Neurotransmitter und Wachstumsfaktoren. Interessanterweise werden viele der gastrointestinalen (GI-)Hormone auch im zentralen Nervensystem gebildet.
Die meisten Hormone des Magen-Darm-Trakts sind Peptide und werden von endokrinen Zellen (Abb. 28.3) der Mukosa von Magen und Dünndarm sezerniert, die kollektiv als enteroendokrines System bezeichnet werden. Enteroendokrinozyten liegen vereinzelt zwischen den wesentlich häufigeren epithelialen Zellen, die ihre Produkte (z.B. Magensäure, Mukus) in das Lumen abgeben oder Nährstoffe aus dem Lumen aufnehmen. GI-Hormone werden im Gegensatz dazu in das Blut freigesetzt und zirkulieren somit im Körper, wo sie die Funktionen von verschiedenen Komponenten des Verdauungsapparats, aber auch von Leber, Pankreas, Hirn und weiteren Organen beeinflussen können. Die klassischen GI-Hormone regulieren vorwiegend die Motilität des Magen-Darm-Trakts sowie die Sekretion von Wasser, Elektrolyten und Verdauungsenzymen. Interessanterweise steuern einige auch Hunger und Sättigung. Diese gleichzeitige Regulation von Nahrungsaufnahme und gastrointestinaler Funktion spricht dafür, dass die GI-Hormone sich während der Evolution zum Schutz des Magen-Darm-Trakts vor Überlastung entwickelt haben. Die wichtigsten GI-Hormone sind Gastrin, Cholecystokinin (CCK) und Sekretin, die direkt die Ausschüttung von Magensäure und Verdauungsenzymen beeinflussen (Tab. 28.5).
Gastrin kommt in einer kurzen (17 AS) und einer langen Form (34 AS) vor, wobei die kurze Form überwiegt. Die Sekretion wird neuronal durch Gastrin releasing peptide (GRP) sowie durch Magendehnung und Peptidbruchstücke im Magen stimuliert, durch einen pH-Wert unter 3,5 jedoch inhibiert. Hauptwirkungen von Gastrin sind die Säurefreisetzung und die Stimulation von Mukosawachstum im Magen.
CCK kommt in sechs verschiedenen Varianten mit acht bis 83 Aminosäuren vor. Es wird in der gesamten Dünndarmmukosa gebildet und durch Nahrungsbestandteile im Darmlumen freigesetzt (Fettsäuren, Aminosäuren und Peptide). CCK fördert die Verdauung durch Stimulation der Sekretion von Verdauungsenzymen und Kontraktion der Gallenblase. Gleichzeitig hemmt es die Magenentleerung und trägt damit zur Sättigungswirkung bei.
Sekretin (27 AS) wird durch den sauren Chymus v.a. im Duodenum freigesetzt. Im Gegensatz zum Gastrin hemmt es die Magensäureproduktion und das Mukosawachstum des Magens und stimuliert die Bicarbonatsekretion und das Wachstum des Pankreas.

Klinik

Das Zollinger-Ellison-Syndrom beruht auf einer unkontrolliert gesteigerten Gastrinsekretion (Hypergastrinämie), wodurch die Magensäureproduktion stark angeregt wird. Das führt zur Entstehung von Ulzera in Magen und Dünndarm. Die Hypergastrinämie wird in der Regel durch benigne oder maligne gastrinbildende Tumoren im Pankreas oder Duodenum verursacht.

Über die eigentliche Verdauungsregulation hinaus wirken die meisten gastrointestinalen Hormone als Sättigungssignale. Eine Ausnahme ist das erst kürzlich entdeckte Hormon Ghrelin, das den Appetit stimuliert (Kap. 28.4.2). GLP-1 (Glucagon-like peptide-1) und GIP (Glucose-dependent insulinotropic peptide) werden auch als Inkretine bezeichnet. Sie sind an der nahrungsvermittelten Insulinsekretion des Pankreas beteiligt. Dies ist der Grund dafür, dass oral verabreichte Glucose mehr Insulin freisetzt als infundierte Glucose.

MERKE

Das enteroendokrine System besteht aus vereinzelten endokrinen Zellen der Magen- und Darmmukosa. Sie produzieren eine Vielzahl von Peptidhormonen. Diese können direkt die motorischen und sekretorischen Verdauungsfunktionen von Magen und Darm beeinflussen, wie Gastrin, Cholecystokinin und Sekretin, aber auch systemische Wirkungen haben, z.B. als Sättigungsfaktoren. Inkretine verstärken die Wirkung von Nahrung auf die Insulinsekretion aus dem Pankreas.

Verdauung und Resorption der Makronährstoffe

Kohlenhydrate

Etwa 60% der mit der durchschnittlichen westlichen Nahrung aufgenommenen Kohlenhydrate bestehen aus pflanzlicher Stärke und tierischem Glykogen. Hauptquellen sind Getreide, Kartoffeln, Mais und Reis. Ein bedenklich hoher Anteil von 30% entfällt auf Saccharose und ca. 10% auf Lactose. Auch Monosaccharide wie Glucose und Fructose werden in kleineren Mengen mit der Nahrung verzehrt. Stärke besteht zu etwa 80% aus Amylopektin und zu 20% aus Amylose (Kap. 5). Die Glucosereste der Amylose sind, wie bei der Maltose, in -1,4-glykosidischer Bindung zum Polymer verknüpft. Durch die Bindung erscheint die Raumstruktur nicht langgestreckt, sondern schraubenförmig aufgewickelt. Amylopektin ist Amylose, in der an die Hauptkette Maltosereste in -1,6-Position gebunden sind. Dadurch ist das Molekül verzweigt. Im Glykogen sind Glucosereste in -1,4-Bindung verknüpft, die Ketten sind an jeder sechsten bis zehnten Glucose durch weitere Anlagerung von Glucose in -1,6-Bindung verzweigt.
Spaltung
Die -Amylasen im Mundspeichel und Pankreassekret spalten die -1,4-glykosidischen Bindungen der polymeren Kohlenhydrate, und es entstehen Maltose sowie im Fall von Amylopektin und Glykogen durch die Verzweigungen zusätzlich Grenzdextrine und Maltotriose. Die Spaltung der -1,6-glykosidischen Bindungen erfolgt erst durch die im Bürstensaum der Enterozyten lokalisierte 1,6--Glucosidase (Tab. 28.6). Der Bürstensaum beherbergt darüber hinaus die für die Spaltung von Oligosacchariden, Saccharose, Maltose und Lactose erforderlichen Enzyme (Saccharidasen; Abb. 28.9). Die am Bürstensaum lokalisierten kohlenhydratspaltenden Enzyme sind stark glykosyliert und über hydrophobe Domänen in der Enterozytenmembran verankert. Sie bilden die Hauptkomponenten der Glykokalix, der Gesamtheit der aus der Zellmembran nach außen ragenden Kohlenhydratgruppen.
Resorption
Glucose, Fructose und Galaktose sind die quantitativ wichtigsten Monosaccharide, die bei der Kohlenhydratverdauung entstehen. Die Resorption von Glucose und Galaktose in die Enterozyten ist mit dem Einstrom von Na+ gekoppelt und wird auf der apikalen Seite durch den natriumabhängigen Glucosetransporter SGLT1 (sodium-dependent glucose transporter) vermittelt (Abb. 28.9). Im Zuge dieses elektrogenen Transports werden Glucose und Galaktose intrazellulär angereichert, um anschließend, ihrem Gradienten folgend, über den Glucosetransporter 2 (GLUT2) die Zelle auf der basolateralen Seite zu verlassen. Es handelt sich bei diesem Prozess um eine erleichterte Diffusion.
Anders als bei Glucose und Galaktose erfolgt die Aufnahme von Fructose aus dem Darmlumen nicht über aktiven Transport, sondern über erleichterte Diffusion, die durch GLUT5 vermittelt wird. Folglich kann Fructose nicht über die im Darmlumen bestehende Konzentration hinaus im Enterozyten angereichert werden. Der Ausstrom über die basolaterale Membran erfolgt wie bei Glucose und Galaktose entlang dem Konzentrationsgradienten über GLUT2. Osmotisch bedingt geht die Na+-abhängige Aufnahme von Glucose und Galaktose mit der Resorption großer Mengen von Wasser einher. Gekoppelt an den Glucosetransport werden täglich ca. 5 L Wasser resorbiert.

MERKE

Kohlenhydrate werden durch Amylasen des Speichels und des Pankreas zu Disacchariden bzw. Grenzdextrinen abgebaut. Die Spaltung zu Monosacchariden erfolgt am Bürstensaum der Enterozyten durch Saccharidasen. Der natriumabhängige Glucosetransporter SGLT1 vermittelt die Resorption von Glucose und Galaktose. Fructose wird über den Glucosetransporter 5 (GLUT5) in einem Prozess der erleichterten Diffusion aufgenommen. Die Monosaccharide verlassen die Mukosazelle über GLUT2 an der basolateralen Membran.

Proteine

Abbau
Die enzymatische Spaltung der Nahrungsproteine im Magen und im Dünndarm wird durch Endo- und Exopeptidasen katalysiert. Endopeptidasen spalten Proteine an spezifischen Aminosäuren. Während Chymotrypsin bevorzugt an aromatischen Aminosäureresten spaltet, hydrolysiert Trypsin Peptidbindungen auf der Carboxylseite von Arginin und Lysin. Im Gegensatz zu den Endopeptidasen verkürzen Exopeptidasen die Polypeptidkette vom amino- oder vom carboxyterminalen Ende her. Spalten sie jeweils eine Aminosäure ab, tragen sie die Bezeichnung Amino- bzw. Carboxypeptidase.
Des Weiteren differenziert man Proteasen anhand ihrer strukturellen Unterschiede im katalytischen Zentrum (Tab. 28.7). Die im Magen durch Pepsin eingeleitete Proteinspaltung wird im Dünndarm durch die pankreatischen Proteasen Trypsin, Chymotrypsin und Elastase fortgesetzt. Diese Endopeptidasen liefern Oligopeptide unterschiedlicher Länge.
Die weitere Verkürzung der gebildeten Oligopeptide wird durch Peptidasen katalysiert, die in der Bürstensaummembran der Enterozyten verankert sind (Abb. 28.10). Aminopeptidasen sind hier besonders zahlreich vertreten.
Resorption
Die Abbauprodukte der Proteinverdauung im Dünndarm, Peptide und Aminosäuren, werden über ein breites Spektrum von Transportern in der apikalen Membran in die Enterozyten aufgenommen. Die Transportsysteme für den Aminosäuretransport sind aminosäurespezifisch. So erfolgt der Transport saurer Aminosäuren, wie Aspartat oder Glutamat, über andere Transportproteine als der von Aminosäuren mit basischen, hydrophoben oder aromatischen Resten. Es gibt weitere Aufnahmesysteme, z.B. eines für Iminosäuren, über das Prolin aufgenommen wird, oder eines für -Aminosäuren, das -Alanin und Taurin transportiert.
In ihrer überwiegenden Mehrzahl katalysieren die Aminosäuretransporter einen Aminosäure-Na+-Symport. Der hierfür benötigte zelleinwärts gerichtete Na+-Gradient wird durch die basolateral lokalisierte K+-Na+-ATPase erzeugt (Abb. 28.10). Darüber hinaus existieren in der Bürstensaummembran der Enterozyten Transportproteine für Di- und Tripeptide. Das PepT1- und das PepT2-Protein vermitteln den Transport einer Reihe von Di- und Tripeptiden. Triebkraft für den aktiven, elektrogenen Transport ist der elektrochemische Protonengradient, der unter Nutzung des durch die basolaterale K+-Na+-ATPase erzeugten primären Na+-Gradienten mittels eines Na+-H+-Antiporters erzeugt wird. Zytoplasmatische Peptidasen in der Zelle spalten die aufgenommenen Di- und Tripeptide. Die freigesetzten Aminosäuren verlassen die Zelle an der basolateralen Membran über unterschiedliche Transporter, die in ihrer Mehrzahl eine erleichterte Diffusion entlang dem bestehenden Aminosäuregradienten vermitteln. Über die Portalvene werden die Aminosäuren zur Leber transportiert.

MERKE

Proteine werden im Dünndarm von Endo- und Exopeptidasen gespalten. Aminosäuren, Di- und Tripeptide werden über spezifische Transporter zusammen mit Na+ bzw. H+ absorbiert. Die Energie hierfür liefert die Na+-K+-ATPase. Alle Spaltprodukte verlassen den Enterozyten als Aminosäuren über spezifische Transporter.

Lipide

Abbau
Nahrungsfett gelangt aus dem Magen in Form von grob verteilten Lipidtropfen in den Dünndarm. Es handelt sich überwiegend um Triacylglycerole, doch mit der Nahrung werden auch Phospholipide, Sterole sowie Glykolipide und Sphingolipide aufgenommen. Die pankreatische Lipase, von der es mehrere Isoenzyme gibt, spaltet die Lipide im Dünndarm. Hierzu benötigt sie die pankreatische Colipase, ein Protein, das der Lipase ermöglicht, an die Oberfläche des Lipidtropfens zu binden, obwohl die Gallensäuren als Detergenzien wirken.
Lipase hydrolysiert die Esterbindungen der Triacylglycerole zunächst in den Positionen 3 und dann 1, sodass es zur Bildung von 1,2-Diacylglycerolen kommt, die weiter umgesetzt werden zu 2-Monoacylglycerolen. Die pankreatische Phospholipase A spaltet in Gegenwart von Gallensäuren und Ca2+ die C2-Fettsäure von Phosphatidylcholin ab, wodurch Lysophosphatidylcholin (Lysolecithin) entsteht. Cholesterylester werden durch eine Esterase zu Cholesterin und Fettsäuren hydrolysiert. Da die gebildeten Produkte nicht wasserlöslich sind, werden sie zusammen mit konjugierten Gallensäuren in gemischte Mizellen eingebaut. In dieser Form erreichen die Spaltprodukte der Lipolyse die Membran der Enterozyten (Abb. 28.11).

Klinik

Bei einer exkretorischen Pankreasinsuffzienz, z.B. bei chronischer Pankreatitis, ist die Produktion von Pankreasenzymen vermindert. Es kommt zur Maldigestion, die sich u.a. in Fettstühlen äußert. Leichte Formen werden diätetisch behandelt, bei schweren Formen ist die Einnahme von Enzympräparaten angezeigt, die Lipasen, Amylasen und Proteasen enthalten.

Zur Behandlung von Adipositas ist seit 1998 Orlistat zugelassen, ein unspezifischer Hemmer von gastrischen und pankreatischen Lipasen. Im Lumen von Magen und Dünndarm bindet Orlistat kovalent an Serin im aktiven Zentrum der Lipasen, die so inaktiviert werden. Dadurch werden etwa 30% der mit der Nahrung aufgenommenen Fette nicht resorbiert, sondern unverdaut ausgeschieden.

Resorption
Sobald die Mizellen die Membran der Enterozyten erreichen, werden 2-Monoacylglycerole, Fettsäuren, Cholesterin, Gallensäuren und weitere Komponenten resorbiert. Aufgrund ihrer Lipophilität können sie die Zytoplasmamembran passiv durchqueren. Die Diffusion wird durch Fettsäuretransportproteine (FATP) erleichtert. Der Übertritt der lipophilen Komponenten aus der Membran in das Zytoplasma wird durch Proteine erleichtert, die lipophile Substanzen binden. So findet man zytoplasmatische Proteine, sog. Fatty-acid-binding-Proteine (FABP), die Fettsäuren binden. Diese Proteine dienen als intrazelluläre Vehikel, z.B. um Fettsäuren zu den Enzymen zu bringen, die sie aktivieren und wieder zu Triacylglycerolen verestern. Die Bildung von Triacylglycerolen läuft prinzipiell in gleicher Weise ab wie in der Leber und in den Adipozyten (Kap. 7.3).
Mit der Nahrung werden täglich 200–500 mg Cholesterin zugeführt und fast ebenso viele pflanzliche Sterole, sog. Phytosterole wie Sitosterol oder Camposterol (Abb. 28.12). An der Resorption der Sterole ist NPC1L1 (Niemann-Pick type C 1 like protein 1) beteiligt (Abb. 28.13). Dieses wird durch Ezetimib gehemmt, was zur Therapie der Hypercholesterinämie eingesetzt wird. Nur ein Teil der von den Enterozyten resorbierten Sterole wird in den Körper aufgenommen. Die Phytosterole werden nahezu komplett und Cholesterin zu einem erheblichen Teil durch die heterodimeren ABC-Transporter G5 und G8 (ABCG5 und ABCG8) in den Darm zurückgepumpt. Interessanterweise wird der ABCG5/ABCG8-Transporter auch in der Leber exprimiert, wo er die Sterole in die Galle pumpt. Das in den Enterozyten verbleibende Cholesterin gelangt in das endoplasmatische Retikulum und wird dort durch die membrangebundene Acyl:Cholesterin-Acyltransferase (ACAT) 2 verestert. Zusammen mit neu gebildeten Triacylglycerolen, Phospholipiden und fettlöslichen Vitaminen werden die neu gebildeten Cholesterylester mithilfe des mikrosomalen Triglycerid-Transferproteins (MTP) in Chylomikronen (CM) verpackt, die dann über Vesikel in den Golgi-Apparat und schließlich in die Lymphe des Ductus thoracicus sezerniert werden (Kap. 7).
Für die Verdauung von 100 g Fett werden 20 g Gallensäuren benötigt. Da der Gallensäurepool des Menschen nur 3–5 g umfasst, werden die Gallensäuren fünf- bis zehnfach über den enterohepatischen Kreislauf transportiert. Die intestinale Rückresorption ist so effektiv, dass nur 200–600 mg Gallensäuren pro Tag mit dem Stuhl ausgeschieden werden. Ein kleinerer Teil der Gallensäuren wird im oberen Dünndarm durch passive Diffusion resorbiert, ein größerer Teil durch den apikalen Na+-abhängigen Gallensäuretransporter (ASBT, apical sodium-dependent bile salt transporter) in die Enterozyten des Ileums aufgenommen (Abb. 28.13).

Klinik

Pflanzen synthetisieren statt des Cholesterins sog. Phytosterole (Abb. 28.12). Diese kompetieren die Resorption von Cholesterin im Darm und senken so die Cholesterinkonzentration im Blut. Deswegen, und wegen ihrer guten Verträglichkeit, werden Sitosterol oder Sitostanol schon seit vielen Jahren in der Therapie der ausgeprägten Hypercholesterinämie im Kindesalter eingesetzt. Seit einigen Jahren werden sie auch Nahrungsmitteln künstlich zugesetzt, z.B. Margarine oder Joghurt, um die Blutkonzentration des Cholesterins zu senken. Dieser therapeutische Ansatz setzt allerdings die normale Funktion von ABCG5 und ABCG8 voraus. Seltene Mutationen in beiden Allelen von ABCG5 oder ABCG8, die dessen Funktion ausschalten, führen zum Krankheitsbild der Sitosterolämie. Hier ist die Sekretion von pflanzlichen Sterolen und Cholesterin aus den Enterozyten zurück in den Darm gestört, und die Patienten entwickeln bereits im Kindesalter eine Hypercholesterinämie und durch Cholesterinakkumulation in Makrophagen der Haut bedingte Xanthome sowie eine frühzeitige Atherosklerose.

MERKE

Lipide werden zunächst emulgiert. Triglyceride werden von der Pankreaslipase unter Vermittlung der Colipase zu 2-Monoacylglyceriden und Fettsäuren gespalten. Aus Gallensäuren und Spaltprodukten werden Mizellen gebildet, die die Enterozyten erreichen. Die Aufnahme von Fettsäuren erfolgt durch erleichterte Diffusion, die von Cholesterin und Gallensäuren über spezifische Transporter. In der Mukosazelle werden alle lipidlöslichen Moleküle im endoplasmatischen Retikulum in Chylomikronen verpackt und in die Lymphe sezerniert.

Wasser und Elektrolyte

Pro Tag werden ca. 9 L Wasser in den Verdauungstrakt eingeleitet, und etwa das gleiche Volumen wird auch wieder resorbiert. Lediglich ein Volumen von ca. 100 ml wird mit den Fäzes ausgeschieden.
Etwa 90% des eingeströmten Wassers werden im Jejunum resorbiert. Die Wasserresorption ist dort an die Resorption von Elektrolyten, Kohlenhydraten und Aminosäuren gekoppelt. Der Na+-gekoppelte Transport von Monosacchariden und Aminosäuren erzeugt einen starken osmotischen Gradienten, dem das Wasser auf parazellulärem Weg folgt. Im Ileum und Kolon hingegen wird Na+ aktiv transportiert und so ein osmotischer Gradient aufgebaut, der Triebkraft für die Resorption des Wassers aus dem Darmlumen ist. Für diese Prozesse spielen zwei im Bürstensaum lokalisierte elektroneutrale Antiporter eine Rolle. Einer dieser beiden Austauscher nimmt Na+ in die Zelle auf und setzt dafür H+ in das Darmlumen frei, während der zweite Antiporter Cl in das Zytoplasma aufnimmt und dafür HCO3 abgibt. Alternativ kann die Na+-Aufnahme über einen Na+-Kanal in der apikalen Membran erfolgen, der durch das elektrische Potenzial getrieben wird. Wie in der Niere wird diese Art der Na+-Resorption im Kolon durch Aldosteron stimuliert. Alle diese Prozesse werden letztlich durch die K+-Na+-ATPase getrieben, die einen elektrochemischen Na+-Gradienten generiert (Kap. 21). In allen Fällen führt die aktive Na+-Resorption aus osmotischen Gründen zu einem parazellulären Wasserstrom.
K+ und Cl werden im Dünndarm passiv auf parazellulärem Weg aufgenommen. Im Kolon kann Cl aktiv über den bereits erwähnten Cl-HCO3-Austauscher transportiert werden. Während HCO3 in Duodenum, Pankreas, Ileum und Kolon sezerniert wird, unterliegt es im Jejunum einer Resorption. Dort wird Hydrogencarbonat durch die in der Bürstensaummembran lokalisierte Carboanhydrase in CO2 überführt, das in das Zytosol der Enterozyten diffundiert. Dort entsteht unter Mitwirkung der intrazellulären Carboanhydrase wiederum HCO3, das über den basolateralen Cl-HCO3-Austauscher in das Interstitium transportiert wird.

MERKE

Wasser wird parazellulär, einem osmotischen Gradienten folgend, der durch aktive Na+-Resorption entsteht, zu 90% im Jejunum und zu 10% im Dickdarm resorbiert.

Stoffwechsel der Mikronährstoffe

Vitamine

Vitamine teilt man in wasserlösliche (Vitamin B1, B2, B6, B12, Niacin, Folsäure, Vitamin C, Pantothensäure, Biotin) und in fettlösliche Vitamine (A, D, E, K) ein (Tab. 28.8)
Die meisten Vitamine üben ihre Funktion als Coenzyme oder prosthetische Gruppen von Enzymen oder als Liganden von Transkriptionsfaktoren aus. Die als Coenzyme oder prosthetischen Gruppe aktiven Vitamine sind in Tab. 28.9 zusammengestellt und im Detail im Kap. 4 beschrieben.
Die fettlöslichen Vitamine werden im Darm mit den Fetten resorbiert, in der Mukosazelle in Chylomikronen verpackt (Abb. 28.13) und mit diesen in die Lymphe abgegeben. Die Resorption wasserlöslicher Vitamine erfolgt mithilfe spezifischer Transporter. Pantothensäure und Biotin werden über einen natriumabhängigen Multivitamintransporter (SMVT) aufgenommen; Vitamin C über den natriumabhängigen Vitamin-C-Transporter (SVCT). Die Thiamin-, Biotin- und Folsäuretransporter gehören zur Familie der Solute carriers (SLC). Riboflavin wird über einen Ca2+-Calmodulin-regulierten Carrier absorbiert. Vitamin B12 wird an den Intrinsic-Faktor gebunden (Vitamin B12 und Cobalamin).
Vitamine werden als niedermolekulare Substanzen im Plasma nicht frei transportiert, sondern an bestimmte Binde- oder Transportproteine gebunden. Diese dienen nicht nur zum Transport, sondern auch zur Vermeidung von Vitaminverlust durch eventuelle glomeruläre Filtration in der Niere. In den Zellen des proximalen Tubulus befindet sich der Cubilin-Megalin-Rezeptorkomplex, der filtrierte Bindeproteine mit den Vitaminen über Endozytose rückresorbiert. Der Megalinrezeptor erkennt das retinolbindende Protein (RBP), das Vitamin-D-bindende Protein (DBP) und Transcobalamin II (TCII), das Vitamin B12 transportiert.
Fettlösliche Vitamine
Vitamin A
Vitamin A ist die Bezeichnung für Verbindungen, welche die gleiche biologische Aktivität wie all-trans-Retinol aufweisen. Hierzu gehören Retinol, Retinal und Retinsäure. Derivate dieser Verbindungen heißen Retinoide. Tierische Nahrungsprodukte enthalten Retinol in Form von Retinylestern, pflanzliche enthalten Carotinoide. -Carotin ist das Provitamin A, es wird in den Darmzellen durch oxidative Spaltung (15,15'-Dioxygenase) in zwei Moleküle Retinal überführt. Retinal wird zum Retinol reduziert oder irreversibel zu Retinsäure oxidiert (Abb. 28.14).
Metabolismus -Carotin wird durch passive Diffusion resorbiert, Retinylester mit erleichterter Diffusion nach Esterhydrolyse durch unspezifische Lipasen im Darmlumen. In den Enterozyten wird Retinol mithilfe der Lecithin-Retinol-Acyltransferase (LRAT) oder der Acyl-CoA-Retinol-Acyltransferase (ARAT) wieder verestert und über Chylomikronen zur Leber transportiert. Nach Aufnahme wird es an der Membran freigesetzt, dann wieder verestert und in den sog. Stern- oder Ito-Zellen gespeichert. Bei Bedarf wird Retinol an das retinolbindende Protein (RBP) gekoppelt und an das Blut abgegeben. Um eine Ausscheidung über die Niere zu verhindern, wird der RBP-Retinolkomplex im Blut an Transthyretin assoziiert (RBP ist nur 21 kDa groß!). Wird trotzdem RBP-gebundenes Vitamin A filtriert, so erkennt der Cubilin-Megalin-Komplex das RBP und endozytiert es. RBP wird rezykliert oder in den Lysosomen abgebaut. Vitamin A kann wiederverwertet werden. Periphere Zielzellen haben einen Rezeptor, der RBP erkennt und RBP-gebundenes Retinol aufnimmt. Für den intrazellulären Transport werden die verschiedenen Formen an die entsprechenden zellulären retinol-, retinal- und retinsäurebindenden Proteine (CRBP, CRALBP bzw. CRABP) gebunden.
Funktionen Die individuellen Formen von Vitamin A haben unterschiedliche Funktionen. Retinol dient in Form von Retinylestern als Speicherform, Retinal ist unerlässlich für den Sehvorgang (Kap. 29.5.1), was das klassische Symptom der Vitamin-A-Mangelkrankheit erklärt, die Nachtblindheit. Retinsäure wird mithilfe des CRABPII (cellular retinoic acid binding protein II) in den Zellkern transloziert und reguliert Genaktivitäten durch Bindung an Retinsäurerezeptoren, die zur Transkriptionsfaktorfamilie der nucleären Rezeptoren gehören (Kap. 2.2.4). Der Retinsäurerezeptor (RAR, retinoid acic receptor) hat drei Isoformen (-, -, -) und wird durch all-trans- oder 9-cis-Retinsäure aktiviert. RAR bildet mit einem zusätzlichen Rezeptor ein Heterodimer, den RXR (retinoic acid X-receptor). RXR bindet nur 9-cis-Retinsäure und ist auch obligatorischer Heterodimerisierungspartner anderer nucleärer Rezeptoren, z.B. des Schilddrüsenhormonrezeptors (TR), des Vitamin-D-Rezeptors (VDR) und der Peroxisome proliferator-activated receptors (PPAR; Kap. 12.4). Zu den über 500 direkt oder indirekt von Retinsäure regulierten Genen gehören Homeoboxgene, die für Wachstum und Differenzierung und damit für Reproduktion, Embryogenese und Morphogenese wichtig sind.
Da Vitamin A in der Leber gespeichert wird, tritt ein Vitamin-A-Mangel bei gesunden, normal ernährten Menschen nur selten auf. Überdosierung während der Schwangerschaft kann Fehlbildungen beim Fetus verursachen.
Vitamin D
Zu Vitamin D gehören die Calciferole Ergocalciferol (Vitamin D2) und Cholecalciferol (Vitamin D3; Abb. 28.15).
Metabolismus Vitamin D2 und D3 entstehen in der Haut aus den Provitaminen Ergosterol bzw. 7-Dehydrocholesterin. Die Spaltung des Ringes B im Sterangerüst wird durch UV-Strahlung des Sonnenlichts katalysiert. Da hierdurch eine Eigensynthese bedingt möglich ist, ist Vitamin D kein Vitamin im strengen Sinne, es hat eher die Eigenschaft eines Hormons. Biologisch aktives Vitamin D3 ist 1,25-Dihydroxycholecalciferol [1,25(OH)2D3, Calcitriol]. Es entsteht aus Cholecalciferol durch 25-Hydroxylierung zu 25-Hydroxycholecalciferol in der Leber und anschließende 1-Hydroxylierung durch die mitochondriale 25-Hydroxycholecalciferol-1-Hydroxylase in der Niere. 25(OH)D3 wird im Plasma mit dem Vitamin-D-bindenden Protein (DBP) transportiert. Die Aufnahme in die Niere erfolgt durch den Cubilin-Megalin-Komplex, der gleichzeitig den Verlust von Vitamin D verhindert.
Funktionen Vitamin D reguliert zusammen mit Parathormon und Thyreocalcitonin die Calciumhomöostase. Hauptzielorgane von Vitamin D sind Darm, Niere und Knochen.
Im Darm fördert Vitamin D die Calciumresorption durch Induktion von Calbindin, einem calciumbindenden Protein mit einem Molekulargewicht von 9 kDa, und einer Calcium-ATPase, die Ca2+ auf der basolateralen Seite in die Zirkulation transportiert. In der Niere fördert Vitamin D die Calcium- und Phosphatrückresorption. Es hemmt die Transkription der 1-Hydroxylase, reguliert also seine eigene Synthese. Durch die gleichzeitige Aktivierung der 24-Hydroxylase entsteht 24,25-Dihydroxycholecalciferol, das ausgeschieden wird. So wird eine Überproduktion von aktivem Vitamin D3 verhindert. Im Knochen induziert Vitamin D die Synthese von Osteocalcin und Osteopontin, die am Aufbau der Knochenmatrix und an der Kalzifizierung beteiligt sind. In Osteoblasten wird bei Hypokalzämie die Demineralisierung des Knochens stimuliert. Bei normalen Calciumkonzentrationen im Plasma überwiegt jedoch der Effekt von Vitamin D auf den Knochenaufbau. Alle genregulatorischen Effekte von Vitamin D werden durch seinen spezifischen nucleären Rezeptor vermittelt, den Vitamin-D-Rezeptor (VDR).
Vitamin E
Vitamin E ist ein Sammelbegriff für vier Tocopherole (, , und ) und vier Tocotrienole (, , und ). Alle bestehen aus einem in 6-Stellung hydroxylierten Chromanring, der in Position 2 mit einer aliphatischen Seitenkette (C16) verknüpft ist. Diese ist in Tocopherolen gesättigt, in Tocotrienolen hat sie drei Doppelbindungen. Die Anzahl und Stellung der Methylgruppen am Chromanring bestimmen die Zugehörigkeit zu den -, -, - und -Formen (Abb. 28.16).
Metabolismus Alle Formen von Vitamin E werden analog zu anderen fettlöslichen Vitaminen absorbiert. In der Leber wird durch das -Tocopherol-Transferprotein (-TTP) speziell -Tocopherol aussortiert, für den Einbau in VLDL (Kap. 18) bereitgestellt und mit diesen wieder in das Plasma sezerniert. Die Affinität von -TTP zu Nicht--Tocopherolen und Tocotrienolen ist vergleichsweise niedrig, was die Präferenz des menschlichen und tierischen Organismus für -Tocopherol entscheidend mitbestimmt.
Tocopherole und Tocotrienole werden durch Abbau der Seitenkette metabolisiert. Der initiale Schritt der Seitenkettenverkürzung ist eine -Hydroxylierung, der fünf -Oxidationsschritte folgen. Endprodukte sind die entsprechend methylierten Carboxyethylhydroxychromane (CEHC; Abb. 28.16), die glucuronidiert oder sulfatiert im Urin ausgeschieden werden. Dieser Weg ist für alle Formen von Vitamin E gleich, aber für -Tocopherol weniger ausgeprägt als für die anderen Formen. Auch dies erklärt die Präferenz für -Tocopherol.
Funktionen Vitamin-E-Mangel führt zu Störungen in der neuromuskulären Signalübertragung und der Reproduktion, sodass ihm eine Funktion bei diesen Prozessen zukommen muss. Aufgrund seiner antioxidativen Eigenschaften in vitro wird es als wichtiges lipophiles Antioxidans bezeichnet. Ob dies auch in vivo zutrifft, ist nicht gesichert. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Effekte von -Tocopherol auf den zellulären Signaltransfer beschrieben. Auch häuft sich die Anzahl der Gene, die durch -Tocopherol reguliert werden. Ein Rezeptor wie für die Vitamine A und D wurde bisher aber nicht gefunden. Somit bleibt die genaue physiologische Funktion von Vitamin E erstaunlicherweise unklar.

Klinik

Ein nahrungsbedingter Vitamin-E-Mangel tritt beim Menschen praktisch nicht auf. Bei gestörter Fettresorption kann es allerdings dazu kommen. Ein Defekt im Gen für -TTP führt zu extrem niedrigen Vitamin-E-Konzentrationen im Plasma und zur Entwicklung schwerer neurologischer Störungen. Symptome sind progressive periphere Neuropathien, die in typischen Ataxien, Tremor, Muskelschwäche und geistiger Retardierung sowie manchmal auch Retinitis pigmentosa resultieren, einer zur Erblindung führenden Netzhauterkrankung.

Vitamin K
Zu Vitamin K gehören antihämorrhagisch wirksame Derivate des Phyllochinons und das synthetische 2-Methyl-1,4-Naphthochinon (Menadion). Vitamin K1 (Phyllochinon) trägt eine Phytylseitenkette, Vitamin K2 (Menachinon) eine Seitenkette mit 4–13 Isopreneinheiten. Vitamin K3 (Menadion) ist ein synthetisches Produkt (Abb. 28.17).
Vitamin K ist Cofaktor für die -Carboxylierung von Glutamylresten in Proteinen durch die -Carboxylase an der Membran des endoplasmatischen Retikulums (Kap. 4). -carboxylierte Proteine nennt man Gla-Proteine. Die wichtigsten sind die Gerinnungsfaktoren II (Prothrombin), VII, IX, X und die Proteine C, S und Z. Ein weiteres Gla-Protein ist Osteocalcin, das in Osteoblasten und Odontoblasten synthetisiert wird und das häufigste Nichtkollagenprotein im Knochen darstellt (Kap. 4). -carboxyliertes Osteocalcin im Serum wird heute als Maß für die Vitamin-K-Versorgung herangezogen.

MERKE

Die fettlöslichen Vitamine A, D, E und K werden von Enterozyten mit den Nahrungsfetten resorbiert und mit den Chylomikronen in die Lymphe sezerniert. Vitamin A wird als Retinylester in der Leber gespeichert, ist als Retinal essenziell für die Bildung von Rhodopsin und damit den Sehvorgang und steuert als Retinsäure die Aktivitäten vieler Gene. Vitamin D kann auch durch Sonneneinstrahlung aus 7-Dehydrocholesterin gebildet werden und reguliert als Ligand eines Transkriptionsfaktors die Calciumhomöostase sowie die Differenzierung und das Wachstum von Zellen. -Tocopherol ist die physiologisch aktive Form des Vitamin E. Es ist wichtig für die Aufrechterhaltung neuromuskulärer Funktionen und der Fertilität, die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen sind nicht im Detail geklärt. Vitamin K ist an der -Carboxylierung von Proteinen des Blutgerinnungssystems und von Osteocalcin im Knochen beteiligt.

Wasserlösliche Vitamine
Vitamin B1, Thiamin
Vitamin B1 (Thiamin, Aneurin) besteht aus einem Thiazol und einem Pyrimidinring, die über eine Methylenbrücke verbunden sind (Kap. 4). Thiamin ist als Thiaminpyrophosphat Coenzym für oxidative Carboxylierungen (Pyruvat-Dehydrogenase, -Ketoglutarat-Dehydrogenase). Es ist Coenzym der Transketolase (Übertragung von C2-Einheiten im Pentosephosphatzyklus) und der Verzweigtketten--Ketosäure-Dehydrogenase (Kap. 4.3).

Klinik

Die klassische Thiaminmangelkrankheit Beriberi ist durch Polyneuritiden, Parästhesien, Muskelatrophie und Herzinsuffizienz gekennzeichnet. Bei Alkoholikern im fortgeschrittenen Suchtstadium, die ihren Energiebedarf über Ethanol decken und kaum noch normale Nahrung zu sich nehmen, führt Thiaminmangel zum Wernicke-Korsakow-Syndrom mit der akuten Symptomatik Ataxie, Augenmotilitätsstörung, Opisthotonus, Sopor und schließlich Koma. Unbehandelt geht die Krankheit in das Korsakow-Syndrom mit schweren mentalen Defekten, Desorientiertheit und Gedächtnisverlust über. Als mögliche Ursache wird auch ein genetischer Defekt in der Transketolase diskutiert, der eine verminderte Affinität zum Thiaminpyrophosphat verursacht.

Vitamin B2, Riboflavin
Riboflavin ist ein substituierter Isoalloxazinring, der mit einem Ribitol verbunden ist (Kap. 4). Im Organismus entsteht aus Riboflavin zunächst Riboflavin-5-Phosphat (Flavinmononucleotid, FMN), das durch Anlagerung von AMP zum Flavin-Adenin-Dinucleotid (FAD) wird. FMN und FAD sind Coenzyme, sie können mit Proteinen assoziiert oder kovalent an diese gebunden sein. Letztere werden als Flavoenzyme bezeichnet. Der Isoalloxazinring fungiert als Redoxsystem. So sind Flavoenzyme an zahlreichen Oxidations- und Reduktionsreaktionen beteiligt. Flavoproteine katalysieren oxidative Desaminierungen (Aminosäureoxidasen), die -Oxidation von Fettsäuren (Acyl-CoA-Dehydrogenase) und Transhydrogenierungen (Succinat-Dehydrogenase, Dihydroliponsäure-Dehydrogenase) oder sind wie die Glutathion-Reduktase und die Thioredoxin-Reduktase für den Redoxstatus zellulärer Thiole mitverantwortlich. Außerdem sind sie Bestandteile der Komplexe I und II der Atmungskette.
Vitamin B6, Pyridoxin
Vitamin B6 umfasst Pyridoxin, Pyridoxal und Pyridoxamin und deren Phosphorylierungsprodukte. Die biologisch aktive Form ist Pyridoxalphosphat, das nach Resorption von Pyridoxol und Pyridoxal in den Geweben durch die ATP-abhängige Pyridoxal-Kinase entsteht. Pyridoxalphosphat ist ein wichtiges Coenzym des Aminosäurestoffwechsels (Kap. 4.3.4) und ist beteiligt an:
  • Transaminierungen (Aminosäuretransferasen)

  • Decarboxylierungen (Synthese biogener Amine, Neurotransmitter wie Catecholamine, Serotonin, Histamin und -Aminobuttersäure)

  • Eliminierungen (Serinhydroxymethyl-Transferase, Threonin-Aldolase, Kynureninase beim Abbau von Tryptophan).

Weitere B6-abhängige Reaktionen sind die Bildung von Cystathionin bei der Transsulfurierung von Methionin zum Cystein, die phosphorolytische Spaltung von Glykogen, die Synthese von Sphinganin, der erste Schritt in der Sphingolipidsynthese, und die Synthese der -Aminolävulinsäure (erster Schritt der Häm-Biosynthese).
Vitamin B12 und Cobalamin
Vitamin B12 enthält Corrin als Grundgerüst, das sich von Porphyrin durch das Fehlen einer Methingruppe und in der Anzahl der Doppelbindungen unterscheidet. Das zentrale, komplex gebundene Cobalt ist über die Stickstoffatome der vier Pyrrolringe koordiniert. Die fünfte Koordinationsstelle ist mit 5,6-Dimethyl-Benzimidazol-Ribonucleotid besetzt, das über eine Aminoisopropanolgruppe an eine Seitenkette des Ringes 4 gebunden ist. An die sechste Koordinationsstelle bindet kovalent eine Methylgruppe (Methylcobalamin) oder eine 5-Desoxyadenosin-Gruppe (5-Desoxyadenosylcobalamin). Dies ist das einzige bekannte Beispiel einer kovalenten Kohlenstoff-Metall-Verbindung in der Biologie. Weitere Liganden der sechsten Koordinationsstelle sind OH (Hydroxy-), CN (Cyano-) oder H2O (Aquacobalamin). Co hat im Cobalamin die Oxidationsstufe III, die je nach katalysierter Reaktion in II und I übergehen kann (Abb. 28.18).
Absorption und Verteilung Cobalamin wird über cobalaminbindende Proteine absorbiert und transportiert, die von membranständigen Rezeptoren erkannt werden (Abb. 28.19). Im Speichel bindet Haptocorrin freies Cobalamin. Proteingebundenes Cobalamin wird im Magen und Duodenum proteolytisch freigesetzt und an den von den Parietalzellen der Magenschleimhaut (Kap. 28.1.1) gebildeten Intrinsic-Faktor (IF) gebunden. Enterozyten des distalen Ileums endozytieren den Cobalamin-IF-Komplex über den Cubilin-Amnionless-Rezeptorkomplex, der den IF erkennt. Der IF wird in den Lysosomen abgebaut und freigesetztes Cobalamin an Transcobalamin II (TCII) gebunden und in das Blut transportiert. Ein Verlust von Vitamin B12 durch Filtration über die Niere wird durch Rückresorption über den Cubilin-Megalin-Rezeptorkomplex verhindert, der TCII erkennt. Der Abbau von TCII erfolgt wieder in den Lysosomen. Auch periphere Zellen erkennen TCII und endozytieren dieses zusammen mit Cobalamin über spezifische Rezeptoren noch unbekannter Natur. Cobalamin wird im Zytosol in Methylcobalamin oder in den Mitochondrien in 5-Desoxyadenosylcobalamin umgewandelt.
Funktionen Bei Säugern gibt es nur zwei B12-abhängige Reaktionen. Die Methylmalonyl-CoA-Mutase isomerisiert Methylmalonyl-CoA zu Succinyl-CoA mithilfe von 5-Desoxyadenosylcobalamin, das als Radikalgenerator fungiert (Abb. 28.20). Die Homocystein-Methyl-Transferase benötigt Methylcobalamin für die Methylierung von Homocystein zu Methionin. Methylgruppenüberträger ist 5-Methyl-Tetrahydrofolsäure. In der Reaktion wird gleichzeitig Tetrahydrofolsäure regeneriert, auf die dann wieder C1-Liganden übertragen werden können. Somit ist diese Reaktion auch für Funktionen der Folsäure, wie z.B. in der Nucleinsäurebiosynthese und in der Bildung von Phospholipiden, essenziell (unten).

Klinik

Da Vitamin B12 über Jahre gespeichert werden kann, entsteht ein Cobalaminmangel langsam als Folge von lang andauernder, streng vegetarischer Ernährung (Veganer), Malabsorption oder einem Mangel an Intrinsic-Faktor. Es entwickeln sich eine hyperchrome makrozytäre Anämie, eine funikuläre Myelose mit ataktischen, spastischen Störungen und/oder Polyneuropathien im peripheren Nervensystem. Die Symptome sind durch eine Störung des Folsäuremetabolismus mit nachfolgenden Störungen der Cholin- und damit Phospholipidbiosynthese durch das Fehlen von Methionin sowie der Nucleinsäurebiosynthese zu erklären. Bester Indikator für einen Cobalaminmangel ist die vermehrte Ausscheidung von Methylmalonsäure mit dem Urin.

Folsäure, Pteroylpolyglutamat
Folsäure (Pteroylpolyglutamat) ist aus einem Pteridinkern, p-Aminobenzoesäure und bis zu sieben Glutamatresten aufgebaut (Abb. 28.21). Nach Resorption werden alle Glutamatreste bis auf einen abgespalten, da nur Monoglutamat verwertet wird.
Die biologisch aktive Form der Folsäure ist Tetrahydrofolsäure (FH4). Sie wird NADPH-abhängig über die Folat- bzw. die Dihydrofolat-Reduktase gebildet. FH4 ist Coenzym für die Übertragung von C1-Bruchstücken unterschiedlicher Oxidationsstufen (Methyl-, Formyl-, Formiat- und Hydroxymethylreste), die kovalent über N5 und/oder N10 an FH4 gebunden sind. Die C1-Bruchstücke sind durch Redoxreaktionen ineinander überführbar (Abb. 28.22). Die Reaktion von N5,N10-Methylen-FH4 zu N5-Methyl-FH4 ist irreversibel. Die Methyl-FH4-Reduktase, die diese Reaktion katalysiert, wird von S-Adenosylmethionin durch einen Feedback-Mechanismus gehemmt. Die Übertragung eines Methylrests von N5-Methyl-FH4 auf Homocystein, bei der Methionin entsteht und FH4 regeneriert wird, ist Vitamin-B12-abhängig. Somit kann es bei einem B12-Mangel auch zum Folsäuremangel kommen, da sich die Folsäure als N5-Methyl-FH4 anhäuft (Methylfalle). Hauptlieferanten für N5,N10-Methylen-FH4 sind Serin und Glycin. Beim Histidinabbau fällt N5-Formyl-FH4 an. C1-verbrauchende Reaktionen sind die Synthese der Purinbasen (N10-Formyl-FH4) und von Thymidinmonophosphat (N5,N10-Methylen-FH4) für die DNA- und RNA-Synthese.

Schon gewusst

Die antibakterielle Wirkung von Sulfonamiden beruht auf der kompetitiven Hemmung der Verknüpfung des Pteridinringes mit p-Aminobenzoesäure in Bakterien. Sind Sulfonamide einmal eingebaut, kann keine Reaktion mit Glutamatresten stattfinden.

Klinik

Ein durch Ernährung oder Medikamente (Malabsorption oder Folsäureantagonisten wie z.B. Methotrexat) bedingter Folsäuremangel verursacht wie Vitamin-B12-Mangel eine megaloblastäre Anämie. Die Störung der Erythrozytenreifung ist ein Ergebnis der beeinträchtigten DNA-Synthese und damit der Zellteilung. Mütterlicher Folsäuremangel ist ein Risikofaktor für die Spina bifida (offener Rücken), eine embryonale Entwicklungsstörung, bei der sich das Neuralrohr nur ungenügend schließt und somit eine angeborene Querschnittslähmung verursacht. Mit ein bis zwei Fällen pro 1000 Geburten gehört die Spina bifida zu den häufigsten Geburtsfehlern überhaupt. Sie wäre durch ausreichende Folsäureaufnahme der Mutter vermeidbar, weswegen in manchen Ländern wie den USA häufig konsumierte Lebensmittel, z.B. Mehl und Cerealien, mit Folsäure angereichert werden.

Niacin
Der Begriff Niacin umfasst Nicotinsäure und Nicotinsäureamid (auch Niacinamid genannt) (Abb. 28.23). Nicotinsäure wird hauptsächlich mit pflanzlicher, Niacinamid mit tierischer Nahrung aufgenommen.
Nicotinsäure-Ribonucleotid und weiter NAD+ können endogen aus Tryptophan gebildet werden, wobei das Ausmaß der Nutzung von der Tryptophanzufuhr, Riboflavin und Vitamin B6 abhängig ist. Als Faustregel gilt, dass 60 mg Tryptophan 1 mg Niacin liefern können.
Niacinamid ist Bestandteil von NAD+ und NADP+, also Teil der Coenzyme von Dehydrogenasen u.a. in der Atmungskette, im Citratzyklus, im Fettsäuremetabolismus, in der Glykolyse und im Pentosephosphatzyklus sowie bei Hydroxylierungsreaktionen (Kap. 4 und 27Kap. 4Kap. 27). Außer als wasserstoffübertragendes Coenzym wird NAD+ für eine Reihe von posttranslationalen Proteinmodifikationen sowie bei der zellulären Signaltransduktion benötigt. Mit NAD+ werden Proteine mono- oder poly-ADP-ribosyliert und Niacinamid freigesetzt. Die Poly-ADP-Ribosylierung, z.B. von Kernproteinen, wird von der Poly-ADP-Ribose-Polymerase (PARP) katalysiert. Modifizierte Proteine sind Histone, Topoisomerasen oder DNA-Polymerasen und die PARP selbst. PARP ist an der Reparatur geschädigter Basen in der DNA beteiligt.
Pantothensäure
Pantothensäure ist Pantoyl--Alanin, das Amid aus R-,-Dimethyl-,-dihydroxybuttersäure und -Alanin (Kap. 4.3.3). Pantothensäure ist Bestandteil von Coenzym A. Im Fettsäure-Biosynthese-Komplex ist Pantothensäure in proteingebundener Form Bestandteil des Acylcarrierproteins (Kap. 7.2.3). Coenzym A dient generell der Aktivierung von Carboxylsäuren. In der -Oxidation von Fettsäuren, in der Glykolyse sowie beim Abbau einiger Aminosäuren und von Glycerin entsteht als gemeinsames Zwischenprodukt Acetyl-CoA. Weitere Funktionen von Acetyl-CoA sind die Acetylierung von Proteinen, insbesondere von Histonen (Kap. 12.7.1). Es ist dadurch an der Regulation von Genaktivitäten beteiligt. Acyl-CoA ist für die Acylierung von Proteinen, z.B. mit Palmitinsäure, und somit für die Verankerung von Signalproteinen in der Zellmembran nötig. Das erklärt die Bedeutung von Pantothensäure bei Wachstum, Differenzierung und Metabolismus von Zellen.
Biotin
Biotin ist eine bizyklische Verbindung aus einem Imidazolidin- und einem Tetrahydrothiophenring, an den eine Valeriansäure gekoppelt ist (Abb. 28.24). Beim Menschen ist es Coenzym für vier Carboxylasen: Acetyl-CoA-Carboxylase (Fettsäuresynthese), Pyruvat-Carboxylase (Gluconeogenese), Propionyl-CoA-Carboxylase (Abbau ungeradzahliger Fettsäuren und verzweigtkettiger Aminosäuren) und Methylcrotonyl-CoA-Carboxylase (Leucinabbau). Biotin ist kovalent an einen Lysinrest der Enzyme gebunden. Es bindet ATP-abhängig CO2 in Form von HCO3 und überträgt dieses auf die zu carboxylierenden Substrate.

Klinik

Ein ernährungsbedingter Biotinmangel beim Menschen ist selten, da auch Darmbakterien zur Versorgung beitragen können. Symptome sind Dermatitiden, Haarausfall, nervöse Störungen und EKG-Veränderungen. Dagegen lösen genetische Defekte einen lebensbedrohlichen Mangel aus. Über die Nahrung gelangt Biotin als Biotinenzym oder nach proteolytischem Abbau als Biocytin (-N-Biotinyllysin) in den Gastrointestinaltrakt. Dort wird Biotin durch die Biotinidase freigesetzt. Intrazellulär katalysiert die Holocarboxylase-Synthetase die Bindung von Biotin an die entsprechenden biotinabhängigen Carboxylasen. Defekte im Biotinidase- oder Holocarboxylase-Synthetase-Gen führen zu schwerem Biotinmangel (multipler juveniler Carboxylasemangel), der ohne lebenslange Supplementierung zum Tod führt. Wegen der einfachen Therapiemöglichkeit gehört die Suche nach Biotinidasemangel in vielen Ländern zum Neugeborenen-Screening.

Vitamin C, Ascorbinsäure
Ascorbinsäure ist das -Lacton der 3-Oxo-L-Gulonsäure (Abb. 28.25).
Aufnahme, Abbau und Ausscheidung Die intestinale Absorption von Ascorbat erfolgt über den Sodium-dependent vitamin C transporter (SVCT1) auf der apikalen Seite der Mukosazellen. Die Abgabe an das Blut erfolgt auf der basolateralen Seite über den SVCT2. Die Absorptionsrate ist dosisabhängig. Bei einer Aufnahme von 180 mg pro Tag beträgt sie 80–90%, bei 3 g pro Tag nur noch 40%. Periphere Zellen nehmen Vitamin C in Form von Dehydroascorbat über die durch Insulin stimulierten und von Glucose inhibierten Glucosetransporter GLUT1 und GLUT2 auf. Dehydroascorbat wird in der Zelle von der Glutaredoxin-Reduktase und GSH reduziert. Vitamin C wird als Ascorbat oder Dehydroascorbat bzw. nach Öffnung des Ringes zu 2,3-Diketo-L-Gulonsäure und Abbau zu Dioxogulonsäure oder Oxalsäure im Urin ausgeschieden. Die Halbwertszeit beträgt 10–30 Tage, d.h., ein Vitamin-C-Mangel kann sich in relativ kurzer Zeit entwickeln.
Funktionen Ascorbinsäure bildet zusammen mit Dehydroascorbinsäure ein Redoxsystem. Dieses nimmt an zahlreichen Reaktionen von Enzymen teil, die ein Metall im aktiven Zentrum besitzen, das bei der katalytischen Reaktion seine Oxidationsstufe ändert. Aufgabe von Vitamin C ist die Aufrechterhaltung des für die Aktivität benötigten reduzierten Zustands der betreffenden Metallionen. Wichtigste Reaktionen sind:
  • Hydroxylierung von Prolin und Lysin im Prokollagen, was für die richtige Ausbildung von Kollagenfibrillen und damit u.a. für den Aufbau des Bindegewebes, die Wundheilung und die Knochenbildung nötig ist

  • Hydroxylierung von Steroidhormonen in der Nebennierenrinde

  • Hydroxylierung von Dopamin zu Noradrenalin und von Tryptophan zu Serotonin

  • Reduktion von Fe3+ zu Fe2+ und damit Erhöhung der enteralen Eisenresorption

  • Peptidyl--Amidierung

  • Eine mögliche biologische Funktion als Radikalfänger und Antioxidans wird heute kontrovers diskutiert.

Klinik

Klassische Vitamin-C-Mangelkrankheit ist Skorbut. Er trat v.a. bei Seefahrern auf, die zu Beginn der Neuzeit ohne ausreichende Versorgung mit Vitamin-C-haltigen Lebensmitteln auf lange Seereisen gingen. Charakteristische Symptome sind Müdigkeit, Schwäche, Infektanfälligkeit, Entzündung des Zahnfleischs mit Lockerung und Ausfallen der Zähne sowie großflächige Blutungen. Im Kindesalter führt Vitamin-C-Mangel zusätzlich zu Störungen des Knochen- und Zahnwachstums.

MERKE

Die meisten wasserlöslichen Vitamine funktionieren als Coenzyme (Tab. 28.9). Dabei sind B1 für die oxidative Decarboxylierung, B2 für die Elektronenübertragung, u.a. in der Atmungskette, B6 für den Aminosäurestoffwechsel, B12 für die Regeneration der Folsäure, Folsäure für die Übertragung von C1-Bruchstücken in der Nucleinsäurebiosynthese, Niacin für die Übertragung von Reduktionsäquivalenten durch Dehydrogenasen, Pantothensäure für die Aktivierung von Fettsäuren und Biotin für die Übertragung von Carboxylgruppen wichtig. Vitamin C ist kein unspezifisches Antioxidans, sondern ein redoxaktiver Cofaktor, z.B. bei der Biosynthese von Kollagen, Catecholaminen und Steroidhormonen.

Mineralien

Calcium und Phosphat

Mengen- und Spurenelemente

Tab. 28.10
MengenelementeVorkommenMangelerkrankungtäglicher Bedarf [mg]1)biologische Funktion
Calcium
  • Milch und Milchprodukte

  • Gemüse

  • Mineralwasser

  • Osteoporose

  • Tetanie

  • Muskelkrämpfe

1.000
  • Aufbau von Knochen und Zähnen

  • Signal- und Reizübertragung

  • Blutgerinnung

Magnesium
  • Trinkwasser

  • Gemüse

  • neuromuskuläre und Herzrhythmusstörungen

300–350
  • physiologischer Calciumantagonist

Phosphor (als Phosphat)
  • ubiquitär

  • nicht bekannt

10–18 Jahre 1.250, danach 700
  • Aufbau von Skelett, Zähnen, Membranen, DNA und ATP

Spurenelemente
Chrom
  • Fleisch

  • Leber

  • Eier

  • Pilze

  • gestörte Glucosetoleranz

  • insulinresistente Hyperglykämie

0,02–0,1
  • als CrIII Bestandteil des Glucosetoleranzfaktors

  • Stimulation der Insulinwirkung

Eisen
  • Brot

  • Fleisch

  • Gemüse

  • verminderte körperliche Leistungsfähigkeit

  • Immunsuppression

  • Anämie

12–15
  • Sauerstofftransport im Blut

  • Elektronentransfer in der Atmungskette und in Eisen-Schwefel- bzw. Häm-Enzymen

Fluor
  • Trinkwasser

  • angereichertes Speisesalz

  • gestörte Zahnbildung

  • Karies

3,1–3,8
  • Bestandteil von Knochen und Zähnen

Jod
  • Seefische

  • angereichertes Speisesalz

  • Kropf

  • Kretinismus

0,2
  • Bestandteil von Schilddrüsenhormonen

Cobalt
  • Vitamin B12

  • Vitamin B12

  • Bestandteil von Vitamin B12

Kupfer
  • Getreide, grüne Gemüse, Fisch, Schalentiere, Innereien, Nüsse, Kakao, Kaffee, Tee

  • Leukozytopenie

  • Granulozytopenie

  • Osteoporose

  • Gefäßrupturen

  • Menkes-Syndrom

  • Morbus Wilson

1–1,5
  • Cytochrom-c-Oxidase

  • Cu,Zn-SOD

  • Tyrosinase

  • Lysyl-Oxidase

  • Coeruloplasmin ( Ferroxidase I)

Mangan
  • pflanzliche Lebensmittel

  • selten

  • Wachstumsverzögerung

  • Skelettschäden

  • Reproduktionsstörungen

  • neurologische Störungen

2–5
  • Mn-SOD

  • Pyruvat-Carboxylase

  • Glykosyl-Transferase

Molybdän
  • Hülsenfrüchte

  • Getreide

  • Störung im Cystein-Methionin- und Nucleinsäure-Stoffwechsel

  • neurologische Störungen

0,05–0,1
  • Xanthin-Oxidase

  • Aldehyd-Oxidase

Selen
  • abhängig vom Selengehalt der Böden

  • Gemüse

  • Fleisch

  • Fisch

  • Eier

  • Myopathien

  • Kardiomyopathien

  • gestörte Spermienreifung

  • Keshan-Krankheit

  • Kashim-Beck-Krankheit

55 g
  • als Bestandteil von Selenoproteinen: Peroxidstoffwechsel

  • Schilddrüsenhormon-stoffwechsel

  • DNA-Synthese

Zink
  • Fleisch

  • Eier

  • Milch

  • Dermatitis

  • Alopezie

  • neuropsychische und Fertilitätsstörungen

  • Verzögerung der Wundheilung

  • Infektanfälligkeit

7–10
  • Aufrechterhaltung der Struktur und Aktivität von Proteinen (Zinkfinger)

  • Speicherung von Insulin

1)

Quelle: DACH. Referenzwerte für die Nährstoffzufuhr, 1. Aufl. Frankfurt: Umschau/Braus, 2000. Angaben für Erwachsene. Die niedrigere Menge trifft für Frauen, die höhere für Männer zu

Der menschliche Körper enthält 1–2 kg Calcium, von denen 99% als Calciumphosphat in Knochen und Zähnen vorliegen. Calcium wirkt zusätzlich als Second messenger bei Signalübertragungen (Kap. 22.3.3), bei der Reizübertragung im Muskel- und Nervensystem (Kap. 29) und als Cofaktor bei der Blutgerinnung (Kap. 25.5). Die zellulären Signaltransduktionsprozesse werden durch Interaktion mit Proteinen vermittelt, von denen das bekannteste Calmodulin ist. Nach Beladung mit Ca2+ aktiviert Calmodulin eine Reihe von Protein-Kinasen. Der Calciumhaushalt wird von Vitamin D, Parathormon und Calcitonin reguliert (Kap. 24.8). Mangelsymptome sind, neben einer Demineralisierung des Skeletts, eine vermehrte neuromuskuläre Erregbarkeit, Tetanie, Muskelkrämpfe und Parästhesien. Eine Hyperkalzämie führt zu Calciumablagerungen in Geweben und Organen, die unbehandelt zum Tod führen.
Der Tagesbedarf für Calcium liegt bei 0,8–1 g; zu seiner Deckung leisten Milchprodukte einen großen Beitrag. Ca2+ muss sich in einer löslichen Form befinden, damit es effektiv im Darm resorbiert werden kann. Phytate, Oxalat, Uronsäuren und Polyphenole komplexieren Ca2+ und vermindern daher dessen Resorption. Ca2+ wird parazellulär durch erleichterte Diffusion und transzellulär durch aktiven Transport resorbiert. Die Rate der parazellulären Aufnahme ist der Ca2+-Konzentration im Darmlumen proportional, spielt also besonders bei hohen Konzentrationen eine Rolle. Der aktive Transport erfolgt durch die Bürstensaummembran über Ca2+-Kanäle in das Zytoplasma. Triebkraft ist das elektrochemische Potenzial. Im Zytoplasma bindet das aufgenommene Ca2+ an Ca2+-bindende Proteine wie Calbindin. In dieser Form gelangt es an die basolaterale Membran, wo es mittels einer Ca2+-ATPase oder eines 3Na+-Ca2+-Antiporters in das Interstitium transportiert wird. Dieser Prozess wird durch Vitamin D3 stimuliert, das die Synthese von Calbindin und die Aktivität der Ca2+-Transporter anregt. Parathormon stimuliert die Vitamin-D3-Synthese in den Nieren und damit die Ca2+-Resorption.
Eng mit dem Calciumstoffwechsel verknüpft ist der Phosphatstoffwechsel. Der tägliche Phosphatbedarf liegt bei etwa 1 g. Phosphat wird in anorganischer Form und an organische Verbindungen gebunden aufgenommen. Spezifische Phosphatasen unterstützen während der Verdauung die Freisetzung aus organischen Verbindungen. Die Phosphataufnahme ist pH-abhängig. H2PO4 bzw. HPO42– werden im Symport mit 2 Na+ aufgenommen. Die Aktivität dieses 2Na+-Phosphat-Symporters wird durch Vitamin D3 stimuliert.
Magnesium
Magnesium ist mit ca. 25 g bei einem Erwachsenen das vierthäufigste Kation im menschlichen Körper. Der größte Teil (60%) befindet sich im Skelett, 30% im Muskel. Die Absorption erfolgt als zweiwertiges Kation und folgt deshalb der elektrischen Potenzialdifferenz. Bisher sind keine Transporter nachgewiesen worden. Zelluläres Magnesium ist an ATP, Phospholipide, Nucleinsäuren und Polyamine gebunden. Magnesium aktiviert Enzyme des Energiestoffwechsels und ist für alle enzymatischen Reaktionen erforderlich, an denen Nucleotide beteiligt sind. Es wird bei der neuromuskulären Reizübertragung an Synapsen benötigt und spielt eine wichtige Rolle bei der Muskelkontraktion. Demnach kommt es bei einem Mangel zu neuromuskulären Störungen, Muskelschwäche, Muskelkrämpfen und Herzrhythmusstörungen. Täglich werden etwa 4–5 mmol über die Niere ausgeschieden. Sinkt diese Menge auf 2 mmol ab, besteht Verdacht auf einen Magnesiummangel.

MERKE

Calcium kommt überwiegend in Knochen und Zähnen als Stützsubstanz vor, wird aber auch als Cofaktor für Enzyme benötigt, z.B. für Proteasen des Blutgerinnungssystems oder für Protein-Kinasen. Bei der Erregungsübertragung in Synapsen oder bei Muskelkontraktionen dient es als Second messenger. Auch Magnesium ist Bestandteil von Knochen und Zähnen. Außerdem ist es für alle Reaktionen erforderlich, an denen Nucleotide beteiligt sind.

Eisen
Mit 2–4 g ist Eisen das mengenmäßig am häufigsten vertretene essenzielle Spurenelement im menschlichen Organismus. Etwa 18% sind in Ferritin, 8% in Hämosiderin gespeichert. Funktionelles Eisen befindet sich zu 60% in Hämoglobin, 8% in Myoglobin, 2% in Hämeisenproteinen und 3% in Nicht-Häm-Eisen-Proteinen, meist in Eisen-Schwefel-Zentren.
Aufnahme und Verteilung Eisen wird im Duodenum entweder als Bestandteil von Häm (z.B. Hämoglobin und Myoglobin aus Fleisch) oder als Ion resorbiert. Beide Prozesse laufen unabhängig voneinander und nicht kompetitiv ab. Häm-Eisen wird von den Enterozyten über einen Häm-Rezeptor aufgenommen und von der Hämoxygenase aus dem Porphyrinring entfernt. Der weitere Weg ist identisch mit dem des Nicht-Häm-Eisens (Abb. 28.26a). Nicht-Häm-Eisen ist bei pH 7 mit einem Löslichkeitskoeffizienten von 10E-18 praktisch wasserunlöslich, während es bei saurem pH 2 mit einem Löslichkeitskoeffizienten von 10E-3 gut wasserlöslich ist. Somit wird die Eisenresorption im Duodenum durch die Magensäure stark erleichtert. Mukosaassoziierte Mikroorganismen der Darmflora erleichtern zusätzlich die Aufnahme von Fe3+ über Bindung an Peptide und Hydroxylamine, sog. Siderophore. Fe3+ wird von der duodenalen Ferrireduktase (DCytb) reduziert und in Form von Fe2+ über den Divalent metal transporter-1 (DMT-1) resorbiert. Vitamin C fördert die Eisenaufnahme, indem es Fe3+ zu Fe2+ reduziert.
In der Zelle wird Eisen zur Speicherung an Ferritin gebunden und sofort wieder zu Fe3+ oxidiert oder über Ferroportin (IREG1, iron-regulated gene 1) an das Blut abgegeben und dabei von der membrangebundenen Ferroxidase Hephaestin zu Fe3+ oxidiert.
Im Blut wird Fe3+ an Transferrin (Tf) gebunden. Hepatozyten endozytieren eisenbeladenes Transferrin über den Transferrinrezeptor (TfR; Abb. 28.26b) und geben Transferrin wieder an das Blut ab. Fe2+ wird aus den Endosomen freigesetzt. Eisen wird entweder an Ferritin gebunden gespeichert oder über Ferroportin an das Blut abgegeben, wobei hier die Ferroxidase Coeruloplasmin das Eisen oxidiert (Kupfer). Freies zweiwertiges Eisen kommt so gut wie nicht vor. Das hat seinen Grund, da es mit evtl. vorhandenem H2O2 in einer Fenton-Reaktion OH-Radikale bilden und so einen erheblichen oxidativen Stress verursachen würde. Die Expression von Ferritin und TfR wird über den Eisenstatus reguliert (Kap. 13.5.3).
Funktionen Hauptaufgabe des Eisens ist der Transport von Sauerstoff im Hämoglobin. Weitere essenzielle Funktionen sind:
  • Elektronentransport in der Atmungskette

  • Redoxreaktionen in eisenhaltigen Enzymen (Oxidoreduktasen, Monooxygenasen, Dioxygenasen).

Klinik

Bei der Hämochromatose wird vermehrt Eisen im oberen Dünndarm resorbiert und akkumuliert sich im Organismus. Der Gesamteisengehalt betroffener Patienten kann bis zu 40 g betragen statt der normalen 2–4 g. Eisen lagert sich bevorzugt in Leber, Pankreas, Haut, Hypophyse und Herzmuskel ab und führt dadurch zu Leberfibrose, chronischer Pankreatitis, Diabetes mellitus, Hypophyseninsuffzienz und Herzmuskelschwäche (Kardiomyopathie). Hämochromatose wird autosomal-rezessiv vererbt. Ursachen sind Mutationen in den Genen für Proteine, die im Dünndarm die Eisenaufnahme hemmen: das HFE-Protein, ein nicht klassisches MHC-Klasse-I-Protein, und das in der Leber gebildete Hepcidin. Unbehandelt führt die Hämochromatose zum Tod. Oberstes Ziel der Behandlung ist eine Entleerung der Körpereisendepots, die am besten durch regelmäßige Aderlässe erreicht wird. Behandlung mit Eisenchelatbildnern, wie Deferoxamin, ist nur bei Herzinsuffizienz angebracht, da die Nebenwirkungen erheblich sind.

MERKE

Aufnahme und Stoffwechsel von Eisen sind streng reguliert, wobei Eisen nicht frei vorkommt, sondern an Transport-, Binde- und Speicherproteine assoziiert ist. Hierdurch wird v.a. die Freisetzung von zweiwertigem Eisen vermieden. Die Funktionen von Eisen bestimmen sich aus seinem Vorkommen in Häm- oder in Fe/S-Proteinen.

Selen
Selen galt lange als toxisch und wurde erst in den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts als essenziell erkannt. In Säugetieren liegt Selen als Selenocystein (Sec) in Selenoproteinen vor. Das menschliche Genom enthält 25 Gene, die für ca. 30 Selenoproteine kodieren (Tab. 28.11). Nicht von allen Selenoproteinen ist die Funktion bekannt. Selenocystein stellt die 21. Aminosäure dar und wird von TGA kodiert. Da TGA auch Stopp bedeutet, haben Organismen einen komplizierten Mechanismus entwickelt, um zwischen beiden Bedeutungen von TGA zu unterscheiden (Kap. 14.1). Sec wird an einer spezifischen tRNA aus Serin gebildet und cotranslational in Selenoproteine eingebaut. Für die Umwandlung von Serin zu Sec wird Selenid benötigt. Deshalb müssen mit der Nahrung aufgenommene Selenverbindungen zu Selenid metabolisiert werden, damit das Selen für die Selenoproteinbiosynthese verwendet werden kann. Unsere Nahrung liefert hauptsächlich Selen in Form von Selenit, Selenocystein oder Selenomethionin. In pflanzlicher Nahrung finden sich auch andere Verbindungen, die oft methyliert sind, wie z.B. Selenomethylselenocystein. Die Umwandlung zu Selenid geschieht im Fall von Selenit durch Reduktion, im Fall von Selenocystein durch eine -Lyase und im Fall von Selenomethionin nach Umwandlung in Selenocystein im Transsulfurierungsweg und einer weiteren -Lyase-Reaktion. Der tägliche Bedarf an Selen wird mit 55 g angegeben. Schon die zehnfache Dosis führt zu Intoxikationserscheinungen.
Jod
Jod ist Bestandteil der Schilddrüsenhormone. Diese steuern Entwicklung, Wachstum, Grundumsatz, Thermoregulation und viele Stoffwechselreaktionen. Bei Jodmangel kommt es zu gesteigertem Wachstum der Schilddrüse (Struma, Kropfbildung), was als Kompensationsversuch gesehen werden kann (Kap. 24.4.1).
Zink
Die Gesamtmenge an Zink im Körper beträgt beim Erwachsen ca. 2 g. 70% davon befinden sich in Knochen, Haut und Haaren. Da es keine Speicher gibt, ist eine konstante Zinkaufnahme nötig. Intrazellulär wird Zink z.T. an Metallothionein gebunden und bei Bedarf freigesetzt. An der interzellulären Verteilung sind Zinktransporter beteiligt. Der Mensch besitzt ca. 100 Enzyme, die Zink als strukturellen, katalytischen oder regulatorischen Faktor benötigen. Beispiele sind Carboanhydrase, Cu,Zn-Superoxid-Dismutase, Carboxypeptidase, Alkohol-Dehydrogenase, alkalische Phosphatase und einige Proteasen. Zink stabilisiert durch die Ausbildung sog. Zinkfinger insbesondere nucleäre Rezeptoren, die als Transkriptionsfaktoren agieren. Zink ist für die normale Zellproliferation und für Wachstums- und Differenzierungsprozesse notwendig (Kap. 13.4.2).
Kupfer
Der Kupfergehalt im menschlichen Organismus beträgt 80 bis 100 mg. Kupfer wird aktiv und sättigbar mithilfe des sog. Menkes-Proteins (ATP7A), eines ATP-abhängigen Kupfertransportproteins (Kap. 14.2), absorbiert und nach Bindung an Plasmaproteine zur Leber transportiert. Ein zweites, leberspezifisches und ebenfalls ATP-abhängiges Kupfertransportprotein, ATP7B, transportiert zytosolisches Kupfer in den Golgi-Apparat. Hier wird es in Coeruloplasmin eingebaut und peripher verteilt. Darauf wird es in verschiedene kupferabhängige Enzyme eingebaut, u.a. in die Cytochrom-c-Oxidase der Atmungskette, die Aminooxidase in den Mitochondrien, die Cu,Zn-SOD, die Lysyl-Oxidase und die Tyrosinase. Darüber hinaus agiert Kupfer auch über Coeruloplasmin, das nicht nur als Kupfertransportprotein fungiert, sondern auch als Ferroxidase-I Fe2+ zu Fe3+ oxidiert.

Klinik

Das Menkes-Syndrom ist eine seltene X-chromosomal-rezessiv vererbte Störung der Kupferresorption und Kupferverwertung, besonders bei Jungen. Symptome sind ein typischer pigmentarmer Spindelhaarwuchs (Kinky hair disease), Minderwuchs, Krampfanfälle und psychomotorische Entwicklungsstörungen. Ursache ist eine Mutation im ATP7A-Gen. Das ATP-abhängige Kupfertransportprotein (Menkes-Protein, ATP7A) ist dabei ubiquitär exprimiert, aber nicht in der Leber. Das Fehlen eines funktionsfähigen ATP7A schon im Darm verhindert die Resorption und führt zu schwerem Kupfermangel.

Der Morbus Wilson ist eine autosomal-rezessiv vererbte Erkrankung, bei der sich progressiv Kupfer in der Leber und im zentralen Nervensystem anreichert. Die Ursache ist eine Mutation im ATP7B-Gen, das in der Leber exprimiert wird. Der beeinträchtigte intrazelluläre Transport führt letztendlich zur nekrotischen Zerstörung von Hepatozyten. Freies Kupfer gelangt in die Zirkulation und verursacht die typischen neurologischen und psychiatrischen Symptome. Kupfereinlagerungen in der Hornhaut des Auges bilden den Kayser-Fleischer-Ring. Weitere betroffene Organe sind Niere, Knochen und Herz. Bei einer frühzeitigen Therapie, z.B. mit dem Kupferchelatbildner D-Penicillamin, können Patienten ein normales Alter erreichen.

MERKE

Selen wird als Selenocystein in Proteine eingebaut. Beim Menschen kodieren 25 Gene für ca. 30 Selenoproteine, deren biologische Funktion derzeit noch nicht vollständig bekannt ist. Jod ist Bestandteil von Schilddrüsenhormonen, Zink findet man im aktiven Zentrum vieler Enzyme und als Stabilisator für die Struktur von Proteinen, z.B. von Transkriptionsfaktoren. Auch Kupfer ist Bestandteil vieler Enzyme und wird über spezifische Transportproteine im Organismus verteilt.

Regulation von Nahrungsaufnahme und Körpergewicht

Energiestoffwechsel

Das wesentliche Merkmal von lebenden Organismen ist der Metabolismus (Stoffwechsel) mit ständigen Energietransformationen. Dabei unterscheidet man zwischen Katabolismus (Betriebsstoffwechsel) und Anabolismus (Aufbaustoffwechsel), die eine untrennbare Einheit bilden. Der Katabolismus setzt die chemische Energie organischer Verbindungen zur Leistung von Arbeit und Wärmeerzeugung durch Oxidation frei; der Anabolismus synthetisiert organische Verbindungen. Der Mensch nimmt Energie in Form von Nahrung, d.h. chemischer Energie, zu sich. Diese wird in energiereiche Verbindungen umgesetzt, v.a. in ATP. Die Hydrolyse der Säureanhydridbindungen zwischen den Phosphatgruppen setzt neben ADP und Phosphat pro Mol ATP etwa 30 kJ Energie frei. Diese wird für die meisten energieverbrauchenden Prozesse genutzt, z.B. für die Aufrechterhaltung elektrochemischer Gradienten oder für physische Arbeit. Sie wird aber auch zum Aufbau körpereigener Substanzen, zur Reproduktion und zur Versorgung des Nachwuchses während der Laktation benötigt. Die nicht in Wärme oder externe Arbeit umgesetzte Nahrungsenergie wird im Körper gespeichert.
Das energiearme ADP wird unter Oxidation von energiereichen Substraten wieder zu ATP regeneriert. Obwohl der Körper nur über einen Pool von etwa 50–80 g ATP verfügt, werden täglich etwa 70–85 kg ATP durch ständigen Auf- und Abbau umgesetzt (Abb. 28.27).

Schon gewusst

Alle Formen von Energie (chemisch, elektrisch, kinetisch etc.) können letztendlich in Wärme überführt werden. Daher war lange Zeit die Kalorie die gemeinsame Einheit der Energie. 1 Kalorie (cal) ist die Energie, die nötig ist, um 1 g Wasser von 14,5 C auf 15,5 C zu erwärmen. Heute gilt jedoch die internationale Einheit Joule (J). 1 cal entspricht 4,18 J, d.h., 1 J entspricht 0,24 cal. Da diese Einheit sehr klein ist, werden normalerweise Kilokalorien (1 kcal 1000 cal) bzw. Kilojoule (1 kJ 1000 J) oder Megajoule (1 MJ 1000 kJ) verwendet.

Makronährstoffe als Energielieferanten
Energieliefernde Makronährstoffe sind Kohlenhydrate, Fette und Proteine. Kohlenhydrate und Fette können im Körper vollständig zu CO2 und H2O oxidiert werden, Proteine brauchen zusätzliche Energie zur Entgiftung des Stickstoffanteils durch die Synthese von Harnstoff, der selbst noch einen relativ hohen Brennwert hat (5,2 kJ/g). Daher ist der physiologische Brennwert ( metabolisierbare Energie) von Protein deutlich geringer als der Bruttoenergiegehalt.
Während Kohlenhydrate und Proteine annähernd denselben physiologischen Brennwert aufweisen, ist der von Fetten wesentlich höher. Die Verdaulichkeit der Nährstoffe liegt jedoch nicht bei 100%. Sie hängt besonders bei Kohlenhydraten v.a. vom Anteil an Ballaststoffen ab. Pflanzliche Proteine sind weniger verdaulich (ca. 85%) als tierische Proteine (ca. 95%). Nicht verdauliche Energie wird mit den Fäzes wieder ausgeschieden, daher ist die metabolisierbare Energie von Lebensmitteln immer geringer als der Bruttoenergiegehalt.
Zur Berechnung der metabolisierbaren Energie (ME) von Nahrungsmitteln werden meist die Faktoren nach Atwater benutzt, wodurch allerdings bei einem hohen Anteil von Ballaststoffen die metabolisierbare Energie überschätzt wird (Tab. 28.12): ME (kJ) 16,7 K + 37,6 F + 16,7 P, wobei K Kohlenhydrat, F Fett, P Protein (jeweils in Gramm) bedeuten.
Energiespeicher
Energiespeicher des Körpers sind Triacylglycerole und Glykogen. Der Vorrat an Glykogen in Leber (etwa 150 g) und Muskulatur (etwa 300 g) ist in 18–24 h verbraucht und daher nur als kurzfristiger, schnell verfügbarer Energiespeicher anzusehen. Als Langzeitenergiespeicher dienen Triacylglycerole, die im Fettgewebe fast unbegrenzt eingelagert werden können. Sie haben eine hohe Energiedichte und Hydrophobizität, weswegen sie im Gegensatz zu Glykogen ohne zusätzliche Wassereinlagerung gespeichert werden. Dadurch sind Triacylgylcerole ideale Energiespeicher. Bei Normalgewichtigen reichen die Fettspeicher theoretisch für mehrere Wochen aus. Obwohl Protein auch als Energiesubstrat herangezogen werden kann, gibt es keine speziellen Speicherproteine im Körper. Daher kann auch nur eine begrenzte Menge an Körperprotein (etwa 2 kg) abgebaut werden, ohne dass es zu irreversiblen Schädigungen kommt (Tab. 28.13).
Der Energieumsatz des Menschen
Der Gesamtenergieumsatz des Menschen setzt sich aus verschiedenen Komponenten zusammen, deren Größe variabel ist (Abb. 28.28). Den größten Anteil hat der Grundumsatz (GU), auch Ruheumsatz genannt, der zur Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen notwendig ist. Er entspricht ungefähr dem Energieumsatz im Tiefschlaf und hängt hauptsächlich von der fettfreien Körpermasse ab. Der variabelste Anteil ist der Aktivitätsumsatz, den man nochmals in Sport und Alltagsaktivität unterteilen kann. Thermogenese bezieht sich auf die Wärmeproduktion durch die Aufnahme und den Verdau von Nahrungsmitteln und wird daher auch postprandiale Thermogenese genannt. Kälteinduzierte Thermogenese findet beim Menschen in Form von Muskelzittern statt und wird somit dem Aktivitätsumsatz zugerechnet.
Zusätzlicher Energiebedarf besteht während der Wachstumsphase, da in dieser Zeit Energie in Form von Körpermasse gespeichert wird. Der gewichtsspezifische Energiebedarf ist im Alter von 1–2 Jahren am höchsten (ca. 400 kJ/kg/Tag). Danach fällt er ab auf Werte von etwa 150 kJ/kg/Tag bei 20-Jährigen. Ein zusätzlicher Energiebedarf besteht ebenfalls während der Schwangerschaft (etwa 1,25 MJ/Tag) und Stillzeit (etwa 2,7 MJ/Tag).
Der Grundumsatz und Ruhe-Nüchternumsatz
Der Grundumsatz ist der Energieverbrauch unter strikten Ruhebedingungen und im postabsorptiven Zustand bei Indifferenztemperatur. In der Praxis verwendet man den Ruhe-Nüchternumsatz (RNU), der nicht ganz so streng definiert ist und unter festgelegten Standardbedingungen gemessen wird: morgens, in Ruhe, nüchtern und bei Indifferenztemperatur.
Der RNU ist abhängig vom Körpergewicht und dabei v.a. von der fettfreien Körpermasse, insbesondere der Muskulatur. Frauen haben in der Regel eine geringere Muskelmasse und größere Fettmasse als Männer und daher auch einen geringeren RNU. Bei beiden Geschlechtern sinkt der RNU mit fortschreitendem Alter, was sich in erster Linie durch einen altersbedingten Verlust an Muskelmasse erklären lässt. Die Formel zur Berechnung des RNU lautet:
RNU (MJ/Tag) 0,047 Gewicht (kg) + 1,009 Geschlecht* – 0,01452 Alter (Jahre) + 3,21,
wobei für * gilt: 0 weiblich, 1 männlich.
Der Aktivitätsumsatz
Die körperliche Aktivität macht etwa 20–30% des Gesamtumsatzes aus. Der Aktivitätsumsatz ist inter- und intraindividuell sehr variabel und kann kurzfristig maximal auf das 20fache des RNU ansteigen. Dabei macht intensive sportliche Bewegung außer bei sehr aktiven Sportlern nur einen äußerst kleinen Teil aus. Einen wichtigeren Beitrag zum Aktivitätsumsatz liefert die Summe der Alltagstätigkeiten. Eine wichtige Größe in der Sport- und Arbeitsphysiologie ist der Leistungsumsatz, der sich allein auf die extern verrichtete Arbeit bezieht. Typische Größen sind dabei 65, 130 und 220 W für leichte, mittlere bzw. hohe Arbeitsaktivität. Da der Wirkungsgrad unserer Muskulatur nur bei etwa 25% liegt, ist der tatsächliche Energieverbrauch für körperliche Arbeit mindestens viermal so hoch wie die geleistete externe Arbeit.
Die postprandiale Thermogenese
Nach der Nahrungsaufnahme beobachtet man eine Steigerung des Energieumsatzes, die postprandiale (nahrungsinduzierte) Thermogenese (ppT), die man auch thermogene Wirkung der Nahrung oder Dietary-induced thermogenesis nennt. Die ppT hängt von Art und Menge der aufgenommenen Nahrung ab. Sie ist für Protein und Alkohol höher (bis zu 30% der aufgenommenen Energie) als für Kohlenhydrate (5–10%) und Fett (0–3%). Etwa 8–15% des täglichen Energieumsatzes sind auf die ppT zurückzuführen.
Der Gesamtenergieumsatz
Die Summe von Grundumsatz, ppT und Aktivitätsumsatz ergibt den Gesamtenergieumsatz, der ebenso wie der Grundumsatz v.a. vom Körpergewicht abhängt. Um ausgehend vom Ruheumsatz den Gesamtenergieumsatz abzuschätzen, wird der PAL-Wert (physical activity level) herangezogen, der Quotient aus Gesamtenergieumsatz und Grundumsatz. Die PAL-Werte richten sich nach dem durchschnittlichen täglichen Aktivitätsniveau und liegen in der Regel zwischen 1,2 und 2,0.

Blick ins Labor

Zur Messung des Energieumsatzes gibt es verschiedene Methoden. Heute wird meist die indirekte Kalorimetrie angewandt, die auf der Analyse von verbrauchtem O2 und produziertem CO2 basiert. Weil Makronährstoffe unter Verbrauch von O2 zu CO2, H2O und Harnstoff abgebaut werden, kann durch Analyse der Atemgase und der Stickstoffausscheidung der Nährstoffumsatz bestimmt werden. Unter Verwendung der physiologischen Brennwerte von Nährstoffen kann hieraus der Gesamtenergieumsatz berechnet werden. Eine wichtige Größe ist dabei das kalorische Äquivalent (Tab. 28.14), also die Energiemenge, die beim Verbrauch von 1 L O2 durch den oxidativen Nährstoffabbau frei wird. So beträgt das kalorische Äquivalent für Glucose 20,8 kJ, wie sich aus folgender Gleichung ableiten lässt:

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O, wobei G0 –2,8 MJ

Oder auch:

180 g + 6 22,4 L 6 22,4 L + 6 18 g

Bei der Oxidation von 1 Mol Glucose werden somit unter dem Verbrauch von 134,4 L O2 2,8 MJ Energie freigesetzt. Den Quotienten aus produziertem CO2 (VCO2) und verbrauchtem O2 (VO2) nennt man respiratorischen Quotienten (RQ) oder auch

Respiratory exchange ratio (RER). Der RQ für Glucose beträgt 1,0, da beim Verbrauch von 6 Mol O2 auch 6 Mol CO2 freigesetzt werden. Der RQ für die Oxidation von Fettsäuren liegt mit etwa 0,7 deutlich niedriger, weil sie weniger Sauerstoffmoleküle enthalten als Kohlenhydrate und somit mehr O2 für die Oxidation benötigen. Der mittlere RQ für Proteine liegt bei etwa 0,83 (Tab. 28.14).

MERKE

Alle Lebensprozesse erfordern Energie, die in Form der Makronährstoffe Fette, Proteine und Kohlenhydrate geliefert wird. Bei deren oxidativem Abbau wird ATP generiert, das als energiereiches Substrat für Synthesen, Stofftransport etc. genutzt wird. Die metabolisierbare Energie von Fetten ist mit etwa 38 kJ/g mehr als doppelt so hoch wie die von Proteinen und Kohlenhydraten (17 kJ/g). Der Energieumsatz setzt sich aus Grundumsatz, Aktivitätsumsatz und postprandialer Thermogenese zusammen, wobei der Grundumsatz mit 60–70% den größten Teil ausmacht. Der Grundumsatz hängt vorwiegend von der fettfreien Masse ab, ist daher bei Männern höher als bei Frauen und sinkt mit dem Alter ab. Der Aktivitätsumsatz ist die variabelste Komponente und kann kurzzeitig auf das über Zehnfache des Grundumsatzes gesteigert werden.

Hormonelle Regulation des Appetits

Die Nahrungsaufnahme wird durch ein hocheffizientes und redundantes Regulationssystem kontrolliert (Abb. 28.29). Langfristig ist es darauf ausgerichtet, die Energiebilanz auszugleichen und damit das Körpergewicht konstant zu halten. Akute Signale für Hunger und Sättigung werden daher mit langfristigen Signalnetzwerken im Gehirn verschaltet, die unsere Energiereserven und deren Veränderungen messen. Dabei spielt der Hypothalamus eine entscheidende Rolle. Interessanterweise scheint Hunger die Grundeinstellung zu sein, die erst durch Aktivierung von verschiedenen Sättigungssignalwegen geändert wird. Entsprechend der Komplexität gibt es eine Vielzahl von Hormonen und Neurotransmittern, die an der Regulation des Körpergewichts beteiligt sind (Tab. 28.15).
Signale für Energiereserven
Signale, die Auskunft über die vorhandenen Energiereserven geben, sind die Hormone Leptin und Insulin. Insulin wird neben seiner akuten Wirkung auf den Glucosestoffwechsel ebenfalls eine Funktion als Langzeitsättigungssignal zugeschrieben. Leptin ist ein 16-kDa-Protein, das hauptsächlich vom Fettgewebe gebildet und in das Blut freigesetzt wird, wobei umso mehr Leptin ausgeschüttet wird, je größer die Fettmasse ist. Leptin unterdrückt den Appetit und wird heute als zentraler Bestandteil der Körpergewichtsregulation angesehen.
Signale des Magen-Darm-Trakts
Ein Gegenspieler zum Leptin ist das Peptidhormon Ghrelin. Es wird hauptsächlich vom Magen produziert und stimuliert als einziges derzeit bekanntes peripheres Hormon die Nahrungsaufnahme. Ghrelin ist das einzige bekannte acylierte Peptid bei Säugern. Es besitzt eine Octanoylgruppe am Serinrest in Position 3. Diese posttranslationale Modifizierung ist essenziell für die biologische Wirksamkeit von Ghrelin. Die Ausschüttung von Ghrelin ist nach einer Mahlzeit verringert und wird durch Nahrungsentzug stimuliert. Neben Ghrelin gibt es eine Vielzahl von weiteren gastrointestinalen Hormonen, die jedoch im Gegensatz zu Ghrelin durchweg als Sättigungssignale wirken.
Zusätzlich existieren nervöse Signale. So löst die Füllung des Magens Sättigungssignale aus, die zur Beendigung der Mahlzeit führen. Verantwortlich dafür sind Mechanorezeptoren (Magenfüllung) und Chemorezeptoren (Anwesenheit verschiedener Nährstoffe). Letztere entsprechen feinen Verästelungen des Nervus vagus, die durch gastrointestinale Hormone, aber auch durch Nahrungsbestandteile aktiviert werden und diese Signale über den Vagusnerv an das Stammhirn weiterleiten. Für Beginn und Beendigung einer Mahlzeit sind v.a. diese Signale ausschlaggebend. Auch Nahrungsbestandteile selbst, wie z.B. Glucose, Fettsäuren oder bestimmte Aminosäuren, können direkt oder indirekt als Signalmoleküle fungieren. So löst ein Abfall der Blutglucose ein starkes Hungergefühl aus. Glucosesensoren sind z.B. glucosesensitive Neurone im Hypothalamus.
Zentrale Verarbeitung von Hunger- und Sättigungssignalen
Die Integration von peripheren und zentralen Signalen geschieht im Hypothalamus (Abb. 28.30). Er erhält dabei direkten Input von peripher freigesetzten Signalen, aber auch indirekten Input vom Hirnstamm und von höheren Hirnzentren. Dadurch können die internen Signale aus dem Körper mit externen Signalen verschaltet und integriert werden, wie z.B. optischen Eindrücken, Geruch und Geschmack. Nahrungsaufnahme ist mehr als nur ein Ausgleich der Energiebilanz und sehr stark mit Emotionen und Lustgefühlen verbunden. Das Appetitverhalten unterliegt zwar auch einer homöostatischen Kontrolle (Energiebilanz), wird aber im Alltag vorwiegend durch psychosoziale Einflüsse gesteuert. Dies involviert höhere Gehirnfunktionen, wie das limbische System und auch den Kortex. Das Belohnungszentrum, das in Suchtverhalten involviert ist, spielt dabei ebenfalls eine entscheidende Rolle. Daran beteiligt sind Neurotransmitter wie Dopamin und Serotonin sowie Endorphine und Endocannabinoide.

Klinik

Sowohl die im Gastrointestinaltrakt gebildeten Hormone als auch die im ZNS gebildeten Neurotransmitter sind Ziele von chirurgischen bzw. pharmakologischen Therapien zur Erleichterung der Gewichtsreduktion bei massiv übergewichtigen Patienten. Die gastrointestinalen Bypassoperationen verkleinern nicht nur das Füllvolumen des Magens oder die Resorptionsfläche des Dünndarms, sondern beeinflussen auch die Sekretion der gastrointestinalen Hormone mit dem Ergebnis früherer Sättigungsgefühle.

Die medikamentösen Therapien zur Appetitzügelung hemmen im Hypothalamus die präsynaptische Wiederaufnahme von Noradrenalin und Serotonin (Sibutramin) oder blockieren dort die Wirkung von Endocannabinoiden am Endocannabinoid-Rezeptor 1 (Rimonabant). Dieser ist auch verantwortlich für die appetitstimulierende Wirkung von Tetrahydrocannabinol (Wirkstoff von Cannabis, Marihuana, Haschisch), die therapeutisch zur Behandlung der Kachexie bei Patienten mit AIDS oder Tumoren ausgenutzt wird.

MERKE

Die Appetitregulation umfasst ein hochkomplexes, neuronales und hormonelles Netzwerk, das periphere Signale über Energiereserven und Sättigungsfaktoren mit äußeren Signalen und solchen aus höheren Hirnzentren verschaltet. Wichtige periphere Hormone sind Leptin, das vom Fettgewebe produziert wird und Information über die Fettreserven liefert, sowie Ghrelin, das vom Magen produziert wird und ein Hungersignal darstellt. Die Verschaltung erfolgt im Hypothalamus, der Input über Sättigungssignale aus dem Hirnstamm und aus höheren Zentren, wie z.B. dem Belohnungszentrum, erhält.

Körpergewicht und Körperzusammensetzung

Das Körpergewicht und insbesondere der Körperfettgehalt sind wichtige Größen zur Beurteilung des Ernährungszustands. Die Körperzusammensetzung des Menschen kann auf verschiedenen Ebenen analysiert und dargestellt werden: auf atomarer, molekularer und zellulärer Ebene, auf Ebene von Organen/Geweben sowie auf Ganzkörperebene. Dafür werden verschiedene Modelle benutzt, wobei das einfachste Zweikomponentenmodell zwischen Fettmasse und fettfreier Masse unterscheidet. Da sowohl Über- als auch Unterernährung negative gesundheitliche Konsequenzen nach sich ziehen, sind für die Ernährungsmedizin insbesondere Methoden zur Messung des Körperfettgehalts von Bedeutung.
Zur Klassifizierung von Über-, Unter- und Normalgewicht (Tab. 28.16) wird heute zumeist der BMI (Body-Mass-Index) verwendet, der sich nach folgender Formel berechnet:
BMI (kg/m2) Körpergewicht (kg)/(Körpergröße [m])2
Der BMI ist sicherlich die einfachste Methode zur Abschätzung der Körperzusammensetzung, allerdings gibt es im Zusammenhang zwischen BMI und Körperfett große individuelle Unterschiede (Abb. 28.31).
Als kostengünstige anthropometrische Methode zur Abschätzung des Körperfetts wird häufig die Messung der subkutanen Fettschichtdicke an einer oder mehreren Körperstellen (Hautfaltenmessung) angewandt. Subkutanes und viszerales Fett unterscheiden sich deutlich in ihrer vaskulären Anatomie und metabolischen Aktivität. Die Fettverteilung hängt stark von Alter und Geschlecht ab, wobei Männer einen höheren Anteil an viszeralem Fett aufweisen als Frauen, die wiederum ausgeprägtere subkutane Fettdepots haben. Mit dem Alter nimmt jedoch insbesondere bei Frauen das viszerale Fett zu. Eine einfache Methode zur Abschätzung des viszeralen Fettdepots ist die Messung des Taillenumfangs.

Klinik

Übergewicht und insbesondere die abdominelle Adipositas sind mit einem deutlich erhöhten Risiko für metabolische (v.a. Diabetes mellitus) und kardiovaskuläre Erkrankungen verbunden. Aber auch bestimmte Karzinome (Kolon, Mamma, Uterus) sowie Gallensteinleiden oder degenerative Gelenk- und Nervenerkrankungen treten vermehrt bei Übergewichtigen auf. Zudem leiden Adipöse oft an psychosozialen Konsequenzen und allgemeiner Diskriminierung. Die abdominelle Adipositas gilt als zentraler Faktor des metabolischen Syndroms, das mit einem hohen Risiko für Atherosklerose und kardiovaskuläre Komplikationen assoziiert ist.

Die Prävalenz von Übergewicht nimmt in allen industrialisierten Ländern seit Jahren kontinuierlich zu, so auch in Deutschland. Im Jahr 2003 waren rund 70% der Männer und 50% der Frauen übergewichtig (BMI 25 kg/m2) oder adipös (BMI > 30 kg/m2), etwa 20–25% der Erwachsenen waren adipös (BMI 30 kg/m2). Auch bei Kindern und Jugendlichen wurde in den letzten Jahren ein kontinuierlicher Anstieg der Adipositasprävalenz beobachtet.

Letztlich ist Übergewicht das Resultat einer gestörten Energiebilanz. Bei einer positiven Energiebilanz wird langfristig die überschüssige Energie immer in Form von Fett gespeichert, unabhängig von der Makronährstoffzusammensetzung der Nahrung. Prinzipiell können sowohl ein reduzierter Energieumsatz als auch eine erhöhte Nahrungsaufnahme zu Übergewicht führen. Für den stetigen Anstieg der Prävalenz von Übergewicht in Deutschland spielen sicherlich beide Faktoren eine Rolle. Man geht davon aus, dass der BMI zu 30–50% genetisch determiniert ist. Da sich unsere genetische Ausstattung in den letzten Jahrzehnten nicht verändert, Adipositas aber stark zugenommen hat, kann man davon ausgehen, dass die genetische Prädisposition nur in Interaktion mit bestimmten Umweltbedingungen tatsächlich zur Entstehung von Übergewicht führt.

Klinik

In der klinischen Genetik sind mehr als 50 unterschiedliche Syndrome bekannt, die mit Adipositas assoziiert sein können. Die Adipositas ist dabei aber häufig kein isoliertes, sondern nur eines von mehreren Symptomen. Monogene Formen von Adipositas sind extrem selten, u.a. weil sie in der Regel autosomal-rezessiv vererbt sind, z.B. Leptindefizienz (Tab. 28.17). Diese Patienten haben kein Sättigungsgefühl, sodass sie bereits in frühester Kindheit eine extreme Adipositas entwickeln. Eine exogene Zufuhr von Leptin führt zu einer Normalisierung des Essverhaltens und auch des Körpergewichts. Die dominant vererbten Mutationen im Melanocortin-4-Rezeptor verursachen schätzungsweise 2–4% aller Fälle von extremer Adipositas.

Die immer häufiger werdende Adipositas ist aber v.a. das Ergebnis des modernen adiposigenen Lebensstils, der durch Bewegungsmangel, chronischen Stress, Fehlernährung, z.B. häufigen Verzehr von Snacks sowie hohen Konsum energiedichter Lebensmittel (Fast Food, zuckerhaltige Softdrinks) und Alkohol geprägt ist. Weitere sekundäre Ursachen der Adipositas sind Essstörungen (z.B. Binge-eating-Disorder, Bulimie, Night-eating-Disorder), endokrine Erkrankungen (z.B. Hypothyreose, Cushing-Syndrom), Medikamente (z.B. Antidepressiva, Antipsychotika, Neuroleptika, Antidiabetika, Glucocorticoide, -Blocker) und andere Faktoren, wie z.B. Immobilisierung, Schwangerschaft, Operationen in der Hypothalamusregion oder Nikotinverzicht (Abb. 28.32).

MERKE

Bodymass-Index [BMI Körpergewicht in kg/(Körpergröße in m)2] und Taillenumfang sind wichtige Methoden zur Erkennung von Über- und Untergewicht bzw. viszeraler Adipositas, die beide die Krankheitsrisiken stark beeinflussen können.

Formen der Ernährung

Grundlagen einer gesunden Ernährung

Bei Unterversorgung mit essenziellen Nährstoffen kommt es langfristig zur Ausbildung von Mangelerscheinungen, wie z.B. Skorbut bei Vitamin-C-Mangel. Aber auch eine Überversorgung kann gesundheitliche Konsequenzen haben, wie z.B. Diabetes mellitus Typ 2 bei Übergewicht. Eine gesunde und vollwertige Ernährung sollte reichlich Getreideprodukte, Obst und Gemüse sowie täglich Milchprodukte und ein- bis zweimal pro Woche Fleisch und Fisch beinhalten. Eine vielseitige Ernährung gewährleistet die ausreichende Versorgung mit essenziellen Nährstoffen.
Referenzwerte für die Nährstoffzufuhr
Referenzwerte für die Nährstoffzufuhr berücksichtigen den nutritiven (d.h. für den Erhalt der Stoffwechselhomöostase notwendigen) und den gesundheitlichen (d.h. den präventiven und vor Krankheiten schützenden) Bedarf eines Menschen. Der minimale Bedarf eines Nährstoffs ist die kleinste Menge, die erforderlich ist, um einen Mangel zu verhüten. Der basale Bedarf resultiert aus den für das Wachstum und den Erhalt der Körperfunktionen notwendigen Nährstoffmengen. Zum Auffüllen der Nährstoffspeicher sind wiederum höhere Mengen erforderlich (Speicherbedarf). Die Referenzwerte gelten generell für Gesunde. Für Kranke und auch in besonderen physiologischen Situationen (z.B. Schwangerschaft, Leistungssport) sind spezielle Ernährungsempfehlungen notwendig.
Für eine ausgeglichene Stickstoffbilanz sollte die Proteinzufuhr von Erwachsenen 0,8 g/kg betragen. Eine Zufuhr bis zu 2 g/kg wird für Gesunde als unbedenklich angesehen. In Deutschland ist ein diätetischer Proteinmangel äußerst selten. Im Schnitt liegt der Proteinverzehr fast doppelt so hoch wie der Bedarf. Die Energiezufuhr durch Fett sollte 30% der gesamten Energiezufuhr nicht überschreiten, wobei höchstens 10% in Form von gesättigten und 7% in Form von mehrfach ungesättigten Fettsäuren erfolgen sollte. In Deutschland ist die durchschnittliche Zufuhr an gesättigten Fettsäuren etwa 50% höher als empfohlen. Zur Vermeidung von Proteinabbau sollten mindestens 25% der Energie in Form von Kohlenhydraten aufgenommen werden, idealerweise 55–60%, wobei vegetabile, d.h. komplexe Kohlenhydrate vorteilhafter sind. Als Richtwert für die Ballaststoffzufuhr gelten 30 g pro Tag. Während die durchschnittliche Kohlenhydratzufuhr in Deutschland ungefähr den Empfehlungen entspricht, ist die Ballaststoffzufuhr zu gering.
Essenzielle Nährstoffe
Die Menschheit zeichnet sich durch eine Vielzahl unterschiedlicher Ernährungsformen aus, die von rein vegetarischer bis zu fast ausschließlich fleischlicher Ernährung reichen. Entsprechend gibt es die richtige bzw. natürliche Ernährungsform nicht. Allerdings muss jede Ernährungsform die Versorgung mit den essenziellen Nährstoffen sicherstellen. Dazu gehören Wasser, essenzielle Aminosäuren (Isoleucin, Leucin, Lysin, Methionin, Phenylalanin, Threonin, Tryptophan, Valin), -3- und -6-Fettsäuren (Linolensäure und Linolsäure), Vitamine und anorganische Stoffe, d.h. Mineralien, Elektrolyte und Spurenelemente. Da der Mensch im Gegensatz zu reinen Fleischfressern Vitamin C nicht selbst synthetisieren kann, ist ein gewisser Anteil an pflanzlicher Nahrung nötig. Umgekehrt ist jedoch der Verzehr von Fleisch und Fleischprodukten bei einer ausgewogenen vegetarischen Ernährung nicht zwingend erforderlich.
Zu einer gesunden Ernährung gehören auch die durch endogene Verdauungsenzyme nicht degradierbaren Ballaststoffe, obwohl sie nur einen geringen nutritiven Beitrag leisten. Sie sind wichtig für die Funktion des Darmtrakts und werden v.a. von Darmbakterien im Kolon verstoffwechselt. Eine zu geringe Ballaststoffzufuhr erhöht das Risiko für typische Zivilisationskrankheiten wie Diabetes mellitus Typ 2 oder kolorektale Karzinome.

MERKE

Die Grundlage einer gesunden Ernährung ist die ausreichende Versorgung mit Energie, Wasser, Ballaststoffen und essenziellen Nährstoffen. Für den Bedarf an den meisten Nährstoffen existieren empirisch ermittelte Referenzwerte, wobei es für Kranke oder in besonderen physiologischen Situationen spezielle Ernährungsanforderungen geben kann. Den Hauptenergielieferanten stellen die Kohlenhydrate dar. Die Fettzufuhr sollte nicht mehr als 30% der Energiezufuhr ausmachen. Zusätzlich zu den essenziellen Nährstoffen ist eine ausreichende Zufuhr an Ballaststoffen notwendig.

Diäten

Das Wort Diät kommt aus dem Griechischen und bedeutet Lebensweise. In der Medizin bezeichnet man damit eine spezielle Ernährung für Kranke. Im allgemeinen Sprachgebrauch versteht man unter Diät in der Regel eine Reduktionsdiät, die dazu dient abzunehmen.
Reduktionsdiäten
Es existiert eine fast unüberschaubare Fülle an unterschiedlichen Kostformen, die zur Prävention und Therapie von Übergewicht angeboten werden. In den meisten Fällen sind ihre Wirksamkeit und Unbedenklichkeit nicht gesichert.
Das Ziel jeder Reduktionsdiät ist es, bei ausreichender Versorgung mit essenziellen Nährstoffen eine negative Energiebilanz herzustellen. Als Standardtherapie der Adipositas gilt eine Mischkost mit einem Energiedefizit von 500–800 kcal pro Tag. Neben einer Fettbegrenzung wird dabei auch der Verzehr von Kohlenhydraten und Eiweiß reduziert. Durch den gesteigerten Verzehr von pflanzlichen Produkten kann eine Senkung der Energiedichte bei Erhalt der Sättigung erreicht werden. Damit gelingt eine Gewichtsreduktion von etwa 5 kg in einem Jahr. Diese Ernährungsform ist weitgehend nebenwirkungsfrei und unter Beibehaltung einer normokalorischen Ernährung auch langfristig wirksam, insbesondere wenn sie von vermehrter körperlicher Aktivität begleitet wird.
Ebenfalls aus ernährungsmedizinischer Sicht akzeptabel sind Formuladiäten, bei denen eine oder mehrere Mahlzeiten pro Tag durch Formulaprodukte, wie Eiweißgetränke oder Riegel, ersetzt werden. Diese Produkte gewährleisten eine ausreichende Nährstoffversorgung. Nur in seltenen Fällen ist eine zusätzliche Supplementierung notwendig.
Weitere Ansätze zur Gewichtsreduktion sind besondere Kostformen wie protein- und fettreiche Diäten, kohlenhydratarme Diäten (z.B. die Atkins-Diät) oder auch Diäten mit niedrigem glykämischem Index. Der glykämische Index ist ein Maß dafür, wie stark die Blutglucose nach Verzehr einer bestimmten Menge von Kohlenhydraten ansteigt. Die Gewichtsabnahme bei diesen Diäten resultiert letztlich v.a. auch aus einer Energiereduktion.
Extrem einseitige Diäten wie totales Fasten, Heilfasten, Schrothkur, Mayr-Kur, Ananasdiät usw. sind aus medizinischer Sicht abzulehnen. Langfristig angewendet, besteht durch die einseitige Ernährungsform die Gefahr einer Fehlernährung und damit erheblicher gesundheitlicher Risiken. Zudem fehlen Belege über Langzeiterfolge.
Künstliche Ernährung
Künstliche Ernährung ist notwendig bei Patienten, die über längere Zeit keine normale Ernährung zu sich nehmen können oder wollen, und aufgrund des Krankheitsverlaufs drohender oder bereits bestehender Mangelernährung. Es gibt grundsätzlich zwei Formen der künstlichen Ernährung, die enterale und die parenterale Ernährung.
Enterale Ernährung
Hierbei handelt es sich um Nährlösungen, die über Sonden, meist Magensonden, zugeführt werden. Voraussetzung für eine enterale Ernährung ist die, zumindest partielle, digestive und absorptive Funktionstüchtigkeit des Magen-Darm-Trakts. Es gibt eine Vielzahl von verschiedenen Sondendiäten, die sich in folgende Hauptgruppen einteilen lassen:
  • selbst hergestellte Sondenkost (aus normalen Lebensmitteln)

  • bilanzierte Diät (natürlicher Ursprung der Nährstoffe, hochmolekular, nährstoffdefiniert)

  • chemisch definierte Diät (niedermolekulare Elementardiäten, ballaststofffrei, auch bei minimaler Verdauungsleistung verwendbar, krankheitsspezifischer Einsatz möglich).

Parenterale Ernährung
Darunter versteht man eine Ernährung (http://de.wikipedia.org/wiki/Ernährung) unter Umgehung des Magen-Darm-Trakts (http://de.wikipedia.org/wiki/Magen-Darm-Trakt). Die Ernährung erfolgt dabei in der Regel über eine Vene. Bei längerfristiger Anwendung ist dafür ein zentralvenöser Zugang notwendig. Eine komplette parenterale Ernährung besteht in der Zufuhr von Wasser, Salzen, Zucker (meist Glucose), Aminosäuren, Fetten sowie Vitaminen und Spurenelementen. Die parenterale Ernährung ist ein bewährtes Verfahren zur Entlastung des Magen-Darm-Trakts und zur Zufuhr einer ausreichenden Kalorienmenge.

MERKE

Diäten können eine spezielle Krankenkost sein, häufig handelt es sich aber um Reduktionsdiäten mit dem Ziel der Gewichtsreduktion. Als Standardtherapie für Adipositas gilt eine mäßig energiereduzierte Mischkost, es können jedoch auch Formuladiäten eingesetzt werden. Künstliche Ernährung kann enteral, z.B. über eine Magensonde, oder parenteral über eine Vene erfolgen.

Zusammenfassung

Verdauung und Resorption der Makronährstoffe

Die Kohlenhydratspaltung beginnt in der Mundhöhle und setzt sich im Dünndarm fort. Die Amylasen von Mundspeichel und Pankreas sowie am Dünndarmepithel lokalisierte Enzyme wie Maltase, Saccharase, Lactase, Isomaltase und Trehalase sorgen für die Spaltung von Stärke, Glykogen und anderen Oligosacchariden in die entsprechenden Monosaccharide. Die Resorption von Glucose und Galaktose erfolgt durch aktiven Na+-getriebenen Transport, während Fructose durch erleichterte Diffusion aufgenommen wird.
Die für die Eiweißverdauung verantwortlichen Enzyme von Magen, Pankreas und Leber werden als inaktive Vorstufen sezerniert. Proteine werden zunächst im Magen unter Einwirkung von HCl und Pepsin zu Peptiden gespalten. Diese werden anschließend im Dünndarm durch pankreatische Endo- und Exopeptidasen weiter verkürzt. Im Bürstensaum verankerte Peptidasen schließen den Proteinabbau ab, in dessen Verlauf Aminosäuren und Peptide gebildet werden.
Nahrungslipide werden unter der Beteiligung von Gallensalzen und Colipase durch Lipasen und Esterasen in Fettsäuren, 2-Monoacylglycerole, Phospholipide und Cholesterin gespalten. In Mizellen verpackt, erreichen sie die Zytoplasmamembran der Enterozyten, durchqueren diese und dienen intrazellulär als Bausteine für die Synthese von Triacylglycerolen und anderen Lipiden, die als Chylomikronen verpackt in die Lymphgefäße abgegeben werden.
Der Gastrointestinaltrakt, insbesondere das Kolon, beherbergt außerdem eine Vielzahl von überwiegend anaeroben Bakterien. Hauptsubstrate sind Kohlenhydrate und Proteine, die der Verdauung im Dünndarm entgangen sind. Hauptprodukte der bakteriellen Fermentation im Kolon sind Acetat, Propionat und Butyrat, die vom Wirt genutzt werden. Darüber hinaus werden Wasserstoff, CO2 und Methan gebildet. Darmbakterien beeinflussen durch ihren Stoffwechsel die Bioverfügbarkeit von bioaktiven sekundären Pflanzenstoffen und den enterohepatischen Kreislauf von Gallensäuren.

Wasser, Elektrolyte und Mineralien

Wasser- und Nahrungsaufnahme sind mit der Resorption von Elektrolyten verbunden, die entweder aktiv transzellulär oder passiv parazellulär aus dem Darmlumen aufgenommen werden.
Mineralien sind anorganische Nährstoffe, die man in Mengen- und Spurenelemente einteilt. Zu den Mengenelementen gehören Calcium, Phosphor und Magnesium. Alle drei haben nicht nur strukturbildende, sondern auch katalytische und regulatorische Funktionen.
Als Spurenelemente werden Elemente bezeichnet, die in geringen Konzentrationen im Körper vorkommen (< 50 mg/kg Körpergewicht) und deren Essenzialität nachgewiesen ist. Zu diesen gehören Chrom, Eisen, Fluor, Jod, Cobalt, Kupfer, Mangan, Molybdän, Selen und Zink. Einige sind Bestandteile von Metallenzymen (Kupfer, Mangan, Molybdän, Zink). Eisen und Kobalt sind in komplexen organischen Strukturen koordiniert, Eisen im Porphyrinring (Häm), Kobalt im Corrinring (Cobalamin). Jod ist in Schilddrüsenhormone eingebaut. Fluor kommt im Zahnschmelz vor. Selen ersetzt Schwefel im Cystein und ist Bestandteil von Selenocystein, das mit anderen Aminosäuren das aktive Zentrum von Selenoproteinen bildet.

Vitamine

Vitamine sind niedermolekulare organische Verbindungen, die für die Aufrechterhaltung der Körperfunktionen unabdingbar sind. Der Mensch kann sie nicht selbst synthetisieren und muss sie mit der Nahrung aufnehmen. Man unterscheidet fettlösliche und wasserlösliche Vitamine. Die fettlöslichen werden zusammen mit Fetten resorbiert und zirkulieren an Transportproteine gebunden. Für die wasserlöslichen Vitamine gibt es spezifische Transportsysteme. Die wasserlöslichen Vitamine und Vitamin K agieren als Coenzyme oder prosthetische Gruppen von Enzymen. Die fettlöslichen Vitamine A und D sind u.a. Liganden für nucleäre Rezeptoren, die als Transkriptionsfaktoren wirken. Dem Vitamin E werden antioxidative Eigenschaften zugeschrieben, die aber nicht die neuromuskulären Störungen bei Vitamin-E-Mangel erklären.
Bei Mangel an Vitaminen kann es zu schweren, teils tödlichen Erkrankungen kommen. Diese können verursacht sein durch unzureichende Zufuhr mit der Nahrung, Resorptionsstörungen bei chronischen Darmentzündungen oder bei Erkrankungen des Pankreas oder der Leber, bei denen nicht die für die Resorption erforderlichen Enzyme oder Transportproteine gebildet werden. Auch Defekte in Genen für Proteine des Transports oder des Vitaminstoffwechsels führen zu schwerem Vitaminmangel.

Hormonelle Regulation der Verdauung und Nahrungsaufnahme

Die Nahrungsaufnahme wird durch ein hocheffizientes und redundantes Regulationssystem kontrolliert. Kurzfristig ist es darauf ausgerichtet, die regelrechte Funktion des Magen-Darm-Trakts zu optimieren. Langfristig ist es darauf ausgerichtet, die Energiebilanz auszugleichen und damit das Körpergewicht konstant zu halten.
Die hormonelle Regulation von Verdauungsvorgängen geschieht vorwiegend durch das enteroendokrine System. Es besteht aus vereinzelten endokrinen Zellen der Magen- und Darmmukosa. Sie produzieren eine Vielzahl von Peptidhormonen. Diese können direkt die motorischen und sekretorischen Verdauungsfunktionen von Magen und Darm beeinflussen, wie Gastrin, Cholecystokinin (CCK) und Sekretin, aber auch systemische Wirkungen haben, wie in der Appetitregulation.
Die Appetitregulation umfasst ein komplexes neuronales und hormonelles Netzwerk, das periphere Signale über Energiereserven und Sättigungsfaktoren mit äußeren Signalen und solchen aus höheren Hirnzentren verschaltet. Wichtige periphere Hormone sind Leptin, das vom Fettgewebe produziert wird und Information über die Fettreserven liefert, sowie Ghrelin, das vom Magen produziert wird und ein Hungersignal darstellt. Die Verschaltung der peripheren Signale erfolgt im Hypothalamus, der zudem Input über Sättigungssignale aus dem Hirnstamm und aus höheren Zentren, wie z.B. dem Belohnungszentrum, erhält. Letztlich ist eine Vielzahl von Neuropeptiden und anderen Neurotransmittern an der zentralen Regulation von Hunger und Sättigung beteiligt.

Energiestoffwechsel, Körpergewicht und gesunde Ernährung

Beim oxidativen Abbau von mit der Nahrung aufgenommenen Fetten, Proteinen und Kohlenhydraten wird ATP generiert, das als energiereiches Substrat für Synthesen, Stofftransport etc. genutzt wird. Unter stationären Bedingungen (ohne Speicherung und Verrichtung physischer Arbeit) wird alle Nahrungsenergie in Wärme umgesetzt. Die metabolisierbare Energie von Fetten ist mit etwa 38 kJ/g wesentlich höher als die von Proteinen und Kohlenhydraten (ca. 17 kJ/g). Der Energieumsatz setzt sich aus Grundumsatz, Aktivitätsumsatz und postprandialer Thermogenese zusammen, wobei der Grundumsatz mit 60–70% den größten Teil ausmacht. Der Grundumsatz hängt v.a. von der fettfreien Masse ab.
Sind Energiebedarf und Energieaufnahme diskrepant, entstehen Unter- oder Übergewicht. Sowohl Über- als auch Untergewicht haben negative gesundheitliche Konsequenzen. Klinisch gebräuchliche Methoden sind die Bestimmung des Body-Mass-Index (BMI) und des Taillenumfangs.
Grundlage einer gesunden Ernährung ist die ausreichende Versorgung mit Makro- und Mikronährstoffen, die den Bedarf an Energie, Wasser, Ballaststoffen und essenziellen Nährstoffen abdecken. Zu den essenziellen Nährstoffen gehören Wasser, essenzielle Aminosäuren, -3- und -6-Fettsäuren, Vitamine und anorganische Stoffe (Mineralien, Elektrolyte, Spurenelemente). Zusätzlich ist für eine gesunde Ernährung eine ausreichende Zufuhr an Ballaststoffen notwendig. Energielieferant sind die Makronährstoffe (Fette, Proteine, Kohlenhydrate), wobei letztere die Hauptenergiezufuhr darstellen. Die Fettzufuhr sollte nicht mehr als 30% der Energiezufuhr ausmachen. Für den Nährstoffbedarf existieren empirisch ermittelte Referenzwerte.

Fragen

  • 1.

    Wie wird eine Selbstverdauung der Magen- und Darmschleimhaut verhindert? (Denken Sie dabei an Verdauungsenzyme und sezernierte Komponenten.)

  • 2.

    Wie wird Cholesterin in Enterozyten transportiert? (Denken Sie dabei an Aufnahme, intrazellulären Metabolismus und Ausschleusung.)

  • 3.

    Welche Substrate nutzen Darmbakterien zu ihrem Wachstum? (Denken Sie dabei an Kohlenhydrate und Proteine aus der Nahrung des Wirts und vom Wirt produzierte Substanzen.)

  • 4.

    Was sind die wichtigsten Endprodukte der bakteriellen Fermentation im Kolon? (Denken Sie dabei an den anaeroben Metabolismus und die Resorption der Stoffwechselprodukte durch den Wirtsorganismus.)

  • 5.

    Was ist Ghrelin? Welche Funktion hat es?

  • 6.

    Welche Proteine sind an der Resorption und Verteilung von Vitamin B12 beteiligt? (Denken Sie dabei an den Transport durch den Verdauungstrakt, die Aufnahme in die Mukosazellen, den Transport in der Zirkulation und den Schutz vor Verlust.)

  • 7.

    Welche Vitamine sind an der Regulation von Genaktivitäten beteiligt? (Denken Sie dabei an Modifikation von Kernproteinen, nucleäre Rezeptoren und Basenmodifikation.)

  • 8.

    Welche Vitamine werden für eine posttranslationale Modifizierung von Proteinen benötigt? (Denken Sie dabei an Carboxylierung, Methylierung, Acetylierung, Hydroxylierung und ADP-Ribosylierung.)

  • 9.

    Wie unterscheidet sich die Biosynthese von Selenoproteinen von der Biosynthese aller anderen Proteine? (Denken Sie dabei an die Kodierung von Selenocystein, cis-Elemente, trans-Elemente und Vorgänge an der tRNA.)

  • 10.

    Warum kommt Eisen nicht frei vor, und wie wird das verhindert? (Denken Sie dabei an Bindeproteine, Redoxstatus und die Fenton-Reaktion.)

  • 11.

    Was ist der Bodymass-Index? (Denken Sie dabei an Gewicht und Körpergröße.)

  • 12.

    Was ist Adipositas, wie entsteht sie, und welche Risiken sind damit verbunden? (Denken Sie dabei an Ernährung, Lebensstil und ernährungsbedingte Krankheiten.)

032 IMPP-Fragen

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