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B978-3-437-41784-9.00017-8

10.1016/B978-3-437-41784-9.00017-8

978-3-437-41784-9

Zyklus der aktivierten Methylgruppe.

Bildung von Cystein aus Methionin.

Protonensekretion der gastralen Belegzelle. CA: Carboanhydrase.

Regulation der Mucin- und Pepsinogensekretion. ACh: Acetylcholin.

Regulation der Sekretion von Enzymen, Wasser und Hydrogencarbonat im Pankreas.

Glucoseaufnahme durch die Mukosazelle mithilfe von Na+-Symport und GLUT1.

Mechanismus der Aufnahme von Peptiden in die Mukosazelle.

Mechanismen der Salzresorption im Dünndarm.

Brennwerte der Energieträger in der menschlichen Nahrung

Tab. 17.1
Energieträger physikalischer Brennwert (kJ/g) biologischer Brennwert (kJ/g) kalorisches Äquivalent (kJ/l O2) respiratorischer Quotient
Kohlenhydrate 17,6 17,2 21,1 1,00
Eiweiß 23,2 17,2 18,8 0,81
Fette 38,9 38,9 19,6 0,70
Alkohol (Ethanol) 29,7 29,7 20,3 0,66
Mischkost 20,0 0,87

Essenzielle Aminosäuren

Tab. 17.2
Aminosäure Produkte Funktion
ThreoninValinLeucinIsoleucin nur Proteinbaustein
Lysin Carnitin mitochondrialer Fettsäuretransport, Proteinbaustein
Methionin Cystein, Homocystein, S-Adenosylmethionin Methylgruppendonor im Zellstoffwechsel, Proteinbaustein
Phenylalanin Tyrosin, Katecholamine endokrine Wirkungen, Proteinbaustein
Tryptophan Serotonin, Nicotinat Neurotransmitter, Nukleotidsynthese, Proteinbaustein

Fettlösliche Vitamine

Tab. 17.3
Vitamin täglicher Bedarf Quellen Funktion Mangelerscheinungen
A (Retinol) 1,5 mg Karotten, gelbe Gemüse und Früchte, Blattgemüse Sehpigment, Erhaltung der strukturellen Membranintegrität (wichtig z. B. für die Haut) Nachtblindheit, Verhornungsstörungen der Haut
D (Cholecalciferol) 5 mg Fisch, Eigelb, Lebertran Calciumaufnahme in Darm und Knochen Rachitis, Osteomalazie
E (Tocopherol) 10–15 mg Keimlinge, Pflanzenöle Antioxidans nicht bekannt
K (Phyllochinon) 60–80 g Kohlarten, Blattgemüse, Darmbakterien Biosynthese der Gerinnungsfaktoren II, VII, IX und X Gerinnungsstörungen

für erwachsene Männer, nach den Empfehlungen der Deutschen Gesellschaft für Ernährung (DGE); für Jugendliche, Kinder und Frauen weichen die Empfehlungen ab, für Letztere insbesondere während Schwangerschaft und Stillzeit

Wasserlösliche Vitamine

Tab. 17.4
Vitamin täglicher Bedarf* Quellen Funktion Mangelerscheinungen
B1 (Thiamin) 1,7 mg in fast allen Nahrungsmitteln, Pflanzen, Hefe Coenzym bei dehydrierenden Decarboxylierungen Beri-Beri: Muskel- und Nervenschäden, Enzephalopathie
B2 (Riboflavin) 1,8 mg Milch, Innereien, Gemüse Wasserstoffübertragung (FAD) Mundwinkelrhagaden, Dermatitis
B6 (Pyridoxin) 1,2–1,5 mg Hefe, Weizen, Mais, Leber, Gemüse Coenzym im Aminosäurestoffwechsel Dermatitis, Polyneuropathie, Ataxie
B12 (Cobalamin) 3 g Fleisch, Leber, Milch, Darmbakterien Coenzym bei Kohlenstoffübertragungen perniziöse, makrozytäre Anämie, funikuläre Myelose
Biotin 30–60 g Leber, Niere, Eigelb, Darmbakterien Coenzym für Carboxylierungen Müdigkeit, Appetitlosigkeit
C (Ascorbinsäure) 100 mg Gemüse, Obst (Zitrusfrüchte, Kiwi) Kollagen-, Steroid- und Katecholaminsynthese, Antioxidans Skorbut: Bindegewebsschwäche, Zahnfleischbluten
Folsäure 0,4 mg Leber, Nieren, Blattgemüse, Hefe Coenzym bei Kohlenstoffübertragungen makrozytäre Anämie, Wachstumsstörungen
Nikotinsäure 20 mg Hefe, Fleisch, Leber, Kaffee, Tryptophan Wasserstoffübertragungen (NAD) Pellagra: Dermatitis
Pantothensäure 10 mg in fast allen Nahrungsmitteln Coenzym bei Acylübertragungen Polyneuropathie, ZNS-Störungen

für erwachsene Männer, nach den Empfehlungen der DGE; für Jugendliche, Kinder und Frauen abweichende Empfehlungen, für Letztere insbesondere während Schwangerschaft und Stillzeit

Mineralstoffe

Tab. 17.5
Mineralstoff Zufuhrempfehlung Funktion Vorkommen Mangelerscheinungen
Natrium (Na+) maximal 5 g Kochsalz/Tag Osmoregulation, Membranpotenzial Kochsalz, fast alle Nahrungsmittel kommen nicht vor
Chlorid (Cl)
Kalium (K+) 2–4 g Osmoregulation, Membranpotenzial Bananen, Kartoffeln, Trockenobst, Aprikosen, Gemüse Herzrhythmusstörungen
Calcium (Ca2+) 0,8–1 g Knochen- und Zahnbestandteil, Membranstabilisierung Milch, Milchprodukte, Gemüse, Getreide, Hülsenfrüchte Tetanie, Herzrhythmusstörungen
Phosphat (HPO42) 1,2–1,5 g Knochen- und Zahnbestandteil, Energiestoffwechsel Milch, Milchprodukte, Getreide, Fleisch Osteomalazie
Magnesium (Mg2+) 0,3–0,35 g Membranstabilisierung, Cofaktor bei vielen Reaktionen im Stoffwechsel Gemüse, Fleisch, Milch, Hülsenfrüchte, Bananen Muskelkrämpfe, nervöse Störungen, Parästhesien(Kribbeln, Sensibilitätsstörungen)

nach DGE

Spurenelemente

Tab. 17.6
Spurenelement Zufuhrempfehlung Funktion Vorkommen Mangelerscheinungen
Eisen (Fe) 10–15 mg Hämoglobin, Redoxsysteme Brot, Fleisch, Gemüse, Hülsenfrüchte Anämie
Zink (Zn) 12–15 mg katalytisches Zentrum verschiedener Enzyme (z. B. Carboanhydrase) Innereien, Fleisch, Getreide, Milchprodukte Acrodermatitis enteropathica, Immunstörungen
Mangan (Mn) 2–5 mg katalytisches Zentrum verschiedener Enzyme (z. B. Pyruvat-Carboxylase) Getreide, Hülsenfrüchte, Gemüse, Schwarztee kommen nicht vor (experimentell Wachstums- und Fertilitätsstörungen)
Fluor (F) 1,5–4,0 mg Remineralisierung des Zahnschmelzes Wasser, Fisch, Schwarztee Karies
Kupfer (Cu) 1,5–3 mg katalytisches Zentrum in Oxidasen, Redoxsystemen Innereien, Getreide, Hülsenfrüchte, Nüsse Anämie, Leukopenie, Wachstums- und Fertilitätsstörungen
Iod (I) 100–200 g essenzieller Bestandteil der Schilddrüsenhormone Seefisch, Milch, Eier Hypothyreose
Selen (Se) 20–100 g essenzieller Bestandteil der Selenoproteine (z. B. Glutathion-Peroxidase) Eigelb, Fleisch, Getreide Myopathie, Krebsanfälligkeit?
Chrom (Cr) Spuren Verbesserung der Glucosetoleranz in Spuren ubiquitär pathologische Glucosetoleranz bei chromfreier parenteraler Ernährung
Vanadium (V) Spuren? nicht bekannt Meeresfrüchte, Pilze, Pfeffer nicht bekannt
Nickel (Ni) Spuren Bestandteil mitochondrialer Enzyme? Kakao, Tee, Getreide, Gemüse nicht bekannt
Molybdän (Mo) Spuren Elektronentransfer Hülsenfrüchte, Ei, Getreide nicht bekannt
Cobalt (Co) Spuren Cofaktor von Vitamin B12 Hülsenfrüchte, Nüsse, Weizenkeime Anämie

nach DGE

Täglicher Energieumsatz in Abhängigkeit von der körperlichen Aktivität

Tab. 17.7
Aktivitätsniveau Umsatz/kg/Tag Umsatz eines 70 kg schweren Mannes/Tag
Grundumsatz 100 kJ 7.000 kJ
Ruheumsatz 130 kJ 9.100 kJ
mittelschwere Arbeit 170 kJ 11.900 kJ
schwere Arbeit 200 kJ 14.000 kJ

Sekrete und Wirkstoffe des Gastrointestinaltrakts

Tab. 17.8
Sekret Menge (l/d) Enzyme andere Inhaltsstoffe para- u. endokrine Regulation
Speichel 1–1,5 Ptyalin (-Amylase) Speichel-Mucine
Blutgruppenantigene
IgA
Magensaft 2,5–3 Pepsin
Gastricin
Magenlipase
HCl
Mucine
Intrinsic-Faktor
Gastrin (34 bzw. 17 oder 13 AS [13.4.1]),
Histamin (Gewebshormon,
biogenes Amin von Histidin
[13.7.1]),
Prostaglandine (vor allem
PGE1, 13.7.4)
Pankreassekret 1–3 Trypsinogen
Chymotrypsinogen
Procarboxypeptidasen A und B
Proelastase
-Amylase
Lipase
Cholesterinesterase
Ribonuklease
Desoxyribonuklease
Na+
HCO3
Motilin (22 AS),
Sekretin (27 AS, 13.4.2),
GIP (43 AS, 13.4.1),
CCK (33 AS, 13.4.3),
VIP
Blasengalle 0,5 Mucine
Cholesterin
Bilirubin
Gallensäuren
Duodenumsekret 1–2 Enteropeptidase
Aminopeptidasen
Dipeptidasen
Nukleotidasen
Nukleosidasen
Disaccharidasen
Cholesterinesterase
Phosphatasen
Na+
HCO3
Mucine
Albumin

Peptidasen

Tab. 17.9
Peptidase Herkunft Aktion Substrat Produkt
Endopeptidasen (Trypsin, Chymotrypsin) Pankreas Spaltung von Peptidbindungen im Inneren des Moleküls, bevorzugt neben basischen, aromatischen und verzweigtkettigen Aminosäuren Proteine, Peptide Oligopeptide
Carboxypeptidase A (Exopeptidase) Pankreas Abspaltung randständiger aromatischer Aminosäuren am C-Terminus des Proteins/Peptids Proteine, Peptide Aminosäuren
Carboxypeptidase B (Exopeptidase) Pankreas Abspaltung randständiger basischer Aminosäuren am C-Terminus des Proteins/Peptids Proteine, Peptide Aminosäuren
Aminopeptidase (Exopeptidase) Mukosa Abspaltung randständiger Aminosäuren am N-Terminus des Proteins/Peptids Proteine, Peptide Aminosäuren
Dipeptidase Mukosa Spaltung von Dipeptiden Dipeptide Aminosäuren

Magen-Darm-Trakt

R. Kunisch

A. Sönnichsen

  • 17.1

    Grundlagen der Ernährung449

    • 17.1.1

      Wert und Zusammensetzung der Nahrung449

    • 17.1.2

      Essenzielle Nahrungsbestandteile451

    • 17.1.3

      Bilanz456

    • 17.1.4

      Parenterale Ernährung460

  • 17.2

    Verdauung und Resorption460

    • 17.2.1

      Verdauungssekrete460

    • 17.2.2

      Kohlenhydrate467

    • 17.2.3

      Proteine468

    • 17.2.4

      Lipide469

    • 17.2.5

      Vitamine472

  • 17.3

    Wasser, Elektrolyte, Ballaststoffe472

    • 17.3.1

      Wasser472

    • 17.3.2

      Elektrolyte, Mineralstoffe, Spurenelemente473

    • 17.3.3

      Ballaststoffe475

  • 17.4

    Endokrine Funktionen475

  • 17.5

    Resorptionsstörungen475

    • 17.5.1

      Malabsorption475

    • 17.5.2

      Maldigestion476

IMPP-Hits

  • Wert der Nahrung bezüglich Energiegehalt und Inhaltsstoffen

  • Essenzielle Nahrungsbestandteile

  • Synthese und Regulation der Verdauungssäfte

  • Resorptionsmechanismen für Kohlenhydrate, Proteine, Lipide, Elektrolyte und Wasser

Grundlagen der Ernährung

Die ErnährungErnährung des Menschen dient nicht nur der Versorgung mit Energie, sondern auch der vollständigen Deckung des Bedarfs an Substanzen. Die Nahrung muss all diese unterschiedlichen Komponenten in ausreichender Menge enthalten, um vollwertig zu sein.

Wert und Zusammensetzung der Nahrung

Definition des Nahrungswerts
Der Wert der Nahrung wird nach ihrem Gehalt an für den Organismus notwendigen Bestandteilen beurteilt. Bezüglich dieses Werts kann man unterscheiden:
  • energetischer Wert Brennwert der Energieträger

  • synthetischer Wert Gehalt an für Aufbau und Stoffwechsel essenziellen Stoffen

  • katalytischer Wert Gehalt an Vitaminen, Mineralstoffen und Spurenelementen

  • biologischer Wert Berücksichtigung der Verwertbarkeit im menschlichen Organismus (z. B. ist die biologische Wertigkeit von tierischem Eiweiß höher als die von pflanzlichem, da die Aminosäurezusammensetzung von tierischem Eiweiß der des menschlichen ähnelt)

  • Ausnutzungsgrad Resorbierbarkeit im Darm (95 % bei tierischen, 70 % bei pflanzlichen Bestandteilen)

Nahrungsbestandteile
Die Nahrung lässt sich in folgende Bestandeile untergliedern:
  • Energiesubstrate:

    • Kohlenhydrate

    • Fette

    • Eiweiß

  • Bausubstrate:

    • essenzielle Bausubstrate: Moleküle, die der menschliche Organismus nicht selbst synthetisieren kann, z. B. essenzielle Aminosäuren, essenzielle, mehrfach ungesättigte Fettsäuren.

    • nichtessenzielle Bausubstrate: Moleküle, die der menschliche Organismus bei Bedarf auch selbst aus anderen Grundbausteinen herstellen kann, z. B. nichtessenzielle Aminosäuren, nichtessenzielle Fettsäuren, bestimmte Kohlenhydrate, Cholesterin.

  • Vitamine: Moleküle, die als Coenzyme für bestimmte Stoffwechselabläufe unabdinglich sind, die aber der Organismus selbst nicht synthetisieren kann (Vitamin A, B1, B2, B6, B12, C, D, E, K, Pantothensäure, Nikotinamid oder Nikotinsäure, Folsäure, Biotin).

  • Elektrolyte: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl, HPO42, HCO3

  • Spurenelemente: Eisen, Kupfer, Molybdän, Kobalt, Zink, Mangan, Iod, Fluor, Chrom, Selen, Vanadium, Nickel.

  • Ballaststoffe: Substanzen ohne eigentlichen Nährwert, die aber für den regelgerechten Ablauf der Verdauung im Magen-Darm-System notwendig sind und die eine wichtige Rolle in der Prävention von Kolonkarzinom, Atherosklerose und chronischer Obstipation spielen.

Nahrungszusammensetzung
Die Zusammensetzung der Nahrung sollte dem Bedarf möglichst nahekommen. Hierzu gehört vor allem eine dem Verbrauch angepasste Energiezufuhr. Aber auch für das Verhältnis der Energieträger zueinander gibt es ein Optimum, das langfristig mit dem geringsten Risiko für Gesundheitsstörungen verbunden ist. Nach den Empfehlungen der Deutschen Gesellschaft für Ernährung (DGE) sollten die Energieträger in folgender relativer Menge zugeführt werden:
  • 15 % der Energie in Form von Eiweiß

  • 25–30 % der Energie in Form von Fett

  • 55–60 % der Energie in Form von Kohlenhydraten

Die Ernährungsrealität in Deutschland weicht erheblich von diesen Empfehlungen ab:
  • 15 % der Energie wird in Form von Eiweiß,

  • 40 % der Energie in Form von Fett,

  • 40 % der Energie in Form von Kohlenhydraten,

  • 5 % der Energie in Form von Alkohol

zugeführt.
Auch für alle anderen Nahungsbestandteile existieren Zufuhrempfehlungen der DGE, die sich aus wissenschaftlichen Untersuchungen über die optimale Nährstoffversorgung des Menschen ergeben haben. Die wichtigsten Zufuhrempfehlungen für die verschiedenen Inhaltsstoffe der Nahrung, ihre Vorkommen und Funktionen sowie Mangelerscheinungen bei unzureichender Zufuhr sind den Tab. 17.3 bis 17.6 zu entnehmen.
Brennwert der Energieträger
Bezüglich der verwertbaren Energie aus dem Abbau der Energieträger lassen sich unterscheiden:
  • physikalischer Brennwert: die Energiemenge, die bei der vollständigen Oxidation des energiehaltigen Substrats freigesetzt wird.

  • physiologischer oder biologischer Brennwert: die Energiemenge, die bei der Verstoffwechselung des Energieträgers im menschlichen Organismus tatsächlich freigesetzt wird.

Der physiologische Brennwert liegt für Kohlenhydrate leicht und für Eiweiß deutlich unter dem physikalischen Brennwert. Dies ist dadurch zu erklären, dass ein geringer Anteil der zugeführten Kohlenhydrate nicht vollständig zu CO2 oxidiert, sondern z. B. als Glucuronid ausgeschieden wird. Eiweiß wird ebenfalls nicht vollständig oxidiert, da das Abbau- und Ausscheidungsprodukt der Aminosäuren, der Harnstoff, selbst noch Energie enthält. Die physikalischen und physiologischen Brennwerte der Energieträger sind in Tab. 17.1 dargestellt.
Für die Einschätzung des Brennwerts der Nahrung sind zwei weitere Größen von Bedeutung:
  • kalorisches Äquivalent: Energiemenge, die durch oxidative Verbrennung eines Nährstoffs pro Liter aufgenommenen Sauerstoffs freigesetzt wird,

  • respiratorischer Quotient (RQ): RQ CO2-Abgabe (mol)/O2-Aufnahme (mol).

Der respiratorische Quotient hängt ab von der Nahrungszusammensetzung. Bei der Oxidation von Kohlenhydraten ist die Menge des gebildeten CO2 gleich der Menge des verbrauchten O2:
C6H12O6 6 O2 6 CO2 + 6 H2O 2,86 MJ
Somit ist der RQ von Kohlenhydraten 1. Beim Eiweißabbau hat der RQ einen durchschnittlichen Wert von 0,8 (leichte Schwankungen in Abhängigkeit von der Aminosäurezusammensetzung); beim Fettabbau beträgt er 0,7, da die langen Fettsäureketten jeweils nur zwei Sauerstoffatome in der Carboxylgruppe enthalten, also mehr Sauerstoff über die Atmung zur Oxidation zugeführt werden muss (Tab. 17.1).

Merke

Biologische Brennwerte:

  • Kohlenhydrate ~17 kJ/g

  • Eiweiß ~17 kJ/g

  • Fett ~39 kJ/g

  • Alkohol ~30 kJ/g

Essenzielle Nahrungsbestandteile

Ernährung:Essenzielle NahrungsbestandteileUnter essenziellen Nahrungsbestandteilen versteht man diejenigen Moleküle, die der menschliche Organismus nicht selbst synthetisieren kann, die aber für den Ablauf der Stoffwechselfunktionen unbedingt erforderlich und somit für den Menschen lebensnotwendig sind.
Essenzielle Nahrungsbestandteile sind
  • die essenziellen Aminosäuren (7.1.2)

  • die essenziellen, mehrfach ungesättigten Fettsäuren (4.2)

  • die Vitamine (9)

  • die Mineralstoffe und Spurenelemente (12.2. und 12.312.212.3)

Essenzielle Aminosäuren

Acht von den 20 (21 mit Selenocystein) proteinogenen Aminosäuren des Menschen sind essenziell. Ihre Funktionen sind in Tab. 17.2 dargestellt.

Der tägliche Bedarf liegt zwischen 0,25 g für Tryptophan und bis zu 1,1 g für Phenylalanin.

Lysin und Threonin sind absolut essenziell, d. h., dem Organismus fehlen die Transaminasen, um sie aus ihren Ketosäuren herzustellen.

Methionin kann aus Homocystein regeneriert werden (im sog. Zyklus der aktivierten Methylgruppe, Abb. 17.1). Über das Zwischenprodukt Homocystein wird durch eine Kondensationsreaktion mit Serin auch Cystein gebildet (Abb. 17.2). Der Cysteinbedarf kann also durch Cystein- oder Methioninzufuhr gedeckt werden. Bei fehlender Zufuhr von Methionin wird Cystein zur essenziellen Aminosäure.

Ebenso wird Tyrosin nur aus Phenylalanin gebildet, sodass ein Phenylalaninmangel bei fehlender Tyrosinzufuhr auch zum Tyrosinmangel führt.

Leucin, Isoleucin, Valin und Phenylalanin können aus ihren Ketosäuren, die bei der Desaminierung der jeweiligen Aminosäure entstehen, wiederhergestellt werden.

Arginin entsteht aus Ornithin über die Reaktionsschritte des Harnstoffzyklus (7.4.3). Bei Säuglingen und im Wachstum kann der Bedarf größer sein als die im Harnstoffzyklus bereitgestellte Menge. Arginin ist dann ebenfalls essenziell.

Auch Histidin ist im Säuglingsalter und im Wachstum essenziell, da die im Körper gebildete Menge den Bedarf nicht deckt. Manche Autoren gehen auch davon aus, dass Histidin generell essenziell ist.

Die übrigen nichtessenziellen Aminosäuren werden aus Produkten des Intermediärstoffwechsels im Überschuss hergestellt.

Essenzielle Fettsäuren
Alle gesättigten und die meisten ungesättigten Fettsäuren können vom menschlichen Organismus synthetisiert werden. Es fehlen aber die Enzyme (Desaturasen), die Doppelbindungen nach dem C-9-Atom einfügen können. Aus diesem Grund können die -3-Fettsäure Linolensäure (18:3-cis-9,12,15) und die -6-Fettsäure Linolsäure (18:2-cis-9,12) nicht gebildet werden. Sie sind daher essenziell. Aus Linolsäure kann durch Kettenverlängerung um 2 C-Atome und Einfügen von zwei weiteren Doppelbindungen (5 und 8) Arachidonsäure (20:4-cis-5,8,11,14) gebildet werden. Bei einem Mangel an Linolsäure wird Arachidonsäure essenziell. Arachidonsäure ist die Ausgangssubstanz für die Bildung von Leukotrienen, Prostaglandinen, Prostazyklinen und Thromboxanen. Der tägliche Bedarf an essenziellen Fettsäuren liegt zwischen 6 und 8 g.
Andere essenzielle Substanzen
Zu den essenziellen Nahrungsbestandteilen gehören auch alle Vitamine außer Vitamin D, das unter Einwirkung von UV-Licht auch im menschlichen Organismus gebildet werden kann (9.3.2). Aus diesem Grund wird das Vitamin D häufig nicht mehr als Vitamin bezeichnet, sondern als D-Hormon. Die Vitamine und ihre Funktionen sind in Tab. 17.3 und Tab. 17.4 dargestellt.
Auch die anorganischen Mineralien und die Spurenelemente müssen in ausreichender Menge mit der Nahrung zugeführt werden, da sonst gravierende Mangelzustände entstehen können. Die für den menschlichen Organismus wichtigen Mineralstoffe und Spurenelemente zeigen Tab. 17.5 und Tab. 17.6.

Bilanz

Ernährung:BilanzZiel einer ausgewogenen Ernährung ist es, eine ausgeglichene Bilanz zwischen der Zufuhr und dem Verbrauch bzw. der Ausscheidung von Stoffen herzustellen. Man differenziert zwischen:
  • Stoffbilanz

  • Energiebilanz

  • Stickstoffbilanz

Stoffbilanz
Die Stoffbilanz erfasst die Zufuhr, die Umwandlung und die Ausscheidung von Stoffen im Allgemeinen. Der Umsatz von Stoffen in einem Organismus wird auch als Stoffwechsel bezeichnet. Folgende Grundformen des Stoffwechsels sind zu unterscheiden:
  • kataboler Stoffwechsel: Energieträger (Kohlenhydrate, Fette, Eiweiß) oder Bausubstanzen des Körpers (z. B. Stukturproteine, Strukturlipide, Strukturkohlenhydrate) werden abgebaut. Dabei wird Energie freigesetzt. Diese Energie wird zu etwa 40 % in Form von energiereichen Verbindungen (z. B. Phosphorsäureanhydridbindungen wie ATP, Kreatinphosphat, GTP) für weitere Stoffwechselvorgänge oder Muskelarbeit zur Verfügung gestellt. 30 % der freigesetzten Energie werden für den Mitochondrientransport der Substrate verbraucht und 30 % wandern in die Thermoregulation des Körpers und gehen schließlich als Wärme verloren.

  • anaboler Stoffwechsel: Energieträger (Glykogensynthese, Fettsäurebiosynthese, Aminosäuresynthese) und Bausubstanzen (Strukturproteine, Nukleotide, Strukturlipide, Strukturkohlenhydrate) werden unter Verbrauch energiereicher Bindungen synthetisiert.

Von einer ausgeglichenen Stoffbilanz spricht man, wenn die Zufuhr der Energieträger, Baustoffe, Vitamine, Mineralstoffe und Spurenelemente dem Verbrauch entspricht, d. h., der Gesamtgehalt des Organismus an Stoffen sich innerhalb enger Grenzen hält.
Energiebilanz
Die Energiebilanz gibt Auskunft über die Differenz zwischen zugeführter und verbrauchter bzw. benötigter Energie.
Ausgeglichene Energiebilanz
Ziel einer gesunden Ernährung des normalgewichtigen Erwachsenen ist eine ausgeglichene Energiebilanz, um das Körpergewicht konstant zu halten. Die Energiezufuhr muss also dem Bedarf angepasst sein. Der Energiebedarf des menschlichen Organismus setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen:
  • Grundumsatz: Energiebedarf unter folgenden Standardbedingungen:

    • nüchtern (Nahrungszufuhr steigert den Energieverbrauch!)

    • morgens (zur Ausschaltung tageszeitlicher Schwankungen, mittags ist der Grundumsatz höher und nachts niedriger)

    • in Ruhe (Ausschluss des Energieverbrauchs durch körperliche und geistige Tätigkeit)

    • bei Indifferenztemperatur Körperoberflächentemperatur (ca. 29 C)

    • bei normaler Körpertemperatur (Energieumsatz bei Fieber , bei Hypothermie )

  • postprandiale Thermogenese: die durch Nahrungszufuhr induzierte Steigerung des Energieumsatzes durch den Energieverbrauch bei Verdauung, Resorption und Verstoffwechselung der Nahrung. Sie entspricht

    • 2–4 % der zugeführten Energie bei Fetten,

    • 4–7 % der zugeführten Energie bei Kohlenhydraten,

    • 18–25 % der zugeführten Energie bei Eiweiß.

  • Ruheumsatz: Energieverbrauch bei Raumtemperatur ohne wesentliche körperliche Tätigkeit (im Liegen).

  • Arbeitsumsatz: Energieverbrauch während körperlicher Tätigkeit (auch Sitzen oder Stehen sind bereits Tätigkeiten!).

Der Grundumsatz beträgt beim Mann etwa 1 Watt/kg Körpergewicht. Das entspricht einer Leistung von
(Berechnung: 1 W 1 J/s; 1 J/s 86,4 kJ/24 h)
Zur Vereinfachung rechnet man mit einem Grundumsatz von 100 kJ/kg/Tag. Das entspricht bei einem 70 kg schweren Mann einem Grundumsatz von 7.000 kJ/Tag. Die Umsätze bei Ruhe und körperlicher Arbeit sind Tab. 17.7 zu entnehmen.
In Abhängigkeit vom Trainingszustand kann der Mensch durch Muskelarbeit eine Leistung von 2 bis 3 W/kg erbringen (bei 70 kg ca. 210 W). Bei Spitzensportlern liegt die Maximalleistung bei über 350 W!
Für die Messung des Energieverbrauchs stehen verschiedene Methoden zur Verfügung.
Positive Energiebilanz: Überernährung
Liegt die Energiezufuhr über dem Verbrauch, werden im anabolen Stoffwechsel Energieträger synthetisiert und die Speicher gefüllt. Die wichtigsten Energiespeicher des menschlichen Organismus sind:
  • Glykogenspeicher der Leber: maximal ca. 150 g Glykogen (10 % des Lebergewichts), entsprechend 2.400 kJ Energie

  • Glykogenspeicher des Muskels: maximal ca. 250 g Glykogen (1 % des Muskelgewichts), entsprechend 4.000 kJ Energie

  • Lipidspeicher des Fettgewebes: fast unbegrenzte Speicherung von Triglyceriden, entsprechend einem Energiegehalt von etwa 30 kJ/g Fettgewebe

1 kg menschliches Fettgewebe speichert 30.000 kJ Energie. 20 kg Übergewicht – keine Seltenheit in den westlichen Industrienationen – entsprechen einem lebenden Energietank von 600.000 kJ!
Die Überernährung stellt in den westlichen Industrienationen ein großes Problem dar, da sie zu Übergewicht und zu einer Vielzahl von Folgeerkrankungen führen kann. Schon ein vergleichsweise geringer Energieüberschuss von 100 kJ/Tag führt im Verlauf von 10 Jahren zu einem Überschuss von 365.000 kJ. Dies entspricht dem Aufbau von 12 kg Fettgewebe Übergewicht.

Klinik

Wichtige durch Überernährung und Übergewicht bedingte Risiken und Erkrankungen sind:

  • Diabetes mellitus Typ 2

  • metabolisches Syndrom

  • Herzinfarkt

  • Schlaganfall

  • degenerative Wirbelsäulen- und Gelenkveränderungen

Negative Energiebilanz: Unterernährung (Hungerstoffwechsel)
Liegt die Energiezufuhr unter dem Energieverbrauch, so werden im katabolen Stoffwechsel körpereigene Energieträger abgebaut. Zunächst werden die Glykogenspeicher geleert. Sie reichen bei vollständiger Unterbrechung der Energiezufuhr (Nulldiät) nicht einmal 1 Tag. Als Nächstes gewinnt der Organismus Energie aus dem Abbau von Triacylglycerinen aus dem Fettgewebe. Gleichzeitig setzt aber auch der Abbau körpereigener Strukturproteine ein, deren Aminosäuren für die Gluconeogenese (glucogene Aminosäuren) bzw. für die Ketogenese (ketogene Aminosäuren) verwendet werden. Auch das überwiegend aus den Erythrozyten stammende Lactat wird über den Cori-Zyklus in der Leber zu Glucose regeneriert (15.1.6).

Lerntipp

Die Speicherdauer der unterschiedlichen Energiereserven des Körpers ist ein beliebtes Prüfungsthema. Man sollte sich grob merken:

Kreatin Minuten

Glykogen Stunden

Ketonkörper Tage

Fett Wochen

Die gesteigerte Lipolyse führt zu einem Überschuss von Acetyl-CoA. Dies führt zur Bildung von Ketonkörpern, die vom ZNS im Hungerstoffwechsel anstelle von Glucose verwendet werden können (8.4.1). Auf diese Weise werden täglich 100 g Glucose eingespart, die allein das ZNS benötigen würde, da dort keine -Oxidation von Fettsäuren möglich ist.

Merke

Die Frühphase des Hungerstoffwechsels zeichnet sich durch einen hohen Proteinumsatz (bis zu 150 g/Tag) und eine nur geringe Ketonkörperbildung aus. Erst nach längerem Fasten (Spätphase des Hungerstoffwechsels) steigt die Ketonkörperutilisation an und der Proteinabbau wird eingedämmt (auf ca. 20–30 g/Tag). Bei ansteigender Ketonkörperkonzentration entsteht eine metabolische Azidose. Diese wird durch die gesteigerte Ammoniakbildung beim Proteinabbau teilkompensiert.

Stickstoffbilanz
Die Stickstoffbilanz gibt Auskunft über den Proteinhaushalt des Organismus, da Stickstoff fast ausschließlich in Form von Eiweiß ( Aminosäuren) mit der Nahrung aufgenommen wird. Die geringen Stickstoffmengen, die z. B. über die Nukleotide oder bestimmte Vitamine zugeführt werden, sind mengenmäßig zu vernachlässigen. Die Ausscheidung von Stickstoff erfolgt überwiegend renal in Form von Harnstoff und Ammoniak (als Ammoniumchlorid). Geringe Mengen werden auch über den Stuhl eliminiert oder gehen durch Abschilferung von Haut und Schleimhäuten oder durch Haarausfall verloren.
Die Stickstoffzufuhr lässt sich über den Proteingehalt der Nahrung bestimmen. Der Stickstoffgehalt von Proteinen beträgt im Mittel ca. 16 %. Die Stickstoffausscheidung kann über die Harnstoff- und Ammoniakausscheidung im 24-h-Sammelurin und die Messung der Stickstoffkonzentration im Stuhl ermittelt werden.

Merke

100 g Eiweiß enthalten ca. 16 g Stickstoff.

Ausgeglichene Stickstoffbilanz
Bei einer ausgeglichenen Stickstoffbilanz sind zugeführte und ausgeschiedene Stickstoffmenge identisch. Dies zu erreichen ist Ziel einer gesunden Ernährung, es sei denn, es liegt ein erhöhter Eiweißbedarf vor (Wachstum, trainingsbedingter Muskelaufbau, Schwangerschaft).
Tägliche Zufuhr
Bezüglich der täglichen Zufuhr unterscheidet man
  • Eiweißzufuhr-Optimum: DGE und WHO empfehlen eine tägliche Proteinzufuhr von 1 g/kg KG, also insgesamt etwa 60–80 g/Tag. Dies entspricht einem Eiweißgehalt der Nahrung von knapp 15 % der aufgenommenen Energie. Durch eine Eiweißzufuhr in dieser Menge kann auch bei geringer biologischer Wertigkeit der Proteine (unten) das Entstehen von Mangelerscheinungen weitgehend ausgeschlossen werden.

  • Bilanzminimum (physiologisches Stickstoffminimum): Hierunter versteht man die Proteinzufuhr, welche für eine gerade noch ausgeglichene Stickstoffbilanz unbedingt erforderlich ist. Das Bilanzminimum liegt deutlich unter dem Optimum und beträgt je nach biologischer Wertigkeit der Proteine etwa 30–50 g/Tag.

  • absolutes Proteinminimum: Dies bezeichnet diejenige Proteinmenge, die bei ausreichender Kalorienzufuhr, aber proteinfreier Ernährung täglich abgebaut wird. Sie beträgt etwa 15 g/Tag. Bei Zufuhr von Eiweiß mit der höchsten biologischen Wertigkeit ( 1, Eiprotein) genügt die Zufuhr dieser Menge gerade noch für eine ausgeglichene Stickstoffbilanz.

  • Erhaltungsminimum: Nach mehrwöchiger hypokalorischer Ernährung senkt der Organismus seinen Proteinumsatz auf ein Minimum. Unter dem Erhaltungsminimum versteht man die Proteinzufuhr, die notwendig ist, um in der Spätphase des Hungerstoffwechsels noch eine ausgeglichene Stickstoffbilanz zu gewährleisten (ca. 15–35 g/Tag).

Biologische Wertigkeit
Die biologische Wertigkeit von Proteinen bemisst sich zum einen an ihrer Ähnlichkeit zum menschlichen Protein bezüglich der Aminosäurezusammensetzung und zum anderen an ihrem Gehalt an für den Menschen essenziellen Aminosäuren. Dem Eiprotein wird als Eiweiß mit der höchsten biologischen Wertigkeit die Ziffer 1 zugeordnet. Pflanzliche Proteine haben eine geringere biologische Wertigkeit, weil Lysin, Tryptophan, Methionin und Threonin meist nicht in ausreichender Menge enthalten sind. Proteine, denen eine essenzielle Aminosäure vollständig fehlt, haben die Wertigkeit 0. Sie sind als ausschließliche Proteinquelle in der menschlichen Ernährung ungeeignet und rufen auch bei mengenmäßig insgesamt ausreichender Zufuhr Mangelerscheinungen hervor.
Positive Stickstoffbilanz
Zu einer positiven Stickstoffbilanz kommt es, wenn die zugeführte Eiweiß- und damit Stickstoffmenge über der ausgeschiedenen liegt. Folgende Konstellationen sind mit einer positiven Stickstoffbilanz verbunden:
  • Wachstum

  • Schwangerschaft

  • Muskelaufbau

Voraussetzung für eine positive Stickstoffbilanz ist die entsprechend hohe Zufuhr an Proteinen mit hoher biologischer Wertigkeit. Muskelaufbau findet darüber hinaus nur statt, wenn die betreffende Muskulatur trainiert wird. Eine Steigerung der Eiweißzufuhr ohne gleichzeitiges Muskeltraining bleibt ohne Effekt.
Auch die Speicherung von Eiweiß ist dem menschlichen Körper nicht möglich. Eine gesteigerte Eiweißzufuhr ohne einen der oben aufgeführten Gründe für eine positive Stickstoffbilanz führt daher zu einer gesteigerten Stickstoffausscheidung über die Niere. Im Überschuss aufgenommene Aminosäuren werden desaminiert, das Kohlenstoffgerüst wird je nach Stoffwechsellage zu CO2 abgebaut oder in Kohlenhydrate bzw. in Fettsäuren umgewandelt und der Stickstoff wird als Harnstoff oder Ammoniak ausgeschieden. Allerdings dauert es bei einer Steigerung der Proteinzufuhr einige Tage, bis die Stickstoffbilanz wieder ausgeglichen ist, da die Enzyme, die den Abbau der Aminosäuren katalysieren, alle nur isosterisch (d. h. durch Produkthemmung, 2.3.1) reguliert sind. Die Substratumsatzgeschwindigkeit bei Erreichen von Vmax kann also nicht weiter gesteigert werden. Der gestiegene Substratanfall wird dann erst durch eine Steigerung der Enzymproduktion auf Transkriptionsebene bewältigt, was einige Zeit in Anspruch nimmt.
Negative Stickstoffbilanz
Eine unzureichende Proteinzufuhr führt zu einer negativen Stickstoffbilanz. Die Stickstoffausscheidung liegt über der Aufnahme. Ursache kann entweder eine mengenmäßig zu geringe Aufnahme (unterhalb des Bilanzminimums) oder eine mindere biologische Wertigkeit der zugeführten Proteine sein. Eine negative Stickstoffbilanz führt auf Dauer zu einer verminderten Synthese und Bereitstellung körpereigener Proteine. Es sind sowohl die Strukturproteine als auch die Enzyme und die Plasmaproteine betroffen. Die Folge sind entsprechende Mangelerscheinungen. Durch Fehlen der Verdauungsenzyme im Darm kommt es zu einem Maldigestions- und damit auch zu einem Malabsorptionssyndrom, was den Eiweißmangel weiter verstärkt und zudem Diarrhö mit Elektrolytverlust verursacht.

Klinik

Hypokalorische Ernährung führt zum gleichmäßigen Abbau von Körperfett und Körpereiweiß. Die Folge ist ein Marasmus (schwere Form der Unterernährung). Von dieser Erkrankung sind vor allem Kinder in Ländern der Dritten Welt betroffen. Sie imponieren durch abgemagerte Gliedmaßen und einen abgemagerten Stamm mit eingefallenem Bauch.

Eiweißmangel- oder Eiweißfehlernährung bei ausreichender Kalorienzufuhr führt zum Kwashiorkor. Auch diese Erkrankung ist in vielen Ländern der Dritten Welt verbreitet. Durch mangelhafte Eiweißzufuhr oder durch Aufnahme von Eiweiß mit geringer biologischer Wertigkeit kommt es zu einem Mangel an essenziellen Aminosäuren. Folglich können die körpereigenen Proteine nicht mehr in ausreichender Menge gebildet werden. Durch das Absinken der Albuminkonzentration im Plasma sinkt auch der onkotische Druck, was den Austritt von Plasmawasser ins Gewebe begünstigt. Es kommt zur Ausbildung von Hungerödemen. Die Patienten wirken aufgedunsen und haben einen durch Aszites vorgewölbten Bauch.

Parenterale Ernährung

Ernährung:ParenteralBei bestimmten Erkrankungen ist eine parenterale Ernährung erforderlich. Man versteht hierunter die Nährstoffversorgung des Organismus durch intravenöse Infusion der Nährstoffe unter Umgehung des Gastrointestinaltrakts. Wichtige Indikationen hierfür sind:
  • schweres Malabsorptionssyndrom (17.5)

  • Koma

  • Vermeidung einer Stimulation der dem Darm benachbarten Verdauungsdrüsen, z. B. bei akuter Pankreatitis

  • Obstruktion im Gastrointestinaltrakt

Ziel der parenteralen Ernährung ist der Ersatz aller wichtigen Nahrungsbestandteile:
  • ausreichende Flüssigkeitszufuhr (2 l Wasser/Tag)

  • ausreichende Energiezufuhr in ausgewogenem Verhältnis (55 % Kohlenhydrate, 30 % Fett, 15 % Aminosäuren)

  • ausreichende Versorgung mit essenziellen Nahrungsbestandteilen:

    • essenzielle Aminosäuren

    • essenzielle Fettsäuren

    • fettlösliche und wasserlösliche Vitamine

    • Mineralstoffe (Elektrolyte)

    • Spurenelemente (nur bei länger dauernder parenteraler Ernährung erforderlich)

Die Wasser- und Elektrolytversorgung erfolgt durch Gabe isotonischer Elektrolytlösungen, die vor allem NaCl, aber auch die anderen Elektrolyte in ausreichender Menge enthalten. Kalium muss unter Umständen zusätzlich substituiert werden.
Die Kohlenhydratversorgung erfolgt durch Gabe von Monosacchariden:
  • Glucose

  • Fructose

  • Sorbitol (Zuckeralkohol der Glucose)

  • Xylitol (Zuckeralkohol der Pentose Xylulose)

Glucose sollte immer in ausreichender Menge enthalten sein, um die Lipolyse zu drosseln (anabole Stoffwechsellage durch Insulinwirkung!), sodass die freien Fettsäuren und die Ketonkörper im Blut absinken. Hierdurch wird auch einer Ketoazidose vorgebeugt.
Der Eiweißbedarf wird durch ein Gemisch aus Aminosäuren gedeckt, das die essenziellen Aminosäuren in einem dem physiologischen Bedarf angepassten Verhältnis enthält. Nach Operationen ist der Aminosäurenbedarf erhöht. Proteine können nicht parenteral verabreicht werden, da sie eine Immunantwort provozieren würden.
Die Fettzufuhr erfolgt in Form von Triacylglycerinen durch gut verträgliche Fettemulsionen. Hierdurch können große Energiemengen in kleinem Volumen verabreicht werden.
Nur bei länger dauernder parenteraler Ernährung ist die Substitution von Vitaminen erforderlich. Die wasserlöslichen Vitamine werden hierzu den Elektrolyt- oder Monosaccharidlösungen und die fettlöslichen Vitamine den Fettemulsionen zugesetzt. Bei sehr langer parenteraler Ernährung ist auch die Substitution von Spurenelementen erforderlich.

Verdauung und Resorption

VerdauungDie ResorptionNahrung ist in ihrer unversehrten Form für den menschlichen Organismus nicht verwertbar. Sie wird daher bei der Aufnahme zunächst mechanisch zerkleinert und dann durch die verschiedenen Verdauungssekrete in ihre molekularen Bestandteile zerlegt. Erst die einzelnen Moleküle können durch die Mukosa des Darms resorbiert werden. Um die Resorption zu bewerkstelligen, ist die Oberfläche der Darmschleimhaut durch Zotten und Mikrovilli stark vergrößert. Die Resorptionsfläche des Dünndarms beträgt bei einer Länge von nur etwa 4–5 m über 200 m2.

Verdauungssekrete

Speichel
Bildung

Täglich werden in den Azini der Speicheldrüsen etwa 1.000–1.500 ml Blut-isotoner Primärspeichel gebildet. Durch aktive Resorption in den Ausführungsgängen wird dem Primärspeichel Natrium entzogen, wodurch er gegenüber dem Plasma hypoton wird. Die Natriumrückresorption erreicht bei geringer Flussrate das höchste Ausmaß. Mit steigender Flussrate steigt also auch die Osmolalität des Speichels. Sie bleibt aber immer unterhalb der Osmolalität des Plasmas.

Verdauung:Verdauungssekrete
Zusammensetzung

Speichel enthält mehr Kalium und weniger Natrium als das Plasma. Mit steigender Sekretionsrate steigen die Na+-Konzentration und die Osmolalität. Speichel enthält zudem folgende weitere wichtige Bestandteile (Tab. 17.8):

  • Mucine (Glykoproteine) verbessern die Gleitfähigkeit der Nahrung beim Schluckakt und beim Transport im Magen-Darm-Trakt.

  • Blutgruppenantigene.

  • Ptyalin (eine -Amylase) spaltet Stärke bis zum Disaccharid Maltose; pH-Optimum bei pH 6,7; wird bei pH 4 inaktiviert.

  • Immunglobuline (IgA) werden nicht von den Azini der Speicheldrüsen sezerniert, sondern gelangen aus subepithelial gelegenen Plasmazellen mittels rezeptorvermittelter Transzytose durch die Schleimhautepithelzellen ins Lumen.

Regulation der Sekretion

Der Speichelfluss wird durch chemische und mechanische Reize sowie durch Aktivierung parasympathischer Nerven stimuliert. Die Speichelzusammensetzung wird unter parasympathischer Aktivierung serös. Die Erregung sympathischer Bahnen führt zu einer Reduktion des Speichelflusses und damit zur Mundtrockenheit (Xerostomie). Der (Rest-)Speichel ist dann eher mukös beschaffen.

Magensaft
Bildung

Die verschiedenen sekretorischen Zellen der Magenschleimhaut produzieren täglich etwa 2,5–3 l Magensaft. Die Sekretion wird durch chemische (Nahrungsbestandteile, vor allem Eiweiß), mechanische (Dehnung der Magenwand), parasympathische (Vagus) und endokrine (Gastrin) Reize induziert. Die sekretorischen Zellen der Magenschleimhaut sind Nebenzellen, Belegzellen und Hauptzellen.

Zusammensetzung

Der Magensaft setzt sich aus den Produkten seiner unterschiedlichen Schleimhautzellen zusammen:

  • Nebenzellen und Zellen der pylorischen Region: Bildung von Mucinen, die den Magen vor Selbstverdauung schützen. Mucine sind große Glykoproteine mit einem Molekulargewicht von mehreren 100 kD und einem hohen Gehalt von O-glykosidisch verknüpften Saccharidseitenketten. Sie sind mithilfe einer Transmembranhelix in der Membran der Epithelzellen verankert und überziehen so das Schleimhautepithel des Magens mit einer 200–500 m dicken Sperrschicht. Die von den Belegzellen produzierte Salzsäure gelangt wahrscheinlich durch kanalartige Strukturen ins Magenlumen und kann dann durch die Mucinschicht nicht zum Epithel zurückdiffundieren.

  • Belegzellen (Parietalzellen) des Magenfundus: Salzsäureproduktion: Sekretion von H+ und Cl. Die Protonen entstammen dem Kohlensäure-Hydrogencarbonat-Gleichgewicht, das durch die Carboanhydrase (ein Metalloenzym) der Belegzellen auf die Seite der Protonenbildung verschoben wird. Die Protonen werden mithilfe der H+-K+-ATPase (Protonenpumpe) im Austausch gegen K+-Ionen in lumenseitige Canaliculi gepumpt. K+ diffundiert anschließend, dem Konzentrationsgradienten folgend, über einen Kaliumkanal in den Canaliculus zurück, wo es erneut für den Austausch gegen H+ zur Verfügung steht. Bicarbonat wird im Austausch gegen Cl ins Blut abgegeben. Cl gelangt dann dem elektrischen Gradienten folgend über einen speziellen Chloridkanal in den Canaliculus. Aus dem Canaliculus gelangen H+ und Cl ins Lumen, während K+ wieder in die Zelle aufgenommen wird. Dadurch entsteht ein Protonengradient mit einem intrazellulären zu luminalem H+-Konzentrationsverhältnis von 1 : 106 (Abb. 17.3). Die Energie für die Aufrechterhaltung dieses hohen Gradienten entstammt der Spaltung von einem ATP für den Transport von jeweils 2 H+. Außerdem sezernieren die Belegzellen den für die Vitamin-B12-Resorption notwendigen Intrinsic-Faktor, ein etwa 50 kD schweres Glykoprotein mit einem hohen Neuraminsäuregehalt, der es vor der Spaltung durch Proteasen schützt.

  • Hauptzellen: Sekretion von Pepsinogen, einem 42,6 kD schweren Proenzym, das durch limitierte Autoproteolyse (Abspaltung von 44 Aminosäuren) unter Einwirkung von HCl zu Pepsin (34,5 kD) aktiviert wird. Pepsin ist eine Endopeptidase, die Proteine unspezifisch im Inneren der Peptidkette spaltet, vornehmlich neben aromatischen Aminosäuren wie Tyrosin oder Phenylalanin. Dabei entstehen Peptidbruchstücke von 600–3.000 D. Das Wirkungsoptimum von Pepsin liegt bei pH 1,8. Außerdem produzieren die Hauptzellen die Protease Gastricin und die Magenlipase. Erstere spaltet vornehmlich das Casein der Milch, letztere die in der Milch vorkommenden Triacylglycerine mit kurzkettigen Fettsäuren.

  • Eine Übersicht über Zusammensetzung und weitere Eigenschaften des Magensafts vermittelt Tabelle 17.8.

Regulation der Sekretion

Regulation der HCl-Sekretion

Die HCl-Sekretion wird auf folgende Weisen stimuliert:

  • neural durch Aktivierung des Parasympathikus (Acetylcholinausschüttung). Durch Acetylcholin werden muscarinische Acetylcholinrezeptoren (m-Cholinozeptoren) der

  • Belegzellen aktiviert. Die Signaltransduktion erfolgt über die Phospholipase Cb (Spaltung von Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat mit Bildung von IP3, Erhöhung der intrazellulären Calciumkonzentration durch Freisetzung von Calcium aus intrazellulären Speichern, 13.1.4).

  • endokrin durch Ausschüttung von Gastrin durch die enteroendokrinen Gastrinzellen (G-Zellen) im Antrum des Magens und im Duodenum (13.4.1). Die Gastrinfreisetzung wird durch Dehnung der Magenwand, durch einen Anstieg des pH-Werts im Lumen des Magens, durch Peptide (aus der Eiweißverdauung), durch Alkohol, durch Coffein und durch Gastrin-Releasing-Peptide (GRP) stimuliert. GRP wird von peptidergen postganglionären parasympathischen Nervenfasern und von Neuronen des enteralen Nervensystems unter dem Einfluss von Eiweiß und Eiweißspaltprodukten (Peptiden) gebildet.

  • parakrin durch Ausschüttung von Histamin: Dieses Gewebshormon wird durch die Enterochromaffin-ähnlichen Zellen (ECL-Zellen) der Mukosa nach Stimulierung mit Gastrin oder Acetylcholin ins mukosale Gewebe freigesetzt. Es wirkt parakrin über spezifische H2-Rezeptoren benachbarter Belegzellen. Rezeptorvermittelt wird die Adenylatzyklase aktiviert und dadurch die Produktion des Second messenger cAMP gesteigert. Dies führt zur Aktivierung von Proteinkinasen, wodurch es zu einer gesteigerten Säurebildung durch die H+-K+-ATPase kommt. Der Mechanismus, der letztlich diese Aktivitätssteigerung bewirkt, ist noch nicht identifiziert.

Des Weiteren wird die HCl-Produktion des Magens durch endokrine Hemmung kontrolliert: Somatostatin, das in den enteroendokrinen D-Zellen des Gastrointestinaltrakts gebildet und unter dem Einfluss einer hohen Protonenkonzentration im Lumen freigesetzt wird, hemmt die Histaminfreisetzung aus ECL-Zellen und direkt die HCl-Produktion der Belegzellen. Diese Wirkung wird durch einen spezifischen Somatostatinrezeptor vermittelt. Dieser ist ein inhibitorischer Rezeptor des Adenylatzyklasesystems.

Klinik

Die Säureproduktion der Belegzellen spielt eine wichtige Rolle bei der Entstehung folgender Erkrankungen:

  • chronische Typ-B-Gastritis

  • Ulcus ventriculi, Ulcus duodeni

  • Refluxösophagitis

Zur Behandlung dieser Erkrankungen werden HCl-Bildung und -Sekretion der Belegzellen medikamentös gehemmt bzw. wird die gebildete Säure neutralisiert. Folgende pharmakologische Angriffspunkte werden genutzt:

  • Hemmung der H+-K+-ATPase: Die sog. Protonenpumpenhemmstoffe (Omeprazol, Pantoprazol, Lansoprazol u. a.) reagieren als reaktive Sulfenamide mit Cysteinylresten der H+-K+-ATPase unter Ausbildung von Disulfidbrücken und deaktivieren das Enzym dadurch irreversibel. Die Folge ist eine verminderte Protonensekretion.

  • H2-Rezeptoren-Blockade: Medikamente wie Cimetidin, Ranitidin und Famotidin besetzen die H2-Rezeptoren der Belegzellen und antagonisieren dort kompetitiv die Wirkung von Histamin. Die Folge ist ebenfalls eine verminderte Säurebildung.

  • Muscarinrezeptorblockade: Pirenzepin antagonisiert die Wirkung von Acetylcholin am m-Cholinozeptor und vermindert so die parasympathische Aktivierung der gastralen Säureproduktion.

  • Antazida: Durch Substanzen wie Aluminiumhydroxid oder Magnesiumhydroxid werden Protonen abgepuffert und dadurch die Magensäure neutralisiert.

Früher wurde die parasympathische Aktivierung der gastralen Säureproduktion auch durch eine selektive Vagotomie ausgeschaltet. In Anbetracht der guten Möglichkeiten einer medikamentösen Therapie ist das Verfahren heute obsolet.

Regulation der Mucinsekretion

Die Mucinsekretion wird durch folgende Mechanismen stimuliert (Abb. 17.4):

  • neural: durch Aktivierung des Parasympathikus (Ausschüttung von Acetylcholin und Stimulation von m-Cholinozeptoren der Nebenzellen).

  • endokrin: Die Ausschüttung von Sekretin führt über die Aktivierung von Sekretinrezeptoren der Nebenzellen zu einer gesteigerten Bildung von cAMP und dadurch zu einer Anregung der Mucinproduktion.

  • parakrin: Auch unter dem Einfluss von Prostaglandinen (z. B. PGE1) wird vermehrt Mucin gebildet.

Durch Glucocorticoide wird die Produktion von Mucin gehemmt (Abb. 17.4). Dies erklärt das erhöhte Risiko einer Ulkusentstehung unter einer Cortisontherapie.

Regulation der Pepsinogensekretion

Die Bildung und Sekretion von Pepsinogen wird neural über eine parasympathische Aktivierung (m-Cholinozeptoren), endokrin durch Gastrin und chemisch durch einen niedrigen pH-Wert im Lumen aktiviert (Abb. 17.4).

Pankreassekret
Bildung

In Abhängigkeit von der Nahrungszufuhr werden täglich bis zu 3 l Pankreassekret mit einem pH von 8,0 gebildet. Hierdurch und durch duodenales Sekret (unten) wird der saure Nahrungsbrei aus dem Magen im Duodenum neutralisiert. Die Verdauungsenzyme werden in den Azinuszellen und die anorganischen Bestandteile (H2O und Na+HCO3) in den Pankreasgangzellen gebildet.

Zusammensetzung

Das Pankreassekret enthält Hydrolasen zur hydrolytischen Spaltung der verschiedenen chemischen Stoffklassen der Nahrungsbestandteile. Die wichtigsten Enzyme sind:

  • proteolytische Enzyme: Sie werden als inaktives Enzym (Proenzym) gebildet und sezerniert, um eine Andauung des Pankreas zu vermeiden, und erst im Darmlumen durch limitierte Proteolyse aktiviert.

    • Trypsinogen Trypsin: Endopeptidase; spaltet Proteine und Polypeptide in Oligopeptide

    • Chymotrypsinogen Chymotrypsin: Endopeptidase; spaltet Proteine und Polypeptide in Oligopeptide

    • Procarboxypeptidasen A und B Carboxypeptidasen A und B: Exopeptidasen; spalten einzelne Aminosäuren am C-Terminus des Peptids/Proteins ab; die Carboxypeptidase A hat eine besondere Affinität zu Aminosäuren mit aromatischen Resten (Tyrosin, Phenylalanin, Tryptophan), die Carboxypeptidase B zu basischen Aminosäuren (Lysin, Arginin, Histidin).

    • Proelastase Elastase: spaltet Elastin

  • -Amylase: spaltet -1,4-glykosidische Bindungen in Glykogen und Stärke

  • Lipasen:

    • Triacylglycerin-Lipase: spaltet von Triacylglycerinen bevorzugt die Fettsäuren in Position 1 und 3 ab, wodurch -Monoacylglycerine und freie Fettsäuren entstehen; in geringem Umfang entstehen auch Glycerin und Diacylglycerine.

    • Cholesterinesterase: spaltet Cholesterinester in freies Cholesterin und freie Fettsäuren

  • nukleinsäureabbauende Enzyme:

    • Ribonuklease

    • Desoxyribonuklease

Des Weiteren besteht das Pankreassekret aus großen Mengen Wasser und Na+HCO3. Hierdurch wird die Salzsäure aus dem Magen neutralisiert:

Na+ + HCO3 + H+ + Cl NaCl + H2O + CO2

Durch die Alkalisierung des Speisebreis ist die Voraussetzung für eine optimale katalytische Aktivität der Pankreasenzyme (pH 8) gegeben.

Merke

Eine Endopeptidase katalysiert die Spaltung von Peptidbindungen mitten in einem Peptid oder Protein. Produkte der Endopeptidasen sind Poly- oder Oligopeptide.

Eine Exopeptidase katalysiert die Abspaltung einzelner terminaler Aminosäuren, z. B. am C-Terminus des Peptids oder Proteins. Produkte der Exopeptidasen sind einzelne Aminosäuren.

Regulation der Sekretion

Die Freisetzung der pankreatischen Enzyme aus den Azinuszellen wird durch Sekretagogene stimuliert. Als solche wirken (Abb. 17.5):

  • Acetylcholin aus parasympathischen, cholinergen Nervenendigungen: wirkt über m-Cholinozeptoren. Wie im Magen wird durch Aktivierung der Phospholipase Cb intrazellulär Calcium freigesetzt (oben).

  • Cholecystokinin Pankreozymin (CCK-PZ), ein Peptid aus 33 Aminosäuren, das in den E-Zellen der Schleimhaut des Duodenums und Jejunums gebildet wird: Die CCK-PZ-Freisetzung wird durch freie Fettsäuren, Aminosäuren und Peptide im Lumen des Duodenums stimuliert. Die Signaltransduktion erfolgt über den CCK-PZ-Rezeptor, wodurch ebenfalls eine Freisetzung intrazellulären Calciums ausgelöst wird.

Die Freisetzung von H2O und HCO3 aus den Pankreasgangzellen wird stimuliert durch:

  • Sekretin, ein Peptid aus 27 Aminosäuren, das in den enteroendokrinen Zellen im Duodenum und Jejunum gebildet wird.

  • vasoaktives intestinales Peptid (VIP), ein dem Sekretin strukturverwandtes Peptid aus 28 Aminosäuren, das aus den Neuronen des gastrointestinalen Nervensystems stammt.

Sekretin gehört zu den Hormonen, während VIP den Neurotransmittern zugerechnet wird. Beide entfalten ihre Wirkung über das Adenylatzyklasesystem. Sie wirken in geringerem Maß als Acetylcholin und Cholecystokinin auch auf die Enzymsekretion der Azinuszellen.

Merke

Nach Stimulation der Bauchspeicheldrüse durch Sekretin ändert sich die Zusammensetzung bzw. das Zeitvolumen (sezernierte Menge/min) des Pankreassafts folgendermaßen:

  • Die HCO3-Konzentration steigt auf Werte über 60 mmol/l.

  • Die Cl-Konzentration sinkt unter die HCO3-Konzentration.

  • Die H+-Konzentration sinkt.

  • Das Zeitvolumen steigt.

Bei steigender Bauchspeichel-Sekretionsrate sinkt die Cl-Konzentration des Pankreassafts weit unter die des Blutplasmas.

Dünndarmsekret
Bildung
Es werden pro Tag etwa 1.000–2.000 ml Dünndarmsekret gebildet. Der überwiegende Bildungsort sind die Brunner-Drüsen des Duodenums.
Zusammensetzung
Bei den Enzymen im Dünndarmsekret ist nicht gesichert, ob es sich tatsächlich um sezernierte oder lediglich um aus abgeschilferten Mukosazellen freigesetzte Enzyme handelt. Lediglich die Enteropeptidase, die für die Aktivierung von Trypsinogen zu Trypsin erforderlich ist, wird sicher sezerniert. Die übrigen Enzyme kommen vor allem im Bürstensaum der Mukosazellen vor.
Des Weiteren enthält das Duodenalsekret Albumin, das im Darmlumen proteolytisch abgebaut wird. Auf diese Weise werden etwa 20 % des gesamten Plasmaalbumins in Aminosäuren zerlegt und über den enterohepatischen Kreislauf der Aminosäuren (16.3.3) der Leber wieder zugeführt.
Regulation der Sekretion
Über die Regulation der eventuellen Sekretionsvorgänge im Dünndarm gibt es keine gesicherten Erkenntnisse.
Gallensekret (16.3)

Kohlenhydrate

Verdauung

Die Verdauung der Polysaccharide Stärke (Amylose und Amylopectin) und Glykogen erfolgt durch enzymatische Hydrolyse mithilfe der -Amylase des Speichels und des Pankreassafts. Hierdurch können die -1,4-glykosidischen Bindungen gespalten werden. Endprodukte sind Maltose, Isomaltose, Maltotriose und Dextrine (Oligosaccharide mit 410 Glucosylresten).

Die -1,6-glykosidischen Bindungen der Verzweigungsstellen der verbleibenden Oligosaccharide werden mithilfe der Amylo--1,6-Glucosidase (Debranching-Enzym) gespalten. Die übrigen Disaccharide werden durch die entsprechenden Disaccharidasen zu ihren Monosacchariden hydrolysiert:

  • Maltase (-1,4-Glucosidase) spaltet Maltose in zwei Moleküle Glucose.

  • Isomaltase (-1,6-Glucosidase) spaltet Isomaltose in zwei Glucosemoleküle.

  • Lactase (-Galaktosidase) spaltet Lactose in Glucose und Galaktose.

  • Saccharase (-Fructosidase) spaltet Saccharose in Glucose und Fructose.

Alle Glucosidasen und Disaccharidasen des Dünndarms befinden sich im Bürstensaum der Mukosazellen in unmittelbarer Nachbarschaft zu den Transportsystemen für die Resorption der Monosaccharide.

Klinik

Kohlenhydrate können nur als Monosaccharide resorbiert werden. Ein Mangel an Disaccharidasen führt daher zu einer Malabsorption der betroffenen Disaccharide. Diese gelangen daraufhin in tiefere Darmabschnitte, wo sie zum einen eine osmotische Diarrhö und zum anderen durch bakterielle Zersetzung Meteorismus (vermehrte Ansammlung von Darmgas) hervorrufen. Wichtige Erkrankungen, die mit einem Disaccharidasemangel einhergehen, sind:

  • Lactoseintoleranz: Bei bis zu 15 % der Bevölkerung entwickelt sich im Laufe des Lebens eine Lactoseintoleranz. Der Konsum von Milchprodukten führt dann zu Meteorismus und Durchfällen. Die Erkrankung wird durch einen Lactosebelastungstest diagnostiziert, der durch fehlenden Blutzuckeranstieg und die oben genannten klinischen Symptome gekennzeichnet ist.

  • einheimische Sprue (Zöliakie): genereller Disaccharidasemangel durch Zottenatrophie im Duodenum.

  • chronisch entzündliche Darmerkrankungen wie Morbus Crohn und Morbus Whipple.

Resorption
Verdauung:Kohlenhydrate
D-Glucose
Glucose wird in einem Carrier-vermittelten sekundär-aktiven Na+-Symport aus dem Darmlumen in den Enterozyten transportiert. Die Voraussetzung für den Glucosetransport wird durch die serosaseitige Na+-K+-ATPase geschaffen, die unter ATP-Verbrauch Na+ im Austausch gegen K+ aus der Zelle pumpt. Durch die niedrige intrazelluläre Na+-Konzentration und die negative intrazelluläre Ladung kommt es zu einem elektrochemischen Na+-Gradienten zwischen Intrazellularraum und Darmlumen. Diesem Gradienten folgend strömt Na+ aus dem Lumen in die Mukosazelle ein. Es bindet hierzu an einen Carrier, und zwar unter Ausbildung eines Komplexes mit Carrier und Glucose (Abb. 17.6). Auf diese Weise wird die Glucose vom Natrium-Carrier mit in die Zelle genommen.
Die Weiterbeförderung der Glucose aus dem Enterozyten in das serosaseitige Interstitium erfolgt durch erleichterte Diffusion mithilfe des Glucosetransporters GLUT1 (Abb. 17.6).

Klinik

Akute Durchfallerkrankungen (infektiöse Gastroenteritiden durch pathogene E. coli, Rotaviren, Norwalkviren und andere Erreger) können vor allem wegen des Wasser- und Elektrolytverlusts einen gefährlichen Verlauf nehmen. Die wichtigste therapeutische Maßnahme ist daher die Substitution von Flüssigkeit und Elektrolyten, vor allem NaCl. Dies geschieht durch Gabe einer oralen Rehydrierungslösung. Diese sollte neben Wasser und NaCl immer auch Glucose enthalten, da die Natriumresorption über den Natrium-Glucose-Symport durch Glucose entscheidend verbessert wird.

Proteine

Verdauung

Die Proteinverdauung beginnt im Magen auf zweierlei Weise:

  • Denaturierung der Proteine durch HCl

  • Proteolyse durch die Endopeptidase Pepsin

Pepsin ist wie alle Proteasen ein wenig spezifisches Enzym. Es spaltet die Peptidbindungen innerhalb eines Proteinmoleküls an mehreren Stellen. Bevorzugt werden Peptidbindungen neben den Aminosäuren Phenylalanin, Tyrosin und Leucin gespalten. Die entstehenden wasserlöslichen Peptide gelangen ins Duodenum, wo die weitere hydrolytische Spaltung von den Pankreaspeptidasen und den duodenalen Peptidasen fortgesetzt wird. Die einzelnen Peptidasen und ihre bevorzugten Angriffspunkte sind in Tab. 17.9 dargestellt.

Alle Peptidasen werden als inaktive Proenzyme sezerniert, um eine Selbstandauung der sekretorischen Drüsen zu verhindern. Die Aktivierung erfolgt durch limitierte Proteolyse. Das Proenzym Trypsinogen wird durch die Enteropeptidase im Duodenum zu Trypsin aktiviert. Trypsin katalysiert dann die limitierte Proteolyse aller anderen Peptidasen.

Klinik

Trypsin kommt physiologischerweise auch in Geweben außerhalb des Intestinums vor, z. B. in der Lunge. Es hat dort die Aufgabe, eingedrungenes Fremdeiweiß abzubauen. Die Aktivität des Trypsins wird hierbei durch körpereigenes Antitrypsin in Schranken gehalten, sodass eine Selbstandauung körpereigener Gewebe verhindert wird. Liegt ein hereditärer Antitrypsinmangel vor, kommt es zu einer progredienten Zerstörung vor allem des Lungengewebes. Die Erkrankung führt zur Ausbildung eines ausgeprägten Lungenemphysems und einer progredienten respiratorischen Insuffizienz.

Resorption
Verdauung:Proteine

Einzelne Aminosäuren werden vergleichbar der Glucose durch einen sekundär-aktiven Na+-Symport gegen ein Konzentrationsgefälle über gruppenspezifische Carrier in den Enterozyten aufgenommen. Bisher konnten spezifische Carrier-Proteine für die Aufnahme von basischen und neutralen Aminosäuren identifiziert werden.

Da die Verweildauer der Nahrung im Darm zu kurz ist, um eine vollständige Zerlegung von Proteinen und Peptiden in einzelne Aminosäuren zu gewährleisten, geht man heute davon aus, dass auch Di-, Tri- und Tetrapeptide, die bei der Spaltung von Proteinen und Polypeptiden durch die Endopeptidasen entstehen, resorbiert werden können. Der wahrscheinlichste Transportmechanismus ist die Aufnahme über einen Protonen-Symport. Der Protonengradient zwischen Lumen und Intrazellularraum des Enterozyten wird über einen Na+-H+-Austauscher aufrechterhalten. Dieser wird durch den elektrochemischen Gradienten für Na+ angetrieben, der durch die serosaseitige Na+-K+-ATPase geschaffen wird (Abb. 17.7). Hauptresorptionsorte für Aminosäuren und Peptide sind das untere Duodenum und das obere Jejunum.

Nach der Aufnahme in den Enterozyten werden die Di-, Tri- und Tetrapeptide durch zytoplasmatische Peptidasen in Aminosäuren zerlegt. Die Aminosäuren können dann über Aminosäure-Uniports an das Pfortaderblut abgegeben werden (Abb. 17.7).

Merke

Glucose und Aminosäuren werden über einen Na+-Symport resorbiert. Di-, Tri- und Tetrapeptide werden über einen H+-Symport in den Enterozyten aufgenommen. Die Energie für beide Transportsysteme entstammt letztendlich der ATP-Spaltung der Na+-K+-ATPase.

Lipide

Die Enterozyten sind nicht in der Lage, komplette, mit der Nahrung aufgenommene Triacylglycerine, Phospholipide und Cholesterinester zu resorbieren. Diese Fette müssen zunächst in resorbierbare Bestandteile zerlegt werden.

Triacylglycerine (TAG)
Verdauung
Verdauung:LipideDie Verdauung der TAG beginnt bereits im Magen. Die Magenlipase hat jedoch für den Erwachsenen nur eine geringe Bedeutung, da sie hauptsächlich TAG aus kurzkettigen Fettsäuren spaltet, wie sie in der Muttermilch vorkommen. Beim Säugling spielt die Fettverdauung im Magen also eine wichtige Rolle.
Die Magenlipasen spalten TAG zu -Monoacylglycerin und zwei freien Fettsäuren. Sodann werden die apolaren Fette (TAG, Cholesterinester und die fettlöslichen Vitamine A, D, E, K) von amphiphilen Lipidmolekülen (Fettsäuren, Phospholipide, Cholesterin, Monoacylglycerin) emulgiert, indem letztere eine Monolayerschicht um die apolaren Moleküle bilden. Der polare Molekülteil zeigt dabei nach außen, der apolare nach innen. Die emulgierten, nach außen polaren Fetttröpfchen gelangen aus dem Magen ins Duodenum.
Im Duodenum wird der Nahrungsbrei mit den pankreatischen Lipasen durchmischt. Durch diese Enzyme werden die restlichen TAG, die überwiegend aus langkettigen Fettsäuren aufgebaut sind, in zwei freie Fettsäuren und -Monoacylglycerin gespalten. In geringem Umfang entstehen auch Glycerin und Diacylglycerine.
Ein kleiner Teil der -Monoacylglycerine wird von einer Isomerase in -Monoacylglycerin umgewandelt.
Resorption
Monoacylglycerine und freie Fettsäuren bilden zusammen mit konjugierten Gallensäuren sog. gemischte Mizellen. Die wichtigste Gallensäure im Darm ist die Taurocholsäure. Im Inneren gemischter Mizellen können auch apolare Substanzen, wie z. B. die fettlöslichen Vitamine, eingelagert werden.
Die gemischten Mizellen treten in Kontakt zum Bürstensaum der Mukosazelle und zerfallen dort. Freie Fettsäuren, Monoacylglycerine und konjugierte Gallensäuren gelangen per freier Diffusion in den Enterozyten. Bisher konnte jedenfalls kein spezifischer Transportmechanismus identifiziert werden.

Merke

Von den TAG werden resorbiert:

  • 72 % als -Monoacylglycerin und zwei freie Fettsäuren

  • 5 % als -Monoacylglycerin und zwei freie Fettsäuren

  • 22 % als Glycerin und drei freie Fettsäuren

Im Enterozyten werden die verschiedenen resorbierten Moleküle weiterverarbeitet:
  • Die Gallensäuren werden direkt ans Pfortaderblut abgegeben und gelangen über den enterohepatischen Kreislauf zurück zur Leber. Dort können sie von den Hepatozyten erneut in die Galle sezerniert werden und stehen für die Verdauung der nächsten lipidhaltigen Nahrung zur Verfügung.

  • Alle freien Fettsäuren mit einer C-Atom-Zahl < 12 passieren den Enterozyten und gelangen per Diffusion ins Pfortaderblut, wo sie an Albumin gebunden transportiert werden.

  • Alle freien Fettsäuren (FFA) mit einer C-Atom-Zahl > 12 werden aktiviert und mit Monoacylglycerin verestert, sodass wieder TAG entstehen: Die Aktivierung erfolgt nach folgender Reaktion:FFA + ATP Acyl-AMP + PPiAcyl-AMP + HS-CoA Acyl-S-CoA + AMP.Für die Gesamt-Reaktion ergibt sich:FFA + ATP + HS-CoA Acyl-S-CoA + AMP + PPi.Das katalysierende Enzym ist die Acyl-CoA-Transferase, die im ersten Schritt das gemischte Säureanhydrid Acyl-AMP (Wasserabspaltung zwischen Carboxylgruppe und Phosphorsäure) und im zweiten Schritt den Thioether Acyl-S-CoA bildet. Das Pyrophosphat (PPi) wird in einer unidirektionalen (exergonen) Reaktion durch eine Pyrophosphatase in zwei anorganische Phosphorsäuremoleküle gespalten. Die frei werdende Energie geht in die Gesamtreaktion ein (Pyrophosphat-Drive). Im glatten endoplasmatischen Retikulum der Mukosazelle werden die aktivierten langkettigen Fettsäuren mit Monoacylglycerin zu TAG reverestert. Sie werden mit resynthetisierten Cholesterinestern und Phospholipiden (unten) durch das Triglycerid-Transferprotein vom ER zum Golgi-Apparat transportiert. Dort assoziieren sie mit dem amphiphilen Apolipoprotein B-48 unter Ausbildung eines umgebenden Phospholipidmonolayers zu sog. Chylomikronen (4.10.1). Dies sind große, TAG-reiche Lipoproteine, die von der Mukosazelle in die Lymphbahn sezerniert werden. Von hier aus gelangen sie über den Ductus thoracicus ins Blut.

Merke

Für freie Fettsäuren mit weniger als 12 C-Atomen (kurz- und mittelkettige Fettsäuren) besitzt der Enterozyt keine Acyl-CoA-Transferase. Sie werden daher nicht wieder mit Monoacylglycerinen zu TAG verestert, sondern diffundieren direkt in die Blutbahn.

Klinik

Ein Mangel an Gallensäuren im Darmlumen führt zu Resorptionsstörungen der Lipide und der fettlöslichen Vitamine. Die wichtigste Ursache ist die Cholestase (verminderter Gallefluss). Diese kann z. B. durch Gallensteine oder durch einen tumorös bedingten Verschluss des Ductus choledochus verursacht sein.

Phospholipide
Verdauung
Die Phospholipide werden von Pankreasenzymen in ihre Bestandteile gespalten:
  • Eine Phospholipase A spaltet die gesättigte Fettsäure an der C-1-Position vom Glycerin ab.

  • Eine Phospholipase B spaltet die ungesättigte Fettsäure an der C-2-Position ab.

  • Eine Phosphodiesterase spaltet zwischen Phosphorsäure und Serin, Cholin, Ethanolamin oder Inositol.

  • Eine Phosphatase spaltet zwischen Phosphorsäure und Glycerin.

Merke

Die Pankreasphospholipase A entspricht der intrazellulären Phospholipase A1, die Pankreasphospholipase B entspricht der intrazellulären Phospholipase A2.

Lerntipp

Die Pankreasphospholipase A hat 1A Qualität.

Resorption
Die Fettsäuren werden wie oben beschrieben nach Mizellenbildung resorbiert. Glycerin gelangt als nicht osmotisch wirksame Substanz wie Wasser per Diffusion in den Enterozyten, während die restlichen Bestandteile über entsprechende Carrier dorthin transportiert werden. Im Enterozyten werden die Einzelbestandteile zu Phospholipiden resynthetisiert.
Cholesterinester
Verdauung
Cholesterin kommt in der Nahrung überwiegend als Cholesterinester (Verbindung aus Cholesterin und freier Fettsäure) vor. Diese werden nicht durch die TAG-spezifische Pankreaslipase, sondern durch die -Monoacylglycerin-Lipase der intestinalen Mukosa in Cholesterin und freie Fettsäure gespalten.
Resorption
Cholesterin und freie Fettsäuren werden beide an der Mizellenbildung, wie oben beschrieben, beteiligt und gelangen aus den Mizellen per Diffusion in die Mukosazelle. Im Zytosol wird Cholesterin reverestert und in Chylomikronen eingebaut.

Merke

Cholesterin kann nur in freier, unveresterter Form und bei Anwesenheit von Gallensäuren resorbiert werden.

Klinik

Eine Pankreasinsuffizienz führt wegen der verminderten Sekretion der Verdauungsenzyme zu einem Maldigestionssyndrom. Die Folgen sind eine mangelhafte Versorgung mit Nährstoffen und eine Steatorrhö (Fettstühle). Als Ursachen kommen eine chronische Pankreatitis, eine zystische Fibrose (Mukoviszidose) oder ein chronischer Verschluss des Pankreasgangs (z. B. durch ein Karzinom) in Betracht.

Beim Morbus Whipple besteht eine Schädigung der Mukosa (intestinale Lipodystrophie), die infektiös bedingt ist und bevorzugt bei Männern auftritt. Als Folge kommt es zur Fettverdauungsstörung mit Steatorrhö (oben) und Malabsorptionssyndrom (mangelhafte Aufnahme der Nahrungsbestandteile durch die Mukosazellen).

Vitamine

Die fettlöslichen Vitamine Retinol (Vitamin A), Cholecalciferol (Vitamin D), Tocopherol (Vitamin E) und Phyllochinon (Vitamin K) können nur in Anwesenheit eines physiologischen Emulgators (z. B. Gallensäuren) aus dem Darm resorbiert werden.
Die wasserlöslichen Vitamine Thiamin (Vitamin B1), Riboflavin (Vitamin B2), Biotin (Vitamin H) und Ascorbinsäure (Vitamin C) werden im Na+-Symport resorbiert. Cobalamin (Vitamin B12) kann nur zusammen mit dem in den Belegzellen des Magens gebildeten Intrinsic-Faktor resorbiert werden.
Die Darmflora sorgt mit für die ausreichende Vitaminversorgung des menschlichen Organismus. Cobalamin, Phyllochinon, Biotin, Folsäure und Nikotinsäure werden in relevanter Menge von den Darmbakterien gebildet.

Wasser, Elektrolyte, Ballaststoffe

Wasser

Täglich WasserElektrolyteBallaststoffegelangen mit den Verdauungssekreten etwa 7–10 l Wasser in den Gastrointestinaltrakt:
  • 1–1,5 l Speichel

  • 2,5–3 l Magensaft

  • 1–2 l Pankreassaft

  • 0,5 l Galle

  • 1–2 l Duodenalsekret

Zudem werden dem Magen-Darm-Trakt mit der Nahrung täglich 1,5–3 l Wasser zugeführt. Im Magen und Duodenum wird Wasser nicht resorbiert. Bei einer osmotischen Hypertonie des Speisebreis diffundiert Wasser sogar in größeren Mengen ins Lumen, bis der Speisebrei dem Plasma isoton ist. Ein hypotoner Mageninhalt führt zur Sekretion von NaCl, um die Isotonie mit dem Plasma herzustellen.
Die Wasserresorption bzw. Rückresorption findet überwiegend im Jejunum und Ileum statt. Bis zum terminalen Ileum sind bereits mehr als 80 % des in den Verdauungstrakt gelangten Wassers aufgenommen. Das entspricht einer Gesamtmenge von bis zu 12 l/Tag. Im Dickdarm werden nochmals 18 % des insgesamt zugeführten und sezernierten Wassers resorbiert, sodass nur etwa 1–2 % der ins Lumen des Magen-Darm-Trakts gelangenden Flüssigkeit im Stuhl erscheint, also etwa 150–200 ml/Tag.
Die Resorption von Wasser aus dem Darmlumen erfolgt überwiegend passiv aufgrund osmotischer Gradienten. Die treibende Kraft hierfür bilden die Natrium- und die Bicarbonatresorption (unten).

Elektrolyte, Mineralstoffe, Spurenelemente

Natrium, Chlorid und Bicarbonat
Natrium wird im oberen Dünndarm auf zweierlei Weise resorbiert:
  • parazellulär: Na+ und Cl werden durch den osmotisch bedingten Wasserstrom durch Poren zwischen den Epithelzellen mitgerissen und gelangen so direkt ins Interstitium. Diesen Transportmechanismus nennt man Konvektion oder Solvent drag. Auf diese Weise werden etwa 85 % des Na+ resorbiert.

  • transzellulär (15 % der Na+-Resorption): Na+ wird zunächst in die Epithelzelle aufgenommen und gelangt von dort mithilfe der Na+-K+-ATPase ins Interstitium. Zwei Transportmechanismen stehen zur Verfügung:

    • sekundär-aktiver Transport über Na+-Symports: Na+ wird zusammen mit verschiedenen anderen Substraten (z. B. Glucose, Aminosäuren) resorbiert. Die Energie für den Symport entstammt der ATP-Spaltung durch die serosaseitige Na+-K+-ATPase (Abb. 17.7). Diese hält den intrazellulären Natriumgehalt niedrig und baut so zwischen Zytosol und Darmlumen einen elektrochemischen Gradienten für Na+ auf, der wiederum die treibende Kraft für die Symports darstellt (Abb. 17.8).

    • Na+-H+-Austauschsystem: Die Aufnahme von Na+ erfolgt im Austausch gegen H+. Dieser Austausch ist mit dem gleichzeitigen Austausch von Cl gegen HCO3 verbunden. H+ und HCO3 werden mithilfe der Carboanhydrase aus CO2 und H2O gebildet und verbinden sich nach der Sekretion ins Darmlumen im Austausch gegen NaCl wieder zu H2O und CO2. CO2 diffundiert in die Zelle zurück und steht für einen neuen Zyklus zur Verfügung (Abb. 17.8).

Im Kolon werden die unverdaulichen Reste der Nahrung bakteriell zersetzt und für die Ausscheidung vorbereitet. Neben den Nährstoffen ist auch bereits ein Großteil des Wassers und der Elektrolyte resorbiert. Der entstehende Kot ist osmotisch hyperton. Aus diesem Grunde wären die Resorptionsmechanismen des Dünndarms wirkungslos. Im Kolon sind daher die Epithelzellen durch für Wasser und Elektroyte impermeable Schlussleisten (Tight junctions) verbunden. Für die Resorption des restlichen Wassers und der restlichen Salze besteht im Kolon ein von Monosacchariden, Aminosäuren und Bicarbonat unabhängiger aktiver Transportmechanismus für Na+, der Na+ auch gegen hohe elektrochemische und osmotische Gradienten vom Lumen nach intrazellulär verschieben und dabei Wasser mitnehmen kann. Die molekularen Mechanismen dieses Transportsystems sind nicht vollständig geklärt. Sie stehen unter Kontrolle des Mineralocorticoids Aldosteron. Dieses Hormon der Nebennierenrinde stimuliert die Na+- und Wasserresorption.
Kalium
Die K+-Resorption im Dünndarm erfolgt passiv aufgrund der Konzentrationsdifferenz zwischen Lumen und Zytosol. Im Kolon wird Kalium sezerniert.
Calcium, Phosphat
12.2.2.
Eisen
12.3.

Klinik

Eine gestörte Wasser- und Elektrolytresorption des Darms führt zur Diarrhö. Wichtige pathobiochemische Mechanismen sind:

  • verminderte Wasserresorption durch gesteigerten Gehalt an nichtresorbierbaren osmotisch aktiven

  • Teilchen im Darmlumen, z. B. Disaccharide bei Disaccharidasemangel

  • verminderte Wasserresorption durch verminderte Na+-Resorption, z. B. aufgrund einer Hemmung des Na+-H+-Austauschsystems durch bakterielle Toxine (Choleratoxin, Enterotoxin pathogener E. coli)

  • gesteigerte Wassersekretion durch Aktivierung der Adenylatzyklase, z. B. durch Choleratoxin

Isolierte Störungen im Dünndarm führen nur zur Diarrhö, wenn so viel Wasser und Na+ in den Dickdarm gelangen, dass die Resorptionskapazität von etwa 5 l/Tag überschritten wird.

Ballaststoffe

Ballaststoffe sind pflanzliche Nahrungsbestandteile, die vom menschlichen Verdauungssystem nicht gespalten und resorbiert werden können, weil die Enzymausstattung hierfür fehlt. Wichtige Ballaststoffe sind:
  • Cellulose: Polysaccharid aus -1,4-glykosidisch verbundenen D-Glucose-Molekülen. Die -glykosidischen Bindungen können von den -Glucosidasen (-Amylase etc.) des menschlichen Darms nicht gespalten werden.

  • Hemicellulose: Sammelbezeichnung für Polysaccharide, die aus verschiedenen Hexosen (Glucose, Mannose, Galaktose) und/oder Pentosen (Arabinose, Xylose) aufgebaut sind. Auch hier findet man überwiegend -glykosidische Verbindungen, die das menschliche Verdauungsenzymsystem nicht spalten kann.

  • Pectin besteht in der Hauptstruktur vorwiegend aus -(1,4)-verknüpfter D-Galakturonsäure (Homogalakturonan) sowie verzweigten Bereichen, deren Rückgrat alternierend aus -(1,4)-verknüpfter D-Galakturonsäure und -(1,2)-verknüpfter L-Rhamnose aufgebaut ist (Rhamnogalakturonan). Die Hauptbausteine der Seitenketten sind Arabinose und Galaktose, die unterschiedlich verknüpft sind. Im Pectin werden in kleineren Mengen auch andere Monosaccharide wie Apiose, L-Acerinsäure, 2-Keto-3-desoxyoctonsäure, 3-Desoxy-D-lyxo-2-Heptulonsäure sowie methylierte Pentosen gefunden. Die Bausteine von Pectin können an verschiedenen Stellen mit Methanol oder Essigsäure verestert sein.

  • Lignin ist ein fester, farbloser Stoff, der in die pflanzliche Zellwand eingelagert wird und dadurch die Verholzung der Zelle bewirkt (Lignifizierung). Lignin besteht hauptsächlich aus Coniferylalkohol. Die Bestandteile vernetzen sich in vielfältiger Form miteinander (Ether- und C-C-Bindungen). Die exakte chemische Struktur ist aufgrund der Komplexität von Lignin nicht bekannt.

Ballaststoffe machen einen wichtigen Bestandteil der Nahrung aus, da sie die Funktion des Darms unterstützen. Sie binden Wasser und machen einen beträchtlichen Teil des Stuhlvolumens aus. Sie gewährleisten durch ihr Volumen und ihre Konsistenz den Dehnungsreiz des Kolons, der für Peristaltik und Defäkation unerlässlich ist.
Es wird eine Zufuhr von 30 g Ballaststoffen pro Tag empfohlen. Ein Teil der Ballaststoffe wird von Darmbakterien zersetzt. Der größte Teil wird jedoch unverändert mit dem Stuhl ausgeschieden.

Endokrine Funktionen

Im Darm werden Verdauung:Endokrine Funktionenviele Gewebshormone synthetisiert, die für die Verdauung erforderlich sind (17.2.1 und 13.4).

Resorptionsstörungen

Die Resorption Resorptionsstörungender Nährstoffe, Vitamine, Spurenelemente, Elektrolyte und des Wassers ist für die Versorgung des menschlichen Organismus mit lebenswichtigen Substanzen essenziell. Sie kann durch unterschiedliche Erkrankungen und Defekte gestört werden. Man unterscheidet dabei zwischen Malabsorption und Maldigestion.

Malabsorption

Von einer Resorptionsstörungen:MalabsorptionMalabsorption wird immer dann gesprochen, wenn die Nahrung zwar enzymatisch aufgeschlossen wird, aber die Absorptionsleistung der Mukosazellen vermindert ist. Als Ursache kommen in Betracht:
  • genetische Defekte der Carrier-Proteine: Dadurch kommt es zu Transportdefekten im Darm und im renalen Tubulus. Solche Transportdefekte sind bekannt für die Aminosäuren Leucin, Isoleucin, Valin, Alanin, Serin, Threonin, Asparaginsäure, Glutaminsäure, Phenylalanin, Tyrosin, Cystein und Tryptophan. Die Hartnup-Krankheit ist eine autosomal-rezessiv erbliche Störung der Tryptophanresorption. Das Tryptophan wird im Darm von Bakterien zu toxischem resorbierbarem Indikan und zu Indolderivaten abgebaut. Letztere können im Urin nachgewiesen werden und sind für die Diagnose pathognomonisch. Die mangelnde Tryptophanresorption im Darm und im Tubulus führt zur Verminderung der Nikotinamidsynthese. Die Folge sind pellagraähnliche Hauterscheinungen, eine psychomotorische Retardierung und eine zerebellare Ataxie.

  • Atrophie der Darmzotten, z. B. als Folge einer Sprue: Man unterscheidet zwischen tropischer und einheimischer Sprue. Die Ätiologie der tropischen Form ist nicht bekannt. Die einheimische Sprue, auch Zöliakie genannt, wird durch eine allergische Reaktion gegen das Getreideeiweiß Gluten bzw. dessen Abbauprodukt Gliadin (Oligopeptidbruchstücke von Gluten aus 67 Aminosäuren) ausgelöst. Die Zöliakie kann durch eine Dünndarmbiopsie oder durch den Nachweis von Gliadin- und Endomysium-Antikörpern diagnostiziert werden.

  • Atrophie und fehlende Absorptionsleistung der Mukosa bei entzündlichen Darmerkrankungen (Morbus Crohn, Morbus Whipple)

  • Kurzdarmsyndrom nach operativer Resektion des Dünndarms

  • unzureichende Sekretion von Gallensäuren: Die Nahrungsfette können bei fehlender Mizellenbildung nicht emulgiert werden. Dies kommt bei Abflussstörungen der Galle vor, z. B. bei einem Gallengangsverschluss durch einen Gallenstein (chologene Malabsorption).

Maldigestion

Bei einer Resorptionsstörungen:MaldigestionMaldigestion könnten zwar die Mukosazellen enzymatisch zerlegte Nährstoffe aufnehmen. Es fehlt jedoch an den Verdauungsenzymen für die Aufspaltung der Nahrung vor der Resorption. Wichtige Ursachen sind:
  • unzureichende Sekretion von Verdauungsenzymen: Die Nahrungsbestandteile können nicht aufgeschlossen werden. Dies ist vor allem bei Erkrankungen des Pankreas der Fall, z. B. bei bzw. nach akuter oder chronischer Pankreatitis (pankreatogene Maldigestion).

  • isolierter Enzymmangel: Das Fehlen eines einzelnen Enzyms führt zur Maldigestion des betroffenen Substrats. Wichtige Beispiele sind:

    • Lactasemangel: Lactoseunverträglichkeit

    • sonstiger Disaccharidasemangel: Unverträglichkeit des betroffenen Disaccharids.

  • Syndrom der blinden Schlinge: fehlender Kontakt zwischen Nährstoffen und Enzymen, fehlende Durchmischung des Verdauungsbreis, bakterielle Überwucherung, z. B. als Komplikation einer operativen Magenresektion.

  • Dumping-Syndrom: Durch die postprandiale Hyperosmolarität im Darmlumen kommt es zu einem ausgeprägten Wassereinstrom in den Darm. Hierdurch wird die Darmpassage derart beschleunigt, dass die Kontaktzeit zwischen Nahrung und Enzymen zu kurz für eine effektive Verdauung ist.

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