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B978-3-437-41918-8.00014-2

10.1016/B978-3-437-41918-8.00014-2

978-3-437-41918-8

 Ruheenergieverbrauch der Organe

Tab. 14.3
Anteil am Körpergewicht (%) Anteil am Verbrauch (%)
Muskeln 33 43 20 25
Gehirn 2,5 2 26 22
Herz 0,5 0,5 10 10
Leber 2,5 2 22 20
Fett 37 20 8 4

 Tight Junctions im Darm

Tab. 14.5
Jejunum Ileum Kolon
Durchmesser 0,8 nm 0,3 nm 0,2 nm
Durchlässigkeit hoch mittel niedrig
Widerstand (Ω/cm2) 25 50 200

Ernährung und Verdauung

Kasuistik

Nachts wird Herr M. durch starke Schmerzen in der oberen Bauchregion und Schüttelfrost geweckt. Schon nach wenigen Minuten ist der Zustand so unerträglich, dass sich seine Frau entschließt, einen Krankenwagen zu rufen. Die Sanitäter stellen erhöhte Temperatur fest und bringen ihn ins Krankenhaus.

Patientendaten

  • Allgemeine Daten: Alter: 55 Jahre, Größe: 1,78 m, Gewicht: 110 kg, BMI: 35

  • Status bei stationärer Aufnahme: kolikartige Bauchschmerzen, Fieber

  • körperliche Untersuchung: Gallenblase bei Inspiration schmerzhaft palpabel (Murphy positiv)

  • Labor: Erhöhung von CRP und Leukozyten

  • Sonografie: entzündete Gallenblase

  • Anamnese: Etwa drei Stunden vor Beginn der Beschwerden hat Herr M. bei einem Fest eine opulente Mahlzeit zu sich genommen.

Aufgrund der Befunde wird am nächsten Tag eine endoskopisch-retrograde Cholangiografie (Kontrastmitteluntersuchung des Gallengangs) durchgeführt. Dabei wird ein Gallenstein entfernt, der sich direkt vor der Papilla Vateri festgesetzt hat. Nachdem sich Herrn M.s Zustand ein wenig stabilisiert hat, wird einige Tage später in einer laparoskopischen Operation die entzündete Gallenblase komplett entfernt.
Trotzdem leidet der Patient wenig später wieder unter stärksten Bauchschmerzen, die gürtelförmig in den Rücken ausstrahlen. Seine Temperatur erreicht Spitzen von 39 °C. Bei der Untersuchung stellt der Stationsarzt eine Druck- und Klopfschmerzempfindlichkeit sowie reflektorische Abwehrspannung in Ober- und Mittelbauch bei spärlicher Darmperistaltik fest. Im Blutbild sind inzwischen die Enzyme Pankreasamylase und -lipase um ein Vielfaches erhöht; die Entzündungsparameter C-reaktives Protein (CRP) und Leukozyten schlagen weiterhin Alarm. Die Computertomografie (CT) lässt Nekrosen in der Bauchspeicheldrüse erkennen (Abb. 14.A), wobei sich als weitere Komplikation Pankreaspseudozysten entwickelt haben. Dabei handelt es sich um sehr schmerzhafte Ergüsse von Blut und enzymhaltiger Flüssigkeit.

Diagnose

Diese Befunde lassen keinen Zweifel an der Diagnose: akute nekrotisierende Pankreatitis. Nun besteht für die Ärzte absoluter Handlungsbedarf, da es sich dabei um eine lebensgefährliche Erkrankung handelt. Durch peritoneale Reizung kann es zur Lähmung des Darms kommen (paralytischer Ileus). Bei einem Darmstillstand können sich Darmbakterien besser vermehren und Toxine freisetzen, was einen massiven Flüssigkeitseinstrom in das Lumen hervorrufen kann; der Darm kann auf diese Weise mehrere Liter Flüssigkeit aufnehmen. Dieser Flüssigkeitsverlust vermindert das zirkulierende Blutvolumen, schlimmstenfalls bis hin zum Volumenmangelschock. Darüber hinaus kann die Freisetzung aktivierter Enzyme in die Blutbahn verschiedene Organe angreifen und zu deren Versagen beitragen; es besteht vor allem die Gefahr einer akuten Niereninsuffizienz.

Therapie

Herr M. wird sofort auf die Intensivstation verlegt und dauerhaft überwacht. Drei Dinge stehen im Zentrum der Bemühungen: Schonung der Bauchspeicheldrüse, Bekämpfung der starken Schmerzen und Vermeidung weiterer Komplikationen. Daher wird mit einer vollständig parenteralen Ernährung (über den Blutweg) begonnen. Die Schmerztherapie umfasst die Gabe von Metamizol und Morphinderivaten. Antibiotika sollen eine bakterielle Entzündung verhindern oder bekämpfen. Wichtig ist ferner eine ausreichende Flüssigkeitsgabe, um einen hypovolämischen Schock zu verhindern. Dabei wird darauf geachtet, dass der Hämatokritwert des Blutes (normal 0,40–0,52) nicht unter 0,35 sinkt. Einige Tage später legt man bei dem Patienten eine Ernährungssonde ins Jejunum. Sie erlaubt, bei der Ernährung den Darm einzubeziehen, ohne das Pankreas zu aktivieren, da die Pankreasaktivität unter anderem von parasympathischen Dehnungsrezeptoren in der Magenwand (N. vagus) sowie über die Menge und Zusammensetzung des Speisebreis im Duodenum reguliert wird.
Um die wichtige endokrine Funktion des Pankreas müssen sich die Ärzte zunächst keine Sorgen machen: Der Inselapparat mit seinen Hormonen zur Blutzuckerregulierung ist eine eigenständige Einheit, dessen Funktion erst bei nahezu kompletter Zerstörung des Organs gefährdet wäre. Der Blutzuckerspiegel wird trotzdem engmaschig überwacht.

Pathophysiologie

Da der Gallenstein von Herrn M. direkt vor der Papilla Vateri lokalisiert war, hat er nicht nur den Gallen-, sondern auch den Pankreasgang verlegt. Der gestaute Bauchspeichel, der mit seinen zahlreichen Enzymen sowohl Proteine wie auch Kohlenhydrate, Lipide und Nukleinsäuren spalten kann, ist in diesem Fall eine gefährliche Mischung, denn die Verdauungsenzyme beginnen dann schon vorzeitig mit ihrer Arbeit und zersetzen das Pankreasgewebe. Vor der Sekretion halten der saure pH-Wert in den Vesikeln und spezielle Inhibitoren die Enzymaktivität unter Kontrolle. Einige Enzyme, vor allem die Proteasen, werden auch als inaktive Vorstufen sezerniert und erst im Duodenum durch Enteropeptidase und Trypsin aktiviert. Gelangen die Enzyme jedoch ins Lumen der Pankreasgänge, sind diese Schutzmechanismen nicht mehr wirkungsvoll. Staut sich der Verdauungssaft dann noch zurück und beginnt mit der Verdauung der Bauchspeicheldrüse, entwickelt sich eine akute Pankreatitis. Der Patient bemerkt den Untergang des Gewebes durch heftige Oberbauchschmerzen, Übelkeit und Erbrechen. Beschränkt sich die Symptomatik auf mäßige abdominelle Schmerzen, spricht man von einer leichten Pankreatitis, die höchstens mit einem Pankreasödem einhergeht und in der Regel mit geringen Schäden des Parenchyms ausheilt. Zeigen sich jedoch Nekrosen, Abzesse oder Pseudozysten am Pankreasgewebe, so handelt es sich um eine schwere Pankreatitis. Diese verläuft, je nachdem, ob es noch zu zusätzlichen Komplikationen an extrapankreatischen Geweben kommt, in 20–80 % der Fälle letal. Neben den Gallenwegserkrankungen (50–60 %) ist Alkoholmissbrauch (20–40 %) der zweite große Risikofaktor für die akute Pankreatitis. In ca. 25 % der Fälle bleibt die Ursache unklar.

Weiterer Verlauf und Ausblick

Es dauert noch drei Wochen, bis sich die Laborparameter wieder normalisieren und Herr M. den ersten Bissen essen kann. Da sich das Pankreasgewebe nach einer Entzündung teilweise regenerieren kann, bleiben die exokrine und die endokrine Funktion des Organs bei ihm ausreichend erhalten. Natürlich muss er sich noch weiter schonen; Alkoholkonsum oder eine erneute Abflussbehinderung des Pankreassaftes würden die Ausheilung verhindern oder sogar einen Rückfall verursachen. Herr M. wird aber wieder so leben können wie vor der Erkrankung. Er hat sich jedoch vorgenommen, durch gesündere Ernährung und Sport ein paar Pfunde an Gewicht zu verlieren.

Physiologie im Fokus

  • Pankreasenzyme werden erst im Dünndarm aktiv.

  • Verschieben von großen Flüssigkeitsmengen aus dem Interstitium ins Darmlumen kann zum Kreislaufkollaps führen.

  • Fettreiche Fehlernährung begünstigt die Bildung von Gallensteinen.

  • Die Pankreassekretion wird auch vom Duodenum aus gesteuert.

Aufgaben, Bauplan und Organ-Interaktionen

    • Mit unserer Nahrung müssen wir aufnehmen:

    • Wasser zur Deckung des ständigen Verlusts durch Verdunstung (Atmung, Schwitzen) und Urin

    • Makronährstoffe, also reduzierte Kohlenstoffverbindungen (Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße) zur Energiegewinnung durch Oxidation in den Mitochondrien und als Bausteine für Synthesen bei der Zunahme (Wachstum) und beim Erhalt (Homöostase) der Körpermasse

    • Mikronährstoffe, die nur in geringen Mengen benötigt werden, aber essenzielle Funktionen als Körperbestandteile (Mengenelemente: Salze), Cofaktoren von Enzymen (Spurenelemente und die meisten Vitamine) und Antioxidanzien (Vitamine C und E) haben

    • Ballaststoffe und sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe, die wesentlich für den Erhalt der Gesundheit sind (genaue Funktion oft unbekannt).

Im Verdauungs- oder Gastrointestinal(GI)-Trakt (Abb. 14.1) wird die Nahrung mechanisch zerkleinert (Mundhöhle, Magen), der Nahrungsbrei gespeichert, denaturiert und sterilisiert (Magen). Makromoleküle werden enzymatisch in resorbierbare Bestandteile zerlegt (Magen, Dünndarm) und zusammen mit Wasser und Salzen ins Blut aufgenommen (Dünn- und Dickdarm). Verdauung ist nötig, um die Bausteine entweder sofort zu verstoffwechseln oder daraus wieder körpereigene Makromoleküle aufzubauen; Nahrungsstoffe verlieren ihren antigenen Charakter. Die Wände des GI-Trakts sind mit Schichten aus glatter Muskulatur ausgestattet, die für die Durchmischung des Nahrungsbreis sorgen. Nur dadurch kommt er effizient in Kontakt mit den Enzymen bzw. dem resorbierenden Epithel. Die glatte Muskulatur ist ferner verantwortlich für seinen gerichteten Transport und für die Trennung einzelner Abschnitte (Ösophagus-Magen-Dünndarm-Dickdarm-Rektum) durch Sphinkteren voneinander (Abb. 14.1, rot).
Die Darmtätigkeit wird durch das enterische Nervensystem (ENS) gesteuert; das vegetative Nervensystem (VNS) kann dabei modulierend Einfluss nehmen. Die Rückmeldung über den jeweiligen Zustand (Füllung, Fortschritt der Verdauung, pH) erfolgt über eine Vielzahl von Hormonen, die über das Blut zwischen den einzelnen Abschnitten transportiert werden. Hormone regeln auch Hunger- und Sättigungsgefühl durch Interaktion mit dem ZNS (Kap. 14.4).
Pro Tag werden ca. 10 L Wasser mit der Nahrung, v. a. aber als Verdauungssäfte in den GI-Trakt aufgenommen bzw. sezerniert. Sie werden fast vollständig wieder resorbiert (überwiegend im distalen Dünn- und Dickdarm, Abb. 14.1).

Wege der Makronährstoffe

Die Wege der Makronährstoffe unterscheiden sich je nachdem, ob der Mensch nüchtern ist, sogar hungert, oder gerade gegessen hat (Abb. 14.2):
    • nüchtern (vor einer Mahlzeit): Aus den Glykogenspeichern der Leber wird Glucose und aus dem Fettgewebe werden freie Fettsäuren (FFS) und Glycerin freigesetzt. Protein ist kein eigentlicher Energiespeicher und wird nur im echten Hungerzustand abgebaut.

    • postprandial (nach einer Mahlzeit): Triglyceride, Glucose und Aminosäuren (AS) werden über den GI-Trakt aufgenommen und im Blut zum Bedarfsort oder zu den Speichern gebracht.

Nach Nahrungsaufnahme steigt mit dem Blutzucker der Insulinspiegel an und Glucagon sinkt (Abb. 17.15). Daher wird Glucose vermehrt in Leber, Muskulatur und Fettgewebe aufgenommen, wo sie osmotisch unwirksam als makromolekulares Glykogen gelagert bzw. nach Fettsäuresynthese als Triglyceride gespeichert wird.
AS werden zur Netto-Proteinsynthese verwendet, da Eiweiß über Sekrete, Haut und Stuhl verloren geht und ein großer Teil des Amino-Stickstoffs als Harnstoff ausgeschieden wird. AS werden auch in der Leber bzw. der Muskulatur trans- bzw. desaminiert; die Kohlenstoffgerüste werden entweder oxidiert oder können zu Glucose bzw. Glykogen umgewandelt werden (Gluconeogenese in Leber und auch Niere).
Im nüchternen oder im Hungerzustand werden die Speicher durch sinkende Insulin- und steigende Glucagonspiegel mobilisiert. Sind die Glykogenspeicher entleert, werden v. a. Fettdepots angegriffen. Das ZNS kann zwar nach Adaptation seinen Energiebedarf teilweise durch Oxidation von Ketonkörpern aus der Lipolyse decken. Es muss jedoch immer auch Glucose zur Verfügung gestellt werden, die durch Gluconeogenese aus AS (Abbau von Körperproteinen im Hunger) entsteht.

Klinik

Schwere Adipositas (Übergewicht) mit ihren Folgeerkrankungen Diabetes mellitus Typ 2 („Alters“-Diabetes), Bluthochdruck, erhöhte Blutfette und Atherosklerose (zusammen als „metabolisches Syndrom“ bezeichnet) entwickelt sich in allen hoch industrialisierten Ländern, aber auch in den Schwellenstaaten zu einem Gesundheitsproblem mit epidemischem Ausmaß. Folgeerkrankungen sind Herzinsuffizienz und eine erhöhte Inzidenz von Herzinfarkten, Schlaganfällen, Nierenversagen, Erblindung und Notwendigkeit von Amputationen als Folge der Atherosklerose.

Makronährstoffe

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate liefern in einer gesunden Mischkost den größten Anteil an Energie (Abb. 14.3) und werden v. a. als Speicherstärke pflanzlicher Samen und Früchte, als tierisches Glykogen (Muskel, Leber) und als Disaccharide (Saccharose, Laktose) aufgenommen. Fünf Stunden nach einer Mahlzeit sind 75 % der daraus hauptsächlich entstehenden Glucose (Traubenzucker) oxidiert und 25 % gespeichert. Die Glucosekonzentration im Blut wird wegen ihrer gefäßschädigenden Eigenschaften in engen Grenzen konstant gehalten (nüchtern: 90 mg/dL oder 5 mmol/L). Postprandial kann die Konzentration bis 140 mg/dL steigen; bei höheren Werten spricht man von Glucoseintoleranz bzw. ab 200 mg/dL von Diabetes mellitus (ab 125 mg/dL nüchtern). Ab 200 mg/dL wird die Glucose von der Niere nicht mehr vollständig resorbiert und erscheint im Urin (Kap. 11.6).
In vielen Geweben wird Glucose nur bis zu Laktat und Pyruvat abgebaut, die dann v. a. im Herzen vollständig oxidiert werden. Die im Körper (v. a. in der Muskulatur) als Glykogen gespeicherte Gesamtmenge an Glucose ist nur gering (Tab. 14.1).
Pflanzliche Zellwände bestehen aus Zellulose, aus der die β-1,4-glykosidisch verknüpfte Glucose nur von Bakterien im Kolon freigesetzt und genutzt werden kann (Stärke und Glykogen haben eine α-1,4- bzw. α-1,6-glykosidische Bindung).

Fette

Fette haben den höchsten Brennwert, da sie besonders viele vollständig reduzierte Kohlenstoffatome enthalten (Tab. 14.1). Sie kommen v. a. als von Tieren und Pflanzen gespeicherte Triglyceride vor, wobei flüssige Öle einen hohen Anteil ungesättigter FS enthalten (Doppelbindungen zwischen C-Atomen). Membranlipide spielen quantitativ keine Rolle. Aufgenommene Fette werden zum größten Teil gespeichert; nur ein kleiner Teil (25 %) wird sofort oxidiert. Körperfett ist auch bei schlanken Menschen der weitaus größte Energiespeicher.
Tierische Fette enthalten Cholesterin, ein wichtiges Membranlipid, das der menschliche Körper aber auch selbst synthetisieren kann.
Pflanzliche Fette enthalten ungesättigte FS, viele Öle auch mehrfach ungesättigte FS. Diese können vom Menschen nicht selbst synthetisiert werden, sind aber als Bestandteile von Membranen essenziell. Wichtige Bestandteile pflanzlicher Öle sind außerdem Phytosterole, die die Synthese von Cholesterin in der Leber hemmen und damit die Zusammensetzung der Blutfette optimieren. Fette sollten quantitativ nur maximal 30 % der Ernährung ausmachen. Ein gewisser Fettanteil in der Nahrung ist aber zur Aufnahme der fettlöslichen Vitamine nötig.

Eiweiß

Eiweiß nehmen wir v. a. als (Muskel-)Fleisch zu uns. Pflanzen sind eher eiweißarm; nur wenige nutzen Protein als Speicher (Hülsenfrüchte, v. a. Sojabohnen). Der physiologische Brennwert von Eiweiß ist niedriger als der physikalische (Tab. 14.1), da der Amino-Stickstoff in noch reduzierter Form (v. a. als Harnstoff) ausgeschieden wird. Eiweiß wird in seine AS gespalten, diese werden aufgenommen und stehen im Gleichgewicht mit dem AS-Pool und dem Körperprotein.
Natürlich enthält unser Körper zigtausend verschiedene Proteine als Produkte unserer Gene, die meisten davon aber nur in sehr geringer Menge. In der Muskulatur stecken 43 % des Körpereiweißes; jeweils 15 % befinden sich in der Haut und im Blut. Aktin, Myosin, Kollagen und Hämoglobin machen etwa die Hälfte des Körperproteins aus. Alle Körperproteine werden ständig abgebaut und auch im nicht mehr wachsenden Menschen durch neue ersetzt (ca. 300 g/d), allerdings mit extrem variablen Halbwertszeiten. Die höchsten Syntheseraten haben Muskulatur (reiner „Turn-over“), Leber (Serumproteine) und Dünndarm (Verdauungsenzyme).
Leu, Ile, Val, Thr, Met, Trp, Phe und Lys sind essenziell, können also nicht selbst synthetisiert werden und müssen daher im Nahrungseiweiß in ausreichender Menge vorhanden sein. Viele andere AS können in besonderen Situationen (Kindheit, Schwangerschaft, Stillzeit, schwere Erkrankung) nicht ausreichend gebildet werden.
Bei optimaler Ernährung befinden sich AS-Zufuhr und -Verlust im Gleichgewicht. Bei proteinreicher Ernährung werden die Kohlenstoffgerüste oxidiert (Leber, verzweigtkettige AS im Muskel) oder der Gluconeogenese (Leber, Niere) zugeführt. Nur bei Aufbau-Training wird netto Muskelmasse gebildet. Als Energielieferant dient Körpereiweiß nur im Hungerzustand; bei starkem Abbau der kolloidosmotisch wirksamen Plasmaproteine entstehen Hungerödeme. Einige AS fungieren auch als Neurotransmitter oder deren Vorstufen oder sind Vorstufen von Kreatin, Glutathion oder NO.

Klinik

Alkohol enthält als Gärungsprodukt von Hefen mit 30 kJ/g fast doppelt so viel Energie wie Glucose und wird häufig in zu großen Mengen konsumiert. Er wird in der Leber mit konstanter Rate verstoffwechselt und ist bereits in Konzentrationen ab 1 ‰ zytotoxisch. Besonders schädlich sind Destillate, die zusätzlich Methanol enthalten.

Nährstoffbedarf, Mikronährstoffe

Nährstoffzufuhr

Eine „gesunde“ Ernährung verringert das Risiko für eine große Zahl von Erkrankungen. Alle Angaben sind Richtwerte. Bei Kindern, Schwangeren und Schwerkranken sind sie, bezogen auf das Körpergewicht (KG), bedeutend höher, sinken im Alter dagegen ab. Die Energiezufuhr sollte für einen normalgewichtigen Mann 12 MJ/d (2.900 kcal/d), für eine Frau 10 MJ/d (2.300 kcal/d) betragen. Die Energie sollte zu 55 % aus Kohlenhydraten, 30 % aus Fett und 15 % aus Eiweiß stammen. Jeweils ⅓ der Fette sollten gesättigte, einfach bzw. mehrfach ungesättigte FS enthalten. Die Proteinzufuhr sollte zur ausreichenden Deckung des Verlusts 0,8 g/kg KG betragen. Rein pflanzliche Proteinkost enthält tendenziell zu wenig Lys, Met, Cys, Trp und Thr.
Etwa die Hälfte der Wasserzufuhr stammt aus Getränken, ein Drittel aus fester Nahrung, der Rest aus der Oxidationsreaktion in den Mitochondrien. Der Wasserbedarf beträgt für Erwachsene ca. 1 mL/kcal, bei einem Säugling wegen der großen Körperoberfläche 15 mL/kcal!
Ballaststoffe sind unverdauliche Bestandteile pflanzlicher Nahrung (Zellulose, Pektine), die von Dickdarmbakterien anaerob zu kurzkettigen FS (Acetat, Propionat, Butyrat) vergoren werden, die dann vom Kolonepithel verstoffwechselt werden können. Sie senken den Blutzucker- und Cholesterinspiegel – letzteres evtl. wegen der vermehrten Ausscheidung von daran gebundenen Gallensalzen, die ja aus Cholesterin synthetisiert werden (Kap. 14.9). Ballaststoffarme Ernährung ist wegen der mangelnden mechanischen Reizung der Darmwand häufig mit Obstipation verbunden. Außerdem erhöht sie das Kolonkarzinomrisiko. Mögliche Ursachen sind das Fehlen der kurzkettigen FS, die das Zellwachstum hemmen, evtl. auch die mangelnde Abschilferung und Erneuerung des Epithels durch die Ballaststoffe.
Pflanzliche Nahrung enthält außerdem eine Vielzahl von sekundären Pflanzenstoffen in z. T. großen Mengen. Sie erfüllen in den Pflanzen verschiedenste Funktionen (Schutz vor Fraß, Pathogenen, UV-Licht; Anlocken von Insekten). Sie sind für den Erhalt der Gesundheit wichtig, z. B. Polyphenole, Flavonoide, Carotinoide, Phytoöstrogene oder schwefelhaltige Verbindungen, ohne dass die genauen Mechanismen immer geklärt sind.

Mikronährstoffe

Mikronährstoffe werden in Mengen unter 1 g/d benötigt, oft sogar nur in μg-Mengen, sind aber absolut essenziell (Tab. 14.2). Dazu gehören die Mengenelemente oder Mineralstoffe, die als Ionen die Zusammensetzung der Körperflüssigkeiten bestimmen (Na+, K+, Cl, Ca2+) oder als Baustoffe dienen (Ca2+, Mg2+, Phosphate). Ca2+, Mg2+ und die Spurenelemente sind auch Cofaktoren von Proteinen, letztere z. B. für Redoxreaktionen; Ca2+ ist ein wichtiger Second Messenger. Eisen ist Bestandteil von Häm-Gruppen in O2-bindendem Hb und Myoglobin bzw. Cytochromen der Atmungskette und des P450-Systems. Eisenmangel ist die häufigste Anämieform. Mögliche Ursachen sind Mangelernährung, erhöhter Abbau von Hb bei Malariainfektion, verstärkte Regelblutung oder Blutungen im GI-Trakt. Jod kommt in vielen Regionen nur unzureichend im Boden und damit in der gesamten Nahrungskette vor, was durch Zusatz zum Speisesalz ausgeglichen werden kann. Gleiches gilt für Selen, hier wird derzeit über Nahrungsmittelzusatz diskutiert. Fluor, das für die Mineralisation von Knochen essenziell ist, besonders aber bei der Bildung von Zähnen im Kindesalter, wird in manchen Ländern dem Trinkwasser zugefügt.
Vitamine sind Coenzyme oder Vorstufen von Coenzymen, die an einer ganzen Reihe von zentralen Stoffwechselreaktionen beteiligt sind (vgl. Lehrbücher der Biochemie). Die Vitamine C und E sind unspezifische Antioxidanzien; sie wirken ebenso wie eine Vielzahl von enzymatischen Systemen der Oxidation von Zellbestandteilen durch freie Sauerstoffradikale, z. B. aus der mitochondrialen Atmungskette, entgegen.

Klinik

Bei vegetarischer (Verzicht auf Fleisch, aber nicht auf Milch, Milchprodukte und Eier) oder rein veganer Ernährung (überhaupt kein Verzehr tierischer Produkte) muss auf die ausreichende Zufuhr all jener Nährstoffe geachtet werden, die nur in geringen Konzentrationen in rein pflanzlicher Nahrung vorkommen. Nur eine reichhaltige Mischkost kann den Bedarf decken. So ist unter den essenziellen AS das Lys in Getreide nur unzureichend, in Hülsenfrüchten nur sehr wenig Met vorhanden. An tierisches Häm gebundenes Eisen ist leichter resorbierbar als das Eisen aus pflanzlichen Quellen, v. a. aber ist der Bedarf an Vitamin B12 (Cobalamin) bei veganer Ernährung nur schwer zu decken. Dieses komplexe Molekül kann nur bakteriell synthetisiert werden und kommt selbst in Fleisch nur in niedrigen Konzentrationen vor. Vitamin-B12-Mangel kann v. a. während Schwangerschaft und Stillzeit bei Säuglingen zu funikulärer Myelose (irreversible Myelinisierungsstörung) und perniziöser Anämie (Störung der Erythrozytenbildung) führen.

Energiebilanz

Ernährungszustand

Zur Beschreibung des Ernährungszustands eines Menschen wird weltweit der Body-Mass-Index (BMI = Gewicht [kg]/Körpergröße [m2]) benutzt. Normalgewichtige Erwachsene haben einen BMI von 18,5 bis 24,9, der Fettanteil beträgt 20 % (♂) bzw. 37 % (♀ Abb. 14.4). Bei Übergewicht (BMI > 25) bzw. Adipositas (BMI > 30) steigt der Körperfettanteil; Untergewicht (BMI < 18,5) kommt durch zusätzlichen Verlust von fettfreier Körpermasse (FFM: Muskeln, innere Organe) zustande.
Normalgewichtige haben statistisch die niedrigste Morbiditäts- und Mortalitätsrate. 80 % ihrer Fettvorräte liegen subkutan. Das gesundheitliche Risiko steigt v. a. mit Zunahme des viszeralen Fettgewebes (bauchbetonte, androide Fettverteilung; Taillenumfang ♂ > 94 cm, ♀ > 80 cm), das mit einem dichten Besatz von Hormonrezeptoren und einer hohen Lipolyserate viel stoffwechselaktiver ist. Die exakte Messung der Körperzusammensetzung erfolgt über Bestimmung des Körperwassers, der Körperdichte (Unterwasserwiegen) oder mit bildgebenden Verfahren.
Die FFM hat den größten Anteil am Energiebedarf; aufgrund der extrem unterschiedlichen Stoffwechselraten ist aber der Anteil verschiedener Organe am Gesamtumsatz in Ruhe sehr unterschiedlich (Tab. 14.3). Nur durch körperliche Arbeit (Herz- und Muskeltätigkeit ↑) kann akut der Gesamtumsatz bedeutsam erhöht werden. Langfristig steigt er nur durch Zunahme von Muskelmasse durch körperliches Aufbautraining.

Regulation der Nahrungsaufnahme

Der Ernährungszustand eines Menschen ist das Ergebnis von Zufuhr, Speicherung und Verbrauch von Energie. Er bleibt im Optimalfall erstaunlich konstant, verändert sich aber beim Altern. Übersteigt die Zufuhr den Verbrauch konstant um nur 120 kJ/d (1 % des normalen Tagesumsatzes!), führt das zu einer Zunahme des KG um 4 kg in einem Jahr (davon 75 % Fett), bis sich durch dessen höheren Eigenverbrauch ein neues Gleichgewicht einstellt.
Ein komplexes Zusammenspiel zahlreicher Hormone mit dem Hypothalamus sorgt dafür, dass im Normalfall das KG konstant bleibt (Abb. 14.5). Dort liegt ein Sattheitszentrum in ventromedialen und ein Hungerzentrum in lateralen Bereichen. Eine große Zahl von „anorexigenen“ bzw. „orexigenen“ Peptiden, Neurotransmittern und deren Rezeptoren steuern dort das Essverhalten. Die neuronalen Verschaltungen sind noch Gegenstand intensivster Forschung. Viele der Peptide haben auch an anderer Stelle wichtige Aufgaben, die ihnen ihre Namen gegeben haben. Neuropeptid Y (NPY), Agouti-related peptide (AGRP) im Ncl. arcuatus sowie Galanin (Gal) und andere „Orexine“ spielen eine zentrale Rolle bei Hunger, während Corticotropin releasing Hormon (CRH) im paraventrikulären Nukleus, α-Melanozyten-stimulierendes Hormon (α-MSH), Glucagon-like Peptide (GLP-1) und neuronales Cholezystokinin (CCK) wichtige Botenstoffe für Sattheit sind. Das Peptidprodukt eines „Kokain-Amphetamin-regulierten Transkripts“ (CART) ist dafür verantwortlich, dass man unter diesen Drogen keinen Hunger empfindet, hat aber sicher wichtige endogene Funktionen.
Signale aus dem Körper teilen die akuten Zustände Hunger bzw. Sattheit mit. Füllung des GI-Trakts stimuliert über vagale Afferenzen, FS im Dünndarm über dort gebildetes CCK das Sattheitszentrum bzw. inhibieren das Hungerzentrum. Umgekehrt erzeugen ein leerer GI-Trakt über Ghrelin und ein niedriger Blutzuckerspiegel über Glucose-sensitive Neurone im ZNS Hungergefühl. Das Peptidhormon Leptin wird in Fettzellen gebildet, korreliert mit der Körperfettmasse und informiert zusammen mit Insulin den Hypothalamus langfristig über die Körperzusammensetzung. Eine Resistenz der zentralen Strukturen gegenüber diesen Hormonen ist – ähnlich wie Insulinresistenz peripherer Organe beim Typ-2-Diabetes – sicher eine wichtige Ursache von Adipositas.

Klinik

Anorexia nervosa (Magersucht, BMI < 17,5) und Bulimie (Ess-Brechsucht, BMI oft normal) sind Störungen des Essverhaltens aufgrund einer gestörten Selbstwahrnehmung und treten mit einer Inzidenz von 1–3 % meist bei jungen Frauen auf. Man beobachtet sie aber inzwischen mit steigender Tendenz auch bei jungen Männern. Häufig entwickelt sich die Essstörung nach einer ersten Diät. Sowohl Anorexia nervosa als auch Bulimie können lebensbedrohlich sein: durch Infektionen (unzureichende Immunabwehr bei Anorexie) bzw. Herzrhythmusstörungen aufgrund von Elektrolytverschiebungen (v. a. Erbrechen → Alkalose → Hypokaliämie).

Kauen, Speicheln, Schlucken

Mundhöhle

Das menschliche Gebiss ist angelegt für eine Mischkost: Schneide- und Eckzähne können sowohl Fleisch- als auch pflanzliche Fasern zerschneiden; die Backenzähne zermahlen durch Kaubewegungen, unterstützt von der Zunge, die Nahrung, machen sie dadurch leichter schluckbar und bereiten sie auf die Verdauung vor. Mithilfe von Geschmacks-, Mechano- und Thermorezeptoren auf der Zunge wird die Nahrung auf ihre Genießbarkeit und ihren Nährwert überprüft, nachdem dies vorher auch schon durch den Geruchssinn geschehen ist.
Drei paarige Speicheldrüsen produzieren dauernd eine hypotone Flüssigkeit, die in ihrer Zusammensetzung zwischen serös (enzymreich) und mukös (reich an Mukoglykoproteinen) wechseln kann. Diese und spezielle, extrem prolinreiche Proteine machen die Nahrung schlüpfrig. Sie dienen außerdem zusammen mit α-Amylase, RNAse, Lysozym, Laktoperoxidase und IgA der Mundhygiene, da sie wie diese antibakteriell wirken. Eine Lipase aus den Ebner-Zungengrunddrüsen verdaut Fett teilweise schon im Magen, was v. a. beim Neugeborenen wichtig ist, da sein Pankreas noch nicht voll tätig ist.
Die Speichelflussrate beträgt in Ruhe ca. 0,5 mL/min, lässt sich aber durch Geruch, Geschmack und schon allein durch die Vorstellung von Nahrung um das 10-Fache steigern (Abb. 14.23). Die Drüsen werden vom VNS innerviert: Während der Sympathikus (SY) die Bildung mukösen Speichels für schwer schluckbare Nahrung fördert, produzieren die Drüsen unter Einfluss des Parasymphathikus (PS) flüssigen Spülspeichel bei saurer, bitterer oder salziger Nahrung. Vermehrte Sekretion erfolgt durch Ca2+- bzw. cAMP-vermittelte Stimulation von luminalen Cl-Kanälen (Abb. 14.6) sowie durch Erhöhung von Durchblutung und Kapillardurchlässigkeit (vasoaktives intestinales Peptid, VIP als Kotransmitter). Der Sympathikus verengt die Ausführgänge, erhöht so die Kontaktzeit und stimuliert kontraktile myoendotheliale Zellen an den Endstücken, die den Druck im Gang erhöhen, dabei aber einen parazellulären Rückstrom ins Interstitium verhindern.
Wie in den meisten sekretorischen Epithelien werden zunächst Anionen sezerniert. In den Endstücken wird Cl sekundär aktiv aus dem Interstitium aufgenommen und verlässt luminal die Zelle durch regulierbare Cl-Kanäle. Na+ (und Wasser) strömt parazellulär, dem so generierten transepithelialen Potenzial folgend (Abb. 14.6). So entsteht eine der extrazellulären sehr ähnliche Flüssigkeit. Dies geschieht durch Kopplung eines Na+-K+-2Cl-Symporters an die Na+-K+-ATPase (Kap. 11.9). Bei langsamer Flussrate (→ lange Kontaktzeit mit dem Epithel) wird NaCl in den Ausführgängen teilweise rückresorbiert und gegen KHCO3 ausgetauscht (ähnlich Abb. 14.26). Dieser Ruhespeichel ist hypoosmolar und schafft optimale Bedingungen für die Speichelenzyme. Bei hohem Spülfluss bleibt er dagegen ähnlich der extrazellulären Flüssigkeit. Das alkalische HCO3-Milieu ist wichtig, um aufsteigende Magensäure im unteren Teil des Ösophagus zu neutralisieren.

Schluckakt

Berührt der Nahrungsbrocken den weichen Gaumen, wird ein komplexes Reflexgeschehen in Gang gesetzt, das durch das Schluckzentrum in der Medulla gesteuert wird. Dabei müssen während des Transports in zeitlich genau abgestimmter Reihenfolge die Verbindungen zum Nasenraum und zur Trachea nacheinander abgedichtet werden, um den Nahrungsbrocken (Bolus) gezielt in den Ösophagus zu transportieren. Dort erschlafft der obere Sphinkter, um nach Aufnahme wieder reflektorisch abzuschließen, wobei ein Druck bis zu 100 mmHg (!) erreicht wird. Dieser Sphinkter und das obere Drittel bestehen aus somato-motorisch innervierter, aber nicht willkürlich steuerbarer quergestreifter Muskulatur (Ausnahme: Schwertschlucker!) und unterliegen der Kontrolle des Schluckzentrums. Die unteren zwei Drittel bestehen aus glatter Muskulatur, die den Bolus durch eine vom enterischen Nervensystem (ENS) völlig autonom gesteuerte peristaltische Kontraktionswelle (Kap. 14.6) transportiert. In den Magen gelangt der Speisebrei dann durch den unteren Ösophagussphinkter, der sich reflektorisch öffnet und rasch wieder schließt. Der gesamte Vorgang dauert etwa 10 bis 25 Sekunden.

Klinik

Pannen beim Schluckakt (Verschlucken) führen zum Transport von Nahrung in den Nasenraum oder in die Trachea. Von dort wird sie normalerweise durch Niesen bzw. Husten entfernt. Die Schluckabläufe können bei Patienten nach Schlaganfall mit Ausfällen im Schluckzentrum gestört sein, sodass es zur häufigen Aspiration mit schwerwiegenden Infektionen v. a. der Lunge kommen kann (Aspirationspneumonie).

Wie wichtig der Speichel und die in ihm enthaltenen Enzyme und Proteine v. a. für die Mundhygiene sind, sieht man bei der Autoimmunerkrankung Sjögren-Syndrom. Dabei degenerieren diese Drüsen; die Patienten leiden neben Mundtrockenheit massiv unter Karies.

Transport im GI-Trakt

Wandaufbau und Bewegung

Die Wand des gesamten GI-Trakts besteht aus einer bindegewebigen Tunica adventitia, einer Längs- und Ringmuskelschicht, einer Lamina muscularis mucosae und der eigentlichen Mukosa (Abb. 14.7). Unter der Längsschicht liegt das Nervennetz des Plexus myentericus, unter der Ringmuskulatur der Plexus submucosus. Beide bilden zusammen das ENS, das mehr Neurone als das gesamte VNS enthält (!). Die glatten Muskelzellen sind sowohl mechanisch als auch elektrisch (Gap Junctions) in Bündeln miteinander verbunden, die so untereinander kommunizieren können. Das Membranpotenzial dieser Muskelbündel ist instabil und schwankt rhythmisch, zusammen mit dem Muskeltonus, mit einer Periode von ca. 20 s (Antrum) bis 1 min (Kolon). Auf diese myogenen Schwankungen sind regelmäßige Depolarisationen (Spikes) aufgesetzt, die zu Kontraktionen führen. All dies führt einerseits zu einem Ruhetonus, andererseits zur Grundmotilität der Wand und wird nur durch das Zusammenspiel von Muskelzellen und ENS vermittelt. Im nüchternen Zustand beobachtet man zusätzlich langsam und gerichtet wandernde, kräftige Kontraktionswellen (migrating motor complex, MMC). Diese laufen alle 90–120 min, ausgehend von Schrittmacherzentren, über die einzelnen Abschnitte hinweg. Diese deutlich hörbaren Wellen transportieren verbliebenen Darminhalt nach aboral und haben so eine essenzielle „Ausputzerfunktion“.
Um die Verdauung zu ermöglichen, sind mehrere Bewegungsformen im GI-Trakt nötig:
    • abgestufte, lokale Erschlaffung, um Inhalt aufnehmen zu können, ihn dabei aber eng umschlossen zu halten (Akkommodation)

    • Segmentations- (alternierende Einschnürungen der Ringmuskeln) und Pendelbewegungen (Längsverschiebungen der Wand) zur kräftigen Durchmischung

    • Peristaltik (gerichtete Wellen) zum Transport

    • Tonus der Sphinkteren.

Die Akkommodation des Magens ist ein Reflex, der von Dehnungsrezeptoren des Ösophagus bzw. der proximalen Magenwand ausgeht und in der Medulla efferente Vagusfasern stimuliert. Diese führen über inhibitorische Neurone zur Relaxation (Abb. 14.8b). Segmentations- und Pendelbewegungen werden über das ENS koordiniert. Besonders eindrucksvoll ist das Zustandekommen einer geordneten peristaltischen Welle (Abb. 14.7): Dehnungsafferenzen melden den ankommenden Bolus, erregen Ringmuskeln aufsteigend bzw. hemmen diese weiter absteigend (rezeptive Relaxation). Gleichzeitig wird lokal die Ringmuskulatur gehemmt (Akkommodation) und absteigend die Längsmuskulatur aktiviert. So kann der entsprechende Abschnitt den vorangetriebenen Bolus aufnehmen, sich über ihn hinwegschieben und ihn absteigend weiterreichen. All dies wird autonom durch das ENS vermittelt. Diese ineinander verschachtelten Funktionseinheiten transportieren den Darminhalt über eine, bei hohem Tonus, 4 m lange Strecke. Die Neurone des ENS innervieren außerdem auch die Drüsenzellen des Epithels und koordinieren so Motilität und Sekretion.

Kontrolle durch das VNS

Das VNS nimmt nur modulierend Einfluss auf den GI-Trakt (Abb. 14.8): entweder durch direkten Kontakt zu den Muskelzellen oder über Neurone des ENS. Damit kann die Verdauungstätigkeit je nach Akutsituation gefördert oder gebremst werden. Die Ganglien des PS liegen in der Wand verstreut. Hemmende Transmitter sind aufseiten des SY Noradrenalin (NA), aufseiten des PS vasoaktives intestinales Peptid (VIP), ATP, NO und Adenosin (Ado). Dies gilt sowohl für die inhibitorischen Neurone des ENS als auch für die durch efferente Vagusfasern vermittelten Akkommodationsreflexe. Erregend wirken neben Acetylcholin (ACh) auch Substanz P (Sub P), Dynorphin (Dyn) und Enkephalin (Enk).

Erbrechen

Erbrechen (Emesis) ist ein wichtiger Schutzreflex und wird durch die Aufnahme, bisweilen sogar schon durch Geruch oder Anblick potenziell gefährlicher Substanzen (Aas, Kot), aber auch durch länger anhaltende Rachenberührung ausgelöst (Auswurf von nicht schluckbaren Brocken). Auch Drehschwindel, hoher Hirndruck, Strahlenschädigung, starke Schmerzen oder die massiven hormonellen Umstellungen am Anfang der Schwangerschaft können zu Erbrechen führen, wobei hier überall der Nutzen unklar ist. Toxische Substanzen erregen von der Blut-Hirn-Schranke nicht geschützte chemosensitive Neurone der Area postrema und erzeugen über Ncl. tractus solitarii und N. vagus eine komplexe Antiperistaltik. Dabei wird der Mageninhalt durch Druckerhöhung von Bauch- und Atemmuskulatur durch den erschlafften Magen und Ösophagus nach außen befördert.

Klinik

Darm-Atonie (paralytischer Ileus) nach Baucheingriffen ist ein wichtiger Faktor für postoperatives Unwohlsein und lange Krankenhausaufenthalte. Sie kann durch Parasympathomimetika, Opioidantagonisten und frühe Gabe von normaler Kost behandelt werden.

Magen

Der leere Magen hat ein Volumen von ca. 50 mL, kann aber bis zu 1,5 L speichern. Der Tonus der Wand sorgt dafür, dass Flüssigkeit entlang der inneren Kurvatur rasch in distale Bereiche abgepresst wird. Während der proximale Teil nur tonisch aktiv und zur Akkommodation fähig ist, liegen im Korpus an der großen Kurvatur glattmuskuläre Schrittmacherzellen. Die von dort ausgehenden Potenzialwellen werden im gefüllten Magen durch vagale, chemische und mechanische Reize überschwellig. Sie führen über Spikes zu kräftigen Kontraktionswellen nach aboral. Der Pylorus lässt nur Partikel passieren, die maximal 2 mm groß sind. Größere Teile werden an seiner Wand immer wieder zurückgeschleudert und so zerrieben. Dabei entsteht ein pastenartiger Chymus, dessen Inhalt homogen auf niedrigen pH gebracht wird. Fett wird mechanisch zu kleinen Tröpfchen emulgiert. Größere, versehentlich verschluckte Gegenstände können den Pylorus nur bei leerem Magen passieren, da dann dessen Tonus deutlich niedriger ist.

Magenschleimhaut

Die Magenschleimhaut liegt in Falten und ist von einem hochprismatischen Epithel bedeckt, das neutrale, stark quellfähige Mucine (Glykoproteine, die v. a. den Zucker Fucose enthalten) und vernetzende Proteine sezerniert. Sie bilden eine zähe, ca. 0,6 mm dicke, schützende Schleimschicht. Über die Oberfläche verteilt senken sich die Magengrübchen (Foveolae gastricae) in die Tiefe, an deren Grund die Magendrüsen einmünden. Die Kardia besitzt nur wenige, aber reich verzweigte Drüsen, die einen alkalischen (!) Schleim zum Schutz des Ösophagusepithels produzieren. Die Pylorus- und Antrumdrüsen am anderen Ende enthalten dagegen zusätzlich viele Gastrin produzierende G-Zellen. Die ca. 1,5 mm langen Hauptdrüsen der Fundus- und Korpusregion enthalten Haupt-, Neben- und Parietalzellen (oder Belegzellen, Abb. 14.9). Hauptzellen am Grunde der Drüsen synthetisieren am rauen endoplasmatischen Retikulum Pepsinogen, das über den Golgi-Apparat und sekretorische Vesikel auf adäquaten hormonellen Reiz hin durch Exozytose freigesetzt wird. Nebenzellen produzieren eine Schicht speziellen Schleims, der sich noch über die von den oberflächlichen Zellen produzierte Schicht legt.

Parietalzellen

Die Parietalzellen erzeugen einen H+-Konzentrationsgradienten von 105–106 (!) zwischen ihrem Zellinneren und dem Magensaft (pH 1–2, Abb. 14.10). Sie tun dies, indem sie basolateral durch aktive Na+-K+-ATPase, getrieben durch eine extrem hohe Mitochondriendichte, K+ in die Zelle transportieren und über luminale Kanäle abgeben. Eine hochaktive Carboanhydrase stellt HCO3 bzw. H+ zur Verfügung, die einerseits dem Einwärtstransport von Cl, das durch luminale Kanäle ausströmt, andererseits von Na+ als Austauschpartner für K+ dienen. In der Summe ist so zunächst nur KCl sezerniert worden.
Die Zellen sind von einem mit der luminalen Oberfläche offen verbundenen Kanalsystem durchzogen und enthalten eine große Zahl von Vesikeln mit einer H+-K+-ATPase in ihrer Membran. Auf hormonellen Stimulus hin (Abb. 14.24) verschmelzen diese Vesikel mit den Canaliculi (Abb. 14.11). Das K+ im Sekret wird nun gegen H+ ausgetauscht, kann durch die K+-Kanäle aber wieder rezirkulieren. Das ins Blut sezernierte HCO3 wird von Epithelzellen gegen Cl im Magensaft ausgetauscht und neutralisiert H+, sodass in der Schleimschicht ein kontinuierlicher pH-Gradient zwischen neutral an den zu schützenden Zelloberflächen und stark sauer im Chymus entsteht (Abb. 14.9). Parietalzellen produzieren außerdem den Intrinsic factor, der Vitamin B12 komplexiert (Kap. 14.11).
Der niedrige pH-Wert wirkt antimikrobiell und reduziert so die Infektionsgefahr durch Bakterien, Pilze und Viren. Er führt außerdem zur Denaturierung (Entfaltung) des Nahrungseiweißes und macht es so erst für alle Proteasen gut angreifbar. Der saure pH hebt auch elektrostatische Wechselwirkungen innerhalb des Pepsinogens auf. Dadurch ändert sich dessen Konformation und legt das proteolytische Zentrum frei. Durch intra- oder intermolekulare Abspaltung des N-terminalen Endes wird aus Pepsinogen Pepsin gebildet – ein Ablauf, der sich so durch eine positive Kaskade selbst verstärkt. Pepsin ist eine Endopeptidase und spaltet Peptidbindungen, die die aromatischen AS Phe oder Tyr enthalten, liefert also den Proteasen im Dünndarm nur sehr große Peptide.

Klinik

Magengeschwüre (Ulzera) entstehen, wenn die Barrierefunktionen versagen und saurer, pepsinhaltiger Magensaft die Mukosa erreicht. Die Folge ist zunächst Histaminfreisetzung. Dadurch steigt die Durchblutung, und das Gleichgewicht wird wiederhergestellt. Ist diese Entzündung schwerwiegend, kann es zu Ischämie und Nekrosen mit lebensbedrohlichen GI-Blutungen kommen. Stress, Acetylsalicylsäure, Alkohol, v. a. aber Infektion mit Helicobacter pylori erhöhen das Risiko für Ulzera erheblich. Blockade der H+-K+-ATPase mit Protonenpumpenhemmern wie Omeprazol (Abb. 14.10) und Antibiotika werden sehr erfolgreich eingesetzt.

Dünndarm, Pankreas

Dünndarm

Duodenum, Jejunum und Ileum sind der Hauptort der Verdauung, also der Zerlegung der Makromoleküle, und der Resorption der daraus entstehenden Monomere und aller anderen Nahrungsbestandteile. Um die dafür nötige große Oberfläche zu schaffen, ist seine Wand in 600 quer verlaufende, 1 cm hohe Plicae circulares (Kerckring-Falten) aufgeworfen. Zusätzlich bildet die Mukosa 1 mm hohe Zotten (Abb. 14.12a), zwischen denen die Lieberkühn-Krypten bis 0,4 mm in die Mukosa hineinreichen (Abb. 14.12b). Die Zellen des resorbierenden Epithels, die Enterozyten, tragen einen ausgeprägten Bürstensaum aus Mikrovilli, was die Gesamtoberfläche (200 m2) insgesamt auf das 600-Fache eines einfachen, glattwandigen Rohrs mit gleichen Dimensionen erhöht.
Am Grunde der Krypten (Abb. 14.12b) befinden sich Paneth-Körnerzellen, die antimikrobiell wirkende Enzyme wie Lysozym, α-Defensine, IgA sowie Trypsin sezernieren. Dies dient wahrscheinlich dem Schutz der darüber liegenden pluripotenten Stammzellen, die sich ständig teilen und aus denen alle anderen Zelltypen hervorgehen. Die neu gebildeten Zellen werden zur Zottenspitze geschoben, wo sie abschilfern, wobei die im Bürstensaum befindlichen Enzyme (Kap. 14.10) unspezifisch freigesetzt werden. Diese nehmen so noch weiter an der Verdauung teil. Zwischen den resorbierenden Enterozyten eingestreut liegen endokrine Zellen (enterochromaffine, ECL-Zellen), die Hormone zur Interaktion mit anderen Teilen des GI-Trakts und mit dem ZNS produzieren, sowie Becherzellen, die ständig große Mengen an schützendem Schleim sezernieren. Die Schleimproduktion kann durch Acetylcholin noch beträchtlich gesteigert werden.
Zotten bestehen aus Bindegewebe mit eingestreuten, längs verlaufenden kontraktilen Myofibroblasten und glatten Muskelzellen (Abb. 14.12a). In ihr ziehen mehrere Arteriolen zur Spitze, wo sie ein Kapillarnetz mit reichlich fenestriertem Endothel ausbilden. Dieses vereinigt sich wieder zu einer zentralen Vene, die letztlich in die V. portae mündet. Außerdem finden sich in den Zotten weit geöffnete Lymphkapillaren, die über die mesenterialen Lymphbahnen und den Ductus thoracicus ins Blut drainieren. Längskontraktionen der Zotten pressen die Gefäße aus. Beim Wiederaufrichten durch den arteriellen Blutdruck bohren sie sich stempelartig in den Chymus und stellen so engen Kontakt zu ihm her.
Vor allem im proximalen Duodenum liegen in der Submukosa die tubuloalveolären Brunner-Drüsen, die in die Krypten hinein münden. Diese produzieren ein HCO3-reiches Sekret, das außerdem Mucine und eine Enteropeptidase enthält, die für die proteolytische Aktivierung der Pankreasproteasen sorgt. Außerdem liegen hier viele endokrine Zellen, die Hormone zur Kommunikation mit anderen Abschnitten bilden.
Insgesamt sezernieren die Drüsen des Dünndarms täglich bis zu 3 L Darmsaft (Abb. 14.1).

Pankreas

Die Bauchspeicheldrüse produziert täglich bis zu 1,5 L Sekret, das in den Endstücken (Azini) ähnlich wie in den Speicheldrüsen (Abb. 14.6) durch sekundär aktive Cl-Sekretion mit parazellulär nachströmendem Na+ und Wasser gebildet wird. Das Epithel des Ausführungsgangs tauscht Cl gegen HCO3 aus, das zusammen mit HCO3 aus dem Darmsaft den sauren Chymus auf einen pH von 8,2 alkalinisiert (optimaler pH für alle Verdauungsenzyme, Abb. 14.26). Die Azinuszellen besitzen außerdem extrem viel raues ER, Golgi-Apparat und sekretorische Zymogen-Granula, die mit den Pankreasenzymen gefüllt sind (Tab. 14.4).
Wie in den Hauptzellen des Magens verschmelzen diese Vesikel nach nervaler und hormoneller Stimulation durch Anstieg der intrazellulären Ca2+-Konzentration mit der luminalen Membran und setzen ihren Inhalt frei (Abb. 14.24). Dieser enthält alle Enzyme, die zur Spaltung der in der Nahrung befindlichen Makromoleküle nötig sind, in konstanter Zusammensetzung: Amylase, Proteasen, Lipasen, Colipasen und Nukleasen.

Klinik

Mukoviszidose ist die am häufigsten zum Tode führende monogenetische Erkrankung (1:2.000 Homozygote). Sie beruht auf Mutationen des CFTR-Gens (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) und führt zu Defekten am Cl-Kanal (Abb. 14.26): Der luminale Cl-Ausstrom am Pankreasausführgang sowie an Speichel-, Schweiß- und Bronchialdrüsen ist gestört. Missfaltung des mutierten Kanalproteins führt zu seinem Verbleib im ER; die daraus folgende unzureichende Flüssigkeitsproduktion verursacht den namensgebenden zähen Schleim. Die mangelnde Sekretion von Pankreasenzymen führt zu Maldigestion, außerdem kommt es zur Selbstverdauung des Pankreas (Syn.: zystische Fibrose) mit Typ-1-Diabetes. Seit oral verabreichbare Verdauungsenzyme und künstliches Insulin zur Verfügung stehen, reduzieren heute v. a. schwer therapierbare Atemwegsinfektionen (Keimbesiedlung des zähen Bronchialschleims) die zuvor noch deutlich niedrigere Lebenserwartung leider immer noch auf 40–50 Jahre.

Leber

Die Leber ist das zentrale Organ für die Homöostase des Kohlenhydrat-, Lipid- und Proteinstoffwechsels (Kap. 14.1). Durch den Portalkreislauf liegt sie strategisch günstig zwischen Dünndarm und systemischem Kreislauf.

Speicherfunktion

Die Leber nimmt die nach einer Mahlzeit aus dem Darm anflutenden Monomere und Mikronährstoffe zum großen Teil auf, speichert sie (Glykogen, Cu, Fe, Vit. A, B12, D, E und K), wandelt sie um (AS in Harnstoff und Kohlenstoffgerüste, FS in Very Low Density-Lipoproteins [VLDL]) und stellt sie so in einer für die anderen Organe geeigneten Weise bereit. Bei Bedarf setzt sie Glucose frei oder synthetisiert sie neu aus Laktat, Glycerin oder AS. FS kann sie in Ketonkörper als Substrat für Muskulatur und Gehirn umwandeln.

Synthesefunktion

Die Leber synthetisiert alle Plasmaproteine außer den Immunglobulinen: Albumin, Lipoproteine und andere Transportproteine, Fibrinogen, Gerinnungs- und Fibrinolysefaktoren, Wachstumsfaktoren, Hormone (z. B. Angiotensinogen) sowie Cholesterin (Bestandteil aller Plasmamembranen).

Biotransformation, Elimination

Die Leber wandelt körpereigene (Steroidhormone, Abbauprodukte des Häms) und körperfremde Moleküle (Xenobiotika), die nicht im Energiestoffwechsel verwertet oder anderweitig recycelt werden können, in ausscheidbare Produkte um. Xenobiotika kommen in der Natur als sekundäre Pflanzenstoffe (Fressgifte, Farb- und Aromastoffe) vor; die gleichen Biotransformationsreaktionen werden aber auch zur Eliminierung von Konservierungsstoffen oder Medikamenten genutzt. Dies verhindert die Anhäufung solcher Stoffe im Körper, senkt aber auch dauernd deren wirksame Konzentration. Durch Einführung reaktiver Gruppen (v. a. durch Cytochrom-P-450-abhängige Monooxygenasen) und nachfolgende Konjugation mit Glucuronsäure oder AS werden diese Moleküle für die Ausscheidung durch spezifische Transporter in die Gallenflüssigkeit oder im proximalen Tubulus der Niere markiert (Biotransformation). Für all diese Aufgaben haben Hepatozyten wohl das umfangreichste Repertoire an Enzymen.

Emulgierung von Fett

Für die eigentliche Verdauung produziert die Leber Gallenflüssigkeit, die ganz entscheidend für die komplette Resorption von Fett ist. Fette haben den höchsten Energiegehalt aller Nahrungsstoffe, sind aber wasserunlöslich und daher nicht für Lipasen zugänglich. Deshalb verschmelzen Fetttropfen aus dem Magen (2–4 μm Durchmesser) mit Gallebestandteilen zu Mizellen (Abb. 14.13), sodass Pankreas-Lipasen nun an deren äußerer Schicht die innen liegenden Fette angreifen können.

Enterohepatischer Kreislauf

Galle enthält zunächst in den Hepatozyten aus Cholesterin gebildete primäre Gallensalze (Abb. 14.14), Cholesterin und andere Steroide, Phospholipide (v. a. Lecithin), FS und Proteine. Die aktive Sekretion von Bilirubin, konjugierten Xenobiotika und HCO3 in die Gallenkanälchen ist die treibende Kraft für die „gallensäureunabhängige“ Sekretion (ca. 250 mL/d). Primäre Gallensalze werden durch Darmbakterien in sekundäre Gallensalze umgewandelt, alle Moleküle werden aktiv im Ileum und Kolon wieder aufgenommen. Von dort gelangen sie über den Portalkreislauf mithilfe eines Na+-abhängigen Symporters wieder in die Leberzellen. Dort werden sie mit Glycin und Taurin zu Säureamiden konjugiert und unter ATP-Verbrauch von einem Carrier wieder sezerniert („gallensäureabhängige“ Sekretion, ca. 250 mL/d). Sinn dieser Vielfalt ist es, Moleküle zur Verfügung zu stellen, die im Dünndarmsaft über einen weiten pH-Bereich hinweg amphipathisch sind, also neben dem lipophilen Steroidgerüst auch eine geladene und damit hydrophile Gruppe besitzen (Abb. 14.14).
Dieser enterohepatische Kreislauf recycelt die energetisch aufwendig zu synthetisierenden Gallensäuren. Der Gesamtpool beträgt etwa 3 g, die je nach Fettgehalt der Nahrung 5- bis 10-mal pro Tag rezirkulieren. Nur etwa 600 mg/d gehen mit dem Stuhl verloren und müssen neu gebildet werden. Die Lebergalle gleicht in ihrer Zusammensetzung etwa dem Plasma (Anionen: 30 mmol/L HCO3, 105 mmol/L Cl, anionische Gallenbestandteile) und fließt in der digestiven Phase direkt in den Dünndarm. Bei verschlossenem Sphincter Oddii wird sie in die Gallenblase umgeleitet, wo durch aktive Rückresorption von NaCl und passiven Nachstrom von Wasser das ursprünglich sezernierte Volumen bis auf 10 % reduziert werden kann. Die Blasengalle bleibt dabei plasmaisoton; „eingedickt“ wird sie nur insofern, als die organischen Anteile aufkonzentriert werden.

Klinik

Gallensteine entstehen, wenn sich die einzelnen Komponenten der Galle im Ungleichgewicht befinden. Meist überwiegt Cholesterin, das dann nicht mehr vollständig gelöst bleibt und auskristallisiert. Fehlernährung und Übergewicht sind die wichtigsten Ursachen (Praxisfall).

Resorption von Makronährstoffen

Da im Dickdarm die entsprechenden epithelialen Transportsysteme fehlen, müssen alle Nährstoffe möglichst vollständig bereits im Dünndarm ins Blut aufgenommen werden. Die Pankreasenzyme im Dünndarmsaft spalten die Makromoleküle aus der Nahrung nur z. T. in resorbierbare Monomere; die in der Zellmembran des Bürstensaums verankerten Enzyme führen die Verdauung zu Ende. Die treibenden Kräfte für alle Resorptionsprozesse sind, wie im proximalen Nierentubulus, der Na+-Gradient zwischen Lumen und Epithelzelle und die Na+-K+-ATPase an der basalen Membran. Durch aktiven Rücktransport von Na+ und daran gekoppelten sekundär aktiven Transport von Monomeren wird außerdem über das Epithel hinweg ein transepitheliales Potenzial aufgebaut (basal positiv). Diesem folgen passiv parazellulär Anionen mit Wasser und damit wieder alle darin gelösten Stoffe (Solvent Drag).

Kohlenhydrate

Die α-Amylase des Pankreas spaltet Stärke und Glykogen bis zur Maltose (Di-Glucose), meist aber nur bis zu größeren Oligosacchariden (α-Grenzdextrine, Abb. 14.15a). Diese und die Disaccharide Saccharose und Laktose werden am Bürstensaum in die resorbierbaren Monomere Fructose, Galaktose und Glucose zerlegt. Galaktose und Glucose konkurrieren miteinander um denselben Na+-abhängigen Symporter, der den Na+-Gradienten über die Zellmembran nutzt, um Glucose „bergauf“ ins Blut zu transportieren. Fructose wird Na+-unabhängig aufgenommen (GLUT-5). Basal werden die Zucker über erleichterte Diffusion (GLUT-2) wieder abgegeben.

Eiweiße

Die Produkte der Proteasen von Magen und Pankreas sind AS und Oligopeptide, die durch membranständige Peptidasen zu AS bzw. Di- und Tripeptiden abgebaut werden. Letztere werden intrazellulär gespalten; nur ein kleiner Teil tritt als Peptid ins Blut über (Abb. 14.15b). Für die Aufnahme von AS und Peptiden gibt es etwa ein halbes Dutzend von Transportern, die ihre Substrate nach der Ähnlichkeit der Seitengruppen binden: sauer, neutral, Iminosäuren (Prolin, Hydroxyprolin), β-AS. Diese Transporter sind an den Na+-Gradienten gekoppelt; lediglich der Transport basischer, positiv geladener AS wird vom Membranpotenzial getrieben. Es handelt sich um dieselben Transporter wie im Nierentubulus (Kap. 11.6). Basal werden die AS durch Austauscher oder Na+-unabhängige Carrier ins Blut transportiert. Durch die Aufspaltung verlieren die aufgenommenen Fremdproteine ihre antigenen Eigenschaften und die AS stehen allen Zellen als Bausteine wieder zur Verfügung. Nach Entfernung der Aminogruppe durch Transaminierung oder Desaminierung in Leber oder Muskulatur können sie auch als Energielieferanten genutzt werden.
Eine Enteropeptidase (früher fälschlich Enterokinase genannt) am Bürstensaum spaltet Trypsinogen zu Trypsin, das in einer Verstärkerkaskade weiteres Trypsinogen bzw. Chymotrypsinogen aktiviert.

Fette

Fette liegen in der Nahrung v. a. als wasserunlösliche Triglycerid-Tröpfchen vor. Erst nach Bindung von Gallensalzen können sie von Lipase in 2-Monoacylglyceride (2-MAG) und freie FS (FFS) verwandelt werden (Abb. 14.13). Da FFS und 2-MAG hydrophile Gruppen tragen, können sie kleine Tröpfchen mit größerer Oberfläche bilden. So entstehen 50 nm kleine Mizellen, die zwischen die Mikrovilli dringen können. Dort sorgt der lokale saure pH der Glykokalix für die Protonierung der (partiell) negativ geladenen Gruppen und löst die Mizellen auf. Die nun wieder hydrophoben 2-MAG und FFS werden aufgenommen und intrazellulär zu Triglyceriden verestert (Abb. 14.16). Kurz- und mittelkettige FFS und Glycerin gelangen von dort direkt ins Blut.
Cholesterin wird nur in freier Form resorbiert und nach Veresterung zusammen mit anderen Fetten und einem amphipathischen Apolipoprotein am endoplasmatischen Retikulum zu Chylomikronen (100 bis 1.000 nm) verpackt. Diese werden über den Golgi-Apparat exozytotisch in den Extrazellularraum abgegeben, von wo aus sie in Lymphgefäße gelangen. Die Chylomikronen (99 % Lipide) und die von der Leber zusammengesetzten VLDL-Partikel erhalten von HDL (50 % Protein) weitere Apolipoproteine. Damit geben sie ihre Fracht an die Lipoproteinlipase ab, die am Kapillarendothel extrahepatischer Gewebe sitzt, und versorgen so die Zielzellen mit FS. Aus dem „Rest“ der VLDL-Partikel entstehen in der Leber erneut LDL-Partikel, die v. a. der Versorgung der Gewebe mit Cholesterin dienen.

Klinik

Laktoseintoleranz ist v. a. in nicht-weißen Rassen extrem häufig. Die Aktivität der Bürstensaumlaktase sinkt nach der Säuglingsphase. Kommen noch milde genetische Defekte hinzu, kann der Verzehr von Milchprodukten zu massiven Durchfällen führen, weil die Laktose im Dünndarm bleibt und dort osmotisch wirksam ist. Einfache Therapie ist der Verzicht auf Milchprodukte.

Resorption von Mikronährstoffen

Neben den Energieträgern werden noch alle Vitamine, Spurenelemente, Nukleotide und wichtige Anionen wie Phosphat und Sulfat durch spezielle Transportsysteme im Dünndarm resorbiert. Die fettlöslichen Vitamine A, D, E und K werden zusammen mit FS und Monoacylglyceriden über die Mizellen aufgenommen. Einige Transportsysteme sind sehr kompliziert, da die zu transportierenden Moleküle besonders problematisch sind.

Vitamin B12

Cobalamin (Vit. B12) ist ein komplexes Molekül mit Kobalt als Zentralatom eines Pyrrolring-Systems, ähnlich dem Häm. Es wird für die Umlagerung von Alkylresten gebraucht, z. B. beim Abbau ungeradzahliger FS. Zwar sind nur μg-Mengen nötig, doch kommt Cobalamin in der Nahrung nur in äußerst geringen Mengen vor. Hochspezialisierte Proteine transportieren es bis ins Ileum (Abb. 14.17). Vit. B12 kommt v. a. in tierischen Produkten an Eiweiße gebunden vor, wird im Magen durch Proteolyse frei und bindet dann an das aus Speichel- und Magendrüsen stammende Haptocorrin (HC, früher R-Faktor genannt). HC wird im Dünndarm verdaut. Das frei werdende Cobalamin verbindet sich mit dem Intrinsic Factor (IF), einem Protease-resistenten Glykoprotein, das von den Parietalzellen des Magens zugesetzt wurde. Dieser Komplex wird im Ileum durch rezeptorvermittelte Endozytose aufgenommen. In den Endosomen der Epithelzellen übernimmt Transcobalamin II das Vit. B12 und transportiert es zur Leber (Speicherung) oder zu peripheren Geweben, IF wird intrazellulär verdaut.

Eisen

Eisenmangel ist weltweit die häufigste Mangelerkrankung überhaupt. Bei normaler Kost werden nur 10 % des aufgenommenen Eisens resorbiert. Eisen (Fe) kommt in der Nahrung als Häm- bzw. Nicht-Häm-Fe vorwiegend in dreiwertiger Form (Fe3+) vor, da Fe2+ – im Gegensatz zu allen anderen physiologisch wichtigen Kationen – leicht spontan zu Fe3+ oxidiert. Das macht Fe2+ im Körper auch zu einem gefährlichen Oxidans. Andererseits geht Fe3+ mit vielen Anionen Komplexe ein und ist bei pH > 3,0 nicht löslich (Rost!). Da es im alkalischen Darmmilieu nicht aufgenommen werden könnte, halten es saure Mucine löslich. Dort reduzieren Vit. C, SH-Gruppen an Proteinen im Nahrungsbrei etc. sowie ein membranständiges Reduktasesystem Fe3+ zu Fe2+, sodass dieses nun durch einen Transporter für divalente Metallionen resorbiert werden kann (Abb. 14.18). Dieser nimmt auch andere essenzielle (Zn2+, Co2+, Cu2+, Mn2+), aber auch toxische Kationen wie Cd2+ oder Pb2+ aus der Nahrung auf. Er wird ungewöhnlicherweise getrieben durch einen Symport mit H+ aus dem im oberen Dünndarm (noch) sauren Darminhalt. Häm-Fe wird zusammen mit Häm wahrscheinlich durch Endozytose resorbiert. Eine Häm-Oxygenase produziert Fe3+, Kohlenmonoxid (!) und den Gallenfarbstoff Biliverdin. Fe3+ wird zu Fe2+ reduziert und bindet an Mobilferrin, das es über einen Fe-Transporter ausschleust. Im Plasma wird es wieder oxidiert und zirkuliert an Transferrin gebunden als wenig reaktives Fe3+.
Alle Zellen (v. a. aber Darmmukosa und Leber) besitzen das Fe-Speicherprotein Ferritin; die blutbildenden Zellen des retikuloendothelialen Systems verfügen zusätzlich noch über Hämosiderin. Viele dieser Proteine werden durch ein Fe-sensitives Regulationssystem reguliert. Bei Fe-Mangel, z. B. nach Blutverlust, sorgt es dafür, dass im Darmepithel die Aufnahme kompensatorisch ansteigt. Ferritin gelangt auch ins Plasma. Da es mit dem Fe-Status korreliert und leicht gemessen werden kann, wird es zur Diagnose des Fe-Status genutzt.

Calcium

Calcium ist essenziell für die Mineralisation von Knochen und Zähnen; Calciummangel führt zu Osteoporose. Die wichtigste Quelle für Ca2+, von dem täglich etwa 1 g konsumiert werden sollte, sind Milchprodukte; selbst sehr Ca2+-reiche Mineralwässer reichen nicht aus. Der größte Teil des in der (v. a. pflanzlichen) Nahrung enthaltenen Ca2+ ist nicht bioverfügbar, da häufig z. B. das komplexierende Oxalat gleichzeitig vorhanden ist. Bei hohen Konzentrationen im Darmlumen strömt es parazellulär mit dem Solvent Drag. Ca2+ wird außerdem durch einen Ca2+-Kanal aufgenommen (Abb. 14.19) und bindet intrazellulär an Calbindin. Dadurch bleibt die freie intrazelluläre Konzentration dieses wichtigen Second Messenger niedrig. Austauscher und Pumpen befördern es an der basolateralen Membran gegen den Gradienten ins Blut. Alle diese Proteine, v. a. Calbindin, werden bei Ca2+-Mangel durch Vitamin D3 (1,25-Dihydroxycholecalciferol, Calcitriol) hochreguliert.

Klinik

Hämochromatose ist eine autosomal-rezessive Erkrankung (1:250 Homozygote), bei der es durch Mutation des HLA-H-Gens zur vermehrten Fe-Aufnahme und Ablagerung in allen Geweben kommt. Unbehandelt entwickeln sich schwerwiegende Folgekrankheiten wie Leberzirrhose, -krebs und Typ-1-Diabetes. Die Therapie besteht in regelmäßigen Blutspenden (früher Aderlässe).

Resorption von Salz und Wasser

Für Homo sapiens als ursprünglichen Steppenbewohner ist Salz ebenso wie Wasser kostbar und muss gespart werden. Pro Tag werden ca. 7,5 L Salzlösung durch Speicheldrüsen, Magen, Leber, Pankreas und Dünndarm sezerniert (Abb. 14.1) und müssen daher weiter distal wieder resorbiert werden. Das für diese Resorption zuständige Transportepithel unterscheidet sich in diesen Abschnitten erheblich in der „Dichtheit“ seiner Zell-Zell-Verbindungen (gemessen als elektrischer Widerstand über das Epithel; Tab. 14.5).
Im Jejunum kann Wasser mit allen gelösten Salzen und monomeren Verdauungsprodukten durch relativ große Poren v. a. parazellulär ins Blut übertreten. Im Kolon sind die Zellverbindungen dagegen sehr dicht. Alle Stoffe, auch Wasser, werden dort fast nur noch transzellulär durch die Zellen hindurchtransportiert. Verschiedene Abschnitte besitzen im Detail unterschiedliche Transportmechanismen. Eine Heterogenität des Epithels besteht auch lokal zwischen Krypten, in denen v. a. sezerniert wird, und dem oberflächlichen Epithel der Zotten, das v. a. resorbiert.

Natrium

Natrium wird postprandial zum größten Teil zusammen mit Glucose und AS wieder aufgenommen, v. a. im Jejunum, wo erst genügend Monomere vorliegen (Abb. 14.15). Das alkalische Milieu der proximalen Abschnitte stimuliert außerdem einen Na+-H+-Austauscher (Abb. 14.20a), wo die so abgegebenen H+-Ionen mit dem HCO3 reagieren. Im Ileum und proximalen Kolon wird v. a. in der interdigestiven Phase in Abwesenheit von Monomeren und HCO3 die NaCl-Rückresorption an den Austausch gegen H+ und HCO3 gekoppelt, also an Ionen, die durch eine Carboanhydrase (CA) leicht verfügbar sind (Abb. 14.20b). Im distalen Kolon dagegen wird Na+ durch epitheliale Na+-Kanäle aufgenommen. Durch eine hochaktive Na+-K+-ATPase findet hier letztlich die fast vollständige Rückresorption gegen einen steilen Konzentrationsgradienten zwischen Lumen und Plasma statt (Abb. 14.21a). Bei Salzmangel werden hier Na+-Kanäle und Na+-K+-ATPase durch Aldosteron stimuliert (Kap. 17.9).

Chlorid

Chlorid wird passiv und v. a. parazellulär durch „elektrogenen“ Transport von Na+, zusammen mit Glucose im Dünndarm oder durch epitheliale Na+-Kanäle im Kolon, rückresorbiert. Es fließt dort wegen der dichten Schlussleisten transzellulär durch luminale bzw. basale Cl-Kanäle. Sekundär aktive Resorption erfolgt natürlich zusammen mit Na+ (Abb. 14.20b).

Kalium

Kalium wird als intrazelluläres Kation und als wichtigstes pflanzliches Kation (Na+ spielt keine Rolle!) in großen Mengen aufgenommen und v. a. über den Harn wieder ausgeschieden. Für elektrophysiologische Vorgänge, z. B. Kontraktion des Herzens, ist die absolute Konstanz der Plasmakonzentration von K+ (4,2 mmol/L) entscheidend (Kap. 13.4). Bei den großen Mengen an Flüssigkeit, die im GI-Trakt bewegt werden, ist es aber nötig, das in oberen Abschnitten mit den Verdauungssäften sezernierte K+ im Dünndarm zunächst zum großen Teil zu resorbieren. Dies geschieht v. a. mittels Solvent Drag im oberen Dünndarm. Besonders im distalen Kolon dagegen sorgt die massive Resorption von Na+ dort für ein transepitheliales, lumennegatives Potenzial (25 mV!), mit dem K+ parazellulär ins Lumen netto „sezerniert“ wird (Abb. 14.21a) – dies ist der quantitativ wichtigste Mechanismus, der aber nicht geregelt werden kann. Zusätzlich finden sich im proximalen Kolon Zellen, die basal K+ durch einen Na+-K+-2Cl-Cotransporter aufnehmen, energetisiert durch die basale Na+-K+-ATPase (Abb. 14.21b). Das K+ kann dann je nach K+-Status durch basale Kanäle wieder zurückfließen oder durch luminale Kanäle sezerniert werden, wobei die Sekretion durch Aldosteron stimuliert wird. Bei K+-Mangel dagegen kann K+ im distalen Kolon durch eine K+-H+-ATPase (ähnlich der in der Parietalzelle) wieder absorbiert werden.

Klinik

Durchfall aufgrund von Infektionen (z. B. Cholera) ist eine der Haupttodesursachen in Ländern der Dritten Welt, v. a. bei Kindern. Im Gegensatz zur osmotischen Diarrhö, z. B. bei Laktasemangel, stimulieren hier bakterielle Enterotoxine durch Erhöhung von cAMP, cGMP oder Ca2+ die Anionensekretion und hemmen die Na+-Resorption. Die Folge ist eine sekretorische Diarrhö. Eine kostengünstige und hoch wirksame Therapie ist daher die orale Gabe einer hoch konzentrierten Lösung aus Na+ und Glucose, um die Wasserrückresorption zu stimulieren (Abb. 14.15). Auf ihr beruht auch das bewährte Hausmittel bei Durchfall: Salzstangen und Cola (= Zucker!).

Kommunikation zwischen den Abschnitten

Sinnvollerweise finden Sekretion von Verdauungssäften bzw. Enzymen, Durchmischung und kräftige peristaltische Bewegungen nur dann statt, wenn der GI-Trakt gefüllt ist. Daher werden diese Vorgänge erst bei Bedarf nerval und hormonell (Tab. 14.6), lokal und über das Blut, in koordinierter Weise stimuliert. Bei fortschreitender und irgendwann abgeschlossener Verdauung müssen sie wieder gestoppt werden, da v. a. Salzsäure und Proteasen das Epithel gefährden würden. So
    • werden distal liegende Abschnitte auf ankommende Substrate vorbereitet (Vorwärtsstimulation)

    • wird die Tätigkeit jedes Abschnitts aufrechterhalten, bis die Verdauung darin abgeschlossen ist

    • werden nur solche Mengen in den Dünndarm transportiert, wie auch verarbeitet werden können (Rückwärtshemmung).

Zusätzlich muss bei den Verdauungsvorgängen die unterschiedliche Zusammensetzung der Nahrung berücksichtigt werden. Ist sie z. B. reich an Eiweiß, werden vermehrt Proteasen, ist reich an Fett, wird vermehrt Galle benötigt.

Kephale Phase

Schon die Vorstellung, v. a. aber Anblick, Geruch und Geschmack von Nahrung erregen, ausgehend vom Dienzephalon und vom limbischen System, vagale Efferenzen, die die Speichelproduktion erhöhen (Kap. 14.5). Im Magen stimulieren postganglionäre, vagale Neurone (Abb. 14.22).
    • Parietalzellen, Salzsäure zu produzieren

    • ECL-Zellen, Histamin zu sezernieren

    • G-Zellen im Antrum, Gastrin zu produzieren (Kotransmitter: Gastrin-releasing peptide [GRP])

    • Hauptzellen, Pepsinogenvesikel abzugeben.

Außerdem hemmen vagale Neurone die D-Zellen, worauf ihre Produktion an Somatostatin sinkt.
Histamin und Gastrin stimulieren die Parietalzellen, Somatostatin hemmt Parietalzellen sowohl direkt als auch indirekt durch Hemmung von ECL- und G-Zellen. Der Gesamteffekt des Vagus ist also die Produktion von Salzsäure (ca. 40 % der maximalen Sekretion) und Pepsinogen. Im Pankreas führt die vagale Stimulation der Azinuszellen zur Sekretion von Enzymen (Abb. 14.25).

Gastrale Phase

Im nächsten Schritt erhält der Magen seine eigene Aktivität und die von distalen Abschnitten so lange aufrecht, bis er vollständig entleert ist. Dazu dienen zum einen Dehnungsrezeptoren in der Wand, die über vagovagale Reflexbögen alle eben genannten vagalen Effekte aufrechterhalten (Abb. 14.22). Zum anderen sorgen lokale Reflexe des ENS, die die Parietalzellen direkt ansteuern, für weitere 50 % der maximalen Säureproduktion. Zusätzlich wird die Aktivität von chemosensitiven G-Zellen gefördert, die so lange Gastrin produzieren, wie Peptide im Magen vorhanden sind. Fleischbrühe enthält solche Peptide, daher ist es sinnvoll, dass sie am Beginn eines Mehr-Gänge-Menüs steht. G-Zellen werden außerdem von Kaffee und Alkohol (z. B. Grappa) am Ende stimuliert. G-Zellen liegen strategisch günstig erst im distalen Antrumteil. Dort werden sie von benachbarten pH-sensitiven D-Zellen parakrin durch Somatostatin gehemmt, wenn der pH im Antrum unter 2–3 sinkt, die Pufferkapazität des Chymus also ausgeschöpft ist. Damit wird eine Übersäuerung durch negatives Feedback schon im Magen vermieden. Ist der Magen wieder leer, fehlen Dehnungs- und Peptidreize, der pH sinkt weiter und die Tätigkeit wird eingestellt. Ghrelin vermittelt dann wieder Hungergefühl (Abb. 14.22).

Intestinale Phase

Tritt Speisebrei in den Dünndarm über, stimuliert er Sekretionsvorgänge in den Krypten, im Pankreas und in den Gallengängen. Er fördert die Säureproduktion (10 %) einerseits durch duodenale, peptidsensitive G-Zellen weiter, hält sie aber durch mehrere Mechanismen, v. a. bei Überlastung, im Zaum. Dazu liegen in der Wand des Dünndarms (Abb. 14.23):
    • pH-sensitive S-Zellen, die über Sekretin Krypten, Pankreas- und Gallengänge zur Sekretion eines HCO3-reichen Safts anregen und G-Zellen inhibieren → pH-Regulation.

    • K-Zellen, die durch Monomere wie Glucose, AS und emulgiertes Fett stimuliert GIP (gastric inhibitory peptide) produzieren, das folglich die Magensaftsekretion und die Magenmotilität hemmt.

    • I-Zellen, die in Gegenwart von mizellaren FS, Glucose und AS über Cholezystokinin (CCK) im Pankreas Enzyme freisetzen, die Gallenblase (Name!) kontrahieren und den Sphincter Oddii relaxieren. Damit halten sie die Verdauungstätigkeit im Dünndarm in Gang. CCK unterdrückt außerdem im Hypothalamus hungermeldende, orexigene Faktoren (Abb. 14.22, Abb. 14.5).

Motilin aus pH-sensitiven M-Zellen des Jejunums und Gastrin stimulieren die glatte Muskulatur des Magens und so die Durchmischung. Gleichzeitig kontrahiert CCK die Muskulatur des Antrums und verzögert so seine Entleerung.
GlP stimuliert außerdem als Inkretin die β-Zellen des Pankreas zur Insulinproduktion und bereitet so auf die anflutende Glucose vor.

Hormonelle Regulation einzelner Prozesse

Parietalzellen des Magens

Parietalzellen werden durch vagales ACh, Gastrin und Histamin stimuliert und durch Somatostatin gehemmt (Abb. 14.24). ACh bindet an muscarinische M3-Rezeptoren, Gastrin an sog. CCKB-Rezeptoren. Da sich die C-terminalen Enden von Gastrin und CCK ähneln, binden diese Hormone mit unterschiedlicher Affinität an ähnliche Rezeptoren auf ihren Zielzellen und haben teilweise auch überlappende Funktionen. Über Stimulation eines Gq-Proteins kommt es zur Aktivierung von PLC, das IP3 aus PIP2 freisetzt. Dadurch erhöht sich der intrazelluläre Ca2+-Spiegel. Dieses und das gleichzeitig entstehende DAG aktiviert die PKC. Lokal von ECL-Zellen freigesetztes Histamin bindet parakrin an den H2-Rezeptor, aktiviert über ein Gs-Protein die Adenylatcyclase (AC) und damit über cAMP die PKA. Aktivierte PKC und PKA führen über Phosphorylierung von Zielproteinen zur Verschmelzung der K+-H+-ATPase-haltigen Vesikel mit der Membran der Canaliculi. Die Wirkung der drei Stimulatoren potenziert sich damit also, sobald sie gleichzeitig einwirken.
Somatostatin (und Prostaglandine) hemmen die Adenylatcyclase über Gi-Proteine und vermindern auf diese Weise potent die Säureproduktion.

Azinuszellen des Pankreas

Die Azinuszellen in der Bauchspeicheldrüse produzieren (wie die Endstücke der Speicheldrüsen, Abb. 14.6) eine plasmaähnliche Flüssigkeit, allerdings nur in geringen Mengen. Dies geschieht durch sekundär aktiven Transport von Cl und parazellulären Nachstrom von Na+ und Wasser (dem transepithelialen, lumennegativen Potenzial folgend). Die parasympathische Aktivierung über ACh und M3-Rezeptoren bzw. CCK führt zum Anstieg des intrazellulären Ca2+, das über Proteinkinasen die Offenwahrscheinlichkeit luminaler Cl-Kanäle erhöht und so die Sekretion verstärkt (Abb. 14.6).
Gleichzeitig synthetisieren diese Zellen an ihrem rauen ER eine große Zahl von Verdauungsenzymen (Tab. 14.3), die in konstanten Mengenverhältnissen über den Golgi-Apparat in Zymogen-Granula verpackt werden. In diesen Granula sind die Proteasen inaktiv und von einer Membran umschlossen, außerdem verhindert ein Trypsin-Inhibitor die Selbstverdauung (Praxisfall). Wie bei den Parietalzellen des Magens aktivieren kephale Vagusstimulation und CCK wieder über ein Gq-Protein die PLC (Abb. 14.25). Das so gebildete IP3 setzt intrazellulär Ca2+ aus dem glatten ER frei. Ca2+, an Calmodulin gebunden, reguliert Proteinkinasen (PK) und Proteinphosphatasen (PP). Das gleichzeitig entstehende DAG aktiviert zusätzlich die PKC. Sekretin aus dem Dünndarm und VIP aus ENS-Neuronen aktivieren die PKA über Adenylatcyclase und cAMP. Die beiden Proteinkinasen PKA und PKC stimulieren durch Phosphorylierungsvorgänge von Zielproteinen die Verschmelzung der Granula mit der luminalen Membran durch Exozytose.

Zellen des Ausführungsgangs

Diese Zellen sind v. a. für den Austausch von Cl in der Azinusflüssigkeit gegen HCO3 verantwortlich. Dadurch wird der pH-Wert im Dünndarm sehr genau auf 8,2 titriert. Der Pankreassaft bleibt im Gegensatz zum Mundspeichel isoton und Na+-reich, kann aber bis zu 120 mmol/L an HCO3 enthalten, wobei die Cl-Konzentration bis auf 20 mmol/L absinkt. Ein basaler Na+-HCO3-Kotransporter und Carboanhydrase stellen intrazellulär HCO3 zur Verfügung (Abb. 14.26), das luminal durch einen HCO3-Cl-Austauscher in den Ausführgang transportiert wird. Das Cl aus dem Sekret der Azinuszellen rezirkuliert durch luminale Cl-Kanäle, z. B. den CFTR(Cystische-Fibrose-Transmembran-Regulator)-Kanal. Die treibende Kraft ist neben der üblichen basalen Na+-K+-ATPase, die den Na+-HCO3-Kotransport antreibt, auch eine H+-ATPase in der Membran von Vesikeln, die bei Stimulation durch Sekretin mit der basalen Membran verschmelzen. Außerdem ist noch ein basaler Na+-H+-Austauscher aktiv. Diese beiden Mechanismen entziehen der Zelle H+ und stellen so der Carboanhydrase genügend OH zur Verfügung. Sekretin aktiviert über cAMP und Phosphorylierung durch PKA den Na+-HCO3-Kotransporter, die H+-ATPase, v. a. aber den CFTR-Cl-Kanal (Mutationen führen zu Mukoviszidose, Kap. 14.8). Durch die massive HCO3-Sekretion strömen parazellulär, vom transepithelialen Potenzial gezogen, Na+ und Wasser ins Lumen. Dadurch kann die Flussrate etwa 10-fach ansteigen. ACh stimuliert CFTR über PLC, IP3 (nicht eingezeichnet) und Ca2+/CAM-Kinase bzw. DAG und PKC (Abb. 14.26).

Klinik

Beim Zollinger-Ellison-Syndrom leiden die Patienten stark unter Magengeschwüren, da hier gastrinsezernierende Tumoren ungeregelt die Parietalzellen stimulieren. Hemmung der K+-H+-ATPase mit Omeprazol ist eine wirksame Therapie. Diese Substanz wird nur im extrem sauren Magenmilieu in die wirksame Form überführt. Deshalb bleiben Nebenwirkungen am distalen Nierentubulus aus, wo durch die gleiche Pumpe pH und K+-Konzentration geregelt werden.

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