3 Ernährung und Verdauung

FAZIT–DAS MÜSSEN SIE WISSEN

–!Bei einemKupfermangelist z. B. die Aktivität derCyto- chrom-c-Oxidaseverringert.

–!!DieSuperoxiddismutaseenthält nebenZinkauchKupfer. –!Nur10–30 %des mit der Nahrung aufgenommenenEisens

werden imDarmresorbiert.

–!Beim gesunden Erwachsenen istmehr als die Hälfte(etwa 70 %) des gesamtenEisenbestandesimHämoglobinenthal- ten.

–!In 1 Liter Blut sind beim Erwachsenen ca. 600 mg Eisen enthal- ten.

–!Bei Eisenmangel kann es zu einer mikrozytären hypochromen Anämie kommen. Bei der das durchschnittliche Volumen und der Hämoglobingehalt der Erythrozyten erniedrigt ist.

–!!Fe²⁺wird mithilfe des TransportersDMT-1zusammen mit H⁺ durch die apikale Zellmembran in das Zytosol derMukosazelle (den Enterozyten) transportiert.

–!In derbasolateralen Membrander Mukosazelle sitzt der Ei- sentransporterFerroportin (IREG).

–!Die Reihenfolge der beteiligten Moleküle amEisentransport vom Darmlumen ins Blut lautet:DMT 1–Ferroportin–Trans- ferrin.

–!!Transferrindient als Transportprotein desEisensimBlut. –!Die Konzentration vonfreien Eisenionenim Blut wird durch

(Apo-)Transferrinniedrig gehalten.

–!Ferritinkommt in Zellen derLebervor und dient alsintrazel- lulärer Eisenspeicher.

–!DasIRE-BP(Iron-Response-Element-Bindungsprotein, das Apoproteinderzytosolischen Aconitase) ist ein RNA-Binde- protein.

–!!IRE-BPsteigert dieTranslationdes Transferrinrezeptors.

–!!!Von der Leber gebildetesHepcidinhemmt dieEisenaufnah- meüber dieDünndarmschleimhaut, indem esFerroportin bindet. Ferroportin wird dann ins Zellinnere verlagert (internali- siert) und dem lysosomalen Abbau zugeführt.

–!Hepcidinwird durch eineerhöhte Eisenkonzentrationim Blutplasma aktiviert.

–!Bei einem Kupferüberschuss in den Leberzellen wird Kupfer in die Gallenkanälchen sezerniert.

3 Ernährung und Verdauung

3.1 Ernährung

Die Nahrung setzt sich zusammen aus:

▪Hauptnahrungsstoffen(in Klammern der Anteil bei einer aus- gewogenen Ernährung):

– Kohlenhydrate (60 %): hauptsächlich Energiegewinnung – Lipide (25 %): Energiegewinnung und Membranbestandteile – Proteine (15 %): überwiegend Aufbau körpereigener Proteine

▪Vitaminen, Spurenelementen: in sehr geringen Mengen benö- tigt; essenzieller Bestandteil der Nahrung

▪Ballaststoffen: unverdauliche Bestandteile pflanzlicher Nah- rung, die wichtig für die Verdauung sind und die Motilität des Dickdarms stimulieren

Essenzielle Nahrungsbestandteile. Diese kann der Körper nicht selbst synthetisieren, sondern muss sie mit der Nahrung aufneh- men. Dazu zählen:

▪8 Aminosäuren:Phenylalanin, Isoleucin, Tryptophan, Methio- nin, Leucin, Valin, Lysin, Threonin; der Bedarf kann auch durch Aufnahme der entsprechendenα-Ketosäuren als Vorstufen ge- deckt werden.

▪Fettsäuren: z. B. die mehrfach ungesättigte Linolsäure (ω6- Fettsäure) und Linolensäure (ω3-Fettsäure); besonders in Pflanzen- und Fischölen enthalten; es sollten pro Tag mehrere Gramm aufgenommen werden.

▪Vitamine,Elektrolyte,Spurenelemente.

Bedeutung der Proteine. Die WHO empfiehlt die Aufnahme einer Mindestmengevon1 g Protein pro kg Körpergewichtam Tag.

Je näher die Aminosäurezusammensetzung eines Proteins der Aminosäurezusammensetzung des menschlichen Körpers kommt, desto höher ist seinebiologische Wertigkeit. Diese hängt außer-

dem vom Gehalt an essenziellen Aminosäuren ab. Tierisches Pro- tein ist biologisch höherwertig als pflanzliches.

APROPOS

Über dieStickstoffbilanzwird dieProteinbilanzdes Körpers gemessen.

Bei einer negativen Stickstoffbilanz verliert der Körper Stickstoff. Das be- deutet eine Proteinunterversorgung, die zu schwerwiegenden Gesund- heitsstörungen führen kann. Dagegen hat eine positive Stickstoffbilanz, d. h. eine übermäßige Proteinzufuhr, beim gesunden Menschen keine schädigende Wirkung.

3.1.1 Energieumsatz

Der Energieumsatz pro Tag unterliegt Schwankungen. Man muss dabei immer die ausgeübte Tätigkeit oder eine mögliche Erkran- kung beachten. Für die Energiemenge, die täglich mit der Nah- rung aufgenommen werden soll, gelten folgende Zahlen als gro- be Richtwerte:

▪Männer: 8400–12 600 kJ (2007–3011 kcal)

▪Frauen: 6300–10 500 kJ (1506–2510 kcal)

3.1.2 Energiegehalt der Nahrung:

der Brennwert

Die Energie für die Erhaltung der zahlreichen Funktionen unse- res Körpers ist in der Nahrung chemisch gebunden. Bei derbiolo- gischen Oxidationüber die Atmungskette wird diese Energie zu etwa 40 % in ATP umgewandelt, der Rest wird als Wärme frei. Die Energiemenge, die bei dieser Oxidation umgesetzt wird, bezeich- net man alsBrennwert. Die Maßeinheit für diese Energie ist die SI-Einheit Kilojoule (kJ).

LERNPAKET5

LERNTIPP

Da die veraltete Bezeichnung„Kilokalorie“(kcal) noch immer häu- fig benutzt wird und sich zuweilen auch bequemer mit ihr rech- nen lässt, wird sie hier zusätzlich aufgeführt: 1 kcal = 4,2 kJ;

1 kJ = 0,238 kcal.

APROPOS

Daskalorische Äquivalentist vom Brennwert abzugrenzen. Es steht für die Energieausbeute pro Liter Sauerstoff. Für Kohlenhydrate, Proteine und Lipide liegt es bei ungefähr 20 kJ · l^–1O2(~ 5 kcal · l^–1O2).

Man unterscheidet den physikalischen und den biologischen Brennwert. Für die Bestimmung desphysikalischen Brennwertes nutzt man ein Kalorimeter, das die Nährstoffe vollständig zu CO₂ und H₂O verbrennt (Tab. 3.1). Gleiches geschieht letztlich beim biologischen Abbau von Kohlenhydraten, Lipiden und auch Etha- nol im menschlichen Körper. Proteine werden jedoch vom Men- schen nicht vollständig abgebaut. Ausscheidungsprodukt ist Harnstoff, dessen Energie der Körper nicht mehr nutzen kann.

Deshalb ergibt sich bei der biologischen Oxidation ein niedrigerer Brennwert als bei der Verbrennung im Kalorimeter. Man spricht dann vombiologischen Brennwert. Der biologische Brennwert von Proteinen ist demnach geringer als der physikalische.

LERNTIPP

Merken Sie sich unbedingt die Brennwerte für die inTab. 3.1auf- geführten Nahrungsstoffe! Mit diesem Wissen lassen sich einfach ein paar Punkte ergattern.

RECHENBEISPIELE

Rechenbeispiel 1

Wenn ein Patient täglich 150 g Eiweiß zu sich nimmt, wie viel Gramm Kohlenhydrate sollte er dann ungefähr zusätzlich verzehren, um seinen Energiebedarf von etwa 7100 kJ (1700 kcal) pro Tag zu decken?

Lösungsweg:1 g Protein und 1 g Kohlenhydrate haben beide den- selben Brennwert von ca. 4,0 kcal; 150 g Protein haben daher einen Brennwert von ca. 150 g · 4,0 kcal = 600 kcal.

Um insgesamt 1700 kcal zuzuführen, muss der Patient daher noch 1100 kcal zu sich nehmen. Soll dies durch die Aufnahme von Kohlenhy- draten geschehen, muss er etwa eine Menge von 1100 kcal/(4,0 kcal · g^–1) = 275 g verzehren.

Lösung:275 g

Rechenbeispiel 2

Welche Proteinmenge hat den gleichen Brennwert wie 60 g Kohlenhy- drate?

Lösungsweg:Da Kohlenhydrate mit ca. 4,0 kcal · g^–1den gleichen Brennwert haben wie Protein, kann man die Kohlenhydrate einfach durch die gleiche Menge an Protein ersetzen.

Lösung:60 g

Rechenbeispiel 3

Wieviel Energie enthält etwa 1 Liter einer 5 %igen Glucoselösung?

Lösungsweg: In einem Liter (= 1 kg) 5 %iger Glucoselösung sind 0,05 · 1000 g = 50 g Glucose enthalten. Es ist also der Brennwert von 50 g Glucose zu berechnen. 50 g Glucose haben einen Brennwert von ca. 50 g · 4,0 kcal = 200 kcal

Lösung:200 kcal

Rechenbeispiel 4

Welche Menge Protein ist äquikalorisch zu 50 g Ethanol?

Lösungsweg:Zunächst wird der Brennwert der angegebenen Etha- nolmenge ausgerechnet und dann die entsprechende Menge an Protein ermittelt.

50 g Ethanol haben einen Brennwert von ca. 50 · 7,1 kcal = 355 kcal; ca.

350 kcal.

1 g Protein hat einen Brennwert von ca. 4,0 kcal. Um 350 kcal zu sich zu nehmen, muss man 350 kcal/(4 kcal · g^–1) = 90 g Protein verzehren.

Lösung:90 g

LERNTIPP

Runde Sache: Da die hier und auch die in der Prüfung angegebe- nen Werte (die Brennwerte und auch die Umrechnung von kcal in kJ) gerundet sind, können die angebotenen Antworten ein wenig von Ihren Berechnungen abweichen. Wenn Sie mit Ihren Überle- gungen und Berechnungen nicht auf dem Holzweg sind, ist die richtige Antwort aber eindeutig–Sie werden sie auch erkennen, wenn die Werte nicht zu 100 % übereinstimmen.

FAZIT–DAS MÜSSEN SIE WISSEN

–!Die biologische Wertigkeit von Nahrungsproteinen wird durch ihren Gehalt an essentiellen Aminosäuren bestimmt.

–!!!Der physiologische Brennwert vonKohlenhydratenist 17 kJ/g (4 kcal/g).

–!!!Der physiologische Brennwert vonLipiden(z. B. Triacylglyce- rin) ist 39 kJ/g (9 kcal/g).

–!!Der physiologische Brennwert vonProteinist 17 kJ/g (4 kcal/g).

–!!!Der physiologische Brennwert vonEthanolist 30 kJ/g (7 kcal/g).

3.2 Verdauung

Die meisten Nahrungsbestandteile müssenmechanischundenzy- matischin kleinere Moleküle zerlegt werden, bevor der Körper sie aufnehmen kann. Die Nahrungsstoffe durchwandern den Verdau- ungstrakt, wo sie schrittweise mit verschiedenenSekretenver- mischt werden, die die Verdauungsenzyme enthalten (Abb. 3.1).

Nach derSpaltungwerden die einzelnen Bausteine von den Mu- kosazellen im Dünndarmresorbiertund über dasBlutbzw. die Lymphe zum Ort ihrer weiteren Verarbeitung gebracht. Die nicht verwerteten Bestandteile werden ausgeschieden.

APROPOS

Die Verdauung wird durch verschiedeneHormoneund nerval durch den Parasympathikusreguliert. Der Parasympathikus fördert die Verdauung.

Die Motilität des Verdauungstraktes wird noch zusätzlich durchMotilin gefördert, das im Dünndarm sezerniert wird. Weitere Hormone wirken meist speziell auf die Sekretion von Verdauungssäften.

Tab. 3.1Brennwerte der Hauptnahrungsstoffe und von Ethanol.

Nahrungs- stoff

physikalischer Brennwert

biologischer (physio- logischer) Brennwert Kohlenhydrate

(z. B. Stärke, Gly- kogen, Cellulose)

17 kJ · g^–1(4,0 kcal · g^–1) 17 kJ · g^–1(4,0 kcal · g^–1)

Lipide (z. B.

Triacylglycerin)

38,9 kJ · g^–1(9,3 kcal · g^–1) 38,9 kJ · g^–1(9,3 kcal · g^–1)

Proteine 23 kJ · g^–1(5,5 kcal · g^–1) 17 kJ · g^–1(4 kcal · g^–1) Ethanol 30 kJ · g^–1(7,1 kcal · g^–1) 30 kJ · g^–1(7,1 kcal · g^–1)

3.2.1 Verdauungssekrete

Der Mundspeichel wird vor allem zum„Einspeicheln“benötigt, um die Passage der Nahrung durch die Speiseröhre zu erleich- tern. Hierfür sind die sog.Muzinezuständig. Muzine sind Glyko- proteine, die sehr viele O- und N-glykosidisch gebundene Koh- lenhydratketten enthalten. Diese Kohlenhydratketten sind am häufigsten mit den Seitenketten der Aminosäuren Serin und Threonin verknüpft. Außerdem enthält Mundspeichel das Enzym Ptyalin (eine α-Amylase). α-Amylasen spalten α1→4-glykosi- dische Bindungen und bauen diePolysaccharideStärke und Gly- kogen zu kleineren Bruchstücken wie Oligosacchariden undDis- acchariden(Maltotriose, Maltose und Isomaltose) ab. Die Ver- dauung der Kohlenhydratebeginnt also schon im Mund.

Pro Tag werden etwa 0,5–1,5 Liter Mundspeichel von ver- schiedenen Drüsen sezerniert (Glandula submandibularis, sub- lingualis, parotis). Zum Anstieg des Speichelflusseskommt es durch parasympathische Aktivierung.

Salzsäure des Magensafts

Der Magensaft ist durch eine hohe H⁺-Konzentration stark sauer (pH 0,8–2,3). Durch diesen niedrigen pH-Wert denaturieren Pro- teine und können so von Enzymen besser abgebaut werden. Die Nebenzellen der Magenschleimhaut bilden Muzine, die die Schleimhaut vor der aggressiven Salzsäure schützen. Für die Syn- these der Muzine wird Prostaglandin E (PGE) benötigt. Wird die

Synthese des PGE gehemmt (z. B. durch Cyclooxygenasehemmer wie Acetylsalicylsäure), kommt es häufig zu Gastritis und Ma- gengeschwüren.

Produktion von Salzsäure (HCl). In denBelegzellen(Parietalzel- len) der Magenschleimhaut werden von derCarboanhydrase H⁺- Ionengebildet, die ebenso wieCl^–-Ionenaus den Belegzellen in das Magenlumen sezerniert werden (Abb. 3.2). Eine Hemmung der Carboanhydrase führt daher zu einer verringerten Produk- tion von Magensäure. Die Belegzellen produzieren außerdem denIntrinsic Factorfür die Vitamin-B₁₂-Aufnahme.

LERNTIPP

„In den Belegzellen wird Salzsäure produziert und diese dann in das Magenlumen sezerniert.“Diese Aussage gibt die Verhältnisse zwar nicht ganz genau wieder, sie ist aber in der Prüfung u. U. die richtige Antwort.

Genau genommen bildet die Carboanhydrase nämlich die H⁺- Ionen. Die Cl^–-Ionen werden auf der basolateralen Seite in die Be- legzelle aufgenommen und unabhängig von den H⁺-Ionen in das Magenlumen sezerniert. Die von den Belegzellen gebildeten Ionen der Salzsäure, H⁺und Cl^–, liegen immer dissoziiert vor.

1. Carboanhydrase-Reaktion. CO₂+ H₂O⇌HCO₃+ H⁺

Aus den Substraten CO₂ (Kohlendioxid) und H₂O (Wasser) entstehen Hydrogencarbonat (HCO₃) und Protonen (H⁺).

2. H⁺/K⁺-ATPase-Reaktion. Die Protonen werden aktiv (d. h. un- ter direktemATP-Verbrauch) von einerH⁺/K⁺-ATPaseins Magen- lumen gepumpt. Im Austausch gelangt dabeiKalium(K⁺)in die Zelle. Dieser Transporter wird auch alsProtonenpumpebezeich- net. Er sorgt direkt für den niedrigen pH-Wert im Magen. Die nachfolgenden Reaktionen 3 und 4 dienen dem passiven Cl^–- Transport von der basolateralen zur luminalen Seite der Beleg- zellen. Die treibende Kraft sind die Protonen im Lumen.

3. HCO₃=Cl-Antiport. Zum Ladungsausgleich wird das HCO₃ auf der basolateralen Seite der Zelle im Antiport gegen Chlorid (Cl^–) aus der Zelle transportiert. Das Cl^–-Ion gelangt dabei in die Zelle.

4. Cl^–/K⁺-Transport. Das Cl^–wird gemeinsam mit K⁺an der lumi- nalen Membran wieder aus der Zelle transportiert. Das K⁺, das vorher durch die Protonenpumpe in die Zelle gepumpt wurde, gelangt so wieder aus der Zelle hinaus.

Abb. 3.1 Der Verdauungstrakt und seine Funktion.

–

+

+

+ + +

+ –

–

–

2 3 4

1

Histaminrezeptor Gastrinrezeptor Acetylcholin- rezeptor

Abb. 3.2 H⁺-Produktion und ihre Sekretion durch die Belegzellen(zu

den Schritten 1–4 siehe Text). LERNPAKET5

APROPOS

Substanzen, die direkt die H⁺/K⁺-ATPase in den Belegzellen der Magen- schleimhaut hemmen, werden alsProtonenpumpenhemmer bezeich- net. Sie können den Säuregehalt im Magen verringern. Diese Medikamen- te (Wirkstoffe sind z. B. Omeprazol, Pantoprazol) werden vor allem zur Be- handlung von Magen- und Duodenalgeschwüren (Ulcus ventriculi und duodeni) eingesetzt.

Regulation der HCl-Produktion. Die Produktion der HCl wird über gastrointestinale Hormone gesteuert (Tab. 3.3). Auch Neu- rotransmitter sind an dieser Regulation beteiligt (Tab. 3.2).

Funktion der HCl. Der sehr niedrige pH-Wert führt zu einerDe- naturierung der Proteine. Dadurch wird die Quartär-, Tertiär- und Sekundärstruktur der Proteine zerstört. Die Primärstruktur, die durch die Peptidbindungen zwischen den einzelnen Amino- säuren festgelegt wird, bleibt jedoch erhalten.

FAZIT–DAS MÜSSEN SIE WISSEN –!α-Amylasebaut Glykogen ab.

–!α-Amylasenspaltenα1→4-glykosidische Bindungen.

–!MuzinesindGlykoproteine.

–!DieKohlenhydratketteninMuzinensind am häufigsten mit den Seitenketten der Aminosäuren Serin und Threonin ver- knüpft.

–!Fehlendes Prostaglandin Ehemmt die Synthese derMuzine der Magenschleimhaut.

–!Die Salzsäuresekretion wird durch einenK⁺-Kanalauf derder luminalen Membran der Belegzelle unterstützt, welcher das K⁺, das vorher durch die Protonenpumpe in die Zelle gepumpt wur- de, wieder aus der Zelle hinausschafft.

Enzyme des Magensafts

DieHauptzellender Magenschleimhaut bildenPepsinogen. Die Umwandlung von inaktivem Pepsinogen in das aktive Pepsin fin- det erst im Magenlumen durch sog.limitierte Proteolysestatt.

Diese Form der Aktivierung ist typisch für Peptidasen. Sie findet immer extrazellulär statt, damit die aktivierten Peptidasen nicht die zelleigenen Proteine zerstören.Pepsinist eineEndopeptida- se: Sie kann ein Protein nur innerhalb der Polypeptidkette spal- ten. Pepsin schneidet vor allem an den aromatischen Aminosäu- ren Tyrosin und Phenylalanin. Sein pH-Optimum liegt zwischen 1,0 und 2,0. Außerdem wird von den Hauptzellen auch eineMa- genlipaseproduziert. Diese spielt bei der Fettverdauung des Er- wachsenen jedoch nur eine untergeordnete Rolle.

Pankreassaft

Pro Tag werden etwa 2 LiterSekret des exokrinen Pankreasin das Duodenum sezerniert. Es hat einen pH-Wert von 7–8 und enthält vielHydrogencarbonat, um den niedrigen pH-Wert aus dem Magen zu neutralisieren. Da das Duodenum keine ausrei- chende Schleimschicht hat, würde es sonst durch den niedrigen pH-Wert zerstört werden. Der Pankreassaft enthält außerdem zahlreiche Enzyme, die sämtliche Nährstoffe angreifen. DiePro- teasen des Pankreaswerden alle durchlimitierte Proteolyseak- tiviert.

α-Amylasen. Sie spalten GlykogenundStärkebis zu den Dis- acchariden Maltose und Isomaltose, und sie führen die bereits im Mund begonnene Zerlegung der Kohlenhydrate weiter.

(Desoxy-)Ribonucleasen. Sie spalten die Nucleinsäuren in Nu- cleotide.Die Basen werden dann resorbiert und über den Salvage Pathway in den Nucleotidstoffwechsel eingeschleust.

Pankreaslipase. Sie spaltet die Triacylglycerine meist in zwei freie Fettsäuren und β-Monoacylglycerin (S. 39). Das Enzym muss vorher durch eine Colipase, die den Kontakt mit Lipid- grenzflächenvermittelt und so dasaktive Zentrumder Pankre- aslipase freigibt, aktiviert werden. Die Pankreaslipase kann bei akuterSchädigungdes Pankreas inerhöhter Konzentrationim Blutplasma und im Urin nachgewiesen werden.

Tab. 3.2Hormone und Neurotransmitter zur Förderung der HCl-Produktion.

Bezeichnung Bildungsort Stimulation durch Wirkung

Hormone

Gastrin Gastrinzellen im Magen Magendehnung, proteinrei- che Nahrung

bindet an Rezeptoren auf Belegzellen; stimuliert Frei- setzung von Histamin aus enterochromaffinen Zellen

Histamin enterochromaffin-ähn-

liche (ECL-)Zellen

Gastrin, Acetylcholin bindet an H₂-Rezeptoren auf Belegzellen und fördert die Freisetzung von H⁺-Ionen

Neurotransmitter

Acetylcholin Parasympathikus ZNS stimuliert Freisetzung von Histamin, wirkt über IP₃und

Ca²⁺als Second Messenger

Tab. 3.3Hormone zur Hemmung der HCl-Produktion.

Bezeichnung Bildungsort Stimulation durch Wirkung

Somatostatin D-Zellen des Intesti-

naltraktes

hohe Protonenkonzentration Hemmung der Ausschüttung von Histamin, direkte Hemmung der HCl-Produktion in den Belegzellen Sekretin Duodenum, Jejunum saurer Mageninhalt, Polypepti-

de in der Nahrung

Hemmung der Ausschüttung von Gastrin, Stimula- tion der pankreatischen HCO₃-Sekretion

Cholecystokinin Duodenum, Jejunum Fettsäuren und Peptide im Duodenum

Hemmung der Magenmotorik, Herabsetzung des Hungergefühls

gastroinhibitorisches Peptid (GIP)

Duodenum, oberes Je- junum

Glucose, Aminosäuren, Fett- säuren

Hemmung der Magenmotorik

Phospholipase. Sie spaltetPhospholipidein Glycerin, Fettsäuren und die jeweilige organische Verbindung.

Cholesterinesterase. Sie spaltetCholesterinester in freies Cho- lesterin und eine Fettsäure.

Endopeptidasen. Die EndopeptidasenTrypsinundChymotrypsin gehören beiden zu denSerinproteasen(S. 37). Sie spalten diePro- teine innerhalb der Polypeptidkettehydrolytisch hinter bestimm- ten Aminosäuren.Trypsinspaltethinterden basischen Aminosäu- renArgininundLysin, Chymotrypsin dagegen hinter den aromati- schen Aminosäuren Tryptophan und Phenylalanin. Beide Endo- peptidasen haben ein pH-Optimum zwischen 7 und 8 (im Gegen- satz zu Pepsin im Magen mit einem pH-Optimum von 1).

DieVorstufenvon Trypsin und Chymotrypsin sindTrypsino- genbzw.Chymotrypsinogen. Sie werden durchlimitierte Pro- teolyseaktiviert.

Exopeptidasen.Die Exopeptidasen Carboxypeptidase Aund B spalten die Aminosäuren hydrolytisch vom Carboxylende der Proteinketten ab. Carboxypeptidase A spaltet aromatische Ami- nosäuren ab, Carboxypeptidase B dagegen basische Aminosäu- ren. Beide Enzyme benötigen Zink als Cofaktor.

Die Aktivierung derinaktivenVorstufenProcarboxypeptida- se Abzw.Procarboxypeptidase Berfolgt durch limitierte Proteo- lyse.

Elastasen. Sie spalten das Protein Elastin. Die Vorstufen der Elastasen heißenProelastasenund werden ebenfalls durch limi- tierte Proteolyse aktiviert.

LERNTIPP

Der Pankreassaft und seine Enzyme wie auch deren Vorstufen sind ein beliebtes Prüfungsthema. Es werden viele Fragen dazu ge- stellt.

FAZIT–DAS MÜSSEN SIE WISSEN –!Pepsinist imMagensaftaktiv.

–!Ribonuleasen sind Teil des Pankreassekrets.

–!!Die EndopeptidaseTrypsinist eineSerinproteaseund spaltet Polypeptidkettenhinterden basischen AminosäurenArginin und Lysin.

–!Die EndopeptidaseChymotrypsinist ebenfalls eineSerinpro- tease.

–!Trypsinogen ist einProenzym.

Gallenflüssigkeit

Die Gallenflüssigkeit wird in der Leber gebildet (ca. 0,5 Liter pro Tag) und in derGallenblasegespeichert. Sie wird gemeinsam mit dem Pankreassekret in das Duodenum sezerniert und enthält Gallensäuren, Gallenfarbstoffe, Cholesterin und Phospholipide.

Die Gallensäuren sind unerlässlich für die Lipidverdauung.

Gallensäuren. Sie werden in der Leber aus dem hydrophoben Cholesterin hergestellt und mit hydrophilen Aminosäuren (Gly- cin) oder Aminosäurederivaten (Taurin) konjugiert. Die dadurch entstehenden Gallensalze sindamphiphileSubstanzen (sie ha- ben einen hydrophoben und einen hydrophilen Anteil) und kön- nen als Detergenzien wirken.

Durch ihreDetergenswirkungkönnen Gallensäurenintegrale Membranproteinevon den sieumgebenden Lipidenlösen. Sie emulgieren aber auch Lipidbestandteile der Nahrung, indem sie

sich mit ihrem hydrophoben Schwanz an die Lipide lagern, wobei ihr hydrophiler Kopf nach außen weist. Es entsteht eine Mizelle, die nach außen hydrophil und damit im wässrigen Verdauungs- sekret löslich ist. Auchβ-Monoacylglycerinistamphiphilund an derMizellenbildungbeteiligt. Die Mizelle transportiert die lipo- philen Nahrungsbestandteile im wässrigen Medium bis zur Plas- mamembran der Enterozyten. Dort zerfällt sie und die lipophilen Anteile passieren die Membran. Die Gallensäuren werden erst im terminalen Ileum reabsorbiert und gelangen dann über denente- rohepatischen Kreislauf(S. 67) wieder zur Leber zurück.

Gallensäuren wirken in der Gallenflüssigkeit auch als Lö- sungsvermittler für Cholesterin und sind ebenfalls notwendig für dieAufnahmeder fettlöslichenVitamine A, D, EundK.

Cholesterin und Phospholipide. Cholesterin kann vom mensch- lichen Organismus nicht abgebaut und damit nicht zur Energie- gewinnung herangezogen werden. Ein kleiner Teil wird frei mit der Gallenflüssigkeit ausgeschieden, den Großteil aber wandelt die Leber in Gallensäuren (S. 66) um. Auch Phospholipide werden bei Bedarf über die Gallenflüssigkeit ausgeschieden.

Gallenfarbstoffe. Sie entstehen beim Abbau von Hämoglobin.

Durch die Konjugation in der Biotransformation (S. 68) in der Le- ber mit Glucuronsäure werden sie hydrophil und sind in der Gal- lenflüssigkeit alsBilirubindiglucuronidlöslich. DieAusscheidung von Bilirubindiglucuronid aus den Hepatozyten in die Gallenka- nälchen erfolgt durch einenaktiven Transport.

FAZIT–DAS MÜSSEN SIE WISSEN

–!Gallensalze sindamphiphile Substanzen(amphiphile Steroi- de).

–!Gallensäuren fördern die enterale Resorption lipophiler Nah- rungsbestandteile.

–!DieAusscheidungvonBilirubindiglucuronidaus den Hepa- tozyten in die Gallenkanälchen erfolgt durch einenaktiven Transport.

3.2.2 Verdauung der einzelnen Nährstoffe

Verdauung. Proteine, die mit der Nahrung aufgenommen wer- den, bestehen aus Aminosäuren und sind oft komplexe Moleküle, deren Strukturen aufgebrochen werden müssen. Für diesen Schritt wird der saure pH-Wert imMagenbenötigt, der die Pro- teine denaturiert, sodass nur die Primärstruktur (Aminosäure- kette) erhalten bleibt. Erst nach der Denaturierung im Magen be- ginnt das erste Enzym, Pepsin, damit, die Aminosäurekette in kürzere Peptide zu spalten.

ImDuodenumgelangen weitere Peptidasen aus dem Pankre- assekret zu den Proteinen (Abb. 3.3):Trypsin,Chymotrypsinund dieCarboxypeptidasen A und B. Die gesamten Peptidasen des Pankreassekrets werden als Vorstufen sezerniert und durch limi- tierte Proteolyse erst im Lumen aktiviert. Hier spielt dieEntero- peptidase(Enterokinase) eine wichtige Rolle. Dieses Enzym wird von der Dünndarmmukosasezerniert und setzt die kaskaden- artige Aktivierung der Vorstufen in Gang:

DieEnteropeptidasesetztTrypsinogen(ein Zymogen oder in- aktives Proenzym) durch limitierte Proteolyse inTrypsin(aktive Form) um. Trypsin aktiviert dann Chymotrypsinogen und die Procarboxypeptidasen AundB. Außerdem aktiviert Trypsin in einem sich selbst verstärkenden Aktivierungsprozess weitere Trypsinogenmoleküle zu Trypsin.

LERNPAKET5

LERNTIPP

Ein kleiner Fallstrick in der Prüfung: Zwar werden alle Proteasen des Pankreas durch limitierte Proteolyse aktiviert. Die Enteropepti- dase aktiviert aber lediglich Trypsinogen zu Trypsin–Trypsin über- nimmt dann den Rest.

Die aktivierten Peptidasen spalten die Aminosäureketten im Duodenum weiter auf und es bleibenOligopeptide(mit bis zu acht Aminosäureresten) und einzelne Aminosäuren übrig. Die Oligopeptide werden durchAminopeptidasen undOligopepti- dasen, membranständige Enzyme in der apikalen Membran der Mukosazellen, weiter in Di- oder Tripeptide oder einzelne Ami- nosäuren gespalten. Diese werden im weiteren Darmabschnitt von den Mukosazellen resorbiert und die Di- und Tripeptide von zytosolischen Peptidasen in Aminosäuren zerlegt. Aus den Mu- kosazellen gelangen die Aminosäuren in die Blutgefäße des Darms. Die Gefäße vereinigen sich zurPfortaderund die Amino- säuren erreichen direkt dieLeber, wo ein großer Teil der vom Körper benötigten Proteine synthetisiert wird (u. a. Albumin).

Es wurde schon einmal eine Frage zur zeitlichen Reihenfolge der Aktivität von Verdauungsenzymen gestellt. Es lohnt sich also, sich zu merken, wo welche Enzyme lokalisiert sind. In diesem speziellen Fall lautete die Reihenfolge: Pepsin, Enteropeptidase, Trypsin, Chymotrypsin.

Resorption der Aminosäuren und Oligopeptide. Die Resorption der verschiedenen Aminosäuren durch die luminale (apikale) Zellmembrander Epithelzellen der Mukosa erfolgt über spezi- fischeNa⁺-gekoppelte Aminosäuretransporter, wie sie auch in den renalen Tubuluszellen vorkommen. Der Aufnahmemechanis- mus ist einsekundär aktiver Na⁺-Symport(Abb. 3.4). Die Amino- säuren werden an der luminalen Membran der Mukosazellen ge- meinsam mit Na⁺in die Zelle aufgenommen. Die Energie dafür

liefert ein Na⁺-Gradient, der durch eine basolateral gelegene Na⁺/K⁺-ATPase aufrechterhalten wird. Diese Na⁺/K⁺-ATPase pumpt unter ATP-Verbrauch im Austausch gegen K⁺-Ionen Na⁺-Ionen aus der Zelle hinaus (primär aktiver Transport).

Die Aufnahme der Oligopeptide geschieht H⁺-abhängig über einenNa⁺/H⁺-Austauscher, der an die Na⁺/K⁺-ATPase gekoppelt ist.

FAZIT–DAS MÜSSEN SIE WISSEN

–!DieEnteropeptidasewird von derDünndarmmukosasezer- niert.

–!!DieEnteropeptidasesetztTrypsinogen(ein Zymogen) durch limitierte Proteolyse inTrypsin(aktive Form) um.

–!TrypsinkannTrypsinogenzu Trypsin aktivieren.

–!Die zeitlich-funktionelle Reihenfolge derAktivierung der Ver- dauungsenzymelautet: Pepsin–Enteropeptidase–Trypsin– Chymotrypsin.

Nahrungsprotein

Denaturierung

Polypeptide

Pepsin

Trypsin Chymotrypsin

Speicheldrüse

Magenzelle

Carboxy- peptidasen

Oligopeptide und Aminosäuren

Darmlumen

(Belegzelle) HCl

(Hauptzelle) Pepsinogen

Pankreaszelle

Mukosazelle Trypsinogen Chymotrypsinogen

Procarboxy- peptidase A/B

Aminopeptidasen Dipeptidasen

Aminosäuren Aminosäuren

Pfortader-System Leber

Abb. 3.3 Verdauung der Proteine.

luminal basolateral

(Blut) Na⁺

Na⁺ Na⁺ Amino-

säuren

Amino- säuren

Na⁺ Na⁺/K⁺- ATPase K⁺

Na⁺ Na⁺/K⁺- ATPase K⁺

Amino- säuren

Na⁺

H⁺ H⁺ Oligo-

peptide Aminosäuren Amino-

säuren Peptidasen

Abb. 3.4 Resorption der Aminosäuren.

Kohlenhydrate

Verdauung.Die mit der Nahrung am häufigsten aufgenommenen Kohlenhydrate sindGlykogenundStärke. Beide sind ausschließ- lich aus Glucosemolekülen aufgebaut, dieα-glykosidisch miteinan- der verknüpft sind. Sie werden durch dieα-Amylasenim Mund (Ptyalin) und aus dem Pankreas bis in die Disaccharide Maltose (mit einer α1→4-glykosidischen Bindung) und Isomaltose (mit einerα1→6-glykosidischen Bindung) gespalten (Tab. 3.4,Abb. 3.5).

Die ebenfalls in der Nahrung vorhandeneCellulose besteht aus Glucosemolekülen, dieβ-glykosidisch miteinander verbun- den sind. Da der menschliche Organismus keineβ-glukosidischen Bindungen spalten kann, wird Cellulose alsBallaststoffunverdaut ausgeschieden. Allgemein sind Ballaststoffestabilgegen vom Pan- kreas sezernierteVerdauungsenzyme, doch könnenDarmbakte- riengeringe Mengen zukurzkettigen Fettsäurenabbauen.

Neben der (Iso-)Maltose gelangen auch die Disaccharide SaccharoseundLactosein den Darm. Erst durch die Disacchari- dasenMaltase, Isomaltase,SaccharaseundLactasein der apika- len Zellmembran der Enterozyten werden sie weiter gespalten.

Tab. 3.4gibt einen Überblick über die Verdauung der Kohlenhy- drate.

Resorption der Monosaccharide. Die Resorption von Glucose undGalactoseerfolgt durch einen Na⁺-Glucose-(Galactose-)Co- transporter(SGLT 1) in derluminalen (apikalen)Zellmembran der Darmmukosa (Bürstensaummembran). Wie die Resorption der Aminosäuren ist der Mechanismus einsekundär aktiver Na⁺-

Symport(Abb. 3.6). Die Energie dafür wird von derselben basola- teral gelegenen Na⁺/K⁺-Pumpe bereitgestellt. Die Resorption der Glucose ist unabhängig von Insulin. Fructose wird durch erleich- terte Diffusion aufgenommen.

Die Glucose gelangt über erleichterte Diffusion, vermittelt durch den Glucosetransporter GLUT 2, direkt in die Pfortader und schließlich zurLeber, wo sie zumindest teilweise als Glyko- gen gespeichert werden kann. Fructosewird dagegen mithilfe des fructosespezifischen GlucosetransportersGLUT 5aufgenom- men. Ein Defekt von GLUT 5 kann daher zu einer Fructosemal- absorption (eine Absorptionsstörung durch eine reduzierte Transportfunktion der Membran im Dünndarm oder auch mor- phologische Veränderungen der Mukosa) führen.

FAZIT–DAS MÜSSEN SIE WISSEN

–!!An der apikalen Zellmembran derEnterozytenkommt das EnzymSaccharasevor.

–!Saccharasespaltet Saccharose,ein 1,2-glykosidisch ver- knüpftes Disaccharid,in Fructose und Glucose.

–!Glucoseverlässt die Enterozyten mithilfe desGlucosetrans- porters GLUT 2.

–!EineFructosemalabsorptionkann auf einenDefekt in GLUT 5zurückgehen.

Lipide

Verdauung. Die Lipidverdauung beginnt–von der Magenlipase abgesehen–erst imDuodenum(Abb. 3.7). Hier werden die be- nötigten Enzyme (Lipase, Phospholipase, Cholesterinesterase) aus dem Pankreas sezerniert und die Gallenflüssigkeit zugeführt.

Erst dieGallensäurender Gallenflüssigkeit machen die Fettver- dauung möglich, da sie diePankreaslipaseaktivieren. Die Pan- kreaslipase spaltet vom Neutralfett, demTriacylglycerin, die ein- zelnen Fettsäuren ab. So entstehen meist β-Monoacylglycerin und zwei freie Fettsäuren oder auch Glycerin und drei freie Fett- säuren.

Cholesterinester (Cholesterin mit einer Fettsäure verestert) werden durch die Cholesterinesterase gespalten und können dann resorbiert werden.

Resorption der Lipidbestandteile. Die einzelnen Lipidbestand- teile werden von den Gallensäuren in Mizellen emulgiert und zur Zellmembran transportiert. Die Membran ist für die lipophi- len Nahrungsbestandteile durchlässig, die so in die Mukosazelle gelangen. Nur sehr kurze und damit wasserlösliche Fettsäuren (< C₁₀) gelangen von dort direkt ins Blut. Größere Lipidbestand- teile werden in Lipoproteinentransportiert. Dafür werden die Polysaccharide

α-Amylase

α-Amylase

α-Amylase

α-Amylase Disaccharide

Monosaccharide:

Glucose Galactose Fructose

Disaccharidasen Disaccharidasen Oligosaccharide

Disaccharide

Glucose Galactose Fructose

Glucose Galactose Fructose Mukosazelle

Pankreaszelle Magenzelle Speicheldrüse

Pfortader-System Leber

Darmlumen

Abb. 3.5 Verdauung der Kohlenhydrate.

+ +

+ + +

+

SGLT1 GLUT2

Abb. 3.6 Resorption der Monosaccharide.

Tab. 3.4Übersicht über die Verdauung der Kohlenhydrate.

Ort Enzym Spaltprodukte

Mund α-Amylase Ptyalin Maltose, Isomaltose Pankreas (Duodenum) Pankreas-α-Amylase Maltose, Isomaltose Darmmukosa Maltase, Isomaltase Glucose

Lactase Glucose, Galactose Saccharase Glucose, Fructose

LERNPAKET5

einzelnen Lipidbestandteile in der Mukosazelle durch die Triacyl- glycerinsynthetase wieder zusammengesetzt (langkettige Fett- säuren werden reverestert) und zusammen mit Cholesterin und den aufgebauten Phospholipiden in Chylomikronen verpackt.

Chylomikronen werden in dieLymphbahnabgegeben.

APROPOS

Würden die Chylomikronen in die Blutbahn (Pfortader) abgegeben, ge- langten sie direkt in die Leber. Über die Lymphbahn erreichen sie jedoch über den Ductus thoracicus direkt den Körperkreislauf und können beson- ders Muskulatur und Fettgewebe ohne Verzögerung versorgen. Dies ge- schieht mithilfe der Lipoproteinlipase, die die Chylomikronen im Blut ab- baut und so für die Muskulatur bzw. das Fettgewebe die Fettsäuren bereit- stellt.

FAZIT - DAS MÜSSEN SIE WISSEN

–!In denEnterozytenwerden die einzelnen Lipidbestandteile wieder zuTriacylglycerin zusammengebaut, bevor sie in Chy- lomikronen verpackt werden.

GESCHAFFT

Du bist, was du isst! Nach der Lektüre dieses Lernpakets müssten Sie diesen Ausspruch mit viel Inhalt und Leben füllen können. Von den Vi- taminen bis hin zur Verdauung der einzelnen Nährstoffe haben Sie alles gut durchgekaut. Lassen Sie sich von den Hormonen im nächsten Lern- paket nicht aus dem Gleichgewicht bringen!

Triacylglycerin Cholesterinester

Phospholipide

Cholesterin β-Monoacylglycerin (β-MAG)

Fettsäuren Glycerin

Magenlipase

Pankreaslipase

Pankreaslipase Pankreaslipase

Phospholipase Phospholipase

Cholesterin- esterase

Cholesterin- esterase

Cholesterin

Cholesterin Fettsäuren

β-MA G

Glycerin Glycerin

Fettsäuren (< C₁₀)

Fettsäuren (< C₁₀) Resynthese

Cholesterinester Triacylglycerin Chylomikronen

Glycerin Darmlumen

Mukosazelle Gallenblase/Leber Pankreaszelle Magenzelle Speicheldrüse

Gallensalze

Chylo- mikronen

Lymphe Körper- kreislauf

Pfortader-System Leber

Magenlipase

Abb. 3.7 Verdauung der Li- pide.