Ernährung und Verdauungssystem

Ernährung: Proteine, Lipide, Kohlenhydrate


 
© H. Hinghofer-Szalkay

Anabolismus: ανα-βολισμός = Hinauf-wurf (βάλλειν = werfen)
Cholesterin: χολή = Galle, στερεός = fest
Glykolyse: γλυκύς = süß, λύσις = Auflösung
Katabolismus: κατα-βολισμός = Herab-wurf, Kräfteverfall
Lezithin: λέκιθος = Eidotter
Peptid: πεπτός = verdaut
Protein: πρῶτος = Erster (Berzelius meinte, alle Proteine würden auf einer gemeinsamen Grundsubstanz basieren)


Makronährstoffe (Proteine, Lipide, Kohlenhydrate) werden vom Körper für Aufbau und Funktion benötigt, im Ausmaß abhängig von Körpergewicht, Belastungsgrad (physisch, psychisch, immunologisch), Geschlecht, Alter und Gesundheitszustand (bei Frauen auch evt. Schwangerschaft und Stillperiode). Das jeweilige Minimum und Optimum hängt von solchen Faktoren ab.

Die Körperreserven sind sehr unterschiedlich: Kohlenhydrate werden für den Energiestoffwechsel vor allem in der Leber (70-150 g) und in der Muskulatur (150-300 g) gespeichert - die Leberreserve für den Bedarf anderer Gewebe, wie Gehirn, rote Blutkörperchen oder Nierenmark; die Muskulatur utilisiert ihre Reserve selbst. Die Kohlenhydratzufuhr trägt etwa die Hälfte der gesamten Energiezufuhr - abhängig von der Ernährungsform (Zufuhr von Fetten) und vom Ausmaß an Muskelbelastung (Spitzenbelastungen bedingen kurzzeitig teils anaerobe Nutzung von Glukose, Dauerbelastung vorwiegend Nutzung freier Fettsäuren).

Lipide werden vor allem als Neutralfette in Adipozyten gespeichert (≈15 kg); diese Reserve ist für längere Zeiträume verfügbar (beim Abbau der Neutralfette entstehen Fettsäuren und Glyzerin), die Leber kann aus freien Fettsäuren Ketone bilden, die in Hungerperioden für das Gehirn nutzbar sind (Ketose). Physiologisch bedeutsam ist vor allem die Versorgung mit essentiellen Fettsäuren, insgesamt sollten etwa 30% der Energie in Lipidform zugeführt werden.

Proteine (Körperspeicher 6-12 kg) sind für den Energiestoffwechsel nur notfalls vermehrt nutzbar (Katabolismus); sie sind u.a. Quelle von Stickstoff- und Schwefelverbindungen. Der Pool an freien Aminosäuren beträgt etwa 130 g, der Großteil davon in der Muskulatur (≈1% im Blut). Als optimale Eiweißzufuhr wird ein Wert von 0,8 g/kg/d angesehen, bei besonderen Anforderungen steigt dieser Wert deutlich an.


Übersicht
Proteine Lipide Kohlenhydrate


Der Bedarf an Nahrungsstoffen (Makronährstoffe: Kohlenhydrate, Fette, Eiweiß; Mikronährstoffe: Mineralien, Spurenelemente, Vitamine) hängt in erster Linie ab von

  Körpermasse (Bedarfswerte pro kg KG anzugeben) und

  körperlicher Belastung / Aktivität (Tagesumsatz kann sich bis zu etwa verdreifachen, z.B. von ≈8 auf >20 MJ/d)

weiters von Faktoren wie

  Alter (Umsatz pro kg KG sinkt mit dem Alter, nimmt aber bei Wachstumsschüben zu)

  Geschlecht (Körperzusammensetzung: Männer - höherer Anteil an Muskelmasse an KG, Frauen - höherer Anteil an Fettmasse an KG)

  psychischer Belastung (Bedarf kann mit Belastung zunehmen)

  Gesundheitszustand (z.B. erhöhter Bedarf im Postaggressions-Stoffwechsel)

 

  Über das System der Energieversorgung durch Fette, Kohlenhydrate und Protein s. dort

  Zu den Energiespeichern im Körper s. dort



  Proteine. Der Körper besteht zu ≥15 Masse-% aus Eiweiß, davon befindet sich etwa die Hälfte in der Skelettmuskulatur. Proteine sind die einzigen Stickstoffträger, die der Körper verwerten kann, und allgemein die wichtigsten biochemischen Funktionsträger des Körpers. Sie werden als Bausubstanzen (Kollagen macht ≈1/3 der gesamten Proteinmasse des Organismus aus), Funktions- (z.B. Enzyme) und Informationsträger (z.B. Hormone) sowie als Erkennungsmoleküle (z.B. Antikörper, Rezeptoren) benötigt und können auch als Energieträger herangezogen werden (12-15% des Nahrungsenergieumsatzes, gesteigert z.B. im Hungerzustand).

Der (auf das Körpergewicht normierte) Eiweißbedarf einer erwachsenen Person beträgt typischerweise ≈0,8 g/kg/Tag (>65 Jahre: 1 g/kg/Tag). Kleinkinder (bis 2,5 g/kg/Tag), Schwangere (≈1 g/kg/Tag), Sportler, oder Patienten nach einem chirurgischen Eingriff kommen damit nicht aus: Bei ihnen steigt der Eiweißbedarf. Auch die Qualität der Nahrungsmittel muss berücksichtigt werden: Während ein Anteil von 20% an essentiellen Aminosäuren an der Eiweißzufuhr beim Erwachsenen ausreicht, liegt dieser Wert für Kleinkinder bei 40%.

Nahrungseiweiß liefert Aminosäuren sowie Schwefel- und Stickstoffverbindungen; 8-9 der 20 Aminosäuren (proteinogene L-Aminosäuren), die der menschliche Körper verwendet, sind essentiell, d.h. der menschliche Organismus verfügt nicht über die Enzyme, die zu seiner Synthese vonnöten sind (s. dort). Peptide können ausschließlich aus Aminosäuren aufgebaut sein (Oligopeptide: ≤10 Aminosäuren, Polypeptide: ≤100 Aminosäuren, darüber: Proteine), zusammengesetzte Proteine aus einem Aminosäure- und einem Nichtproteinanteil, wie Lipiden (Lipoproteine), Sacchariden, Nukleinsäuren, Porphyrinen, Metallen.
 

>Abbildung: Proteinumsatzwerte bei einer gesunden erwachsenen Person (≈70 kg KG) im steady state

Werte nach Biesalski / Bischoff / Pirlich / Weimann: Ernährungsmedizin. 5. Aufl. 2018, Thieme-Verlag

Der Eiweißumsatz eines erwachsenen Menschen beträgt etwa 300 g/Tag (>Abbildung), entsprechend 3-4 g/kg KG (bei Säuglingen und in Wachstumsperioden 4-6,5 g/kg).

Der Proteinumsatz lässt sich über die Stickstoffausscheidung ermitteln: Diese beträgt
54 mg/kg KG und entspricht einem Proteinverlust von 0,35 g/kg KG. Dieser Wert wird als "absolutes Eiweißminimum" bezeichnet; die WHO definiert als minimalen Proteinbedarf 0,45 g/kg KG. Unter Berücksichtigung von Begleitfaktoren - wie Wertigkeit des aufgenommenen Eiweißes oder Verdaulichkeit der Nahrung - wird für gesunde erwachsene Personen das Eiweißoptimum als 0,8 g/kg KG angesehen.

Bei schwangeren und stillenden Frauen sowie Säuglingen und heranwachsenden Personen (und auch bei Frühgeborenen) - und bei Patienten mit erhöhtem Reparaturaufwand (Muskelbelastung, Stress, Verbrennungen, Postaggressionsstoffwechsel) - ist der Eiweißbedarf deutlich gesteigert.

Das Verhältnis von Gesamteiweiß in den Geweben zu Plasmaeiweißpool beträgt ziemlich konstant 33:1 (Proteinreserve).

Die Qualität der Nahrungsproteine hängt von deren Aminosäurezusammensetzung sowie der Verdaulichkeit ab (biologische Wertigkeit). Sie ist allgemein höher bei Proteinen tierischer (im Vergleich zu solcher pflanzlicher) Herkunft.

Glutamin trägt zu ≈20% zum extrazellulären Aminosäurepool bei und ist damit die konzentrationsmäßig führende Aminosäure im
Blutplasma. Es wird nicht nur als Bausteinmolekül genutzt (Proteinsynthese), sondern auch als Energieträger. Auch ist Glutamin im Tripeptid Glutathion (GSH) enthalten (Glutaminsäure, Cystein, Glycin). Glutathion findet sich in fast allen Zellen, auch in Körperflüssigkeiten (Kammerwasser, Bronchialsekret), und wirkt als Antioxidans (z.B. in Erythrozyten, in denen fortwährend Sauerstoffradikale entstehen). Das Blutplasma enthält ≈3g Cystein in Form von Glutathion, entsprechend einer Cysteinreserve für 3 Tage (SH-Quelle).
 
  Zur Eiweissverdauung s. dort.
 


  Lipide. Der Körper benötigt Lipide

      als Energielieferanten (Fettsäuren) und Energiespeicher (Neutralfette)

      für mechanische Polsterung (z.B. Nierenfett) und thermische Isolierung (Unterhaut)

      in zellulären Membranen (Außenhaut, Zellorganellen - Phospholipide, Cholesterin)

      in Nervenscheiden (Beeinflussung der Leitungsgeschwindigkeit)

      als Signalstoffe (z.B. Steroidhormone, Eikosanoide)

      als fettlösliche Vitamine

      als Träger von Geschmacks- bzw. Aromastoffen

Die Löslichkeit von Fettsäuren in wässrigen Medien ist durch ihre Kettenlänge bestimmt: Je kürzer, desto besser (mit 4-6 C-Atomen sehr gut, ab 14 C-Atomen unlöslich).

Sättigung: Liegen zwischen den C-Atomen ausschließlich Einfachbindungen vor,
bezeichnet man die Fettsäure als gesättigt (d.h. mit Wasserstoffatomen). Weist die Fettsäure C=C-Doppelbindungen auf, bezeichnet man sie als ungesättigt. Je größer die Zahl der Doppelbindungen, desto flüssiger (bei Raumtemperatur) und reaktiver der Stoff.

Die Zahl der C-Atome, die der Doppelbindungen, sowie die Position der ersten Doppelbindung (vom Methylende der Fettsäure) wird in Klammern angegeben - z.B. "Arachidonsäure (20:4, ω-6)".

Omega-3-Fettsäuren: α-Linolensäure (18:3,
ω-3) wird von Leber und Leukozyten zu Eicopentaensäure (20:5, ω-3) und Docosahexaensäure (22:6, ω-3) metabolisiert (diese beiden kommen reichlich in Meeresfischölen vor). Das Muster der im Körper eingelagerten ω-3-Fettsäuren ist sowohl von der Ernährung als auch von enzymatischen Umwandlungen abhängig. Bestimmte Gewebe sind sehr reich an Docosahexaensäure (Gehirn, Netzhaut, Hoden), und im Tierversuch zeigt sich eine Abhängigkeit kognitiven Verhaltens vom ω-3-Fettsäureangebot mit der Kost.

Omega-6-Fettsäuren: Linolsäure (
18:2, ω-6) kann zu Arachidonsäure (20:4, ω-6) metabolisiert werden. Sie ist - wie die α-Linolensäure - eine essentielle Fettsäure.

  Insgesamt wird eine Zufuhr von 30% des Energiebedarfs in Form von Lipiden empfohlen, mit einem Anteil an gesättigten Fettsäuren von maximal 10% und von 10-13% an einfach ungesättigten Fettsäuren. Essentielle Fettsäuren müssen mit der Nahrung zugeführt werden, da der Körper nicht über das zu ihrer Synthese nötige Enzymsystem verfügt. Das gilt insbesondere für die Linolsäure: Diese findet sich vor allem in Ölen (Sonnenblumen-, Weizenkeim-, Soja- und Maiskeimöl bestehen etwa zur Hälfte aus Linolsäure, Margarine zu ≈10%, Butter zu ≈3%); die Linolsäurezufuhr soll 2,5% der täglich zugeführten Energie entsprechen. Die Zufuhr an α-Linolensäure soll 0,5% der täglich zugeführten Energie ausmachen.
 
Desaturase: Der Körper kann die Fluidität der Zellmembranen durch Synthese von Δ9-Desaturase regulieren; dieses Enzym baut in Fettsäuremoleküle zwischen C9 und C10 eine Doppelbildung ein. So entsteht Ölsäure (18:1, ω-9), welche auch die wichtigste einfach ungesättigte Fettsäure in der Nahrung darstellt (man findet sie in allen Naturfetten).
  Proteine, Insulin, cholesterinreiche Kost steigern die Desaturase-Aktivität, die Zellmembranen werden geschmeidiger
  Beim Fasten sowie bei Personen mit Diabetes mellitus ist die
Desaturase-Aktivität gesenkt, die Fließfähigkeit der Membranen nimmt ab

Trans-Fettsäuren: Natürliche ungesättigte Fettsäuren liegen überwiegend in der Cis-Konfiguration vor. In großer Menge entstehen trans-konfigurierte Fettsäuren bei künstlicher Hydrierung (u.a. von Ölsäure: Härtung von Speisefetten, Frittieren, Margarine, Salatsaucen etc). Trotz ihrer Doppelbindungen wirken sie atherogen; ihr Anteil sollte nicht über 1% der aufgenommenen Nahrungsenergie liegen.
 

<Abbildung: Verwertung von Triglyzeriden

Der Triglyzeridabbau (Lipolyse) wird u.a. angeregt durch Katecholamine (Adrenalin), ACTH und Glukagon. Freie Fettsäuren werden vor allem vom Muskelgewebe genutzt, die Leber kann aus ihnen Ketonkörper bilden (Hungerzustand); Glyzerin baut sie zu Glukose um

Triglyzeride werden in Fettzellen gespeichert (bis ≈0,5 µg/Zelle) und unterliegen mittels Lipolyse und Wiederveresterung ständigem Austausch. Der Abbau zu freien Fettsäuren und Glyzerin wird durch Aktivität des Sympathikus (Noradrenalin), der Nebennierenrinde (ACTH), des Nebennierenmarks (Adrenalin) und von Glukagonproduzenten (vor allem pankreatische α-Zellen) angeregt (<Abbildung).

Freie Fettsäuren und aus ihnen (in der Leber) gebildete Ketone werden von vielen Geweben (vor allem Muskulatur) zur Energieversorgung utilisiert, Glyzerin kann in der Leber (über Glyzerinphosphat) zu Glukose verwandelt und diese zur Stabilisierung des Glukosespiegels exportiert werden (s. Blutzuckerregulierung). Auf Glukose als Energieträger weitgehend exklusiv angewiesen sind das Gehirn, Erythrozyten, das Nierenmark sowie Fibroblasten.
 
    Zum Cholesterinsystem s. dort.

 
  Zur Fettverdauung s. dort.

 


  Kohlenhydrate. Der Körper benötigt Kohlenhydrate - Monosaccharide, Disaccharide, Oligosaccharide und Polysaccharide -

      für die Energieversorgung (diese erfolgt zur Hälfte aus Kohlenhydraten)

      als Baustoffe (Glykoproteine und Glykolipide in Zellmembranen, Proteoglykane im extrazellulären Maschenwerk, Zelladhäsionsmoleküle (interzelluläre Adhäsion sowie zwischen Zelle und extrazellulärer Matrix), Bestandteile von Nukleiden (Desoxyribose in DNS, Ribose in RNS), Muzine, Kohlenhydratanteil in Plasmaglobulinen

      für Biosynthesen, bei denen Kohlenhydrate verbraucht werden: Fettsäuren, (nicht-essenzielle) Aminosäuren, Nukleotide (Pentosephosphatweg, >Abbildung)

     für Signalübertragungszwecke (Membranrezeptoren, interzelluläre Verbindungen)

  Die Zufuhr von Kohlenhydraten ist nicht essentiell - sie können im körpereigenen Stoffwechsel aus Aminosäuren, theoretisch auch aus Fetten gebildet werden. Die Empfehlung der WHO läuft auf eine Zufuhr von 5-6 g/kg/d oder 55-60 (-75)% des Energiebedarfs in Form von Kohlenhydraten hinaus - vor allem hochmolekular (Vollkornprodukte u.a.), Mono- und Disaccharide sollten nicht mehr als 10% der Gesamtzufuhr ausmachen.

Der tägliche metabolische Umsatz beträgt bei erwachsenen Personen ≈200 g/d, das Gehirn alleine verbraucht etwa 140 g/d (7 mg Glukose / 100g / min).
Die minimale Kohlenhydratzufuhr wird mit 10% des täglichen Energieumsatzes veranschlagt (≈1 g/kg), um übermäßigem Proteinabbau und Lipolyse / Ketogenese vorzubeugen.
 
Als "Zucker" im engeren Sinne werden Mono- und Disaccharide bezeichnet:

Monosaccharide:

      Hexosen (6 C-Atome), wie Glukose (Traubenzucker), Fruktose (Fruchtzucker), Galaktose (Schleimzucker), Mannose

      Pentosen (5 C-Atome), wie Ribose, Arabinose, Xylose

    
Man unterscheidet bei den Monosacchariden weiters nach der Position des Carbonylsauerstoffs (=O)

      Aldosen (der Carbonylsauerstoff befindet sich an einem C-terminalen Ende) - z.B. Glukose, Galaktose, Ribose - und

      Ketosen (der Carbonylsauerstoff befindet sich an einem anderen C-Atom, meist C-2 - z.B. Fruktose, Ribulose (Abbildungen)

Disaccharide:

      Saccharose (Glukose und Fruktose, α-1,2-glykosidisch verknüpft - auch Rohr-, Rüben-, Kristall-, Haushaltszucker) wird aus Zuckerrüben, Zuckerrohr oder Ahornsaft gewonnen und ist das wichtigste Süßungsmittel der menschlichen Nahrung

      Laktose (Glukose und Galaktose, ß-glykosidisch verbunden) wird fast ausschließlich in Milchdrüsen von Säugetieren synthetisiert (Anteil in der Milch s. dort). Bei Laktasemangel im Darm entsteht Laktoseintoleranz (vorwiegend in sonnenreichen Weltregionen), Kinder haben mehr Laktaseaktivität als erwachsene Personen

      Maltose (2 x Glukose α-1,4-glykosidisch) und Isomaltose  (2 x Glukose α-1,6-glykosidisch verknüpft) kommt zumeist als Produkt der Hydrolisierung von Stärke in der Nahrung vor (Keimen / Mälzen von Getreide) und entsteht bei der Verdauung von Stärke im Darm

Oligosaccharide:

      3-9 Monosaccharideinheiten, säureresistent, gelangen in den Dickdarm und werden bakteriell gespalten. Beispiele: Raffinose (Trisaccharid aus Glukose, Galaktose und Fruktose, kommt in Zuckerrüben vor), Maltotriose (entsteht bei der Verdauung von Stärke im Dünndarm) oder Oligofruktosen  (in Bananen, Spargel, Zwiebeln)


>Abbildung: Glykogen
Nach einer Vorlage bei  Medical gallery of Mikael Häggström (2014)

Das an Glykogensynthase gekoppelte Enzym Glycogenin im Kern des Glykogenkörpchens ermöglicht molekulare Anlagerung (bis zu ≈30,000 Glukosemoleküle) zu Glykogenkörnchen

Polysaccharide:

      ≥10 Monosaccharideinheiten, Molekulargewicht bis über 1 Million kD. Beispiele: Zellulose (mehrere 102-104 D-Glukose-Einheiten, ß-1,4-glykosidisch verbunden, das häufigst vorkommende Polysaccharid), Stärke (das in der Nahrung wichtigste Kohlenhydrat: Amylopektin zu 3/4, Amylose zu 1/4), Glykogen (Glukose α-1,4- und α-1,6-glykosidisch verknüpft, >Abbildung).

Die minimale tägliche Zufuhr an Kohlenhydraten wird auf 10% des Energiebedarfs geschätzt (entspricht ≈1 g/kg KG); gesundheitliche Schäden treten auch bei dauerhafter Zufuhr von nur 30 g Kohlenhydraten pro Tag nicht auf.

  Zu Glykogenspeichern im Körper s. dort.
 
  Zur Kohlenhydratverdauung s. dort.

 
  Zu Ballaststoffen s. dort.


Eine Reise durch die Physiologie


  Die Informationen in dieser Website basieren auf verschiedenen Quellen: Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.